KR102235965B1 - 로봇 수술을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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데이비드 진 볼링
존 마이클 스튜어트
제리 에이. 컬프
도날드 더블유. 말라코우스키
요제 루이스 모크테주마 드 라 바레라
패트릭 로젤러
조엘 엔. 비어
존 켓첼
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Abstract

수술 기구와 수술 기구로부터 연장하는 에너지 적용기를 조작하기 위한 수술 조작기. 수술 조작기는 에너지 인가기가 전진되는 명령된 자세를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 포함하고, 명령된 자세는 복수의 힘 및 토크 신호에 기초하여 결정된다.

Description

로봇 수술을 위한 시스템 및 방법 {SYSTEMS AND METHODS FOR ROBOTIC SURGERY}
관련 출원 참조
본 출원은 2012년 8월 3일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/679,258호 및 2013년 3월 15일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/792,251호의 이득을 주장하며, 이들 양 출원의 장점 및 내용은 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합되어 있다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 수술 조작기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 수동 또는 준자동 모드로 동작할 수 있는 수술 조작기에 관한 것이다.
최근 의사들은 수술 절차의 수행을 돕기 위해 로봇 장치를 사용하는 것이 유용하다는 것을 발견하였다. 로봇 장치는 통상적으로 하나 이상의 링크절을 포함하는 가동성 아암을 포함한다. 아암은 매우 고도의 정확도로 배치될 수 있는 자유 원위 단부를 갖는다. 수술 부위에 적용되도록 설계된 수술 기구가 아암의 자유 단부에 부착된다. 의사는 외삽에 의해 기구가 의료 또는 수술 절차를 수행하게 되는 환자의 부위에 수술 기구를 정밀하게 위치시키도록 아암을 정확하게 위치시킬 수 있다. 기구를 보유하기 위해 로봇 시스템을 사용하는 한 가지 장점은 의사의 팔과 손과는 달리 시스템 아암은 근육 긴장이나 움찔수축(twitching) 같은 신경학적 작용을 받지 않는다는 것이다. 따라서, 기구를 손에 들고 손으로 배치할 때에 비해, 의료 로봇 시스템을 사용하면 기구를 정적으로 보유할 수 있거나 더 높은 정확도로 규정된 경로를 따라 기구를 이동시킬 수 있다.
또한, 일부 로봇 시스템은 수술 네비게이션 시스템과 함께 사용되도록 설계된다. 수술 네비게이션 시스템은 기구가 적용되는 환자의 위치에 대해 수술 기구의 정확한 상대적 지표를 제공하는 데이터를 생성할 수 있다. 수술 로봇 시스템에 환자에 대한 기구의 위치를 나타내는 데이터가 제공될 때, 로봇 시스템은 기구가 그에 대해 적용되는 환자의 조직에 기구가 적용되는 것을 보증하도록 기구를 위치시킬 수 있다. 이는 기구가 적용되지 않아야 하는 조직에 기구가 적용될 가능성을 실질적으로 제거한다.
일부 의료 로봇 시스템은 "준자동" 모드라 지칭되는 상태로 작동하도록 설계된다. 이러한 동작 모드에서, 로봇 시스템은 사전프로그램된 경로로 환자의 조직에 대해 기구를 이동시키도록 아암을 작동시킨다. 이는 예로서, 기구가 소정 종류의 절단 장치이고, 특정 절차의 목적이 환자의 조직의 미리정해진 구획을 제거하는 것인 경우에 유용하다. 참고로, 로봇 시스템이 "자율" 동작 모드로 동작하는 경우, 로봇은 작동되고 나면 의사로부터 실질적으로 어떠한 입력도 없이 절차를 수행한다. "준자동" 동작 모드에서, 의사는 로봇의 동작을 제어하기 위해 명령을 제기할 수 있다. 예로서, 일부 준자동 로봇은 로봇이 기구를 변위시키기 위해 의사가 로봇과 관련 제어 버튼 또는 스위치를 지속적으로 누름으로써 명령을 작용시키도록 구성된다. 의사에 의한 작동 명령이 없으면, 로봇에 의한 기구의 전진은 적어도 일시적으로 정지된다.
일부 로봇 시스템이 작동되면, 이들이 부착된 기구를 사전프로그램된 이동 경로를 따라 자동으로 이동시키지 않다는 점에서 통상적인 로봇이 아니다. 이들 시스템은 제어 시스템을 포함하며, 이 제어 시스템을 통해 의사는 부착된 기구가 위치되어야 하는 위치를 나타내는 명령을 입력한다. 이들 의사 입력 명령에 기초하여, 이 유형의 시스템은 시스템의 아암/아암들을 작동시켜 실질적으로 동시에 실시간으로 기구의 이동을 유발한다. 이들 로봇 시스템은 수동 모드로 동작하는 것으로 간주된다.
오늘날까지, 단일 절차의 수행 동안, 준자동 동작 모드와 수동 모드 사이에서 전환될 수 있는 로봇 시스템을 제공하는 것이 어려웠다. 예로서, 많은 경우에, 큰 조직 덩이를 제거하기 위해 초기에 수동으로 기구를 조작하기를 원하는 것으로 믿어진다. 절차의 이러한 부분은 때때로 감량(debulking)이라 지칭된다. 그 후, 잔여 조직의 표면을 형성하도록 조직을 제거하기 위해, 의사는 로봇 시스템이 기구의 미세 위치설정을 준자동적으로 수행하기를 원할 수 있다. 절차의 이러한 부분은 때때로 마무리 절단이라 알려져 있다.
또한, 기구의 준자동 위치설정으로부터 수동 위치설정으로 다시 전환하는 것이 바람직할 수 있는 시기들이 있다. 예로서, 정형 관절 교체 절차에서, 의사는 기구가 적용되는 뼈를 정확하게 성형하기 위해 프로그램된 경로로 기구, 즉, 절단 공구를 이동시키기를 원할 수 있다. 이 정확한 뼈 성형은 절단 공구에 의해 노출된 뼈의 면에 대한 임플란트의 정확한 정합을 돕는다. 그러나, 절차 시작 이후, 접촉하는 것이 바람직하지 못한 수술 부위의 대상물과 기구가 충돌할 수 있다는 것이 명백해질 수 있다. 그러한 대상물은 수술 부위로 이동된 조직 또는 그 부위에 위치된 다른 기구일 수 있다. 이러한 상황에서, 의사는 공구의 프로그램된 이동을 일시적으로 중단시키고, 공구를 수동 제어하여 기구를 재배치한 이후, 공구를 프로그램된 이동으로 복귀시키는 것이 가능하여야 한다.
수술 기구와 수술 기구로부터 연장하는 에너지 적용기를 조작하기 위한 수술 조작기가 제공된다. 수술 조작기는 에너지 적용기를 전진시키도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 더 포함한다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 제어기는 에너지 적용기가 적용되어야 하는 명령된 자세를 결정하도록 구성되고, 명령된 자세는 복수의 힘 및 토크 신호의 합에 기초하여 결정된다.
다른 실시예에서, 적어도 하나의 제어기는 수술 기구와 에너지 적용기를 가상 강체로서 모델링하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 적어도 하나의 제어기는 수동 모드나 준자동 모드로 수술 조작기를 작동시키도록 구성된다.
다른 실시예에서, 적어도 하나의 제어기는 기구 공급 속도를 계산하도록 구성된 공급 속도 계산기(feed rate calculator)를 포함한다.
다른 실시예에서, 적어도 하나의 제어기는 에너지 적용기가 재료 체적에 적용되는 위치에 관한 데이터를 수집하도록 구성된 재료 로거(logger) 모듈을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예도 본 명세서에서 고려된다.
본 발명은 청구항에 특정하게 기재되어 있다. 본 발명의 상술한 특장점 및 다른 특장점은 첨부 도면과 연계하여 이루어지는 이하의 상세한 설명으로부터 이해된다.
도 1은 본 발명의 조작기가 환자에게 수술 기구를 위치설정 및 전진시키기 위해 사용되는 방식의 개요도이다.
도 2는 수술 기구 및 네비게이션 트랙커 양자 모두가 부착되는 본 발명의 조작기의 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 조작기의 동작을 조절하기 위해 사용되는 펜던트의 상면도 및 측면도이다.
도 3은 조작기의 정면도이다.
도 4는 조작기의 아암의 사시도이다.
도 5는 조작기 아암의 대안적 사시도이다.
도 6은 조작기 아암의 측면도이며, 하부 아암이 전방에 도시되어 있다.
도 7은 조작기 아암의 상면도이다.
도 8은 단부 이펙터와, 단부 이펙터에 부착된, 여기서는 동력 드릴인 수술 기구의 측면도이다.
도 9는 단부 이펙터와 부착된 수술 기구의 정면도이다.
도 10은 단부 이펙터와 부착된 수술 기구의 사시도이다.
도 11은 조작기와 부착된 수술 기구의 작동을 제어하도록 집합적으로 연동하는 다수의 프로세서의 블록도이다.
도 12는 조작기의 작동을 조절하는 요소와 환자와 연계된 다른 좌표 시스템의 개략적인 예시도이다.
도 13a 내지 도 13e는 조작기의 작동을 조절하도록 구동되는 소프트웨어 모듈의 블록도를 형성한다.
도 14는 조인트 작동기 중 하나를 형성하는 구성요소의 블록도이다.
도 15a는 수술 기구가 적용되는 뼈의 구획을 규정하기 위해 공구 경로가 형성되는 방식을 도시하는 뼈의 측면도이다.
도 15b는 공구 맵의 배열을 도시하는 뼈의 상면도이다.
도 15c는 단일 공구 경로가 다른 길이 및 배향의 경로 세그먼트의 세트를 포함할 수 있는 방식을 예시한다.
도 16a 내지 도 16d는 공구 경로 힘 계산기 내부의 서브 모듈을 도시한다.
도 17은 공구 경로 세그먼트가 롤링 평균 필터에 의해 평균화되는 방식을 개략적으로 도시한다.
도 18a 내지 도 18d는 배향 조절기에 의해 사용되는 지점 및 경계가 생성되는 방식의 개략적 도면의 세트이다.
도 19는 목표 배향으로부터의 기구의 오프셋과 배향 조절기가 결정하는, 오프셋을 보상하기 위해 가상 강체에 적용되어야 하는 힘 사이의 관계의 도식도이다.
도 20a, 도 20b 및 도 20c는 절단 안내부에 의해 수행되는 에너지 적용기 재배치의 개략도이다.
도 21a, 도 21b 및 도 21c는 절단 안내부에 의해 실행되는 가공 단계의 흐름도를 형성한다.
도 22는 에너지 적용기(applicator)에 가장 근접한 타일을 결정하는 경계가, 적용기가 교차할 가능성이 가장 큰 타일이 아닐 수 있는 방식의 예시도이다.
도 23a 및 도 23b는 규정된 경계를 초과한 에너지 적용기의 이동을 절단 안내부가 방지한 결과로서, 기구 및 에너지 적용기가 받게 되는 속도 변화의 개략도이다.
도 23c는 규정된 경계를 초과한 에너지 적용기의 이동을 절단 안내부가 방지한 결과로서 에너지 적용과 기구의 위치의 변화의 개략도이다.
도 24는 조인트 한계 구속력을 생성하는 공정의 흐름도이다.
도 25는 간섭 각도 구속력을 생성하는 공정의 흐름도이다.
도 26은 작업공간 구속력을 생성하는 공정의 흐름도이다.
도 27은 기구 매니저 내외로의 입력 및 출력의 블록도이다.
도 28a 내지 도 28g는 종합적으로 기구의 준자동적 전진시 결합될 때 조작기에 의해 실행되는 공정 단계의 흐름도를 형성한다.
도 29a 및 도 29b는 각각 준자동 모드에 있을 때 기구의 초기 배향을 개략적으로 도시하는 상면도 및 측면도이다.
도 30a 및 도 30b는 각각 공구 배향력 조절기에 의해 출력된 힘 및 토크 명령에 기초하여, 조작기가 기구 및 에너지 적용기를 배향하고 그래서 공통 축이 중심 지점을 통해 연장하는 방식을 개략적으로 도시하는 상면도 및 측면도이다.
도 31은 공구 경로를 따라 에너지 적용기가 전진할 때, 공구 배향력 조절기에 의해 출력된 힘 및 토크 명령에 기초하여, 공통 축의 배향이 중심 지점에 비교적 근접하게 유지되는 방식의 개략도이다.
도 32a, 도 32b 및 도 32c는 각각, 공구 경로 위에 장애물(828)이 존재하는 상태에서도, 기준 표면 개구 내에 공통 축을 유지하면서 공구 경로 상에서 에너지 적용기를 보유하도록 조작기가 기구의 배향을 조절할 수 있게 하는 방식의 상면도, 측면도 및 단면도이다.
도 33a 및 도 33b는 각각 기준 표면 개구 내에 공통 축을 유지하면서 공구 경로 상에 에너지 적용기를 보유하기 위해 조작기가 기구의 배향을 조절하는 방식의 상면도 및 측면도이다.
도 33c는 에너지 적용기가 공구 경로를 따라 전진할 때, 공구 배향 조절기에 의해 출력된 함 및 토크에 기초하여, 기준 표면 개구 내에 축을 유지하기 위해 공통 축의 배향이 변위되는 방식의 개략도이다.
도 34a, 도 34b 및 도 34c는 배향 기준 표면 및 표면에 형성된 개구의 위치가 조직기의 작업 동안 재설정되는 방식을 도시하는 다른 단면도 세트이다.
도 35a, 도 35b 및 도 35c는 기준 표면과 기준 표면에 의해 형성된 개구의 위치 및 배향이 조작기의 동작 동안 재설정되는 방식을 도시하는 다른 단면도 세트이다.
도 36a, 도 36b 및 도 36c는 수술 절차의 과정 동안 에너지 적용기가 적용되어야 하는 위치를 규정하는 경계가 변경되는 방식을 도시하는 일련의 도면이다.
I. 개요
본 발명은 일반적으로 환자 내에 또는 환자 상에 수술 기구 또는 공구를 위치시키는 새롭고 유용한 수술 조작기에 관한 것이다. 수술 조작기는 조직에 적용되는 기구의 단부가 기구가 적용되어야 하는 조직에만 적용되도록 수술 기구를 위치시킨다.
조작기는 수동 모드 또는 준자동 모드로 동작될 수 있다. 조작기가 수동 모드에서 동작할 때, 조작기는 기구의 위치를 설정하기 위해 기구 상에 의사가 부여하는 힘 및 토크를 감시한다. 이들 힘과 토크는 조작기의 일부인 센서에 의해 측정된다. 의사가 적용한 힘과 토크에 응답하여, 조작기는 실질적으로 실시간으로 기구를 이동시킨다. 따라서, 조작기에 의한 기구의 이동은 의사에 의해 기구를 원하는 위치로 설정하는 것을 모사하는 기구 이동이 되는 것으로 고려될 수 있다.
조작기가 수동 모드인 경우, 조작기는 경계에 대한 기구의 상대 위치를 결정한다. 이 경계는 조직의 한계를 초과하여 기구가 배치되지 않아야 하는 조직의 한계를 규정한다. 의사가 이 경계를 초과하여 기구를 위치시키기를 원하는 것으로 나타나는 경우에, 조작기는 기구의 이러한 이동을 허용하지 않는다. 예로서, 조작기가 의사의 기구 재배치에 의해 기구가 지나가지 않아야 하는 경계에 기구가 접근하는 것으로 판정하면, 조작기는 경계를 초과한 기구의 이동을 방지한다.
의사는, 팁이 초과하여 적용되지 않아야 하는 위치로 기구를 재배치하는 것을 계속하여 시도할 수 있다. 조작기는 팁이 경계를 초과하여 재배치되도록 팁을 이동시키지 않는다. 그러나, 조작기는 의사로부터 감지된 힘에 따라 기구를 재배향한다. 팁의 재배치를 허용하지 않는 기구의 이러한 재배향은 의사에게 기구 팁이 지나가지 않아야하는 경계에 도달하였다는 것을 알린다. 조작기는 여전히 경계를 따라 팁을 이동시키도록 응답하지 않는다.
조작기가 준자동 모드에서 동작할 때, 조작기는 미리 규정된 이동 경로를 따라 기구를 이동시키기 위해 필요한 힘 및 토크를 계산한다. 이들 힘 및 토크에 기초하여, 조작기는 기구를 미리 규정된 이동 경로를 따라 이동시킨다.
조작기가 준자동 동작 중에 기구를 이동시키는 동안, 기구의 위치의 소정의 수동 조절에 착수할 수 있다는 것이 추가적 특징이다. 임의의 이 조절은 기구가 프로그램된 이동 경로를 따라 이동하는 동안 의사가 기구의 배향을 조절할 수 있다는 것이다.
일부 형태에서, 조작기가 기구를 전진시킬 때, 이는 가상 강체에 적용될 필요가 있는 힘 및 토크의 결정에 기초하여 이루어진다. 이러한 가상 강체는 기구 및 에너지 적용기의 모델이다. 이들 힘 및 토크에 기초하여, 조작기는 기구를 전진시킨다. 조작기가 수동 모드로 동작할 때, 이들 힘 및 토크의 성분은 가상 강체에 적용된 결과로서 기구가 경계를 지나지 않는 방식으로 조작기가 기구를 위치 설정하게 하는 힘 및 토크이다. 조작기가 준자동 모드에서 동작할 때, 가상 강체에 적용되는 힘 및 토크는 추가적 성분을 포함한다. 이들 추가적 힘 및 토크 성분의 존재에 응답하여, 조작기는 기구를 전진시키고, 그래서, 에너지 적용기가 미리 규정된 공구 경로를 따라 이동한다.
일부 형태에서, 조작기는 다수의 상호연결된 링크를 포함한다. 이들 링크는 직렬 및/또는 병렬로 함께 연결될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 이들 링크는 두 개의 평행한 4개 바아 링크절을 형성한다. 기구는 링크의 원위 단부에 연결된다. 일반적으로 각각의 인접한 링크 쌍은 조인트에 의해 연결된다. 링크의 위치는 조인트와 관련 작동기에 의해 설정된다.
도 1 및 도 2는 수술 기구(160)를 환자(600)에 적용하기 위해 사용되는 예시적 조작기(50)를 예시한다. 조작기(50)는 수술 기구(160)가 부착되는 조작기의 구성요소인 단부 이펙터(110)를 포함한다. 조작기(50)는 기구가 환자에게 의도된 의료/수술 절차를 수행하도록 수술 기구(160)를 위치설정 및 배향하도록 단부 이펙터(110)를 위치시킨다. 조작기(50)는 수술 네비게이션 시스템(210)과 연계하여 사용된다. 수술 네비게이션 시스템(210)은 단부 이펙터(110)와 환자(600)의 위치를 감시한다. 이러한 감시에 기초하여, 수술 네비게이션 시스템(210)은 기구가 적용되는 환자의 부위에 대한 수술 기구(160)의 위치를 결정한다.
또한, 수조작 펜던트(hand held pendant)(190)(도 2a)가 조작기(50)에 부착된다. 펜던트(190)는 조작기 및 기구(160)의 동작을 조절하기 위해 일부 동작 모드에서 사용된다.
본 발명의 조작기(50)는 수동 모드에서 동작할 수 있다. 조작기가 수동 모드에서 동작할 때, 조작기는 기구를 위치 설정하기 위해 의사가 기구(160) 상에 부여하는 힘 및 토크에 응답한다. 이들 힘 및 토크에 응답하여, 조작기는 의사에 의해 적용된 힘 및 토크에 기초하여 발생된 이동을 모사하는 방식으로 기구를 기계적으로 이동시킨다. 기구(160)가 이동함에 따라, 수술 조작기(50) 및 수술 네비게이션 시스템(210)은 기구가 규정된 경계 내에 있는지를 결정하기 위해 협력한다. 항상은 아니지만 빈번하게, 이 경계는 환자 내에 있고, 기구는 이 경계를 초과하여 적용되지 않아야 한다. 이들 데이터에 기초하여, 조작기(50)는 기구(160)가 이동하는 범위를 선택적으로 제한한다. 구체적으로, 조작기는 다른 경우에 규정된 경계 외측에 기구가 적용되게 하는 이동을 수행하는 것에 대해 조작기를 억제한다. 따라서, 경계를 초과한 기구의 전진을 초래하는 힘 및 토크를 의사가 적용하는 경우, 조작기는 기구의 이러한 의도된 위치설정을 모사하지 않는다.
또한, 조작기(50)는 준자동 모드에서 동작할 수 있다. 이러한 모드로 조작기(50)를 동작시키기 위해, 기구(160)가 그를 따라 조직에 적용되어야 하는 이동 경로를 생성한다. 적어도 이러한 경로의 기초적 형태가 절차의 시작 이전에 생성된다. 이들 힘 및 토크와 다른 데이터에 기초하여, 조작기는 기구가 전진되어야 하는 명령된 자세(commanded pose)를 설명하는 데이터를 생성한다. ("자세"는 설명되는 시스템 구성요소의 위치 및 배향이 되는 것으로 이해된다.) 명령된 자세가 생성되고 나면, 조작기는 이 자세까지 기구를 전진시킨다. 수동 모드에 있을 때와 같이, 기구가 준자동 모드에서 동작할 때, 조작기는 경계를 초과하여 기구(160)를 전진시키지 않는다.
II. 하드웨어
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 조작기(50)는 카트(52)를 포함한다. 카트(52)는 바퀴가 장착된 프레임(프레임은 예시되지 않음)을 포함한다. 외피(56)는 프레임 위에 배치된다.
조작기(50)는 각각 하부 및 상부 아암(68, 70)을 포함한다. 아암(68, 70)은 각각 견부(67, 69)로부터 상방으로 연장한다. 견부(67, 69)는 카트 외피(56) 위에 위치된다. 각 견부(67, 69) 및 관련 아암(68, 70)은 각각 종합적으로 카트(52)의 수평 기부 평면에 대해 3 자유도(three degrees-of-freedom)를 갖는다. 상부 아암(70)이 장착되는 견부(69)는 하부 아암(68)이 장착되는 견부(67) 위에 위치된다. 양 견부(67, 69)는 카트 프레임에 회전가능하게 부착된다. 각 견부(67, 69)는 카트(52)의 수평 기부 평면에 수직으로 연장하는 축을 중심으로 회전한다. 각 견부(67, 69)의 회전은 각각 관련 아암(68 또는 70)의 유사한 변위를 초래한다. 아래 기술된 바와 같이, 견부는 항상 일체로 이동하거나 동일한 최종 위치를 가질 필요는 없다. 카트(52) 상의 기준 위치에 대한 각 견부(67, 69)의 각도 위치는 견부의 조인트 각도라 지칭된다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 각 아암(68, 70)은 4개 바아 링크절을 포함한다. 이들 도면에서, 아암은 그 공칭 홈 위치에 있다. 각 아암(68, 70)은 견부(67 또는 69)에 피봇으로 장착된 상부 링크(74)를 포함한다. 상부 링크(74)가 피봇할 수 있는 상태에서, 도 4 및 도 5에서, 이들은 견부 위에서 지면에 대략 수직으로 연장하는 것으로 도시되어 있다. 구동기 링크(76)가 또한 견부(67 또는 69)에 피봇으로 장착된다. 구동기 링크(76)는 상부 링크(74)가 그를 중심으로 피봇하는 동일한 축을 중심으로 피봇하도록 견부(67 또는 69)에 장착된다. 각 구동기 링크는 관련 견부(67 또는 69)로부터 이격 방향으로 후향 연장한다. (여기서, "후향"은 환자로부터 멀어지는 방향이다. "전방"은 환자를 향한 방향이다.) 본 발명의 도시된 형태에서, 구동기 링크(76)는 다른 링크와는 달리 대체로 직선 비임의 형태가 아니다. 대신, 각 구동기 링크(76)는 굴곡부를 갖도록 형성된다(굴곡부는 도시되지 않음). 구동기 링크(76)의 굴곡된 형상은 견부(67, 69) 주변의 링크의 유극을 조성한다.
4개 바아 링크(78)는 각 구동기 링크(76)의 후방 자유 단부에 피봇으로 장착된다. 4개 바아 링크(78)는 관련 구동기 링크(76)로부터 상부 방향으로 연장되며, 일반적으로 상부 링크(74)와 평행하다. 구동 링크(80)는 각 아암(68, 70)의 잔여 강성 링크이다. 각 구동 링크(80)는 표시되지 않은 상부 섹션을 가지며, 이는 관련 근위 4개 바아 링크(78)의 자유 단부에 피봇으로 부착된다. 또한, 각 구동 링크(80)는 관련 상부 링크(74)의 자유 단부에 피봇으로 부착된다. 각 구동 링크(80)는 상부 링크(74)를 초과하여 외향 연장하는 표시되지 않은 전방 섹션을 갖는다. 지면 레벨 위에서 서로 다른 높이를 갖는 견부들(67, 69)에 기인하여, 상부 아암(70)과 일체인 구동 링크(80)는 하부 아암(68)과 일체인 구동 링크 위에 위치된다.
각 견부(67, 69)와 같이, 각 링크(74, 76, 78, 80)는 회전한다. 두 개의 링크 사이의 연결부는 조인트라 지칭된다. 두 개의 링크 사이의 각도는 링크를 연결하는 조인트의 조인트 각도이다.
또한, 조작기(50)의 일부인 강성 커플러(88)는 구동 링크(80)의 원위 단부 사이에서 연장한다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 손목부(82)는 커플러(88)를 하부 아암 구동 링크(80)에 연결한다. 손목부(82)는 하부 아암 구동 링크(80)에 연결된다. 손목부(82)는 3 자유도 손목부이다. 손목부(84)는 상부 아암 구동 링크(80)의 원위 단부에 커플러(88)를 연결한다. 손목부(84)는 2 자유도 손목부이다. 이러한 유형의 조작기의 특징 중 일부의 설명 및 단부 이펙터(110)를 위치설정하기 위해 사용될 수 있는 대안적 링크 세트의 설명은 그 내용이 본 명세서에 명시적으로 통합되어 있는 2011년 5월 31일자로 허여된 발명의 명칭이 조작기인 미국 특허 제7,950,306호에 포함되어 있다.
각각 중 하나가 도 13d에 개략적으로 도시되어 있는 세 개의 작동기(92, 94, 96)가 각 아암(68, 70)과 연계된다. 각 작동기(92)는 관련 아암(68 또는 70)과 일체인 견부(72)에 인접하게 카트 프레임에 장착된다.
작동기(94, 96)는 관련 아암(68 또는 70)과 일체로 견부(67 또는 69)에 장착된다. 작동기(94)는 상부 링크를 선택적으로 피봇시키도록 상부 링크(74)에 연결된다. 작동기(96)는 구동기 링크(76)를 피봇시키도록 구동기 링크(76)에 연결된다. 구동기 링크(76)의 피봇팅은 부착된 4개 바아 링크(78)의 변위를 초래한다. 4개 바아 링크(78)의 이동은 부착된 구동 링크(80)의 피봇팅을 초래한다. 구체적으로, 구동 링크(80)는 구동 링크(80)가 관련 상부 링크(74)에 그를 중심으로 부착되는 축을 중심으로 피봇한다. 이들 특정 기어 조립체는 실질적으로 "제로 백래시" 기어 조립체이다. 서로 맞물리는 기어 사이에 어떠한 헐거움도 실질적으로 존재하지 않는다. 기어의 이러한 특징은 견부(72)와 링크(74, 76, 78, 80)의 정확한 위치설정에 기여한다.
아암(68, 70)과 커플러(88)는 종합적으로 중첩 작동 메커니즘(over actuated mechanism)을 형성한다. 이는 일 링크의 작동에는 다른 작동 링크 중 하나 이상의 대응 이동이 동반되어야 한다는 것을 의미한다.
다수의 구성요소가 각 작동기(92, 94, 96)와 연계된다. 도 14는 작동기(94)와 연계된 구성요소를 임의적으로 도시한다. 구체적으로, 작동기는 견부(67 또는 69)에 대해 내부적으로 구조 프레임(87)에 부착된 영구 자석 동기 모터(101)를 포함한다. 모터(101)는 프레임(87)에 직접적으로 부착되지 않는다. 대신, 토크 센서(89)가 프레임(87)과 모터(101) 사이에 위치된다.
후술된 회전 인코더(114)가 모터(101)와 연계되어 있다. 모터에 급전되지 않을 때 브레이크(103)는 모터 샤프트의 회전을 로킹시킨다. 브레이크(103)의 로킹/로킹해제 상태는 조작기 제어기(124)에 의해 제어된다. 조작기(50)가 급전중지될 때, 조작기 제어기(124)는 로킹해제 상태로부터 로킹 상태로 브레이크(103)를 설정한다. 따라서, 조작기(50)가 급전중지될 때, 브레이크(103)는 아암의 이동을 방지하는 아암(68, 70) 및 견부(67, 69)와 일체인 구성요소이다.
감속 기어(105)는 모터 로터(미도시)의 출력 샤프트의 회전 이동을 모터가 부착되는 견부(67 또는 69)나 링크(74 또는 76)를 구동하는 회전 모멘트로 변환한다. 본 발명의 일부 형태에서, 감속 기어는 하모닉 기어 구동부이다. 감속 기어 조립체(105)의 출력 샤프트(107)는 상부 링크(74)에 연결되어 도시되어 있다. 본 발명의 일부 형태에서, 모터, 회전 인코더, 브레이크 및 감속 기어 조립체는 단일 유닛이다.
도시되지 않았지만, 각 작동기와 일체로 전달 기어 조립체가 있다. 작동기(92)와 일체인 전달 기어 조립체는 관련 견부(67 또는 69)를 회전시키는 기어를 포함한다. 작동기(94)와 일체인 전달 기어 조립체는 상부 링크(74)를 피봇시키는 기어를 포함한다. 작동기(96)와 일체인 전달 기어 조립체는 구동기 링크(76)를 피봇시키는 기어를 포함한다. 전달 기어 조립체는 실질적으로 "제로 백래시(zero backlash)"기어 조립체이다. 이는 서로 맞물리는 기어 사이에 실질적으로 어떠한 헐거움도 존재하지 않는다는 것을 의미한다. 기어 조립체의 이러한 특징은 견부(67, 69) 및 아암(68, 70)의 정확한 위치설정에 기여한다.
각 아암(68, 70)과 관련하여 세 개의 상술한 회전 인코더(112, 114, 116)가 있다. 각각 중 하나가 도 13d에 도시되어 있다. 각 회전 인코더(112, 114, 116)는 인코더가 연계되는 아암(68 또는 70)의 세 개의 구동된 구성요소 중 하나의 각도 위치를 감시하는 센서이다. 회전 인코더(112)는 아암 견부(67, 69)의 회전을 감시한다. 회전 인코더(114)는 아암 상부 링크(74)의 회전을 감시한다. 회전 인코더(116)는 아암 구동기 링크(76)의 회전을 감시한다.
본 발명의 상술한 형태에서, 각 회전 인코더(112, 114, 116)는 각각 관련 작동기(92, 94, 96) 내부의 모터(101)와 일체인 샤프트의 회전을 감시한다. (모터 샤프트는 예시되지 않음). 각 작동기 모터 샤프트의 회전은 모터에 의해 구동되는 견부 또는 아암 링크의 회전에 직접적으로 비례한다. 각 회전 인코더(112, 114, 116)는 관련 모터 샤프트의 로터가 회전되는 정도 및 회전 방향(시계방향 또는 반시계방향) 양자 모두를 감시한다.
본 발명의 다른 형태에서, 각 인코더(112, 114, 116)는 모터 샤프트를 모터가 변위시키는 견부 또는 아암 링크에 연결하는 전달 기어 조립체의 기어 중 하나의 회전 방향 및 회전 정도를 감시한다. 관련 모터에 의해 설정되는 조인트의 조인트 각도와 이 기어의 회전 정도 사이에는 1차 선형 관계가 존재한다. 대안적으로, 각 인코더(112, 114, 116)는 센서가 연계되는 조인트의 조인트 각도를 직접적으로 측정하는 센서이다.
본 발명의 일부 양호한 형태에서, 인코더(112, 114, 116)는 절대값 인코더이다. 절대값 인코더는 조작기(50)의 시동시 인코더가 감시하는 구성요소(모터 로터 샤프트 또는 기어 샤프트)의 위치를 즉시 나타내는 신호를 생성한다. 본 발명의 다른 형태에서, 인코더는 증분 인코더이다. 조작기(50)의 시동시, 증분 인코더는 제로 상태로 설정된다. 제로 상태로 설정되고 나서, 증분 인코더는 인코더가 감시하는 구성요소가 변위되는 정도를 나타내는 데이터를 제공한다. 이러한 유형의 인코더에서, 조작기의 사용 이전에, 아암(68, 70)은 홈 또는 제로 상태 위치로 이동될 수 있다. 아암이 이렇게 이동되고 나서, 인코더에 의해 유지되는 증분 계수치는 0이된다. 제로화 처리 이후, 모터에 의해 출력된 증분 계수치는 아암(68, 70)의 위치의 추정 지표를 제공하기 위해 사용된다.
본 발명의 일부 양호한 형태에서, 회전 인코더(112, 114, 116)는 다중 회전 절대값 인코더이다. 이 유형의 절대값 인코더는 360도 완전 회전을 나타낸 이후 추가적 현재 회전 각도가 최초 또는 추가적 360도 회전에 추가적이라는 것을 나타내는 신호를 출력한다. 예로서, 감시되는 샤프트의 제3 회전 동안 인코더가 10도의 회전을 나타낼 때, 인코더는 샤프트가 730도 회전을 하였다는 것을 나타내는 신호를 출력한다.
조작기(50)는 두 개의 추가적 인코더, 즉, 인코더(117, 118)를 포함한다. 인코더(117, 118)는 상부 아암(70)과 일체로 구동 링크(80)와 연계된다. 도 13d에서, 인코더(117, 118)는 상부 아암 구동 링크(80) 내부에 도시되어 있다. 인코더(117, 118)는 상부 아암 구동 링크(80)에 대해 손목부(84)의 각도 위치를 나타내는 신호를 생성한다. 상술한 바와 같이, 손목부(84)는 인접한 구동 링크에 대해 2 자유도로 회전한다. 각 인코더(117, 118)는 손목부가 그를 중심으로 회전하는 축 중 하나 둘레에서의 손목부의 각도 위치를 나타내는 신호를 생성한다.
단부 이펙터(110)는 커플러(88)에 강성적으로 부착된다. 본 발명의 일부 형태에서, 단부 이펙터는 커플러(88)에 제거가능하게 부착된다. 상세히 도시되거나 또는 설명되지 않았지만, 단부 이펙터(110)는 커플러(88)에 대해 수술 기구(160)를 견고히 그리고 해제가능하게 보유하는 도 10에 표시된 커플링 조립체(111)를 포함한다는 것을 이해하여야 한다. 커플링 조립체(111)는 기구가 현저한 힘을 받을 때 이들 힘이 단부 이펙터(110)에 대한 수술 기구(160)의 미끄럼을 유발하지 않는 것을 보증하도록 설계된다. 단부 이펙터는 하나 이상의 자유도로 이동할 수 있다. 이런 단부 이펙터는 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 발명의 명칭이 "하우징, 하우징으로부터 연장하는 절단 액세서리 및 하우징에 대한 절단 액세서리의 위치를 정립하는 작동기를 포함하는 수술 기구"인 미국 특허 출원 제13/600,888호에 개시된 수술 기구를 포함할 수 있다.
또한, 커플러(88)에는 도 13d에 심볼로 도시되어 있는 센서(108)가 장착되어 있다. 센서(108)는 단부 이펙터(110)가 배치되는 힘 및 토크의 함수인 가변 신호를 출력하도록 구성된다. 센서(108)의 정확한 구조는 본 명세서에 설명되어 있지 않지만, 센서는 6 자유도 센서라는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 센서(108)는 기구 또는 에너지 적용기에 적용되는 힘의 축을 중심으로 3개 토크 및 3개 상호 직교 힘을 나타내는 신호를 출력한다.
또한, 카트(52)에는 도 11에 블록 형태로 도시되어 있는 조인트 모터 제어기(126) 및 조작기 제어기(124)가 장착된다. 조작기 제어기(124)는 고속 범용 목적 디지털 컴퓨터일 수 있다. 한 가지 이런 컴퓨터는 x8 슈퍼마이크로 머더보드를 갖는 컨커런트 컴퓨터로부터 입수할 수 있는 iHawk 컴퓨터이다. 이 컴퓨터는 듀얼 쿼드 코어 프로세서를 갖는다. 본 발명의 일부 형태에서, 조작기 제어기는 더 적거나 더 많은 처리 코어를 갖는다. 본 발명의 또 다른 형태에서, 조작기 제어기(124)는 16개 이상의 처리 코어를 갖는다. 또한, 조작기 제어기(124)는 통상적으로 다수의 그래픽 처리 유닛을 갖는다. 일 실시예에서, 조작기 제어기(124)는 수술 기구(160)가 힘/토크 센서(108), 인코더(112, 114, 116, 117, 118), 수술 네비게이션 시스템(210) 및 다른 정보에 기초하여 이동되어야 하는 위치를 결정한다. 이러한 결정에 기초하여, 조작기 제어기(124)는 수술 기구(160)를 재배치하기 위해 각 아암 형성 링크가 이동될 필요가 있는 정도를 결정한다. 링크가 위치되는 위치에 관한 데이터는 조인트 모터 제어기(126)로 전달된다.
각 조인트 모터 제어기(126)는 조인트 모터(101) 중 하나의 모터에 대한 여기 신호의 적용을 조절한다. 조인트 모터 제어기(126)의 주요 기능은 후술된 명령된 조인트 각도에 접근하는 각도까지 관련 조인트를 모터가 구동하도록 관련 모터(101)에 여기 신호를 적용하는 것이다. 회전 인코더(114)로부터의 신호는 이러한 유형의 모터 조절을 수행하기 위해 실제 조인트 각도를 나타내는 피드백 신호로서 사용된다. 일부 제어기(126)는 계단식 위치(cascaded position), 속도 및 현재 제어 루프를 사용하여 여기 신호를 계산한다. 각 제어 루프는 종종 비례 적분 미분 제어를 사용하여 구현된다. 피드 포워드 토크를 나타내는 신호는 종종 제어기(126)의 응답성을 개선시키기 위해 현재 제어 루프의 입력에 추가된다.
조인트 모터 제어기(126) 내부에는 구동 회로(미도시)가 있다. 조작기와 일체인 전력공급장치(전력 공급장치는 예시되지 않음)로부터의 전력 신호가 구동 회로에 적용된다. 최종 제어 루프 출력 신호에 응답하여 이러한 구동 회로는 전력 신호를 모터(101)에 적용되는 적절한 여기 신호로 변환한다. 조작기(50)의 다수의 형태에서, 여기 신호는 3상 펄스폭 변조(PWM) 전압 신호의 형태이다. 이러한 신호는 종종 10과 200 볼트 사이의 전압 진폭과 20과 200 kHz 사이의 PWM 주파수를 갖는다. 구동 회로는 모터(101)에서 견인하는 전류를 나타내는 신호를 전류 제어 루프에 다시 공급한다. 이러한 신호는 측정된 모터 전류 신호로서 조작기 제어기(124) 상에서 구동되는 다른 소프트웨어 모듈로 출력된다.
모터(101)가 영구 자석 동기 모터일 때, 제어기(124)는 또한 여기 신호의 적용을 조절하고 그래서 구동된 전류는 로터 위치와 정확한 위상으로 존재한다. 이는 모터 정류라 알려져 있다. 일부 제어기는 필드 배향 제어 기술에 기초하여 정류 제어를 수행한다. 전류 신호의 이러한 조절을 수행하기 위해, 조인트 모터 제어기(126)는 모터 로터의 위치를 나타내는 신호에 의존한다. 로터 인코더(112, 114, 116)로부터의 신호가 피드백 신호로서 사용된다. 본 발명의 일 형태에서, 메사츄세츠주 피보디 소재의 Harmonic Drive LLC로부터의 REL-230-36 모터 제어기가 조인트 모터 제어기(126)로서 사용된다.
터치 스크린 디스플레이(128) 또는 다른 사용자 입력/출력 유닛이 또한 카트(52)에 장착된다. 디스플레이(128)는 역시 카트에 부착된 사용자 인터페이스(130)에 부착된다. 한 가지 이런 사용자 인터페이스(130)는 독일 베를 소재의 Beckhoff Automation으로부터의 C6320 터치 스크린이다. 사용자 인터페이스(130)는 디스플레이(128) 상의 정보의 표시와 디스플레이를 거쳐 입력된 사용자 생성 명령을 초기 처리한다. 이들 명령의 대부분은 조작기 제어기(124)에 적용된다.
사용자 인터페이스(130)는 펜던트(190)에 의해 출력된 신호가 전송되는 조작기 프로세서이다.
카트(52)는 공구 제어기(132)를 포함한다. 공구 제어기(132)는 수술 기구(160)에 여기 신호를 공급한다. 공구 제어기(132)는 통상적으로 전력 공급장치, 전력 제어 회로, 사용자 인터페이스, 용도 특정 데이터 처리 유닛(구성요소들은 예시되지 않음)을 포함한다. 전력 공급장치는 라인 전압을 수술 기구(160)에 적용될 수 있는 전력 신호로 변환한다. 전력 제어 회로는 전력 신호를 기구(160)와 일체인 동력 생성 유닛에 선택적으로 적용한다. 사용자 인터페이스(130)는 그/그녀가 기구를 작동시키기를 원하는 방식에 관한 명령을 입력할 수 있게 한다. 공구 제어기(132)는 사용자 인터페이스를 거쳐 입력된 명령 및 기구를 작동시키기 위해 필요한 다른 데이터를 수신한다. 이들 데이터에 기초하여, 공구 제어기(132)는 의사가 명령한 방식으로 기구가 동작하게 하는 여기 신호를 출력한다. 공구 제어기의 더 상세한 설명은 그 내용이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 발명의 명칭이 "동력식 수술 헨드피스가 연결되는 제어 콘솔로서, 하나보다 많지만 전부는 아닌 핸드피스를 동시에 여기하도록 구성된 콘솔"인 미국 특허 제7,422,582호에 포함되어 있다.
본 발명의 일부 형태에서, 조작기 디스플레이(128)는 공구 제어기(132)를 위한 사용자 인터페이스 및 출력 디스플레이로서 기능한다. 공구 제어기(132) 및 기구(160)의 동작 설정을 설정 및 조절하기 위한 명령은 사용자 인터페이스(130)로부터 공구 제어기(132)로 전달된다.
도 8 내지 도 10에 도시된 수술 기구(160)는 기구의 외부 본체인 외피(162)를 포함한다. 외피(162) 내부에는 도 9에 점선 직사각형으로 표시된 동력 생성 유닛(163)이 있다. 동력 생성 유닛(163)은 공구 제어기(132)로부터 수신된 전력을 적절한 형태의 전력으로 변환한다. 예로서, 기구(160)가 모터식 수술 기구인 경우, 동력 생성 유닛(163)은 기구 모터이다. 기구가 진동하는 경우, 동력 생성 유닛(163)은 원하는 기계적 진동을 유발하는 전기 에너지를 변환하는 구성요소이다. 기구(160)가 빛(광) 에너지를 출력하는 경우, 동력 생성 유닛은 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하는 유닛이다.
기구 외피(160)에 6개 제어 버튼이 장착된다. 두 개의 버튼, 즉, 버튼(164, 174)은 외피(160)의 대향 측부들에 장착된다. 버튼(164, 174)은 일반적으로 병렬로 연결되는 개방형 순간 스위치이다. 의사가 기구(160)를 작동시키기를 원할 때, 의사는 버튼(164 또는 174) 중 어느 하나를 누른다. 버튼(164, 174)에 의해 조절되는 회로의 개방/폐쇄 상태는 연결이 도시되어 있지 않은, 사용자 인터페이스(130)에 의해 감시된다. 인터페이스(130)는 이들 상태 데이터를 조작기 제어기(124)에 전달한다. 조작기 제어기(124)는 이들 제어 부재의 상태에 부분적으로 기초하여, 공구 제어기(132)에 명령을 전송한다. 이들 명령에 기초하여, 공구 제어기(132)는 기구(160) 내부의 동력 생성 유닛(163)에 여기 신호를 선택적으로 적용한다. 두 개의 버튼(164, 174)이 제공되며, 그래서, 의사는 기구의 각 측부 상에 위치된 버튼을 눌러 기구(160)를 작동시킬 수 있다.
버튼(166, 168, 170)은 기구 외피(162)의 전방 면 상에 위치된다. 버튼(166, 168, 170)은 수술 네비게이션 시스템(210)의 동작을 돕기 위해 제공된다. 수술 네비게이션 시스템의 이러한 특정 동작은 본 발명의 일부가 아니다.
제6 버튼인 버튼(172)은 기구의 상단부에 장착된다. 버튼(172)은 순간 접촉 푸시 버튼 스위치이다. 후술된 바와 같이, 버튼(172)은 준자동 모드에 있을 때 기구의 배향을 변화시키기를 의사가 원할 때 눌러진다. 아래에서 명백해질 바와 같이, 기구의 배향을 변화시킨다는 것은 에너지 적용기(184)의 원위 단부 팁이 준자동 모드에서 계획된 경로를 따라 계속 전진하는 동안 양 장치가 에너지 적용기의 원위 단부 팁 둘레로 피봇하도록 기구 및 에너지 적용기(184)를 재배치하는 것을 의미한다.
스위치(176)는 도 8에 도시된 바와 같이, 기구 외피(162)에 피봇으로 장착된다. 스위치(176)는 외피(162)의 근위로 정면 측부에 장착된다. 스위치(176)는 평시 개방 순간 접촉 스위치이다. 스위치(176)는 그/그녀가 기구의 자세를 수동 설정하기를 원할 때 의사가 누르는 제어 부재이다. 구성요소의 "자세"는 구성요소의 위치 및 배향이라는 것을 이해하여야 한다. 버튼(172) 및 스위치(176)의 개방/폐쇄 상태는 연결이 도시되어 있지 않은 사용자 인터페이스(130) 및 조작기 제어기(124)에 의해 감시된다.
기구 외피(162)로부터 전방으로 에너지 적용기(184)가 연장한다. 에너지 적용기(184)는 절차가 환자에게 수행되는 부위로 기구 동력 생성 유닛(163)에 의해 출력된 에너지를 적용하는 구성요소이다. 동력 생성 유닛(163)이 모터인 경우, 에너지 적용기(184)는 드릴, 톱날 또는 가시일 수 있다. 동력 생성 유닛이 초음파 진동기인 경우, 에너지 적용기(184)는 팁이다. 동력 생성 유닛이 광 에너지를 출력하는 경우, 에너지 적용기(184)는 동력 생성기에 의해 방출된 빛의 파장에 투명한 소정 종류의 부재이다. 일반적으로, 종종 원위 팁이라 지칭되는 에너지 적용기(184)의 원위 단부는 절차가 수행되는 조직에 적용되는 기구 에너지 적용기(184)의 부분이다.
다수의 기구(160)는 도 9에 링(182)으로 표현된 커플링 조립체를 포함한다. 커플링 조립체는 에너지 적용기(184)를 외피(162)에 해제가능하게 보유하고, 에너지 적용기(184)를 동력 생성 유닛(163)에 해제가능하게 연결한다.
기구(10) 및 상보적 에너지 적용기(184)로서 기능할 수 있는 한 가지 모터식 수술 기구는 그 내용이 본 명세서에 참조로 명시적으로 통합되어 있는 발명의 명칭이 "핸드피스에 선택적으로 결합되도록 설계된 수술 핸드피스용 절단 부착부"인 미국 특허 제6,562,055호에 개시되어 있다.
조작기(50)가 의사에 의한 기구의 위치설정을 모사하기 위해, 기구 및 에너지 적용기(184)는 가상 강체로 모델링된다는 것을 인지하여야 한다. 이러한 가상 강체는 가상 질량을 갖는 것으로 고려된다. 가상 강체의 가상 질량은 통상적으로 기구(160) 및 에너지 적용기(184)의 실제 질량과 동일한 크기 수준 이내이다. 기계적 및 전기적 제한에 기인하여, 종종 가상 질량은 실제 질량보다 크다. 나아가, 가상 강체는 그 소유의 질량 중심을 갖는 것으로 이해된다. 도 8에서, 이는 핸드피스 외피(162)의 내부의 지점인 지점(165)으로 표현되어 있다. 이는 실제 기구의 질량 중심으로서 인지되는 지점이다. 항상은 아니지만 빈번히, 이 지점은 기구 내에 있거나 기구 상에 있다. 여기서, "질량 중심"은 기구의 다른 지점에 힘이 인가되는 경우, 기구 및 에너지 적용기(184)가 그를 중심으로 회전하게 되는 지점이 되는 것으로 이해된다. 가상 강체의 질량 중심은 에너지 적용기(184)가 부착되어 있는 기구(160)의 실제 질량 중심과 근접하지만 종종 동일하지는 않다.
가상 강체의 질량 중심은 경험적으로 결정될 수 있다. 기구 및 에너지 적용기(184)가 조작기에 부착되고 나면, 질량 중심의 위치는 개별 의사의 선호도를 수용하도록 재설정될 수 있다.
또한, 도 2a 및 도 2b를 참조로 설명되는 펜던트(190)가 조작기(50)의 동작을 조절하기 위해 사용된다. 도 2a에 도시된 바와 같은 펜던트(190)는 한 손으로 보유하도록 성형된 외피(191)를 포함한다. 세 개의 일반적으로 개방되어 있는 제어 부재가 외피에 장착된다. 이들 제어 부재는 조작기(50)의 준자동 동작을 조절하기 위해 사용된다. 일 제어 부재인 트리거(194)가 외피의 하부측에 위치된다. 트리거(194)는 조작기가 기구(160)의 준자동 전진을 수행하는 모드로 조작기를 배치하도록 눌러진다. 두 개의 추가적 제어 부재인 버튼(193, 195)이 외피(191)의 상단 표면상에 배치된다. 버튼(193, 195)은 준자동 모드에 있을 때 조작기(50)가 기구를 전진시키는 속도를 조절한다. 버튼 중 하나인 버튼(193)은 준자동 기구 전진의 속도를 저속화하기 위해 눌러진다. 버튼(195)은 준자동 전진 속도를 전진시키기 위해 눌러진다. 기구가 준자동 전진과 결부되는 속도는 기구의 공급 속도라 지칭된다. 경제적으로, 펜던트(190)는 의사가 한 손의 엄지 및 손가락으로 트리거(194)를 누를 수 있고 동시에 버튼(193) 또는 버튼(195)을 누를 수 있도록 설계된다.
펜던트(190)는 추가적 제어 부재(표시되지 않음)를 포함한다. 이들 부재는 의사가 명령 및 데이터를 수술 네비게이션 시스템(210)에 입력할 수 있게 한다. 케이블(197)은 펜던트(190)를 카트(52)에 연결한다.
본 발명의 조작기(50)와 함께 사용되는 수술 네비게이션 시스템(210)이 이제 도 1, 도 11 및 도 13d를 참조로 설명된다. 수술 네비게이션 시스템(210)은 환자(600)에 견고히 고착되는 일 트랙커인 트랙커(212)를 포함한다. 종종, 기구 에너지 적용기(184)가 적용되는 조직에 인접한 뼈의 구획에 트랙커(212)가 견고히 고착된다.
제2 트랙커인 도 1에 도시된 트랙커(214)는 단부 이펙터(110)에 견고히 부착된다. 조작기(50)에 의해 위치설정되는 기구가 단부 이펙터에 견고히 부착되기 때문에, 트랙커(214)는 때때로 공구 트랙커라 지칭된다.
로컬라이저(216)는 트랙커(212, 214)로부터 신호를 수신하거나 이 트랙커들로 신호를 전송한다. 로컬라이저(216)가 트랙커(212, 214)로부터 빛 신호를 수신하는 경우, 로컬라이저는 카메라라 지칭될 수 있다. 또한, 수술 네비게이션 시스템은 네비게이션 프로세서(218)를 포함한다. 로컬라이저(216)가 트랙커(212, 214)로부터 신호를 수신하는 경우, 로컬라이저는 로컬라이저에 대한 트랙커의 위치 및 배향에 기초한 신호를 프로세서(218)에 출력한다(로컬라이저와 프로세서(218)의 연결은 도시되지 않음). 트랙커(212, 214)가 로컬라이저(216)로부터 신호를 수신하는 경우, 트랙커는 로컬라이저에 대한 트랙커의 위치 및 배향에 기초한 신호를 프로세서(218)에 출력한다. 수신된 신호에 기초하여, 네비게이션 프로세서(218)는 로컬라이저(216)에 대한 트랙커(212, 214)의 상대적 위치 및 배향을 나타내는 데이터를 생성한다. 본 발명의 일부 변형에서, 수술 네비게이션 시스템(210)은 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 발명의 명칭이 "수술 시스템"인 2010년 5월 25일자로 허여된 Malackowski 등의 미국 특허 제7,725,162호에 개시된 트랙커, 센서 시스템, 로컬라이저 및/또는 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다.
후술된 바와 같이, 절차의 시작 전에, 추가 데이터가 네비게이션 프로세서(218)에 로딩된다. 트랙커(212, 214)의 위치 및 배향과 이전에 로딩된 데이터에 기초하여, 네비게이션 프로세서(218)는 에너지 적용기(184)가 적용되는 조직에 대한 기구의 배향과 기구 에너지 적용기(184)의 원위 단부의 위치를 결정한다. 네비게이션 프로세서(218)는 이들 데이터를 조작기 제어기(124)에 전달한다.
또한, 네비게이션 프로세서(218)는 수술 부위에 대한 기구 에너지 적용기(184)의 상대 위치를 나타내는 이미지 신호를 생성한다. 이들 이미지 신호는 역시 수술 네비게이션 시스템(210)의 일부인 인터페이스(220)에 적용된다. 이들 신호에 기초하여 인터페이스(220)는 수술 부위에 대한 기구 에너지 적용기(184)의 상대 위치를 의사가 관찰할 수 있게 하는 이미지를 생성한다. 인터페이스(220)는 명령의 진입을 허용하는 터치 스크린 또는 다른 입력/출력 장치를 포함한다.
조작기 제어기(124)와 네비게이션 프로세서(218)는 절차가 환자(600)에게 수행되어야 하는 부위에 에너지 적용기(184)가 적절하게 위치되도록 단부 이펙터(110)를 위치설정하기 위해 협력한다. 이러한 위치설정의 일부로서, 조작기 제어기(124)는 규정된 경계의 외측에 에너지 적용기(184)를 위치시키지 않는다. 이 처리를 수행하기 위해, 제어기(124)와 프로세서(218)는 종합적으로 환자(600)와 다수의 서로 다른 시스템 구성요소의 자세의 추적을 유지한다. 각 구성요소 자세는 전역 좌표 시스템에 대해 추적되는 것으로 고려될 수 있다. 이 전역 좌표 시스템은 수행되는 절차에 대하여 양자 모두 정적인 원점 및 배향(즉, X-, Y- 및 Z-축의 세트)을 갖는다. 조작기(50)의 좌표 시스템은 도 12에 도시된 바와 같은 전역 좌표 시스템(MNPL)이다. 본 발명의 일 형태에서, 조작기 좌표 시스템(MNPL)의 원점은 상부 아암(70)과 연계된 견부(69)를 통한 축을 따른 지점이다. 이 지점은 아암 링크(74, 76)가 그를 중심으로 회전하는 축과 견부(69)가 그를 중심으로 회전하는 축의 교차점이다. 도 12에서, 조작기 좌표 시스템(MNPL)과 조작기 상부 아암(70)의 구조 사이를 구별하기 위해, 좌표 시스템은 점선으로 도시되어 있다.
본 발명과 연계된 제2 정적 좌표 시스템은 로컬라이저(216)의 좌표 시스템(LCLZ)이다.
각 추적된 구성요소는 좌표 시스템(LCLZ)과 좌표 시스템(MNPL)으로부터 분리된 그 자체의 좌표 시스템을 갖는다. 이들 좌표 시스템 각각은 조작기 좌표 시스템(MNPL)의 원점에 대한 지점으로서 표시될 수 있는 원점을 갖는다. 벡터는 다른 좌표 시스템의 다른 것에 대한 이들 좌표 시스템 각각의 원점의 위치를 규정한다. 따라서, 좌표 시스템의 위치는 좌표 시스템의 원점의 위치가 되는 것으로 이해된다. 또한, 좌표 시스템 각각은 대개 조작기 좌표 시스템(MNPL)의 배향과는 다른 배향을 갖는다. 좌표 시스템의 배향은 조작기 좌표 시스템(MNPL)의 대응 축에 대한 좌표 시스템의 X-, Y- 및 Z-축의 각도 위치로 고려될 수 있다. 회전 행렬은 다른 좌표 시스템에 대한 좌표 시스템의 배향을 설명한다. 회전 행렬은 다른 좌표 시스템으로 표현되는 하나의 좌표 시스템의 축의 단위 벡터로 구성된다. 다른 좌표 시스템에 대한 하나의 좌표 시스템의 관계를 규정하는 회전 행렬 및 위치 벡터는 전체적으로 균질 변환 행렬을 형성한다. 심볼(
Figure 112015019096500-pct00001
)은 좌표 시스템(i-ㅣ)에 관한 좌표 시스템(i)의 위치 및 배향을 나타내는 균질 변환 행렬을 위한 표기이다.
그 소유의 좌표 시스템을 갖는 시스템의 두 구성요소는 뼈 트랙커(212) 및 공구 트랙커(214)이다. 도 12에서, 이들 좌표 시스템은 각각 뼈 트랙커 좌표 시스템(BTRK) 및 공구 트랙커 좌표 시스템(TLTR)이라 표현된다.
네비게이션 시스템(210)은 뼈 트랙커(212)의 위치를 감시함으로써 환자(600)의 위치를 감시하며, 트랙커는 환자(600)의 뼈에 견고히 부착된다. 환자의 좌표 시스템은 뼈 좌표 시스템(BONE)이 되는 것으로 고려되며, 뼈 트랙커(212)가 견고히 부착되는 뼈의 좌표 시스템이다. 절차의 시작 전에, 절차가 수행되는 환자의 부위의 위치의 수술전 이미지가 생성된다. 이들 이미지는 수술 부위의 MRI 스캔, 방사선 스캔 또는 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캔에 기초할 수 있다. 이들 이미지는 본 발명의 근본이 아닌 방법을 사용하여 뼈 좌표 시스템(BONE)에 맵핑된다. 이들 이미지는 뼈 좌표 시스템(BONE)에 고정된다.
절차의 초기 위상 동안, 뼈 트랙커(212)는 환자의 뼈에 견고히 고착된다. 본 발명의 일부가 아닌 처리 단계를 사용하여, 좌표 시스템(BONE)의 자세가 좌표 시스템(BTRK)에 맵핑된다. 뼈와 뼈 트랙커(212) 사이에 고정된 관계가 주어지면, 좌표 시스템(BONE)의 자세는 절차 전반에 걸쳐 좌표 시스템(BTRK)에 대해 고정되어 유지된다. 자세 설명 데이터는 조작기 제어기(124)와 네비게이션 프로세서(218) 양자 모두와 일체인 메모리 내에 저장된다.
좌표 시스템(MNPL)에 추가로, 조작기(50)와 연계된 추가 좌표 시스템이 존재한다. 단부 이펙터(110)는 그 자체의 좌표 시스템인 좌표 시스템(EFCT)을 갖는다. 또한, 기구(160)의 가상 모델과 연계된 좌표 시스템이 존재한다. 좌표 시스템은 가상 강체의 질량 중심에 그 원점을 갖는다. 이 좌표 시스템의 원점이 주어지면, 이 좌표 시스템은 좌표 시스템(CMVB)이라 지칭된다. 기구 좌표 시스템(CMVB)의 Z-축은 에너지 적용기(184)와 기구(160)를 통해 연장하는 종방향 축 상에 중심설정된다. 에너지 적용기(184)가 그 소유의 좌표 시스템인 시스템(EAPP)을 갖는다. 좌표 시스템(EAPP)의 원점은 에너지 적용기(184)의 원위 단부 팁이다. 에너지 적용기(184) 좌표 시스템(EAPP)의 Z-축은 에너지 적용기(184)의 종방향 축과 정렬된다. 이 Z-축은 에너지 적용기(184)의 원위 단부 팁으로부터 이격 방향으로 외향 연장한다. 이는 도 12에서 좌표 시스템(EAPP)의 Z-축이 일반적으로 다른 좌표 시스템의 Z-축의 네비게이션 방향으로 존재하는 배향으로 도시되어 있는 이유이다. 조작기(50)와 연계된 추가적 좌표 시스템은 이전에 설명된 공구 트랙커(214)의 좌표 시스템인 시스템(TLTR)이다.
도 12에는 부 좌표 시스템 중 일부의 표현이 도시되어 있지 않다. 후술된 바와 같이, 이들 좌표 시스템은 조작기의 동작 동안에만 종종 참조된다. 이들 좌표 시스템은 이 도면의 복잡성을 감소시키기 위해 도 12에는 예시되어 있지 않다.
사용을 위해 본 발명의 구성요소를 조립할 때, 좌표 시스템(EFCT), 가상 강체 좌표 시스템(CMVB), 에너지 적용기 좌표 시스템(EAPP) 및 공구 트랙커 좌표 시스템(TLTR)의 자세들은 서로에 대해 고정된다는 것을 인지하여야 한다. 따라서, 본 발명의 구성요소의 조립시, 서로에 대한 이들 좌표 시스템의 자세가 결정된다. 이들 좌표 시스템 및 자세 데이터는 단부 이펙터(110), 커플링 조립체(111), 기구(160) 또는 에너지 적용기(184)와 일체로 메모리에 저장된다. 이들 데이터가 조작기 제어기(124)에 일체로 메모리 내에 저장되는 본 발명의 일부 형태가 존재할 수 있다.
III. 소프트웨어
도 13a 내지 도 13e는 조작기 제어기(124) 및 네비게이션 프로세서(218)에 의해 실행되는 기본 소프트웨어 모듈을 도시한다. 또한, 도 13a 내지 도 13e는 소프트웨어 모듈이 하드웨어와 상호작용하여 조작기를 작동시킴으로써 수술 기구(160)가 변위되는 방식을 나타낸다.
도 13a는 네비게이션 프로세서(218) 상에서 구동되는 일부 소프트웨어 모듈을 도시한다. 이들 모듈 중 하나는 경계 생성기(BDNRY GNRTR)(232)이다. 경계 생성기(232)는 에너지 적용기(184)가 적용되지 않아야 하는 조직과 기구 에너지 적용기(184)가 적용되어야 하는 조직 사이에서 하나 이상의 경계를 형성하는 맵을 생성하는 소프트웨어 모듈이다. 이 경계는 통상적으로 에너지 적용기(184)가 조직의 체적을 제거하기 위해 사용될 때 생성된다. 이들 유형의 에너지 적용기는 가시, 드릴 비트, 톱날, 초음파 진동 팁, 전극 팁, RF 전극, 소작 및 절제 팁 및 광 방출 팁을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
경계 생성기(232)로의 입력은 절차가 수행되는 부위의 수술전 이미지(PRE-OP IMGS)를 포함한다. 조작기가 조직을 선택적으로 제거하기 위해 사용되어 환자에게 임플란트가 설치될 수 있는 경우, 경계 생성기(232)로의 제2 입력은 임플란트의 형상의 맵이다. 이 맵의 초기 형태는 임플란트 데이터베이스(IMPNT DB)로부터 입수될 수 있다. 이는 임플란트의 형상이 임플란트를 수용하기 위해 제거되어야 하는 조직의 경계를 규정하기 때문이다. 이러한 관계는 특히 임플란트가 환자의 뼈에 설치되도록 의도된 정형 임플란트인 경우에 참이다.
경계 생성기(232)로의 제3 입력은 의사의 설정(SRGN STNGS)이다. 이들 설정은 에너지 적용기(184)가 적용되어야 하는 조직을 나타내는 의사의 설정을 포함한다. 에너지 적용기(184)가 조직을 제거하기 위해 사용되는 경우, 이 설정은 에너지 적용기(184)의 적용 이후 유지되는 조직과 제거될 조직 사이의 경계를 나타낸다. 조직(50)이 정형 임플란트의 설치를 돕기 위해 사용되는 경우, 이들 설정은 임플란트가 그 위에 위치되어야 하는 위치를 규정한다. 이들 설정은 데이터 처리 유닛을 사용하여 수술전에 입력될 수 있다. 대안적으로, 이들 설정은 네비게이션 인터페이스(220)를 갖는 것 같은 시스템의 구성요소 중 하나와 연계된 입력/출력 유닛을 통해 입력될 수 있다.
상술한 입력 데이터 및 명령에 기초하여, 경계 생성기(232)는 기구 에너지 적용기(184) 경계를 규정하는 맵을 생성한다. 실시시, 절차의 시작 전에, 맵의 초기 형태는 수술 부위에서 의사에 의해 설정될 수 있다. 절차의 시작시, 환자에게 실제 설치되는 임플란트를 더욱 정확하게 규정하는 데이터가 경계 생성기(232) 내로 로딩된다. 이들 데이터는 메모리 스틱 또는 RFID 태그 같은 임플란트와 연계된 저장 장치로부터 도입될 수 있다. 본 발명의 이해의 용이성을 위해, 이들 데이터는 경계 생성기(232)에 공급되는 임플란트 데이터베이스 데이터의 구성원인 것으로 고려될 수 있다. 이들 데이터는 특정 임플란트의 제조 후 측정에 기초한다. 이들 데이터는 제조 변동에 기인하여, 임플란트 형상의 이전에 가용한 스톡 규정과는 미소하게 다를 수 있는 특정 임플란트의 형상의 규정을 제공한다. 이러한 임플란트 특정 데이터에 기초하여, 경계 생성기(232)는 제거 대상 조직과 제 위치에 유지되어야 하는 조직 사이의 경계인 절단 안내부의 최종 규정을 생성한다. 환자에게 이식될 수 있는 임플란트는 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 발명의 명칭이 "보철 임플란트 및 이식 방법"인 2012년 6월 22일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/530,927호에 개시된 것들을 포함한다. 본 특허 출원에 개시된 임플란트는 절단 안내부를 규정하고, 그후, 뼈 같은 재료의 적절한 양이 제거된 이후 환자에게 이식될 수 있다. 다른 임플란트도 고려된다.
본 발명의 일 형태에서, 경계 생성기(232)는 연속적으로 규정된 표면 영역의 세트로서 제 위치에 유지되는 조직과 절제될 조직 사이의 경계를 생성한다. 본 발명의 하나 이상의 특정 형태에서, 이들 표면 영역은 다각형이다. 특히, 이들 표면 영역은 삼각형이다. 각 다각형의 코너는 뼈 좌표 시스템(BONE)의 지점에 의해 규정된다. 도 15a에서, 표면(242)은 조직이 제거되는 위치와 제 위치에 유지되는 조직 사이의 경계이다. 때때로, 경계는 메시라 지칭된다. 경계 또는 메시의 일부를 규정하는 개별 영역 구획은 타일이라 지칭된다.
공구 경로 생성기(TOOL PATH GNRTR)(234)는 네비게이션 프로세서(218) 상에서 구동되는 제2 소프트웨어 모듈이다. 공구 경로 생성기(234)는 경계 생성기(232)에 적용되는 것들과 동일한 일반적 입력을 수용한다. 이들 입력에 기초하여, 공구 경로 생성기(234)는 도 15a 및 도 15b에 도시된 바와 같은 공구 경로(248)를 생성한다. 도 15a는 임플란트를 수용하기 위해 그 일부가 제거되는 뼈(202)를 나타낸다. 표면(242)은 에너지 적용기(184)가 그를 초과하여 적용되지 않아야 하는 경계이다. 따라서, 표면(242)은 또한 제거 절차 이후 잔류하는 뼈(202)인 임플란트가 장착되는 뼈의 윤곽이다. 점선(244)은 조작기(50)를 사용하여 제거되는 뼈의 주변부를 나타낸다. 도 15a에서, 공구 경로는 전후 라인(248)으로 표현되어 있다. 마감된 표면의 평활도 및 품질은 전후 라인(248)의 상대적 위치설정에 부분적으로 의존한다. 더 구체적으로, 라인의 전후 경로 라인 각각이 서로 더 근접할수록, 마감된 표면이 더 정밀하고 평활하다.
추가적으로, 공구 경로(248)의 구성은 마감 표면의 품질에 기여한다. 예로서, 일 경로 구성에서, 표면 경계의 원주는 중심을 향해 내향 이동하는 공구 경로로 먼저 절단된다. 이 구성에서, 제거된 재료의 유출 유동이 허용되지 않는다. 다른 구성에서, 공구 경로는 제거될 뼈의 구획의 중심에서 시작하고, 외향 방향으로 진행한다. 이 방식에서, 제거된 재료는 유출 유동 경로를 가지며, 제거 절차와는 간섭하지 않는다.
도 15a에서, 공구 경로(248)는 제거될 조직의 주변부 내에만 있는 것으로 도시되어 있다. 공구 경로(248)의 위치는 에너지 적용기(184)의 원위 단부의 형상의 함수이다. 예로서, 에너지 적용기(184)의 원위 단부의 중심은 좌표 시스템(EAPP)의 원점일 수 있다. 본 발명의 이러한 구현예에서, 공구 경로가 생성될 때, 공구 경로 생성기(232)는 실제로 에너지 적용기(184)가 좌표 시스템(EAPP)의 원점을 초과하여 연장한다는 사실을 고려한다. 에너지 적용기(184)가 구형 가시인 경우에, 이는 경계(242)에 가장 근접한 공구 경로 세그먼트가 통상적으로 가시 헤드의 반경과 적어도 동일한 거리로 경계로부터 이격된다는 것을 의미한다.
공구 경로(248)는 단일 평면으로 그려져 있지 않다. 도 15b에서, 공구 경로(248)는 최상단 세그먼트가 연결된 실선의 세트로서 도시되고 점선이 상단 세그먼트 아래에 위치된 세그먼트를 나타내는 다수의 층을 포함하는 것으로서 도시되어 있다.
도 15c에 도시된 바와 같이, 공구 경로(248)는 다수의 경로 세그먼트를 포함한다. 각 세그먼트는 좌표 시스템(EAPP)의 원점이 그를 따라 이동되어야 하는 지점의 세트를 포함한다. 도면에 도시된 바와 같이, 개별 세그먼트(256, 262, 266)는 직선 또는 곡선일 수 있다. 각 세그먼트(256, 262, 266)는 원점과 종점을 갖는다. 지점(258)은 공구 경로(248)의 원점과 세그먼트(256)의 원점 양자 모두이다. 일 세그먼트의 종점은 접촉 세그먼트의 원점이 된다. 따라서, 지점(260)은 세그먼트(256)의 종점과 세그먼트(262)의 원점 양자 모두이다. 지점(264)은 세그먼트(262)의 종점과 세그먼트(266)의 원점이다. 지점(268)은 세그먼트(266)의 종점이다. 지점(268)은 또한 공구 경로(248)의 종점과 예시되어 있지 않은 다른 공구 경로의 원점일 수 있다. 도 15c에서, 세그먼트(266)는 감소하는 크기의 원점으로부터 종점까지의 점선의 시퀀스로서 도시된다. 이는 X 및 Y 성분을 갖는 것에 추가로 경로가 도 15c가 그 위에 도시되는 지면의 내부 또는 외부에 존재하는 Z 성분을 갖는다는 것을 개략적으로 도시한다.
공구 경로 생성기(234)는 조직의 이미지, 경계의 형상을 규정하는 데이터 및 경계의 위치에 관한 의사의 설정을 입력으로서 수신한다. 정형 외과 수술 절차를 위해, 경계는 통상적으로 임플란트의 형상이며, 의사의 설정은 종종 임플란트의 위치이다. 이들 데이터에 기초하여, 공구 경로 생성기(234)는 공구 경로(248)를 형성한다. 각 공구 경로 세그먼트(256, 262, 266)는 뼈 좌표 시스템(BONE)에 존재하는 지점들 사이에서 연장하는 벡터 또는 곡선으로서 규정된다. 경로 세그먼트는 3차원으로 규정된다는 것을 이해하여야 한다. 이는 기구 에너지 적용기(184)가 조직에 단지 단일 평면으로 적용되지 않는 이유이다. 또한, 에너지 적용기(184)는 현재 위치되는 평면 위 또는 아래의 평면의 조직과 접촉하도록 상부 또는 하부로 이동한다.
절차가 시작되고 나면, 공구 경로 생성기(234)는 추가 데이터를 수신한다. 이들 데이터는 에너지 적용기(184)가 적용되는 조직의 섹션을 나타내는 후술된 제거 재료 로거(logger)(275)로부터의 데이터이다. 이들 데이터에 기초하여, 공구 경로 생성기(234)는 공구 경로의 경로 세그먼트를 변경한다. 이들 변경은 이전 조직 제거의 결과로서 공극으로 남겨진 공간을 통해 에너지 적용기(184)가 통과하는 경로 세그먼트의 생성을 피하기 위해 수행된다. 절단 경로의 적응 또는 변경은 고속 점프를 포함할 수 있고, 여기서, 에너지 적용기(184)는 고속으로 제거된 조직의 체적의 알려진 간극(서브 체적이라고도 지칭됨)을 가로질러 점프한다. 절단 경로의 변경은 또한 뼈가 이전에 제거된 영역 주변으로 경로설정되는 우회 경로를 포함할 수 있다. 또한, 절단 경로의 적응은 완성상태로 라벨링되고 잔여 뼈 제거의 임의의 부분을 완성하기 위해 이 모드가 사용되는 경우 임의의 자율 절단 경로의 일부가 아닐 수 있는 서브 체적 영역을 포함할 수 있다.
국지화 엔진(localization engine)(270)은 수술 네비게이션 시스템(210)의 일부로 고려될 수 있는 제3 소프트웨어 모듈이다. 본 발명의 일부 형태에서, 국지화 엔진(270)은 조작기 제어기(124) 상에서 구동된다. 국지화 엔진(270)의 구성요소는 또한 네비게이션 프로세서(218) 상에서 구동될 수 있다. 국지화 엔진(270)은 트랙커(212, 214)로부터 수신된 신호 함수로서 신호 로컬라이저(216) 출력을 입력으로서 수신한다. 뼈 트랙커(212)로부터 수신된 이들 신호에 기초하여, 국지화 엔진(270)은 로컬라이저 좌표 시스템(LCLZ)에 대한 뼈 좌표 시스템(BONE)의 자세를 결정한다. 공구 트랙커(214)로부터 수신된 신호에 기초하여, 국지화 엔진(270)은 로컬라이저 좌표 시스템(LCLZ)에 대한 공구 트랙커 좌표 시스템(TLTR)의 자세를 결정한다.
국지화 엔진(270)은 좌표 변환기(272)에 트랙커(212, 214)의 자세를 나타내는 신호를 전달한다. 좌표 변환기(272)는 네비게이션 프로세서(218) 상에서 구동되는 네비게이션 소프트웨어 모듈이다. 좌표 변환기(272)는 환자 트랙커(212)와 환자의 수술전 이미지 사이의 관계를 규정하는 데이터를 참조하는 소프트웨어 모듈이다. 또한, 좌표 변환기(272)는 공구 트랙커(214)에 대한 기구 에너지 적용기(184)의 자세를 나타내는 데이터를 저장한다.
프로세서(218)는 제거 재료 로커(275)를 포함한다. 제거 재료 로거(275)는 에너지 적용기(184)가 적용되는 조직의 체적의 맵을 포함한다. 종종 이는 제거되는 조직의 체적의 맵이다. 도 13a에서, 이 맵은 환자의 수술 전 이미지에 기초하여 도시되어 있다. 이 맵 유지를 위한 다른 데이터는 연결이 도시되어 있지 않은 의사의 개인적 설정과 임플란트의 형상을 설명하는 데이터로부터 도입될 수 있다. 맵핑 데이터를 포함하는 이 체적을 형성하기 위한 데이터의 다른 소스는 절차의 시작시 얻어진다. 에너지 적용기(184)가 적용되는 조직상의 랜드마크에 포인터를 적용함으로써 이들 데이터가 얻어질 수 있다.
또한, 로거(275)는 에너지 적용기(184)가 적용되는 환자 상의 위치를 나타내는 데이터를 수집한다. 본 발명의 일 구현예에서, 이들 데이터는 단부 이펙터, 그리고, 나아가 에너지 적용기(184)가 전진된 위치를 설명하는 데이터이다. 이들 데이터는 아암(68, 70)의 이동을 추적하는 조작기로부터의 후술된 데이터에 기초할 수 있다. 이들 데이터는 명령된 또는 측정된 자세 데이터에 기초할 수 있다. 대안적으로, 이들 데이터는 공구 트랙커의 이동을 설명하는 데이터에 기초하여 생성될 수 있다. 로거(275)는 단부 이펙터 및 공구 트랙커의 이동에 관한 이들 데이터를 뼈(202)에 대하여 에너지 적용기(184)가 이동된 위치를 규정하는 데이터로 변환한다. 로거(275)는 이들 데이터를 저장한다.
이들 데이터에 기초하여, 로거(275)는 에너지 적용기(184)가 조직에 적용된 정도를 나타내는 디스플레이 중 하나 상의 표현을 위해 적합한 이미지 데이터를 생성한다. 이들 이미지 데이터는 네비게이션 인터페이스(220) 상에 표현될 수 있다. 로거에 의해 제공된 이미지는 에너지 적용기(184)가 적용되지 않은 조직의 표면 섹션과 에너지 적용기(184)가 적용된 조직의 섹션을 나타낼 수 있다. 로거에 의해 제공된 이미지는 또한 에너지 적용기(184)를 적용하기 위해 필요하지 않은 조직의 섹션, 즉, 경계 영역 외부의 조직을 나타낸다. 이 조직은 조직의 제거에 의해 노출되는 경계를 초과한 조직을 포함한다.
로거(275)는 에너지 적용기(184)가 공구 경로 생성기(234)에 적용되었거나 적되지 않은 조직의 섹션을 나타내는 데이터를 제공한다.
상술한 바와 같이, 좌표 시스템(EAPP)의 자세는 통상적으로 좌표 시스템(TLTR)에 대해 고정된다. 환자의 조직의 위치 및 조직의 표현은 통상적으로 뼈 트랙커 좌표 시스템(BTRK)에 대해 고정된다.
절차 동안, 좌표 변환기(272)는 로컬라이저(216)에 대한 트랙커(212, 214)의 상대적 자세를 나타내는 데이터를 수신한다. 이들 데이터 및 이전에 로딩된 데이터에 기초하여, 좌표 변환기(272)는 조직기 좌표 시스템(MNPL)에 대한 뼈 트랙커 좌표 시스템(BTRK)과 좌표 시스템(EAPP)의 원점 양자 모두의 상대적 위치 및 배향을 나타내는 데이터를 생성한다. 이들 데이터에 기초하여, 좌표 변환기(272)는 기구가 적용되는 조직에 대한 에너지 적용기(184)의 원위 단부의 위치 및 배향을 나타내는 데이터를 생성한다. 이들 데이터를 나타내는 이미지 신호는 인터페이스(220)로 전달되어 의사가 이 정보를 관찰할 수 있게 한다.
두 개의 추가적 소프트웨어 모듈의 세트가 조작기 제어기(124) 상에서 구동된다. 한 세트의 소프트웨어 모듈은 거동 제어를 수행한다. 거동 제어는 에너지 적용기(184)를 위한 다음 명령된 자세를 나타내는 명령을 생성하는 프로세스이다.
소프트웨어 모듈의 제2 세트는 운동 제어라 알려진 바를 수행한다. 운동 제어의 일 양태는 조작기(50)의 제어이다. 후술된 운동 제어 프로세스에서, 운동 제어 프로세스는 거동 제어 프로세스로부터 에너지 적용기(184)의 다음 명령된 자세를 규정하는 데이터를 수신한다. 이들 데이터에 기초하여, 운동 제어 프로세스는 조작기(50)의 조인트 각도의 다음 위치를 결정한다. 운동 제어의 두 번째 양태는 조작기의 제약에 기초하여 거동 제어 모듈에 피드백을 제공하는 것이다. 이들 제약은 복수의 링크가 서로를 향해 최소 거리보다 더 근접하게 이동하지 않는 것을 보증하는 목표 및 조작기의 조인트 각도 한계를 포함한다. 이런 피드백 제어의 다른 구성요소는 에너지 적용기(184)가 규정된 작업공간 경계 내에서 유지되는 것을 보증하는 것이다. 에너지 적용기(184)의 이동은 기구(160)의 민첩성이 감소되지 않는 것을 보증하도록 이 작업공간 경계 내의 영역에 한정된다. 또한, 운동 제어 모듈은 외력/토크가 적용되거나 대상물이 조작기(50) 또는 기구(160)와 접촉하는 경우를 검출하기 위해 조작기(50)의 상태를 감시한다.
운동 제어 프로세스에 의해 생성된 피드백 데이터는 거동 제어 프로세스에 적용된다. 이들 데이터에 기초하여, 거동 제어 프로세스는 조작기의 기구 및 에너지 적용기(184)의 이동을 조절한다. 거동 제어 프로세서는 에너지 적용기(184)를 위한 다음 명령된 자세를 정립하기 위한 변수로서 이들 데이터를 사용하여 이 조절을 수행한다. 이 다음 명령된 자세가 정립되고 나서, 운동 제어 프로세스는 조작기(50)가 이 위치를 향해 에너지 적용기(184)를 전진시키게 한다.
도 13b는 거동 제어 프로세스를 형성하는 소프트웨어 모듈을 도시한다. 이들 모듈 중 하나는 공구 경로 힘 계산기(TOOL PATH FRC CLCLTR)(278)이다. 공구 경로 힘 계산기(278)는 두 개의 변수를 계산한다. 이들 변수 중 첫 번째 것은 가상 강체에 적용될 때 에너지 적용기(184)의 원위 단부의 전진을 초래하는 힘 및 토크이다. 이들 변수 중 두 번째 것은 배향의 허용가능한 범위 내에서 기구(160)의 배향을 유지하기 위해 가상 강체에 적용되는 힘 및 토크이다. 공구 경로 힘 계산기(278)는 다수의 서브 모듈을 포함한다.
공구 경로 힘 계산기(278)를 형성하는 모듈 중 하나는 도 16a에 도시된 바와 같은 공급 속도 계산기(284)이다. 공급 속도 계산기(284)는 개별 경로 세그먼트를 따라 이동할 때 에너지 적용기(184)의 원위 단부가 이동하여야 하는 기구 공급 속도라 지칭되는 속도를 결정한다. 공급 속도 계산기(284)로의 주 입력은 규정된 공급 속도(DEFINED F.R.)이다. 그 가장 기본적 형태에서, 규정된 공급 속도는 스칼라 값이다. 사실, 조작기 제어기(124)는 종종 복수의 규정된 공급 속도를 공급받는다. 특정 규정된 공급 속도가 각 경로 세그먼트에 할당된다. 이 공급 속도 할당은 수술 전에 수행될 수 있다. 공급 속도는 그 후 절차 동안 또는 절차의 시작시 조절될 수 있다. 둘 이상의 연속적 경로 세그먼트에 동일 규정된 공급 속도가 할당될 수 있다. 이들 공급 속도는 공극 공간의 형상, 에너지 적용기(184)의 유형, 환자의 건강, 에너지 적용기(184)가 적용되는 조직의 특성 및 경로 세그먼트의 형상 같은 변수에 기초하여 생성된다. 사실, 규정된 공급 속도는 통상적으로 5와 400 mm/sec 사이이다.
사실, 규정된 공급 속도는 연결이 도시되어 있지 않은 공구 경로 생성기(234)에 의해 생성된다.
공급 속도 계산기(284)는 기구 공급 속도를 생성하기 위해 규정된 공급 속도를 조절한다. 본 발명의 일 형태에서, 이러한 조절은 다수의 계수로 규정된 공급 속도를 승산함으로써 수행된다. 각 계수는 일반적으로 0 과 1.0 사이이다. 계수는 1.0을 초과하는 값을 가질 수 있다. 이들 계수 각각은 역시 공급 속도 계산기(284)에 적용되는 변수의 함수로서 변한다. 이들 변수 중 첫 번째는 공급 속도의 사용자 조절(USER ADJUST)이다. 이는 절차가 진행함에 따라 실시간으로 의사가 수행하는 공급 속도의 조절이다. 의사는 펜던트 버튼(193, 195)을 누름으로써 공급 속도의 이러한 조절을 수행한다. 공급 속도 계산기(284)는 기구 공급 속도를 증가 또는 감소시키기 위해 의사 입력 명령의 함수로서 계수를 출력한다.
규정된 공급 속도를 선택적으로 규모 설정하기 위해 사용되는 두 번째 변수는 에너지 적용기(184)가 받는 힘 및 토크(SNSD F/T)이다. 에너지 적용기(184)는 기구(160)에 강성적으로 부착되고, 기구는 단부 이펙터(110)에 강성으로 부착된다. 따라서, 단부 이펙터 힘/토크 센서(108)에 의해 출력되는 신호는 에너지 적용기(184)가 받는 힘 및 토크를 나타내는 신호이다. 공급 속도 계산기(284)는 기구 전진 속도와 에너지 적용기(184) 및 기구에 조작기가 적용하는 토크/힘의 양 사이의 관계가 존재한다는 원리에 기초하여 기구 속도를 설정한다. 일반적으로, 현대 의료 실시의 목적은 제거되지 않는 조직의 가열을 최소화하는 것이다. 이 목적의 한 가지 이유는 이러한 불필요한 가열이 조직에 유발할 수 있는 부수적 손상을 최소화하는 것이다. 따라서, 조작기(50)는 허용가능한 양의 힘 및/또는 토크가 기구 또는 에너지 적용기(184)에 적용됨이 결정될 때, 경로 세그먼트를 따른 기구의 전진을 저속화하도록 구성된다.
기구 공급 속도의 이러한 조절이 유용한 한 가지 예는 피질 뼈 및 해면 뼈 양자 모두를 통해 경로 세그먼트를 가로질러 에너지 적용기(184)가 이동할 때이다. 피질 뼈인, 외부 뼈는 비교적 경질이다. 해면 뼈인 내부 뼈는 더 다공성이며, 피질 뼈보다 제거에 대한 저항이 적다. 따라서, 에너지 적용기(184)가 일정한 속도로 양 유형의 뼈를 가로질러 이동하는 경우, 해면 뼈보다 피질 뼈를 가로질러 적용기를 이동시키기 위해 더 많은 힘/토크가 적용될 필요가 있다. 이는 기구 속도의 조절 없이, 피질 뼈는 해면 뼈의 인접 구획보다 손상 유도 가열 가능성이 더 많다. 조작기의 이러한 특징은 힘/토크 센서(108)가 기구를 전진시키기 위해 필요한 힘/토크의 양이 증가한다는 것을 나타내는 신호를 제공할 때 기구 에너지 적용기(184)를 위한 전진 속도를 저속화함으로써 비의도적인 가열의 이러한 가능성을 최소화한다.
에너지 적용기(184)가 피질 뼈 절단으로부터 해면 뼈로 이동하고 나서, 기구를 전진시키기 위해 요구되는 힘/토크가 감소한다. 이러한 상황에서, 기구가 전진되는 속도는 에너지 적용기(184)가 적용되는 뼈가 가열되는 정도를 현저히 증가시키지 않고 가속될 수 있다. 따라서, 공급 속도 계산기(284)는 기구 전진의 계산된 속도를 증가시킨다. 이는 환자에게 절차를 수행하기 위해 소요되는 시간의 양을 감소시킨다. 이는 환자에게 절차를 수행하기 위해 소요되는 시간을 최소화하는 것이 현대 수술 실시의 다른 목적이기 때문에 바람직하다. 이 시간 최소화가 바람직한 한 가지 이유는 이것이 환자 내부 조직이 감염에 대해 개방 및 노출되는 시간의 양을 작아지게 하기 때문이다. 또한, 가능한 신속하게 절차를 수행하는 것은 환자가 마취상태로 유지되는 시간의 양 및 수술 피로의 가능성 양자 모두를 작아지게 한다.
공급 속도 계산기(284)는 이하 중 하나, 둘 또는 셋에 기초하여 힘/토크 조절 계수를 결정한다: (1) 개별 힘 및 토크 성분을 포함하는 6 성분 벡터의 크기, (2) 개별 힘 성분을 포함하는 3 성분 벡터의 크기
3) 개별 힘 및/또는 토크 성분의 임의의 조합을 포함하는 벡터의 크기. 대안적으로, 계수는 가장 큰 힘 또는 토크 성분 중 하나 이상에 기초한다. 이들 변수 중 하나 이상에 기초하여, 공급 속도 계산기(284)는 관련 참조표(286)의 데이터를 참조로 힘/토크 조절 계수를 결정한다.
기구 공급 속도의 조절에 추가로, 에너지 적용기(184)의 속도가 또한 변할 수 있다. 더 구체적으로, 에너지 적용기(184)가 가시인 경우, 가시의 절단 치형부의 속도는 조직에서의 열 발생을 최소화하도록, 그리고, 조직 제거의 정확도를 향상시키도록 조절 및 최적화될 수 있다. 가시 절단 치형부의 최적 속도는 제거되는 재료의 유형 및 치형부 형상에 기초하여 최적화되는 절단기 회전 속도 및 절단기 직경의 인자이다.
기구 공급 속도를 조절하는 제3 변수는 경로 세그먼트의 곡률(PATH CRVTR)이다. 이 조절은 기구가 굴곡된 이동 경로를 따라 변위될 때, 운동량이 에너지 적용기(184)가 이동 경로를 따라 멀어지는 방향으로 이동하게 하는 이런 고속 속도로 기구가 변위되지 않는 것을 보증하기 위해 수행된다. 일반적으로, 이동 경로가 선형이거나, 비교적 작은 곡률을 가질 때, 규정된 공급 속도는 곡률에 기초하여 조절되지 않는다. 공급 속도 계산기(284)가 기구 에너지 적용기(184)가 비교적 큰 곡률 또는 작은 반경을 갖는 경로 세그먼트를 따라 이동한다는 지표를 수신할 때, 계산기는 기구 공급 속도를 생성하기 위해 이 변수에 기초하여 규정된 공급 속도를 하향 조절한다.
공급 속도 계산기(284)는 그를 따라 에너지 적용기(184)가 이동하는 경로의 곡률인 PATH CRVTR 변수의 지표를 곡률 계산기(291)로부터 수신한다(도 16b). 후술된 바와 같이, 곡률 계산기(291)는 공구 경로 힘 계산기(278)의 다른 서브 모듈 구성요소이다. 이러한 입력 변수에 기초하여, 공급 속도 계산기(284)는 규정된 공급 속도가 조절되어야 하는 정도를 반영하는 계수를 결정하기 위해 참조표(286) 중 하나를 참조한다. 일반적으로, 이동 경로가 선형이거나, 곡률이 0에 접근할 때, 규정된 공급 속도는 이 곡률에 기초하여 조절되지 않는다. 이 계수는 1.0이거나 그 부근이다. 공급 속도 계산기(284)가 기구 에너지 적용기(184)가 비교적 큰 곡률을 갖는 겨로 세그먼트를 따라 이동한다는 지표를 수신할 때, 계산기는 기구 공급 속도를 생성하기 위해 이 변수에 기초하여 규정된 공급 속도를 하향 조절한다. 구해진 계수는 1로부터 감소한다. 본 발명의 일부 형태에서, 곡률이 0.05 mm-1 이하인 경우, 공급 속도 계산기(284)는 그를 따라 에너지 적용기(184)가 전진하는 세그먼트의 곡률에 기초하여 기구 공급 속도를 감쇠시키지 않는다.
기구 공급 속도를 생성하기 위해 규정된 공급 속도를 조절하는 제4 변수는 기구 파워(INST POWER)이다. 이 변수는 환자에게 에너지 적용기(184)를 통해 기구가 적용하는 파워의 양이다. 기구 파워는 기구 공급 속도를 조절하기 위한 입력 변수로서 사용되며, 그 이유는, 일반적으로, 조직에 기구가 적용하는 파워가 증가할 때, 조직이 이 파워에 의해 가열되는 정도가 증가하기 때문이다. 상술한 바와 같이, 조직이 손상가능 가열을 받는 정도를 최소화하는 것이 바람직하다. 또한, 기구에 의한 큰 파워 출력이 기구 공급 속도가 감소되지 않는 경우 에너지 적용기(184)의 성능이 떨어지는 상태에 조작기가 진입한다는 것을 나타내는 상황이 존재할 수 있다. 예로서, 가시에 많은 양의 파워가 적용될 필요가 있는 경우, 이는 파워를 증가시키며, 가시가 제거하여야 하는 재료를 제거하기 어려운 상태에 진입할 수 있다는 것을 나타낼 수 있다. 가시가 예상대로 기능하는 것을 보증하기 위해, 이때, 가시의 전진 속도를 감소시키는 것이 바람직하다. 이는 재료가 제거되는 정확도를 개선시키는 것을 도울 수 있다. 조직 제거의 정확도를 개선시키는 것은 가시의 적용 이후 잔류되는 조직의 표면 마감 및 규정을 향상시킨다.
따라서, 기구(160)에 의해 적용된 파워가 증가한다는 지표가 존재할 때, 공급 속도 계산기(284)는 감소된 기구 공급 속도를 출력한다.
기구(160)가 모터식 공구인 본 발명의 구성에서, 파워 변수는 공구 모터에 의해 출력된 토크의 양일 수 있다.
일반적으로, 공구에 의해 출력되는 토크와 공구에 적용된 전류 사이에 정비례 관계가 있다. 따라서, 공구에 의해 견인된 전류의 양이 기구 파워 변수로서 사용된다. 이러한 변수를 나타내는 기구 파워 신호는 공구 제어기(132)에 의해 생성되고 조작기 제어기(124)에 적용된다. 특히, 기구에 의해 견인된 전류를 감시하는 기구 제어기(132) 내부의 회로는 기구에 의해 견인되는 전류를 나타내는 신호를 출력한다. 이 신호는 공급 속도 계산기(284)에 적용되는 아날로그 또는 디지털 INST POWER 신호가 생성되는 근원 신호이다.
공급 속도 계산기(284)는 INST POWER 신호에 기초하여, 그리고, 참조표(286) 중 하나를 참조로, 규정된 공급 속도가 기구 공급 속도를 결정하기 위해 기구 파워에 기초하여 규모설정되어야 하는 정도를 나타내는 계수를 결정한다.
기구 공급 속도를 생성하기 위해 규정된 공급 속도를 조절하기 위한 인자로서 사용되는 제5 변수는 조직 온도(TISSUE TEMP)이다. 이는 환자의 비절단 조직이 가열되는 정도를 최소화하기 위한 현대 수술 실시의 상술한 목적에 기인한다. 온도 센서(97)는 조직 온도(TISSUE TEMP)의 지표를 제공한다. 도면에서, 온도 센서(97)는 도 16a에 단지 심볼로 도시되어 있다. 통상적으로, 센서(97)는 기구(160)에 장착된다. 역시, 센서(97)에 의해 출력된 신호는 에너지 적용기(184)의 온도 또는 조직의 온도를 나타낼 수 있다. 종종 온도 센서(97)에 의해 출력된 신호는 공구 제어기(132)를 통해 조작기 제어기(124)로 라우팅된다. 비절단 조직의 온도에 추가로, 규정된 공급 속도를 조절하기 위한 다른 인자는 에너지 적용기(184)에 의해 제거된 칩의 온도를 포함할 수 있다. 제거된 재료로부터의 칩은 종종 "슬러리"라 지칭된다. 슬러리의 온도는 온도 센서(97)를 포함하는 임의의 적절한 방식으로 측정될 수 있다.
공급 속도 계산기(284)는 TISSUE TEMP 신호에 의해 표현된 온도에 기초하여, 그리고, 참조표(286) 중 하나를 참조로 적절한 조직 온도 공급 속도 조절 계수를 결정한다. TISSUE TEMP 신호가 조직 온도가 허용가능한 범위 이내라는 것을 나타내는 경우, 이 계수는 1.0이거나 그 부근일 수 있다. 대안적으로, TISSUE TEMP 신호가 조직 또는 에너지 적용기(184) 온도가 조직에 상당한 손상을 줄 수 있는 수준에 접근하거나 그를 초과한다는 것을 나타내는 경우, 구해진 계수는 1로부터 감소될 수 있다.
기구 공급 속도를 생성하기 위해 공급 속도 계산기(284)에 의해 사용되는 제6 변수는 연산된 힘(CMPTD FORCE)이다. 후술된 바와 같이, 이 연산된 힘은 가상 강체에 적용되는 힘이다. 이 힘에 응답하여, 운동 제어 프로세스는 에너지 적용기(184)를 공구 경로를 따라 전진시킨다. 연산된 힘은 거동 제어 프로세스 소프트웨어 모듈 중 다른 하나에 의해 연산된다. 이 연산된 힘(토크 성분을 포함할 수 있음)은 단부 이펙터를 위한 명령된 위치가 그로부터 결정되는 입력 변수로서 기능한다.
공급 속도 계산기(284)는 기구 공급 속도를 생성하며, 그래서, 연산된 힘과 기구 공급 속도 사이의 역 관계가 존재한다. 연산된 힘이 에너지 적용기(184)의 원하는 전진을 실행하도록 증가되는 경우에, 공급 속도 계산기(284)는 기구 공급 속도를 감소시킨다. 기구 공급 속도의 이러한 감소는 그를 초과하면 조직에 대한 에너지 적용기(184)의 적용의 정확도가 부정적 영향을 받는 속도로 조작기가 가 에너지 적용기(184)를 전진시킬 가능성을 감소시킨다.
본 발명의 일부 형태에서, 공급 속도 계산기는 연산된 힘의 크기에 기초하여, 참조표(286) 중 하나를 참조로 계수를 결정한다. 이 계수는 규정된 공급 속도가 연산된 힘의 크기의 함수로서 스케일링되어야 하는 정도를 나타낸다.
공급 속도 계산기(284)는 상술한 6개 계수로 규정된 공급 속도를 승산한다. 이 프로세스의 적은 기구 공급 속도이다. 이는 에너지 적용기(184)가 현재 경로 세그먼트를 따라 전진되어야 하는 속도이다.
공급 속도 계산기(284)로의 추가적 입력은 후술된 힘 오버라이더(375)로부터 발생되는 신호이며, 또한, 공구 경로 힘 계산기(278)의 성분이다. 힘 오버라이더(375)로부터의 신호의 발생에 응답하여, 공급 속도 계산기(284)는 0 속도 기구 공급 속도를 출력한다. 종종, 공급 속도 계산기(284)는 0 속도 공급 속도까지 기구를 구배형성한다. 힘 오버라이더(375)가 공급 속도 계산기(284)로의 신호의 발생을 중단하고 나면, 의사로부터의 다른 명령 입력에 기초하여, 공급 속도 계산기(284)는 비제로 속도 기구 공급 속도를 출력하는 것을 재개한다.
도 16b에 도시된 경로 보간기(PATH INTRPLTR)(288)는 공구 경로 힘 계산기(278)의 다른 서브 모듈 구성요소이다. 경로 보간기(288)는 좌표 시스템(EAPP)을 위한 목표 위치를 결정한다. 기구 에너지 적용기(184)의 원위 단부의 자세는 좌표 시스템(EAPP)에 대해 고정되는 것으로 이해된다. 이들 목표 위치는 그를 따라 에너지 적용기(184)의 원위 단부가 원하는 임무를 수행하기 위해 이동하여야 하는 지점이다. 경로 보간기로의 입력은 경로 세그먼트의 원점 및 종점을 형성하는 데이터를 포함하고, 이 데이터는 세그먼트가 직선 또는 곡선인지를 나타내고, 곡선인 경우, 곡선의 특성을 나타낸다. 경로 보간기(288)로의 다른 입력은 공급 속도 계산기(284)로부터의 기구 공급 속도이다. 이는 공급 속도 계산기(284)에 의해 결정되는 바와 같은 기구가 경로 세그먼트를 따라 이동하여야 하는 속도이다.
상술한 입력 변수에 기초하여, 경로 보간기(288)는 이하의 단계에 따라 에너지 적용기(184)의 원위 단부의 목표 위치를 결정한다:
1) 좌표 시스템(EAPP)의 원점은 초기 위치인 것으로 가정된다. 이 초기 위치는 그 위로 에너지 적용기(184)가 이동하여야 하는 경로 세그먼트를 따른 위치이다. 에너지 적용기(184)가 세그먼트의 시작 지점에 있는 경우, 이 지점은 좌표 시스템(EAPP)의 초기 위치이다. 초기 위치 및 목표 위치 양자 모두는 뼈 좌표 시스템(BONE)의 지점이다.
2) 기구 공급 속도에 기초하여, 에너지 적용기(184)가 단일 시간 프레임의 세그먼트를 따라 이동하여야 하는 거리가 계산된다. 본 발명의 일부 형태에서, 시간 프레임의 주기는 0.1 내지 2 밀리초이다.
3) 초기 위치, 계산된 거리의 길이 및 세그먼트 종점의 위치에 기초하여, 경로 보간기(288)는 목표 위치를 규정하는 데이터를 생성한다. 목표 위치를 결정하기 위해 사용되는 다른 변수는 경로 세그먼트의 특성, 즉, 직선 또는 곡선, 그리고, 곡선인 경우 곡률 반경을 설명하는 공구 경로 생성기로부터의 데이터이다.
4) 단계 1 내지 3은 좌표 시스템(EAPP)이 경로 세그먼트의 종점에 도달하였다는 것이 결정될 때까지 반복된다. 세그먼트 원점으로부터 이격된 제1 목표 위치의 계산 이후, 각 프레임에서 계산된 목표 위치는 다음 프레임의 목표 위치의 계산이 그에 기초하게 되는 초기 위치로서 사용된다.
5) 목표 위치가 경로 세그먼트를 위한 종점 위치와 같아지고 나면, 보간기(288)는 새로운 세그먼트를 따라 위치되는 목표 위치의 세트를 생성하기 위해 단계 1 내지 단계 4를 반복한다.
단일 프레임의 시간 기간 동안, 에너지 적용기(184)가 이동할 수 있는 거리는 현재 세그먼트를 위한 종점 위치까지의 거리보다 클 수 있다. 경로 보간기(288)가 에너지 적용기(184)가 이 상태에 있다는 것을 결정하는 경우, 에너지 적용기(184)가 현재 경로 세그먼트의 종점에 있다는 것을 결정할 때 시작하는 시간 지점에 대하여 보간기는 에너지 적용기(184)가 그 프레임의 단부에서 다음 경로 세그먼트를 따라 위치되어야 하는 위치를 나타내는 데이터를 생성한다.
목표 위치는 경로 보간기(288)로부터 역시 공구 경로 힘 계산기(278)의 구성요소인 일련의 계단식으로 진행하는 평균 필터(290)(RNING AVG FILTER)로 출력된다. 러닝 평균 필터(290)는 필터링된 목표 위치를 생성하기 위해 개별 목표 위치를 평균화한다. 본 발명에 사용되는 특정 러닝 평균 필터는 유한 임펄스 응답 필터이다. 러닝 평균 필터는 시간, 즉, 필터의 길이의 함수로서 필터링된 목표 위치를 생성한다. 이 시간 주기는 통상적으로 5와 50 밀리초 사이이다. 결과적으로, 필터링된 결과적 거리는 필터 시간 주기와 기구 공급 속도의 함수이다.
계단식 연장 평균 필터는 목표 위치의 고차 도함수가 연속적인 것을 보증하도록 이 프로세스에 사용된다. 본 발명의 일부 형태에서, 세 개의 계단식 필터가 사용된다. 이는 결과적 필터링된 경로가 저크(jerk)를 통한 연속적 도함수를 갖게 한다. 이러한 필터링은 실질적으로 작동기가 에너지 적용기(184)를 공구 경로(248)를 따라 전진시키는 그 기능을 초과하여 구동되지 않는 것을 보증한다.
이들 필터에 의해 수행되는 필터링이 도 17을 참조로 예시되어 있다. 여기서, 지점(294, 302)은 경로 세그먼트(297)를 따라 이동할 때 에너지 적용기(184)의 최초 및 최종 목표 위치를 각각 나타낸다. 또한, 지점(302)은 경로 세그먼트(310)를 따라 이동할 때 그로부터 에너지 적용기(184)가 이동하는 초기 위치이다. 경로 세그먼트(297)는 완전히 선형이다. 러닝 평균 프로세스에서, 필터는 평균 위치를 결정하기 위해 평균화되는 경로의 부분을 따른 다수의 지점의 위치들을 평균화한다. 지점(296, 298)은 경로 세그먼트(297)를 따른 두 개의 이격된 목표 위치이다. 지점(296, 298) 사이의 목표 위치가 직선을 형성하고, 지점들 사이의 거리가 필터의 길이 동안 에너지 적용기(184)가 이동하는 거리보다 큰 경우, 이러한 러닝 평균의 결과는 직선을 형성한다. 임의의 필터에서와 같이, 등가 필터링된 출력 위치의 출력에 대한 이들 위치의 입력 사이의 시간에 지연이 존재한다.
이 러닝 평균 프로세스 동안, 지점(296) 뒤의 필터링되지 않은 목표 위치에 관한, 지점(296) 데이터와 등가인 필터링된 목표 위치를 생성하기 위한 필터로의 입력 변수들이라는 것을 이해하여야 한다.
목표 위치(302)는 경로 세그먼트(310)의 원점이다. 경로 세그먼트(310)는 선형이고, 경로 세그먼트(297)로부터 멀어지는 방향으로 각진다. 러닝 평균 필터(290)는 결국 목표 위치(299), 경로 세그먼트(297) 상의 지점, 목표 위치(303) 및 경로 세그먼트(310) 상의 지점으로부터 필터링된 목표 위치를 생성한다. 결과적 평균화된 목표 위치는 세그먼트(314)에 의해 표현된다. 이들 필터링된 목표 위치는 목표 위치(299, 303) 사이의 거리가 필터의 길이 동안 에너지 적용기(184)가 이동하는 거리보다 크다는 가정에 기초한다. 여기서, 지점(312)은 지점(299)에 위치가 동일하다. 지점(316)은 지점(303)에 위치가 동일하다. 지점(318)은 지점(305)에 동일하다. 필터링된 목표 위치 지점(312, 316) 사이의 필터링된 목표 위치의 세트는 곡선을 형성한다. 이 곡선은 세그먼트(297)를 형성하는 목표 위치로부터 세그먼트(310)를 형성하는 목표 위치로의 평균 전이를 나타낸다. 필터링된 목표 위치(316)로부터 필터링된 목표 위치(318)까지, 목표 위치들의 세트는 선형이다. 이는 평균화 프로세스의 이 부분 동안 경로 세그먼트(310)를 따른 것들 이외의 어떠한 지점도 평균화 방정식에 입력되지 않기 때문이다.
목표 위치(320)는 굴곡 세그먼트(330)의 원점과 직선 세그먼트(310)의 종점이다. 굴곡 세그먼트(330)의 중간의 지점인 목표 위치(320) 및 목표 위치(332)를 포함하며, 이들에 의해 경계설정된 지점들의 위치에 기초하여, 필터(290)는 평균화된 목표 위치의 다른 세트를 생성한다. 이들 평균화된 목표 위치는 세그먼트(340)로 표시된다. 세그먼트(340)는 필터링된 목표 위치(338)와 필터링된 목표 위치(342) 사이에서 연장한다. 목표 위치(320)가 선형 경로 세그먼트(310)의 종점이면, 대응 필터링된 목표 위치인 지점 338은 실제 위치로부터 미소하게 변위된다. 필터링되는 목표 위치가 곡선을 형성하는 위치에서, 이들 목표 위치의 필터링된 형태는 통상적으로 필터링되는 지점들의 반경보다 큰 반경을 갖는 곡선을 형성한다.
일부 절차에 대하여, 필터링된 목표 위치와 필터링되지 않은 목표 위치 사이의 편차를 실질적으로 최소화하는 것이 바람직하다. 이런 절차는 뼈 내에 보어를 형성하는 것이다. 다른 절차는 임플란트의 정밀한 배치를 돕기 위한 뼈의 정밀한 성형이다. 이들 절차에 대하여, 조작기는 공급 계산기(284)에 적용되는 규정된 속도를 감소시키도록 설정된다(프로세스는 도시되지 않음). 이는 필터링되지 않은 목표 위치의 세트에 의해 규정되는 경로 세그먼트와 실질적으로 동일한 경로 세그먼트를 형성하는 필터링된 목표 위치의 생성을 초래한다.
필터링된 목표 위치는 곡률 계산기(291)에 적용된다. 곡률 계산기(291)는 다수의 이격된 필터링된 목표 위치를 규정하는 데이터에 기초하여 현재 필터링된 경로의 곡률을 결정한다. 이 곡선을 나타내는 데이터는 PATH CRVTR 변수로서 공급 속도 계산기(284)로 전달된다.
필터링된 목표 위치는 또한 역시 공구 경로 힘 계산기(278)의 서브모듈 성분인 목표 위치 좌표 변환기(354)로 전달된다. 좌표 변환기(354)는 좌표 시스템(BONE) 내에 있는 각 필터링된 목표 위치를 좌표 시스템(MNPL)로 맵핑한다. 좌표 시스템(EAPP)의 원점의 이 필터링된 목표 위치는 역시 공구 경로 힘 계산기(278)의 일부인 에너지 적용기 힘 계산기(358)에 적용된다.
계산기(358)로의 제2 이력은 좌표 시스템(EAPP)의 실제 위치의 표현이다. 본 발명의 다수의 구현예에서, 명령된 위치는 실제 위치의 표현으로서 사용된다. 명령된 위치는 명령된 자세의 위치 성분이다. 명령된 위치를 실제 위치의 표현으로서 사용하는 한 가지 장점은 이것이 실제 위치의 선도적 지시자라는 것이다. 이 피드포워드 효과는 기구의 이동의 응답 제어를 돕는다. 이는 공구 경로로부터 단지 미소하게 이탈되는 에너지 적용기(184)의 이동을 만들어낸다.
조작기(50)가 최초 활성화될 때, 초기 명령된 자세는 단부 이펙터(110)의 순방향 운동학을 푸는 것에 의해 결정된다. 이러한 프로세스는 아암(68, 70)과 견부(67, 69)의 조인트 각도의 함수로서 좌표 시스템(CMVB)의 자세를 결정하는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 이 자세는 좌표 시스템(MNPL)에 대한 것이다. 좌표 시스템(EAPP)의 원점이 좌표 시스템(CMVB)에 대해 고정되기 때문에, 가상 강체의 순방향 운동학 해는 좌표 시스템(MNPL) 내의 좌표 시스템(EAPP)의 제1 초기 자세의 유사한 결정을 초래한다.
에너지 적용기 힘 계산기(358)는 가상 강체에 적용되는 힘 및 토크의 세트를 결정한다. 가상 강체에 대한 이들 힘 및 토크의 적용데 응답하여, 운동 제어 프로세스는 조작기(50)가 공구 경로(248)를 따라 좌표 시스템(EAPP)을 전진시키게 한다. 기구의 배향의 설정을 초래하는 가상 강체에 적용된 힘 및 토크는 계산기(358)에 의해 수행되는 계산에 필수적이지 않다.
에너지 적용기 좌표 시스템(EAPP)의 원점의 초기 자세의 이러한 최초 결정 이후, 조작기 제어기(124)는 각 프레임의 종점에서, 좌표 시스템(EAPP)의 원점이 프레임의 시작부에서 계산된 명령된 자세로 이동되게 한다. 이러한 명령된 자세는 후술된 절단 안내부(390)에 의해 생성된다. 명령된 자세의 명령된 위치 성분은 절단 안내부(390)에 의해 에너지 적용기 힘 계산기(358)로 공급된다.
따라서, 에너지 적용기 힘 계산기(358)로의 두 입력은 좌표 시스템(EAPP)의 명령된 위치와, 이 좌표 시스템의 다음 목표 위치이다. 이 후자의 위치는 목표 위치 좌표 시스템 변환기(354)로부터의 입력이다. 이들 위치 양자 모두는 좌표 시스템(MNPL)의 지점이다. 공구 팁 힘 생성기로의 제3 입력은 프레임의 시작점에서 좌표 시스템(CMVB)의 속도인 속도(V0)이다. 속도(V0)를 계산하는 수단이 후술되어 있다. 에너지 적용기 힘 계산기(358)로의 제4 입력은 에너지 적용기(184)가 경로를 따라 전진할 때 이동하여야 하는 속도인 속도(V1)이다. 속도(V1)는 이전 프레임으로부터의 목표 위치와 현재 목표 위치에 기초한 벡터이다. 속도(V1)는 조작기 좌표 시스템(MNPL)에 대한 속도이다. 따라서, 속도(V1)는 조작기 좌표 시스템(MNPL)에 대한 뼈 좌표 시스템(BONE)의 이동의 효과를 포함한다. 속도들(V0 및 V1)은 선형 및 회전 성분 양자 모두를 포함하는 것으로 이해된다.
에너지 적용기 힘 계산기(358)는 그 현재 위치로부터 필터링된 목표 위치로 좌표 시스템(EAPP)의 원점을 이동시키는 힘을 계산한다. 본 발명의 일 형태에서, 계산기(358)는 좌표 시스템(EAPP)의 원점에서 가상 강체에 적용될 필요가 있는 임펄스를 결정함으로써 이 힘을 결정한다. 임펄스(I)는 대상물에 적용되는 모멘텀의 변화이다. 그 가장 일반적 형태(I)는 임펄스/모멘텀의 변화는 아래의 공식에 따라 계산된다.
Figure 112015019096500-pct00002
(1)
여기서, F는 힘이고, m은 임펄스가 적용되는 대상물의 질량이며, VINTL은 초기 속도이고, VFNL은 최종 속도이다. 목적은 속도(V1)로 적용기를 전진시키기 위해 좌표 시스템(EAPP)의 원점인 에너지 적용기(184)의 원위 단부 팁에 적용될 필요가 있는 힘의 계산이다. 수학식 (1)은 속도들이 힘이 적용되는 대상물의 질량의 중심에 존재하는 것들이고, 이 속도들은 이 지점에서 존재하는 속도들이라 가정한다. 초기 속도(V0)는 좌표 시스템(CMVB)의 것이고, 알려져 있지만, 최종 속도(V1)는 에너지 적용기(184)의 속도이다.
힘(F)은 가상 강체에 적용된다. 상술한 바와 같이, 힘(F)은 좌표 시스템(CMVB)의 원점에 적용되지 않으며, 이 힘은 좌표 시스템(EAPP)의 원점에 적용된다. 이들 인자를 고려하여, 임펄스 방정식은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.
Figure 112015019096500-pct00003
(2)
여기서, DXYZ는 임펄스가 적용되는 방향이다. 방향(DXYZ)은 두 개의 단위 벡터를 포함한다. 이들 단위 벡터 중 하나는 그 힘이 그를 따라 작용하는 방향을 규정한다. 두 번째 단위 벡터는 토크가 그 둘레에서 작용하는 방향을 규정한다. 종종, 힘 성분을 계산하는 것 만이 요구된다. 이를 달성하기 위해, 벡터(DXYZ)의 토크 성분은 0으로 설정된다. 힘(FEAPP)은 방향(DXYZ)을 따른 스칼라 힘이다. 자코비안(JSA)은 좌표 시스템(CMVB)에 표현된 좌표 시스템(CMVB)의 원점으로부터 방향(DXYZ)을 따른 에너지 적용기 좌표 시스템(EAPP)의 원점까지의 자코비안 행렬이다. 자코비안(JSA)은 비-스퀘어 자코비안이다. 행렬(M)는 가상 기구의 질량/관성이다. 방향(DXYZ)은 에너지 적용기 힘 계산기(358)에 의해 연산된다. 방향(DXYZ)이 기초하는 변수는 에너지 적용기(184)의 명령된 위치 및 필터링된 목표 위치이다. 방향(DXYZ) 벡터를 사용함으로써, 수학식 (2)은 6개 방정식과 6개 미지수에서 1개 미지수를 갖는 1개 방정식으로 축소된다.
추가로, 두 개의 실제 인자를 고려할 필요가 있다. 하나는 기구 및 에너지 작용기(184)가 강체로서 모델링되고, 속도가 비관성 좌표 시스템에서 특정된다는 것이다. 따라서, 이 본체는 관성력을 받는다. 토크를 포함하는 이들 관성력의 영향은 모델링되어야 한다. 이들 관성력은 이하의 공식에 따라 계산된다.
Figure 112015019096500-pct00004
(3)
여기서, Finertial는 관성력 및 토크로 구성되는 벡터이다. 속도(V)는 좌표 시스템(CMVB)의 속도이다. 회전 속도(ω)는 좌표 시스템(CMVB)의 회전 속도이다. 관성(I)은 좌표 시스템(CMVB)의 가상 관성 텐서이다. 속도(ω 및 V) 양자 모두는 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된다.
두 번째 추가적 인자는 집합적 힘(FENV)인 후술된 환경적 힘이 가상 강체 상에 작용한다는 것이다. 환경적 힘의 성분은 조인트 제한 힘, 간섭 제한 힘, 작업 경계 힘 및 감쇠력을 포함한다. 환경적 힘의 추가 성분은 조작기(50), 기구(160) 및 에너지 적용기(184)에 적용되는 외력이다. 외력은 에너지 적용기(184)가 적용되는 조직의 저항의 영향을 포함한다. 외력의 다른 성분은 기구 상에 의사가 부여하는 힘이다. 환경적 힘(FENV)의 성분은 상세히 후술되어 있다.
따라서, 힘(FEAPP)은 다음의 공식에 따라 계산된다.
Figure 112015019096500-pct00005
(4)
여기서, Finertial는 기구와 에너지 적용기(184) 상에 작용하는 관성력이다. 힘(FENV)은 후술된 환경적 힘 합산기(379)로부터 수용되며, 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된다. 시간 주기(△t)는 후술된 적분기(386)에 의해 사용되는 적분 시간 기간과 같다.
사실, 에너지 적용기(184)가 속도 벡터의 계산에 기초하여 단순히 재배치되는 경우, 에너지 적용기(184)의 위치는 적용기가 그를 따라 전진하여야 하는 경로 세그먼트로부터 드리프트되는 경향을 갖는다. 이러한 드리프트는 라운딩 에러, 기계 정밀도 및 불연속 시간 모델링과 연계한 고유 한계 같은 인자에 기인하여 발생한다. 또한, 드리프트는 기구의 부근의 미소환경적 교란의 결과로서 발생할 수도 있다. 이러한 드리프트를 보상하기 위해, 교정력이 가상 강체에 적용된 힘의 계산에 추가된다. 이들 힘에 대한 일반적 설명은 다음과 같다.
Figure 112015019096500-pct00006
거리 △d는 에너지 적용기(184)가 경로 세그먼트로부터 트리프트되는 거리의 크기의 네거티브가 되는 것으로 규정된다. 본 발명의 일 구현예에서, 설명된 △d는 실제 위치와 목표 위치 사이의 거리의 크기의 네거티브를 결정함으로써 연산된다. 본 발명의 일 구현예에서, 명령된 위치는 에너지 적용기(184)의 실제 위치의 표현으로서 사용된다. 계수(ε 및 C)는 스케일 인자이다. 상술한 항이 수학식 (4)에 추가될 때, 좌표 시스템(EAPP)의 원점에서 가상 강체에 적용되는 힘을 풀기 위한 방정식의 최종 형태는 다음과 같다.
Figure 112015019096500-pct00007
Figure 112015019096500-pct00008
(5)
행렬(I)는 단위 행렬이다.
따라서, 에너지 적용기 힘 계산기(358)는 좌표 시스템(EAPP)의 원점에서 가상 강체에 적용된 방향(DXYZ)을 따른 힘인 힘(FEAPP)을 푼다. 힘(FEAPP)의 존재에 응답하여, 운동 제어 프로세스는 적절한 속도에서 경로 세그먼트를 따라 에너지 적용기(184)를 조작기(50)가 전진시키게 한다. 상술한 FEAPP는 스칼라이다. 힘 변환기 모듈(362)은 이 스칼라를 힘(FINST)으로 변환한다. 힘(FINST)은 원하는 속도로 에너지 적용기(184)를 전진시키기 위해 좌표 시스템(CMVB)의 원점에서 가상 강체에 적용되는 힘 및 토크의 벡터이다. 이들 힘 및 토크는 이하의 방정식에 따라 계산된다.
Figure 112015019096500-pct00009
(6)
힘(FINST)은 좌표 시스템(CMVB)의 원점에서 가상 강체에 적용되는 세 개의 별개의 힘 및 세 개의 별개의 토크로 구성되는 벡터이다. 힘(FINST)은 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된다.
FINST을 포함하는 힘 및 토크는 힘 변환기 모듈(362)로부터 힘 합산기(380)로 적용된다. 후술된 바와 같이, 힘 합산기(380)는 조작기 제어기(124) 상에서 연장하는 거동 제어 모듈 중 다른 하나이다.
공구 경로 힘 계산기(278)는 또한 도 16c에 도시된 기구 배향 조절기(368)를 포함한다. 배향 조절기(368)는 조작기(50)가 기구(160)를 이동시킴에 따라 기구가 에너지 적용기(184)가 그에 대해 적용되는 조직에 대한 수용가능한 배향을 유지하는 것을 보증하도록 가상 강체에 적용될 필요가 있는 힘 및 토크를 결정한다. 기구 배향 조절은 상술한 바와 같이, 에너지 적용기 힘 계산기(358)가 준자동 모드에 있을 때 에너지 적용기(184)의 전진을 초래하는 가상 강체에 적용되는 힘 및 토크를 규정하는 데이터를 생성하기 때문에 바람직하다. 또한, 외력 및 토크는 조작기(50), 기구 및 에너지 적용기(184)에 적용된다. 이들 외력에 응답하여, 조작기(50)는 가상 강체에 적용되는 추가적 힘 및 토크를 연산한다. 가상 강체에 대한 힘 및 토크의 이들 세트 중 어느 하나의 적용은 기구가 조작기 수용가능한 배향 범위로부터 적절히 드리프트되도록 기구를 조작기(50)가 위치설정하게 할 수 있다. 기구가 이러한 배향 범위로부터 드리프트하는 경우, 에너지 적용기(184)의 효율이 감소될 수 있다. 또한, 이러한 배향 드리프트의 결과로서, 기구는 에너지 적용기(184)가 그에 대해 적용되는 위치로 이동할 수 있다. 이러한 접촉은 에너지 적용기(184)의 추가적 전진을 억제할 수 있다.
조절기(368)는 이러한 드리프트를 방지하기 위해 가상 강체에 적용될 필요가 있는 복원 힘 및 토크를 결정한다.
본 발명의 대부분의 형태에서, 배향 조절기(368)는 조작기가 기구를 준자동 모드에서 전진시킬 때 동작하도록 설정된다. 기구의 준자동 전진을 시작하도록 명령이 최초 입력될 때, 배향 조절기(368)는 도 18a에 도시된 바와 같이, 에너지 적용기(368)의 원위 단부 위에 위치된 기준 표면(369)을 규정한다. 이런 프로세스를 수행하기 위해, 배향 조절기(368)가 기구의 실제 자세를 알기 위해 필요하다. 본 발명의 일부 형태에서, 명령된 자세는 실제 자세의 표현으로서 사용된다. 도면들에서, 표면(369)은 평면으로서 도시되어 있지만, 실제로 이렇게 제한되지 않는다. 기준 표면(369)은 통상적으로 에너지 적용기(184)의 원위 단부 위로 약 5 내지 20 cm에 위치된다. 본 발명의 일부 형태에서, 기준 표면은 좌표 시스템(CMVB)의 원점과 교차하도록 위치된다. 기준 표면이 평면인 경우, 조작기 초기화시, 조절기(368)는 기구(160)의 종방향 축에 수직인 것으로 평면을 규정한다. 그후, 배향 조절기(368)는 도 18b에 도시된 바와 같이 기준 표면(369)에서 개구(370)를 형성한다. 개구(370)는 통상적으로, 그러나, 비제한적으로 원이다. 개구(370)는 기구 또는 에너지 적용기(184)의 종방향 축이 기준 표면(369)과 교차하는 지점을 중심으로 중심설정된다. 본 발명의 설명된 형태에서, 이들 축은 선형인 것으로 가정되며, 총체적으로 "공통 축"이라 지칭된다. 도면에서, 이 교차 지점은 중심설정 지점(371)이라 지칭된다. 개구(370)가 원의 형태인 경우, 개구는 2 내지 5 cm의 반경을 가질 수 있다. 표면(369) 및 개구(370)는 통상적으로 좌표 시스템(BONE)에 대해 고정된다. 이는 이들 기하학적 랜드마크의 표현이 환자와 함께 이동되는 것을 보증한다. 표면(369) 및 개구(370)는 통상적으로 조작기 좌표 시스템(MNPL) 또는 뼈 좌표 시스템(BONE) 중 어느 하나에 규정된다.
프레임의 시작부에서, 배향 조절기(368)는 기구(160)의 명령된 자세를 설명하는 데이터를 갖는다. 조작기(50)에 의한 기구(160)의 재배치에 기인하여, 공통 축은 도 18d에 도시된 바와 같이 중심설정 지점(371)으로부터 변위될 수 있다. 이러한 변위는 개구(370)도 중심설정 지점(371)도 에너지 적용기(184) 및 기구의 변위와 함께 이동하지 않기 때문에 발생한다. 기구(160)가 이렇게 변위되는 경우, 배향 조절기(368)는 가상 강체에 적용될 때, 공통 축이 중심설정 지점(371)을 향해 이동하도록 기구를 조작기(50)가 이동시키는 배향 복원 힘을 결정한다.
배향 조절기(368)가 배향 복원 힘 및 토크를 결정하는 프로세스는 배향 조절기가 기준 표면(369)과 교차하는 공통 축을 따른 지점을 결정하는 것에서 시작한다. 배향 조절기(368)는 명령된 자세인, 실제 자세의 표현에 기초하여 공통 축의 현재 위치를 결정한다. 배향 조절기(368)는 그후 이 지점으로부터 중심설정 지점(371)까지의 거리를 결정한다. 이들 데이터에 기초하여, 배향 조절기(368)는 중심설정 지점(371)을 향해 기구(160)를 피봇시키는 복원 힘 및 토크를 결정한다. 본 발명의 일 형태에서, 이들 힘 및 토크는 이하의 공식에 따라 결정된다.
Figure 112015019096500-pct00010
(7)
일부 경우에는 다음과 같다.
Figure 112015019096500-pct00011
(7A)
Figure 112015019096500-pct00012
(7B)
여기서, FR _ MAG는 중심설정 지점을 향해 기구를 피봇시키도록 기준 표면(369)을 따라 가상 강체에 적용되는 복원 힘의 크기이다. 힘(FR _ MAG)은 기구 축이 기준 표면(369)과 교차하는 지점으로부터 중심설정 지점(371)까지 벡터를 따라 작용한다. 방정식 (7)에서, 힘(FR _ MAG)은 거리 성분 및 속도 성분을 갖는다. 거리(DISTINST - CP)는 공통 축이 기준 표면(369)과 교차하는 지점과 중심설정 지점(371) 사이의 거리이다. 거리(DISTINST - CP)는 양의 스칼라이다. 속도(VINST - CP)는 거리(DISTINST - CP)의 시간 도함수이다.
계수(KORNT)는 스프링 계수이다. 이 계수는 변수일 수 있다. 그 한가지 이유는 공통 축이 중심설정 지점(371)에 매우 근접할 때 적용가능한 복원 힘을 기구에 적용할 필요가 없다는 것이다. 이는 공통 축이 중심설정 지점(371) 상에 배치되는 것이 바람직하지만 이는 조작기의 동작을 위한 요건은 아니기 때문이다. 따라서, 공통 축이 중심설정 지점(371)에 비교적 근접할 때, 스프링 계수(KORNT)는 비교적 낮거나 심지어 0일 수 있다. 공통 축이 중심설정 지점(371)으로부터 추가로 이격되는 경우, 이들 복원 힘 및 토크의 적용을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다.
계수(DORNT)는 감쇠 계수이다. 감쇠 계수는 변수일 수 있다. 본 발명의 일부 형태에서, 이 계수는 거리(DISTINST - CP) 및/또는 속도(VINST - CP)의 함수이다. 변하는 계수(DORNT)는 기구의 이동의 안정성을 향상시키기 위해 바람직할 수 있다.
도 19에서, 방정식 (7)의 힘의 거리 성분의 크기가 도시되어 있다. 본 도면에서, 변곡점(377)으로부터 피크(378)까지 힘의 적용의 급준한 증가가 존재한다. 변곡점(377)은 개구(370)의 주연에 위치된다. 따라서, 공통 축이 계속 이 위치를 초과하는 경우, 배향 조절기(368)는 개구 내에 기구를 유지하기 위해 현저한 복원 힘이 가상 강체에 적용될 필요가 있다는 것을 나타내는 데이터를 생성한다. 이 복원 힘의 크기는 기구가 개구(371)를 초과하여 증분적으로 이동함에 따라 현저히 증가한다.
배향 조절기(368)는 기구가 개구(370)를 초과하여 적절한 거리 이동되었다는 것을 결정할 수 있다. 이는 피크(378)가 위치되는 거리이다. 배향 조절기(368)가 이 조건이 존재하는 것으로 결정한 경우, 조절기(368)는 더 이상 큰 복원 함이 적용되어야 한다는 것을 나타내는 데이터를 생성하지 않는다. 이는 기구가 준자동 모드에서 변위될 때 일반적 배향 거리 외부로 기구를 이동시키는 것이 바람직한 경우가 있을 수 있기 때문이다. 예로서, 프로그램된 경로 세그먼트를 따라 에너지 적용기(184)를 전진시키는 것을 막는 장애물이 존재할 수 있다. 이러한 장애물은 수술 기구나 돌출 조직일 수 있다. 이 장애물이 에너지 적용기(184)의 전진을 차단하지 않도록 기구는 일반적 배향 범위 외부의 배향을 취할 필요가 있을 수 있다. 대안적으로, 의사가 버튼(172)을 먼저 누르지 않고 기구(160)의 재배향을 가용하기를 시도할 수 있다. 이러한 경우가 발생하면, 배향 조절기(368)가 기구가 일반적 배향 범위 외부로 이동할 수 있게 한다는 사실은 의사가 기구의 이런 재배향과 결부될 수 있게 한다.
따라서, 기구가 개구를 초과하여 0.5를 초과하여 2.0 cm까지 이동할 때, 거리성분의 크기는 공칭 레벨로 하강한다. 이 레벨은 0과 같을 수 있다. 이러한 힘이 0으로 강하하는 것을 허용하기 이전에, 조작기는 사용자 인터페이스 상에 배향 조절기(368)가 적어도 일시적으로 기구 배향의 조절을 중단한다는 것을 의사가 확인하기를 요청하는 메시지를 제공할 수 있다. 이 확인을 기다리는 동안, 조작기는 경로 세그먼트를 따른 에너지 적용기(184)의 전진을 중단시킬 수 있다.
배향 조절기(368)가 공칭/제로 배향 복원 힘(FR _ MAG)이 가상 강체에 적용되어야 한다는 것을 나타내는 데이터를 생성하기 시작하고 나면, 의사는 기구를 수동으로 재배향함으로써 축이 개구(370)에 또는 개구에 인접하게 되도록 할 수 있다. 이러한 경우가 발생하면, 배향 조절기(368)는 공칭 초과 복원 힘이 적용되어야 한다는 것을 나타내는 데이터를 출력하는 것으로 복귀될 수 있다. 조작기(50)의 일부 구성에서, 배향 조절기(368)가 공칭 초과 배향 복원 힘을 출력하도록 복귀되기 위해, 의사는 버튼(172)을 누르거나 해제할 필요가 있다. 배향 조절기(368)는 버튼(172)이 해제될 때 기구 배향에 기초하여 기준 표면(369), 개구(370) 및 중심설정 지점(371)을 재규정한다. 이들 랜드마크가 재규정되고 나면, 배향 조절기(368)는 공칭 초과 배향 복원 힘을 출력하도록 복귀된다.
사실, 배향 조절기(368)는 배향 복원 힘(FR _ MAG)을 결정하기 위해 방정식 (7)을 실제 실행하지 않는다. 대신, 배향 조절기(368)는 배향 힘의 참조표를 보유한다(표는 도시되지 않음). 적절한 복원 힘을 결정하기 위한 입력은 거리(DISTINST - CP) 및 속도(VINST - CP)의 표현이다.
복원 힘(FR _ MAG)이 결정되고 나면, 배향 조절기(368)는 이 힘을 벡터로 변환한다. 배향 조절기(368)는 기구 축이 기준 평면(368)과 교차하는 지점으로부터 중심설정 지점(371)까지 단위 방향 벡터와 힘(FR _ MAG)을 승산함으로써 이 변환을 수행한다. 단위 방향 벡터는 좌표 시스템(MNPL)에서 표현된다. 이 승산은 역시 좌표 시스템(MNPL) 내의 힘 벡터(FRSTR)를 생성한다. 이 벡터는 기구 본체의 종방향 축이 기준 표면(369)과 교차하는 가상 강체에 적용되는 복원 힘을 규정한다. 이 지점은 좌표 시스템(CMVB)의 원점이 아니다.
따라서, 배향 조절기(368)는 힘(FRSTR)을 좌표 시스템(CMVB)의 원점에서 가상 강체에 적용되어야 하는 등가 힘 및 토크로 변환한다. 이러한 변환은 이하의 방정식에 따라 수행된다.
Figure 112015019096500-pct00013
(8)
힘(FORNT)은 중심설정 지점을 향해 기구 축을 재배치하기 위해 좌표 시스템(CMVB)의 원점에 적용되는 힘 및 토크 벡터이다. 이 힘은 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된다. 자코비안(JORNT)은 좌표 시스템(MNPL)에서 표현된 기준 표면(369)과 기구 축이 교차하는 지점으로부터 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된 좌표 시스템(CMVB)의 원점으로의 자코비안이다. 좌표 시스템(CMVB) 내에 있는 이들 힘 및 토크는 또한 공구 경로 힘 계산기(278)에 의해 총 힘 합산기(380)에 적용된다.
배향 조절기(368)는 입력으로서 다른 신호를 수신한다. 이들 신호는 후술된 힘 오버라이더(375)와 기구 버튼(172)으로부터의 신호를 포함한다. 이들 신호의 제기 및 거절에 대한 배향 조절기(368)의 응답이 후술된다.
도 16d는 공구 힘 경로 계산기(278)에 일체인 다른 모듈을 예시한다. 힘 오버라이더(375)로의 하나의 입력은 힘 토크 센서(108)에 적용된 힘 및 토크를 나타내는 신호이다. 힘 오버라이더(375)로의 두 번째 입력은 가상 강체에 대한 그 적용이 공구 경로 상의 에너지 적용기(184)의 전진을 초래하는 힘(FINST)을 나타내는 신호이다. 이들 신호는 에너지 적용기 힘 계산기(358)로부터 온다. 이들 신호는 힘 변환기(362)로부터 도입되는 것으로 도시되어 있다. 힘 오버라이더(375)로의 제3 입력은 집합적으로 공구 배향 힘 조절기(368)가 결정하는 힘 및 토크가 기구 축을 개구(370) 내에 유지하는 힘(FORNT)이다. 힘 오버라이더로의 제4 입력은 에너지 적용기(184)에 의해 적용된 파워를 나타내는 신호이다. 동력 생성 유닛으로서 모터를 가지는 기구에 대하여, 생성된 토크는 기구 동력의 지표로서 기능할 수 있다. 기구에 의해 견인된 전류는 에너지 적용기(184)에 의해 적용되는 파워의 표현으로서 사용될 수 있다. 도 16d에서, 이는 신호(ENGRY APP PWR)가 공구 제어기(132)로부터 도입되는 것으로 도시된 이유이다.
이들 신호 각각은 따라서 기구(160) 및/또는 에너지 적용기(184)에 적용되거나 그에 의해 출력되는 힘이나 토크를 나타낸다. 힘 오버라이더(375)는 이들 힘/토크 각각을 하나 이상의 한계 값에 비교한다. 이들 힘/토크 중 하나의 세트가 하한값을 초과하는 경우, 힘 오버라이더는 기구를 비활성화하고 기구의 전진을 중지시킨다. 힘/토크 중 어느 세트가 한계 값을 초과하는지에 따라, 힘 오버라이더는 설정된 시간 기간 동안 지속적으로 한계 값이 초과될 때까지 기구를 비활성화하고 전진을 중지시킬 수 있다. 이러한 지연은 조작기의 인가 또는 출력 힘/토크 중단 작업에서 순간적 스파이크의 경우를 최소화하도록 힘 오버라이더(375)에 프로그램될 수 있다. 이러한 지연 기간은 통상적으로 10과 500 밀리초 사이이다. 기구의 비활성화는 기구 매니저(702)의 제기에 의해 표현된다(도 27). 이 신호의 수신에 응답하여, 기구 매니저(702)는 공구 제어기(132)에 명령을 전송한다. 이 명령은 제어기(132)가 기구 동력 생성 유닛(163)에 대한 여기 신호의 적용을 무효화하게 한다. 공구 경로를 따른 이동의 중단은 공급 속도 계산기(284)에 대한 신호의 제기에 의해 표현된다. 이 신호에 응답하여, 공급 속도 계산기(284)는 기구 공급율을 0으로 강하시킨다.
이 힘/토크 중 하나의 세트가 상한 레벨을 초과하는 경우, 힘 오버라이더(375)는 조작기가 준자동 동작으로부터 수동 모드 동작으로 전이하게 한다. 하한 레벨에서와 같이, 힘 오버라이더(375)는 특정 힘/토크 한계가 지속적 시간 기간 동안 초과될 때까지 조작기(50)의 이러한 전이를 유발하지 않을 수 있다. 이 시간 기간은 통상적으로 대응 힘/토크 하한과 연계된 시간 기간보다 작다. 이 시간 기간이 더 낮은 이유는 더 높은 크기의 적용 또는 출력 힘/토크의 감지가 조작기가 원치않는 상태에 있을 수 있는 가능성이 크다는 것을 의미하기 때문이다. 힘 오버라이더(375)가 이 힘/토크 정보에 응답하기 이전의 시간 기간을 감소시키는 것은 상한 레벨이 초과될 때 오버라이더가 하한 힘/토크 레벨이 초과되는 것과 연계된 더 작은 교정 작용에 응답하는 대신 이 조건과 연계된 교정 작용을 취하는 것을 실질적으로 보증한다.
조작기의 동작을 수동 모드로 재설정하기 위해, 힘 오버라이더(375)는 에너지 적용기 힘 계산기(358) 및 공구 배향 조절기(368)에 신호를 제기한다. 에너지 적용기 힘 계산기(358)가 이 명령 신호를 오버라이더(375)로부터 수신할 때, 계산기는 힘(FINST)을 0으로 강하시킨다. 공구 배향 조절기가 이 명령 신호를 오버라이더(375)로부터 수신할 때, 조절기는 힘(FORNT)을 0으로 강하시킨다.
위로부터, 이제, 공구 경로 계산기(278)가 이하를 위해 가상 강체의 질량 중심에 적용되는 힘 및 토크에 관한 정보를 생성한다는 것을 이제 이해하여야 한다: (1) 경로 세그먼트를 따라 에너지 적용기(184)를 이동시킴 및 (2) 허용가능한 배향 범위 이내에서 기구를 유지. 이들 힘 및 토크 양자 모두를 설명하는 데이터가 전체 힘 합산기(380)에 적용된다. 에너지 적용기(184)를 전진시키기 위해 사용된 힘 및 토크는 별개로 계산된다. 따라서, 도 13b에서, 힘 및 토크의 이들 두 세트는 힘 합산기(380)에 두 개의 별개의 가량으로서 도시되어 있다.
힘 합산기(380)는 조작기 제어기(124) 상에서 구동되는 별개의 거동 제어 소프트웨어 모듈이다. 힘 합산기(380)로의 추가적 가량은 환형 힘 합산기(379)로부터 출력된 환경적 힘(FENV)이다. 힘 합산기(380)는 이들 세 개의 입력에 기초하여, 두 개의 합을 생성한다: 힘(FTTL) 및 토크(TTTL). 이들 합은 각각 조작기가 가상 강체의 질량 중심에 적용하는 힘 및 토크의 총계이다. 힘(FTTL) 및 토크(TTTL) 양자는 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된다. 동작의 수동 또는 준자동 모드에서, 조작기(50)는 이들 전체 힘 및 토크의 함수로서 기구(160)를 전진시킨다.
조작기 제어기(124) 상에서 구동되는 다른 거동 제어 소프트웨어 모듈인 가속 계산기(384)는 힘 합산기(380)로부터 전체 힘 및 토크 벡터(각각 FTTL 및 TTTL)를 수신한다. 도 13b에서, 합산기(380)로부터 계산기(384)로의 단일 연결이 도시되어 있다. 가속 계산기(384)는 좌표 시스템(CMVB)의 원점이 힘(FTTL) 및 토크(TTTL)의 적용에 기초하여 가속되는 범위를 결정한다. 이러한 가속은 병진 및 회전 양자 모두이다. 상술한 바와 같이, 기구 및 에너지 적용기(184)는 가상 강체로서 모델링된다. 이 강체를 위한 운동 방정식은 다음과 같다.
Figure 112015019096500-pct00014
(9)
Figure 112015019096500-pct00015

여기서, m은 가상 강체의 가상 질량이고, V는 좌표 시스템(CMVB)의 선형 속도이고,
Figure 112015019096500-pct00016
는 좌표 시스템(CMVB)의 선형 가속이고, ω는 좌표 시스템(CMVB)의 회전 속도이고,
Figure 112015019096500-pct00017
는 좌표 시스템(CMVB)의 회전 가속이다. 이들 속도 및 가속은 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된다. 텐서(I)는 좌표 시스엠(CMVB)에서 표현된 가상 강체의 가상 관성 텐서이다.
따라서, 가속 계산기(384)에는 또한 가상 강체의 가상 질량 및 가상 관성이 로딩된다. 이 값은 통상적으로 상수이다. 가속 계산기(384)는 선형 속도(V)와 각도 회전(ω)이 이들 변수를 위한 직전에 계산된 값인 것으로 가정한다. 상술한알려진 변수가 주어지면 가속 계산기(384)는 따라서, 선형 및 회전 가속(각각
Figure 112015019096500-pct00018
및
Figure 112015019096500-pct00019
) 양자를 위해 풀수 있있다.
Figure 112015019096500-pct00020
및
Figure 112015019096500-pct00021
는 벡터들이라는 거을 인지하여야 한다.
벡터들(
Figure 112015019096500-pct00022
및
Figure 112015019096500-pct00023
)은 양자 모두 조작기 제어기(124) 상에서 구동되는 다른 거동 제어 소프트웨어 모듈인 적분기(386)에 적용된다. 또한, 적분기(386)는 전술된 절단 안내부(390)로부터 좌표 시스템(MNPL)에서 표현된 좌표 시스템(CMVB)을 위한 명령된 자세 및 명령된 속도를 수신한다. 이들 명령된 자세 및 명령된 속도 데이터는 현재 프레임을 위한 적분을 위한 초기 조건으로서 적분기(386)에 의해 사용된다. 적분기(386)는 속도를 좌표 시스템(MNPL)으로부터 좌표 시스템(CMVB)로 변환한다. 이러한 변환은 적분의 초기 조건으로서 속도를 사용하는 것을 필요로 한다.
전술된 바와 같이, 조작기 초기화시 제1 프레임 적분을 위해, 명령된 자세는 후술된 순방향 운동학 모듈(562)로부터의 데이터에 기초한다. 명령된 속도는 0으로 설정된다.
적분기(386)는 좌표 시스템(CMVB)의 선형 및 회전 속도(V, ω) 양자 모두를 결정하기 위해 제1 적분을 수행한다. 적분기(386)는 그후 선형 속도(V)를 조작기 좌표 시스템(MNPL)의 그 등가물로 회전한다. 적분기(386)는 그후 조작기의 운동이 조작기의 동작 한계 내에 있는 것을 보증하기 위해 이들 속도의 크기를 제한한다. 이 속도 제한은 또한 조작기가 기구를 전진시키는 전진율이 절차를 위한 원하는 속도를 초과하지 않는 것을 보증하도록 수행될 수 있다. 적분기는 선형 및 회전 속도의 크기를 독립적으로 제어할 수 있다.
이들 속도는 그후 좌표 시스템(MNPL)에서 좌표 시스템(CMVB)의 원점의 새로운 위치를 결정하기 위해 적분된다.
또한, 적분기(386)는 회전 속도를 쿼터니온 레이트(quaternion rate)로 변환한다. 이러한 쿼터니온 레이트는 좌표 시스템(MNPL)으로 표현된다. 쿼터니온 레이트는 쿼터니온을 획득하도록 적분된다. 쿼터니온은 그후 조작기 좌표 시스템(MNPL)에서 좌표 시스템(CMVB)의 새로운 배향의 회전 행렬을 형성하기 위해 사용된다. 집합적으로, 조작기 좌표 시스템(MNPL)에서 좌표 시스템(CMVB)의 위치를 규정하는 이 벡터와 회전 행렬은 조작기 좌표 시스템(MNPL)에 관하여 좌표 시스템(CMVB)의 균질 변환 행렬을 형성한다. 이러한 변환 행렬은 가상 강체의 자세를 지정한다. 이 자세는 후술된 절단 안내부에 적용된다.
또한, 적분기(386)는 스위치(176)의 상태를 감시한다. 적분기(386)가 스위치(176)가 제기 상태로부터 비제기 상태로 전이되었다고 결정할 때, 적분기는 속도(V 및 ω)를 나타내는 신호를 0으로 순간적으로 강하시킨다. 이러한 강하는 선형 및 회전 속도 양자 모두에 대한 제2 적분 이전에 수행된다. 적분기(386)는 속도를 0으로 유지하지 않는다. 이는 후술된 역구동력 및 조인트 제한 힘 같은 다른 힘이 스위치(176)가 더 이상 제기되지 않게 된 이후에도 조작기의 이동에 계속 영향을 줄 수 있게 한다.
본 발명의 일부 형태에서, 적분기(386)는 속도를 0으로 직접적으로 강하시키지 않는다. 대신, 스위치(176)가 더 이상 제기되지 않을 때, 속도는 힘 합산기(379)에 적용된 후술된 감쇠력을 순간적으로 증가시킴으로써 0으로 간접적으로 구동된다.
속도 및 위치 적분의 결과는 절단 안내부(390)에 적용된다. 절단 안내부(390)는 조작기 제어기(124) 상에서 구동되는 거동 제어기 소프트웨어이다. 절단 안내부(390)는 조작기가 수동 모드에서 동작될 때 적용기가 적용되는 체적의 경계를 초과하여 조작기가 에너지 적용기(184)를 위치설정하는 것을 방지하는 소프트웨어 모듈이다. 따라서, 절단 안내부(390)는 에너지 적용기(184)의 수동 모드 위치설정이 경계 구속되는 것을 보증하는 소프트웨어 모듈이다.
조작기(50)가 준자동 모드에서 동작될 때, 에너지 적용기(184)가 그를 따라 전진하는 경로 세그먼트는 고유하게 에너지 적용기(184)가 적용되는 체적의 경계 내에 있다. 절단 안내부(390)는 적분기(386)에 의해 생성되는 자세의 초기 수취처이다. 따라서, 조작기(50)가 준자동 모드에서 동작할 때, 절단 안내부(390)는 규정된 경계를 초과한 에너지 적용기(184)의 비의도적 이동을 방지하는 안전장치로서 기능한다.
절단 안내부(390)로의 입력 중 하나는 적분기(386)에 의해 생성되는 자세이다. 이 적분기 생성 자세는 좌표 시스템(MNPL)에 대한 좌표 시스템(CMVB)의 원점으로 이루어진다. 제2 입력은 적분기(386)에 의해 생성된 선형 및 회전 속도이다. 절단 안내부(390)로의 제3 입력은 에너지 적용기(184)가 적용되는 체적 또는 적용되지 않는 체적 사이의 경계를 형성하는 경계 생성기(232)로부터의 데이터이다. 도 20a, 도 20b 및 도 20c에서, 이들 경계는 라인 세그먼트(452, 454, 456)라 지칭된다. 도 20a 내지 도 20c는 3차원 표면을 통한 2차원 단면도인 것으로 이해된다.
또한, 절단 안내부(390)는 좌표 시스템 변환기(272)로부터 제4 입력을 수신한다. 이들은 서로에 대해 좌표 시스템의 변환을 규정하는 데이터가 존재한다. 이들은 좌표 시스템(CMVB, EAPP, BONE, MNPL)에 관한 변환을 포함한다.
상술한 자세 및 속도 입력은 초기에 좌표 시스템(MNPL)에서 표현된다. 절단 안내부(390)는 이들 입력 각각을 좌표 시스템(BONE)으로 변환한다(단계 482). 이러한 변환은 에너지 적용기(184)가 그를 초과해 적용되지 않아야 하는 경계는 통상적으로 좌표 시스템(BONE)에서 고정되기 때문에 수행된다. 처리의 용이성을 위해, 따라서, 뼈 좌표 시스템(BONE)에서 이하의 분석을 수행하는 것이 더욱 편리하다.
절단 안내부(390)의 동작은 처음에 도 21a 내지 도 21c의 흐름도를 참조로 설명된다. 단계로서 도시되어 있지는 않지만, 절단 안내부(390)는 이전에 명령된 자세에 기초하여, 좌표 시스템(EAPP)의 원점의 이전에 명령된 위치를 계산한다. 적분기 생성 자세에 기초하여, 절단 안내부(390)는 좌표 시스템(EAPP)의 원점의 적분기 생성 위치를 계산한다.
단계 484에서, 절단 안내부(390)는 에너지 적용기(184)가 프레임 동안 가로지를 수 있는 임의의 경계 형성 타일을 나타낸다. 이러한 단계는 종종 광역 페이즈 검색으로서 설명된다. 단계 484는 에너지 적용기(184)의 이전에 명령된 위치의 규정된 거리 이내에 있는 타일의 세트를 식별함으로써 수행된다. 도 20a에서, 이는 지점(458)이다. 이 거리는 에너지 적용기(184)의 치수, 타일에 대한 에너지 적용기(184)의 속도(과거 프레임 동안의 전진 속도가 수용가능함), 프레임의 시간 기간, 경계 형성 섹션의 특성적 크기를 형성하는 스칼라 및 라운딩 인자의 함수이다.
광역 페이즈 검색(단계 484)의 실행의 결과로서, 절단 안내부(390)는 이러한 분석이 수행되는 프레임에서 모든 타일이 규정된 거리 외부에 있다는 것을 결정할 수 있다(단계 486). 이는 이 분석이 수행되는 프레임의 종료에 의해, 에너지 적용기(184)가 경계를 초과한 위치로 전진되지 않는다는 것을 의미한다. 이는 에너지 적용기(184)의 적분기 규정 위치인 지점(460)이 가장 근접한 경계로부터 많이 이격 배치되는 도 20a에 의해 예시되어 있다.
에너지 적용기(184)의 연속적 전진이 에너지 적용기(184)가 적용되는 체적의 경계 내에 있기 때문에, 절단 안내부(390)는 적분기(386)에 의해 생성된 바와 같은 좌표 시스템(CMVB)의 속도 또는 자세 중 어느 하나를 변경하지 않는다. 단계 488에서, 절단 안내부(390)는 명령된 자세 및 명령된 속도를 출력한다. 단계 488의 이러한 형태가 모든 경계 타일이 규정된 거리 외부에 있다는 것이 결정된 결과로서 실행되는 경우, 적분기(386)에 의해 생성된 자세 및 속도는 명령된 자세 및 명령된 속도로서 절단 안내부(390)에 의해 출력된다.
단계 488의 상술한 형태 및 다른 후술된 형태의 실행의 일부로서, 절단 안내부(390)는 좌표 시스템(CMVB)으로부터 명령된 자세 및 속도를 변환함으로써 이 자세 및 속도가 좌표 시스템(MNPL)에서 표현되게 한다. 명령된 속도는 선형 및 회전 성분 양자를 포함하는 벡터인 것으로 이해된다.
단계 484의 실행의 결과로서, 절단 안내부(390)는 대안적으로 에너지 적용기(184)의 규정된 거리 내에 있는 경계 형성 타일의 광범위한 세트를 식별할 수 있다. 단계 490에서, 절단 안내부(390)는 그후 에너지 적용기(184)가 가로지르는 타일의 광범위한 세트 내에 있는 경계 형성 타일의 좁은 세트를 나타낸다. 이러한 단계는 종종 좁은 페이즈 검색이라 지칭된다. 이 좁은 페이즈 검색은 초기에 경계 체적을 규정함으로써 수행될 수 있다. 이 경계 체적은 에너지 적용기(184)의 최초 및 최종 위치인 것으로 고려되는 바 사이에서 연장한다. 이것이 단계 490)의 최초 실행인 경우, 초기 위치는 이전 명령된 위치로 설정되고, 최종 위치는 적분기 생성 위치로 설정된다.
그 가장 기본적 형태에서, 이 경계 체적은 에너지 적용기(184)의 최초 위치와 최종 위치 사이의 라인 세그먼트이다. 경계 체적은 체적의 길이를 따라 일정한 단면적 형상을 가질 수 있다. 경계 체적은 형상이 굴곡된 및/또는 직선인 하나 이상의 경계를 포함하는 단면 섹션을 가질 수 있다. 경계 체적은 에너지 적용기(184)의 최초 및 최종 배향과 에너지 적용기(184)의 형상의 함수인 형상을 가질 수 있다.
단계 490의 좁은 페이즈 검색의 일부로서 경계 체적이 규정되고 나면, 절단 안내부(390)는 존재하는 경우 타일의 광폭 세트가 이 체적에 의해 교차되는 지를 결정한다. 경계 체적이 교차되는 타일은 좁은 세트 타일이다.
단계 490의 평가의 결과로서, 타일의 타일의 넓은 세트 중 어떠한 것도 경계 체적에 의해 교차되지 않는 것으로 결정될 수 있으며, 좁은 세트는 빈 세트이다. 이는 단계 492의 평가이다. 이 평가가 참으로 테스트되는 경우, 절단 안내부(390)는 에너지 적용기(184)의 최종 위치가 경계에 의해 형성되는 체적 내에 있다는 것을 나타내는 것으로 이 조건을 해석한다. 에너지 적용기(184)가 이렇게 위치되는 경우, 절단 안내부(390)는 상술한 단계 488에 선행한다. 이 것이 단계 490의 최초 실행인 경우, 단계 488의 이러한 형태에서, 적분기(386)에 의해 생성된 자세 및 속도는 명령된 자세 및 명령된 속도로서 절단 안내부(390)에 의해 출력된다.
대안적으로, 단계 492의 평가의 결과로서, 경계 체적이 하나 이상의 타일과 교차한다는 것을 결정할 수 있으며, 좁은 세트는 하나 이상의 타일을 포함한다. 이는 단계 492의 평가의 결정인 경우, 절단 안내부(390)는 에너지 적용기(184)의 최종 위치가 경계를 초과한다는 것을 나타내는 것으로서 이 조건을 해석한다. 이 조건은 도 20b에 의해 예시되어 있다. 여기서, 지점(462)은 에너지 적용기(184)의 초기 위치이다. 지점(469)은 최종 위치이다.
도 20b의 조건이 존재하는 경우, 단계 493은 타일의 좁은 세트 중 어느 것에 에너지 적용기(184)가 최초 교차하는지를 결정하도록 수행된다. 경계 체적이 라인인 경우, 각 타일을 위한 절단 안내부(390)는 타일과 적용기의 교차 이전에 프레임 동안 에너지 적용기(184)가 전진하는 거리의 백분율을 결정한다. 거리의 최저 백분율에서 교차된 타일은 최초로 교차되는 것으로 이해되는 타일이다. 경계 체적이 비제로 교차 단면 영역을 갖는 경우, 본 발명의 일부가 아닌 프로세스가 교차 거리를 결정하기 위해 사용된다.
도 22를 참조하여, 에너지 적용기(184)에 가장 근접한 타일을 형성하는 경계가 에너지 적용기(184)가 가로지를 수 있는 타일이 아닐 수 있다는 것을 알 수 있다. 여기서, 단계 484의 프로세스의 결과로서, 타일(506-522)이 점선 원(501)으로 표현된 체적인 거리(d) 내에 있다는 것이 최초 결정되고, 이 거리는 에너지 적용기(184)가 시간 프레임 내에서 잠재적으로 이동할 수 있는 거리이다.
에너지 적용기(184)에 가장 근접한 타일은 타일(518)이다. 그러나, 에너지 적용기(184)는 예시적 목적을 위해 도 22에서 직선 및 하향인 궤적을 따라 지점(469)을 향해 이동한다. 따라서, 단계 493의 평가에서, 절단 안내부는 타일(512)이 경계 체적이 교차하는 타일이라는 것을 결정한다.
단계 494에서 절단 안내부(390)가 일반적으로 어느 경계 형성 타일을 에너지 적용기(184)가 교차하는지를 결정하고 나면, 절단 안내부(390)는 시간(tCNTC) 및 지점(pCNTC)을 결정한다. 시간(tCNTC)은 에너지 적용기(184)가 경계를 교차할 때 프레임의 개시에 대한 시간 기간이다. 이 시간은 경계에 접촉하기 이전의 프레임 동안 에너지 적용기(184)가 전진하는 거리의 백분율에 기초하여 결정된다. 이러한 결정은 임의의 주어진 프레임 동안 에너지 적용기(184)의 속도가 일정하다는 가정에 기초하여 이루어진다. 지점(pCNTC)은 에너지 적용기(184)가 타일을 교차하는 좌표 시스템(BONE)의 지점이다. 이 지점은 에너지 적용기(184)의 전진 경로가 타일과 교차하는 위치를 계산함으로써 결정된다. 양 계산은 입력 변수로서 에너지 적용기(184)의 초기 및 최종 위치와 경계 타일의 주연을 규정하는 데이터를 사용한다. 이들 위치 특정 데이터는 좌표 시스템(BONE) 내에 있다.
또한, 단계 494의 일부로서, 절단 안내부(390)는 시간(tCNTC)에서 이 좌표 시스템의 속도와 좌표 시스템(CMVB)의 자세를 결정한다. 이 자세는 좌표 시스템(CMVB)의 초기 자세, 이 좌표 시스템의 초기 속도 및 시간(tCNTC)에 기초하여 계산된다. 단계 494의 최초 실행의 경우, 절단 안내부(390)는 좌표 시스템(CMVB)의 이전에 명령된 자세를 초기 자세가 되도록 할당한다. 단계 494의 최초 실행의 경우, 절단 안내부(390)는 좌표 시스템(CMVB)의 이전에 명령된 속도가 초기 속도가 되도록 할당한다. 좌표 시스템(CMVB)의 선형 및 회전 속도 양자 모두는 프레임 전반에 걸쳐 일정한 것으로 가정된다. 따라서, 초기 선형 및 회전 속도 양자 모두는 시간(tCNTC)에서 선형 및 회전 속도가 되는 것으로 가정된다. 상술한 결정은 좌표 시스템(BONE)을 참조로 이루어진다.
또한, 단계 494의 일부로서, 좌표 시스템(EAPP)의 선형 및 회전 속도는 시간(tCNTC)에 결정된다. 이들 속도는 좌표 시스템(CMVB)의 속도 및 좌표 시스템(CMVB)에 대한 좌표 시스템(EAPP)의 고정된 자세에 기초한다. 좌표 시스템(EAPP)의 선형 및 회전 속도는 좌표 시스템(BONE)을 참조로 계산된다.
또한, 절단 안내부(390)는 경계 접촉 좌표 시스템을 규정한다(단계 496). 이 좌표 시스템은 에너지 적용기(184)에 의해 교차되는 경계의 표면 섹션에 직교하는 z-축을 갖도록 규정된다. 경계 접촉 좌표 시스템을 규정하는 프로세스의 일부로서, 좌표 시스템(BONE)에 대한 이 좌표 시스템의 위치 및 배향이 결정된다. 이 좌표 시스템의 원점은 지점(pCNTC)이다.
절단 안내부(390)는 그후 경계를 초과하여 에너지 적용기(184)의 원치않는 전진을 정지시키도록 좌표 시스템(EAPP)의 원점에서 가상 강체에 적용된 힘(FBNDR)을 결정한다. 힘(FBNDR)이 결정되는 방법이 도 23a를 먼저 참조하여 설명된다. 이 도면은 적용기가 경계를 향해 이동할 때 에너지 적용기(184)와 좌표 시스템(CMVB)의 속도를 나타낸다. 예시의 용이성을 위해, 경계의 X 및 Z 축만을 따른 속도가 예시되어 있다. 도 23a에 도시된 바와 같이, 에너지 적용기(184)는 x-축으로 우측으로, 그리고, z-축으로 하방으로 높은 속도로 이동한다. 동시에, 가상 강체, 특히, 좌표 시스템(CMVB)의 원점은 더 느린 속도로 X-축으로 좌측으로, 그리고, Z-축을 따라 상방으로 이동한다. 이들 속도의 배향 및 상대 크기에 기인하여, 이 이동에서 발생하는 바는 가상 강체의 일부 미소한 변위가 존재하면서 에너지 적용기(184)까 좌표 시스템(CMVB)에 대해 반시계방향으로 회전한다는 것이다.
절단 안내부(390)가 에너지 적용기(184)가 경계 접촉 좌표 시스템의 z-축에서 전진하는 것을 방지하는 좌표 시스템(EAPP)의 원점에 적용되는 경계 구속 힘을 결정한다.
따라서, 단계 530에서, 절단 안내부(390)는 좌표 시스템(EAPP)의 위치 및 속도와 좌표 시스템(CMVB)의 자세 및 속도를 경계 접촉 좌표 시스템으로 변환한다. 단계 532에서, 절단 안내부는 시간(tCNTC)에 좌표 시스템(EAPP)의 원점에 적용되는 경우 경계에 수직으로 경계를 향한 방향으로의 적용기의 전진을 정지시키는 스칼라 힘(FBNDR)을 결정한다. 도 23b에서 화살표(457)로 표현된 바와 같이, 힘(FBNDR)은 경계 접촉 좌표 시스템에서 z 축을 따라 작용한다. 절단 안내부(390)는 힘(FBNDR)의 크기를 결정하기 위해 다수의 다양한 방법 중 하나를 사용할 수 있다.
예로서, 힘(FBNDR)을 연산하기 위해 임펄스 방법을 사용하는 것이 가능하다. 한 가지 이런 방법에서, 경계 접촉 좌표 시스템에서 표현된 성분을 갖는 방정식 (5)의 형태가 FBNDR을 결정하기 위해 사용된다. 방정식 (5)의 이러한 용례에서, FBNDR은 FEAPP을 대체한다. 이 경우, 속도(V1)는 시간(tCNTC)에서 에너지 적용기(184)의 원하는 속도이다. 따라서, 속도(V1)의 Z-성분은 0이다. 이는 방정식의 이러한 적용의 목적이 좌표 시스템(EAPP)의 원점에 적용되는 경우 경계에 대해 0까지 Z-축 속도가 강하하게 하는 힘을 결정하는 것이기 때문이다. 속도(V1)의 다른 성분은 관련되지 않는다. 이는 후술된 방향 벡터(DXYZ)의 선택에 기인한다. 속도(V0)는 프레임의 시점에서 좌표 시스템(CMVB)의 속도이다. 시간(tCNTC)은 △t로서 사용된다. 방향 벡터(DXYZ)의 선형 성분은 지점(pCNTC)에서 경계의 표면의 수직 방향을 형성하는 단위 벡터이다. 따라서, 이 벡터는 [0, 0, 1]이다. 벡터(DXYZ)의 회전 성분은 0 벡터로 설정된다. 방정식 (5)의 이러한 적용에서, JBNDRY는 JSA를 대체한다. 자코비안(JBNDRY)은 좌표 시스템(CMVB)의 원점으로부터 경계 좌표 시스템의 원점으로의 방향 벡터(DXYZ)를 따른 자코비안이다.
방정식 (5)의 이러한 적용에서, 질량 행렬(M)는 경계 접촉 좌표 시스템에서 표현된다. 힘(Fcgext)은 힘 합산기(380)의 출력이다. 사용되는 힘 Finertial 및 Fcgext에 대하여, 이들은 경계 접촉 좌표 시스템에서 먼저 표현되어야 한다. 성분(C 및 ε)은 종종 0으로 설정된다. 이는 △d를 결정할 필요성을 제거한다.
에너지 적용기(184)가 복수의 경계 형성 타일과 동시에 접촉하는 상황이 존재할 수 있다. 에너지 적용기(184)가 이렇게 위치될 때, 복수의 타일은 에너지 적용기(184)에 복수의 힘을 동시에 적용한다. 집합적으로 이들 힘은 에너지 적용기(184)를 타일 중 어떠한 것도 가로지르지 않는 경로를 따라 변위시켜야 한다. 이러한 이동을 보증하기 위해 좌표 시스템(EAPP)의 원점에 적용될 필요가 있는 힘을 결정하기 위해 계산을 수행하는 것은 선형 상보형 문제이다. 이러한 문제점은 각 힘 및 속도 쌍에 대하여, 힘이 0과 같거나 그보다 커야하며 속도도 0이상이어야 하는 형태로 이루어진다. 이 문제를 풀기 위해, 따라서, 방정식 (5)의 이러한 형태의 자코비안 행렬은 여분의 행을 포함할 필요가 있다.
또한, 이 임펄스가 좌표 시스템(CMVB)의 원점으로부터 이격된 에너지 적용기(184) 좌표 시스템(EAPP)의 원점인 가상 강체 상의 지점에 적용된다는 것을 이해하여야 한다. FBNDRY가 결정되고 나면, 이 스칼라 힘은 좌표 시스템(CMVB)의 원점에서 가상 강체에 적용될 필요가 있는 경계 구속 힘 및 토크(FB _C)의 등가 세트로 변환된다(단계 534). 이 변환은 이하의 공식에 따를 수 있다.
Figure 112015019096500-pct00024
(11)
힘(FB _C)은 경계 접촉 좌표 시스템에서 표현된다.
힘(FB _C)은 그후 Fcgext와 합산된다. 방정식(9 및 10)을 참조로 설명된 방법을 사용하여, 절단 안내부(390)는 좌표 시스템(CMVB)의 새로운 가속을 결정한다(단계 536). 상술한 힘 및 토크의 합은 방정식의 이들 적용에서 FTTL 및 FTLL를 대체한다.
이들 가속 값에 기초하여, 적분기(386)에 의해 사용되는 방법을 사용하여, 절단 안내부(390)는 시간(tCNTC)에서 종료하는 적분 간격을 사용하여 시간(tCNTC)에서 좌표 시스템(CMVB)의 속도를 결정한다(단계 538). 이 단계의 최초 실행의 경우, 프레임의 시작은 적분 간극의 시작이다. 이 단계의 후속 실행의 경우, 이 적분 간격은 프레임의 시작 이후의 시간에서 시작한다.
다음에, 적분기(386)에 의해 사용되는 방법의 두 번째 실행은 프레임의 종료부에서 좌표 시스템(CMVB)의 속도 및 자세를 결정하기 위해 수행된다. 이 두번째 실행은 시간(tCNTC)로부터 프레임의 종료까지 연장하는 적분 간격을 사용하여 수행된다.
절단 안내부(390)에 의해 수행되는 상술한 적분 프로세스는 경계 접촉 좌표 시스템에서 수행된다. 경계 구속 힘 생성 프로세스의 단일 반복 동안, 경계 접촉 좌표 시스템의 자세는 좌표 시스템(BONE)에 대하여 고정된다. 따라서, 경계 접촉 좌표 시스템에서 이들 프로세스를 수행함으로써, 경계 구속 힘을 계산할 때 환자의 해부학의 이동이 고려된다. 종종 경계 접촉 좌표 시스템은 이 적분 간격 동안 좌표 시스템(MNPL)에 대한 어떠한 가속도 없고 일정한 속도를 갖는 관성 좌표 시스템인 것으로 가정된다. 이들 적분기 프로세스의 출력은 그후 경계 접촉 좌표 시스템으로부터 좌표 시스템(BONE)으로 변환된다.
경계 구속 프로세스의 이 시점에서, 시간(tCNTC)에서 좌표 시스템(CMVB)의 자세가 이 좌표 시스템의 새로운 초기 자세가 된다. 이 목적으로부터, 좌표 시스템(EAPP)의 새로운 초기 위치가 결정된다. 이 위치는 경계에 인접하지만 경계 위에 있지 않은 에너지 적용기(184)의 위치이다. 도 20b에서, 이는 지점(464)이다. 프레임의 종점에서 좌표 시스템(CMVB)의 자세는 이 좌표 시스템의 새로운 최종 자세가 된다(단계 540). 이 목적으로부터, 좌표 시스템(EAPP)의 새로운 최종 위치가 결정된다(단계 542). 도 20b에서, 이 위치는 지점(468)에 의해 표현된다. 가상 강체에 대한 FB _C의 적용의 결과로서, 좌표 시스템(EAPP)의 위치는 경계를 따라 이동하지만 경계를 가로지르지는 않는다. 도 20b에서, 이는 지점(464)으로부터 지점(468)까지 에너지 적용기(184)의 전진으로서 표현된다.
FB _C의 적용의 결과로서, 좌표 시스템(CMVB)의 위치의 적용가능한 변화가 존재한다는 것을 또한 인지하여야 한다. 이 편차는 도 23b 내지 도 23c로부터 지점(165)의 위치의 편차에 의해 표현된다. 도 23b의 도면에 비해, 도 23c에서, 좌표 시스템(CMVB)은 경계 구속 힘을 받지 않는 경우보다 더욱 하향 및 우향으로 변위된다. 이는 기구(160) 및 에너지 적용기(184)의 점선 표현으로 표현되어 있다.
도 20b에서, 에너지 적용기(184)는 경계(454)에 대략 평행하고 인접한 경로 상에서 전진하는 것으로 도시되어 있다. 가상 강체의 에너지 적용기(184)는 이 경로를 따라 프레임의 종점까지 전진한다.
에너지 적용기(184)의 전진이 적용기가 하나의 경계를 초과하는 것을 방지하도록 구속된 이후, 동일 시간 프레임 내에서, 에너지 적용기(184)가 제2 경계를 교차할 수 있는 가능성이 있다. 이 시나리오가 도 20c에 도시되어 있다. 여기서, 지점(470)은 에너지 적용기(184)의 제1 초기 위치인 이전에 명령된 위치이다. 지점(472)은 에너지 적용기(184)의 전진이 경계 구속되지 않는 경우 제1 최종 위치인 적분기 생성 위치를 나타낸다. 지점(472)은 경계를 초과한다. 따라서, 절단 안내부(390)는 에너지 적용기(184)가 경계(454)를 가로지르는 것을 방지하도록 가상 강체에 적용될 필요가 있는 경계 구속 힘을 결정한다.
지점(471)은 제1 경계 구속 힘을 적용함으로써 절단 안내부(390)가 에너지 적용기(184)가 경계(454)를 가로지르는 것을 방지하는 경계(454)에 인접한 지점이다. 따라서, 지점(471)은 프레임 내에서 에너지 적용기(184)의 제2 초기 위치이다.
지점(476)은 가상 강체가 단일 경계 구속 힘만을 받는 경우 에너지 적용기(184)의 제2 최종 위치를 나타낸다. 도 20c에서, 지점(471, 476) 사이의 이동 경로가 경계(456)와 교차하는 것이 관찰된다. 따라서, 절단 안내부(390)는 에너지 적용기(184)의 하나의 경계 구속 전향이 적용기가 다른 경계를 가로지르게 하는 것을 방지하도록 추가로 구성된다.
절단 안내부(390)는 단계 542가 실행된 이후 타일의 후속 좁은 페이즈 검색을 수행함으로써 이러한 침입을 방지하고, 단계 490이 재실행된다. 이러한 후속 좁은 페이즈 검색을 수행하기 이전에(단계 490), 절단 안내부는 단계 543을 실행한다. 단계 543에서, 절단 안내부(390)는 절단 안내부(390)가 좌표 시스템(EAPP)의 원점에 적용될 수 있는 경계 구속 힘(FBNDRY)의 최대 수의 허용된 재계산을 수행하였는지 여부를 평가한다. 단계 543을 수행하는 목적은 후술된다. 절단 안내부가 경계 구속 힘의 최대 수의 재개산을 수행하지 않은 경우, 절단 안내부는 좁은 페이즈 검색의 후속 단계 490 재실행으로 진행한다.
이 후속 좁은 페이즈 검색 프로세스에서, 에너지 적용기(184)의 새롭게 규정된 초기 및 최종 위치는 단계 490에서 새로운 경계형성 체적을 규정하도록 사용된다. 또한, 단계 490에서, 이 체적이 임의의 경계와 교차하는지 여부에 관한 결정이 이루어진다. 단계 492의 후속 실행 동안, 평가는 경계 체적이 가로지르는 타일의 세트가 빈 세트라는 것을 나타낼 수 있다. 단계 492의 최초 실행에서와 같이, 이 평가 테스트가 참으로 테스트되는 경우, 절단 안내부(390)는 에너지 적용기(184)가 최종 위치로 전진하는 경우, 적용기가 경계와 교차하지 않는다는 것을 나타내는 것으로 결과를 해석한다. 이는 절단 안내부가 도 20b에서 지점(464)로부터 지점(468)까지 에너지 적용기(184)의 전진에 관하여 수행하는 평가 결과이다.
단계 492의 이러한 후속 평가의 결과가 참으로 테스트될 때, 절단 안내부(390)는 단계 488의 형태를 실행한다. 단계 488의 이러한 실행은 단계 492의 제2 또는 후속 실행 이후 이루어진다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 단계 488의 이러한 형태에서, 절단 안내부(390)는 프레임 자세의 최종 결정된 종점과 좌표 시스템(CMVB)의 프레임 속도의 최종 결정된 종점이 각각 이 좌표 시스템의 명령된 자세 및 명령된 속도가 되는 것으로 출력한다.
도 20c의 에너지 적용기(184) 전진의 제2 좁은 페이즈 검색에서, 경계형성 체적은 지점(471)과 지점(476) 사이에 있다. 이러한 체적은 경계(456)와 교차한다. 단계 492의 후속 평가는 거짓으로 테스트될 것이다. 결과적으로, 단계 493, 494, 496, 530, 532, 534, 536, 538, 540, 542 및 543이 재실행된다. 이들 단계의 재실행의 결과로서, 절단 안내부(390)는 가상 강체에 적용될 필요가 있는 후속 경계 구속 힘의 특성을 결정한다. 절단 안내부(390)는 그후 이 후속 경계 구속 힘의 적용시 에너지 적용기(184)가 전진하는 후속 최종 위치를 결정한다.
도 20c에서, 에너지 적용기(184)가 지점(474)에서 경계를 가로지르는 것을 방지하도록 가상 강체에 후속 경계 구속 힘을 적용할 필요가 있다는 것을 볼 수 있다. 이러한 후속 경계 구속 힘의 적용의 결과로서, 에너지 적용기(184)는 지점(478)으로 전진한다. 에너지 적용기(184)가 이 지점(478)에 있을 때 좌표 시스템(CMVB)의 최종 자세는 절단 안내부(390)에 의해 출력된 프레임 종점 명령 자세이다.
따라서, 에너지 적용기(184)가 전진되는 단일 시간 프레임에 대하여, 절단 안내부(390)는 경계에 대한 에너지 적용기(184)의 위치를 결정하기 위해 다수회 분석을 수행할 수 있다. 필요시, 절단 안내부(390)가 에너지 적용기(184)가 경계를 가로지르는 것을 방지하도록 가상 강체에 다수의 경계 구속 힘을 적용한다.
본 발명의 일부 형태에서, 절단 안내부가 단일 프레임에서 시간의 수에 제한되는 경우, 가상 강체에 적용되어야 하는 경계 구속 힘에 관한 데이터를 생성할 수 있다. 이는 조작기 제어기(124)의 처리 용량의 한계에 기인한다. 본 발명의 일부 형태에서, 절단 안내부는 4회와 16회 반복 사이, 그리고, 더 빈번하게는 프레임 당 6회 내지 12회 반복으로 제한된다. 이는 절단 안내부가 단계 543의 평가를 실행하는 이유이다. 절단 안내부가 경계 구속 힘 생성의 최대 수를 수행한다는 것을 결정하는 경우, 절단 안내부는 단계 488의 일 형태를 실행한다. 단계 488의 이러한 실행 형태에서, 최종 초기 자세 및 속도는 각각 좌표 시스템(CMVB)의 명령된 자세 및 명령된 속도로서 출력된다. 이는 이 자세 및 속도가 에너지 적용기(184)가 경계 내에 있는 상태를 위해 절단 안내부(390)에 의해 저장된 최종 자세 및 속도이기 때문이다.
좌표 시스템(MNPL)에 대한 좌표 시스템(CMVB)의 명령된 자세 및 명령된 속도는 거동 제어 프로세스의 최종 출력이다.
좌표 시스템(CMVB)의 명령된 자세는 도 13c에 도시된 역방향 운동학 모듈(542)에 적용된다. 역방향 운동학 모듈(542)은 조작기 제어기(124)에 의해 실행되는 운동 제어 모듈 중 하나이다. 명령된 자세 및 사전로딩된 데이터에 기초하여, 역방향 운동학 모듈(542)은 조작기(50)의 조인트의 원하는 조인트 각도를 결정한다. 사전로딩된 데이터는 링크와 조인트의 형상을 규정하는 데이터이다. 본 발명의 일부 형태에서, 이들 데이터는 데나비트-하텐버그 파라미터의 형태이다.
역방향 운동학에 대한 폐쇄 형태 해가 알려지지 않은 본 발명의 구성이 존재한다. 이는 종종 본 출원에서 설명된 메커니즘 같은 초과작동 평행 메커니즘을 갖는 경우이다. 이런 상황에서, 역방향 운동학은 반복 뉴톤 랩슨 방법 같은 수치해석 방법을 사용하여 풀려진다. 이 역방향 운동학 모듈은 조작기의 능동 및 수동 조인트 양자 모두를 위한 조인트 각도를 계산한다. 능동 조인트는 그 각도가 조인트 작동기에 의해 구동되는 조인트이다. 수동 조인트는 그 각도가 능동 조인트의 위치설정의 결과로 설정된 조인트이다. 수동 조인트는 상부 링크(74)와 종동 링크(80) 사이의 조인트, 4개 바아 링크(78)와 종동 링크(80) 사이의 조인트 및 종동 링크(80)와 커플러(88) 사이의 조인트이다.
능동 조인트를 위한 각각의 원하는 조인트 각도는 연계된 조인트 모터 제어기(126)에 적용된다. 조인트 모터 제어기(126)는 조인트의 위치설정을 조절한다. 제어기(126)에 적용된 이들 조인트 각도는 명령된 조인트 각도라 지칭된다.
예시되지 않았지만, 일부 조작기는 부하 균형화 및/또는 아암 보상을 수행하는 모델을 포함한다는 것을 이해하여야 한다. 이는 평행 아암을 포함하는 조작기에 대해 참이다. 이들 모듈은 조작기가 초과작동 평행 아암을 포함하는 경우 거의 항상 제공된다. 부하 균형화는 명령된 자세로의 기구의 전진과 연계된 부하를 아암이 공유하는 것을 보증하도록 수행된다. 이 부하 균형화는 각 아암이 다른 아암의 이동을 저지하는 정도를 최소화하도록 수행된다. 부하 균형화는 또한 작동기 사이에서 토크를 재분배하도록 수행된다. 이 토크는 조작기에 의해 출력된 전체 토크의 현저한 백분율을 임의의 개별 작동기가 적용하는 것이 요구되는 경우를 최소화하도록 재분배된다.
아암 보상은 하나의 아암이 통상적으로 다른 아암의 위치설정을 조절하도록 위치되기 때문에 수행된다. 예로서, 종종 하부 아암(68)의 명령된 조인트 각도 중 최종 일부가 상부 아암(70)과 연계된 패시브 조인트 각도의 정확한 위치설정을 보증하도록 종종 미세하게 조절된다. 부하 균형화 및 아암 보상 모듈의 디자인은 조작기와 일체인 링크의 특성에 특정하다. 이는 설명된 링크 조립체와는 다른 링크 조립체에 의해 실시될 수 있다.
역방향 운동학 모듈에 의해 생성되는 원하는 조인트 각도는 또한 운동 제어 모듈인 명령 동역학 모듈(544)에 적용된다. 명령 동역학 모듈은 각 조인트를 위한 조인트 각도의 순서를 차별화한다. 이들 차별화는 각 조인트에 대해 그 각도 각속도 및 가속을 나타내는 데이터를 생성하기 위해 수행된다. 또한, 명령 동역학 모듈은 링크 각각의 질량 및 관성 특성을 설명하는 데이터를 갖는다.
상술한 데이터에 기초하여, 명령 동역학 모듈(544)은 조인트 및 링크의 운동을 위한 역방향 동역학 계산을 수행한다. 이 역방향 동역학 계산은 각각의 능동 조인트에 대해 명령된 조인트 각도까지의 조인트의 운동을 유발하기 위해 조인트에 적용되어야 하는 토크를 생성한다. 이 토크는 피드 포워드 토크라 지칭된다. 본 발명의 일부 형태에서, 이 토크는 반복적 뉴턴 오일러 방법에 기초하여 계산된다. 대안적으로, 이들 토크는 라그랑주 방법을 사용하여 계산될 수 있다.
도 13d에 도시되지 않았지만, 센서(108)에 의해 검출된 힘 및 토크를 나타내는 신호는 때때로 명령 동역학 모듈(544)에 적용된다. 이들 신호를 동역학 계산의 추가적 입력 변수로서 이들 신호를 사용함으로써, 모듈(544)은 피드 포워드 토크의 더 정확한 계산을 생성한다.
조작기(50)가 기구(160)를 정적 자세로 보유하는 기간이 존재한다. 이들 기간 동안, 조인트의 속도 및 가속은 0으로 떨어진다. 이들 시간 기간 동안에도, 명령 동역학 모듈(544)은 조인트 모터가 여전히 비제로 토크를 생성한다는 것을 나타내는 데이터를 출력한다. 이는 조인트 모터가 그 정적 위치로부터 아암 링크가 미끄러지는 것을 방지하기 위해 적어도 약간의 토크를 출력할 필요가 있기 때문이다. 이는 아암 링크가 직접 기계적 힘에 노출되지 않을 때에도 아암이 여전히 중력의 힘을 받기 때문이다.
각 조인트 모터 제어기(126)는 세 개의 입력을 수신한다. 하나의 입력은 역방향 운동학 모듈로부터의 연계된 조인트를 위한 명령된 조인트 각도이다. 제2 입력은 명령된 동역학 모듈(544)로부터의 조인트를 위한 피드 포워드 토크이다. 제3 입력은 조인트와 연계된 회전 인코더(112, 114 또는 116)로부터의 입력 신호이다. 또한, 각 모터 제어기(126)는 상수로서 제어기가 연계되는 작동기(92, 94 또는 96)의 감속 기어(105)의 기어 비율을 상수로서 저장한다. 이들 로터 각도 데이터 및 기어 비율 데이터에 기초하여, 제어기(126)는 조인트의 실제 조인트 각도를 나타내는 데이터를 생성한다. 이는 측정된 조인트 각도라 알려져 있다.
상술한 입력에 기초하여, 조인트 모터 제어기(126)는 조인트를 명령된 조인트 각도를 향해 모터가 구동하게 하는 연계된 모터(101)에 적용되어야 하는 여기 신호를 결정한다. 측정된 조인트 각도는 실제 조인트 각도의 표현으로서 사용된다는 것을 이해하여야 한다. 명령된 동역학 모듈로부터의 피드 포워드 토크는 제어기(126)의 전류 제어 루프의 입력에 추가된 피드 포워드 토크 신호이다. 전류 제어 루프에 대한 피드 포워드 토크의 이러한 지표의 추가 이전에, 제어기(124)는 조인트 토크로부터 기어 비율에 기초한 모터 토크로 토크를 조절한다. 이 토크는 그후 모터 토크로부터 모터의 저장된 토크 상수에 기초한 모터 전류로 조절된다.
모터(101)에 적용된 에너지 신호의 적용의 결과로서, 능동 조인트는 그 명령된 조인트 각도를 향해 구동된다. 견부 및 링크의 결과적 변위는 그 원하는 조인트 각도를 향해 패시브 조인트가 구동되게 한다.
조인트 모터 제어기(126)에 의해 발생된 6개의 능동 조인트의 측정된 조인트 각도는 순방향 동역학 모듈(562)에 포워딩된다. 인코더(117, 118)로부터의 신호가 순방향 동역학 모듈(562)에 또한 적용된다. 이들 신호는 이들 인코더와 일체인 수동 조인트를 위한 측정된 조인트 각도이다. 측정된 조인트 각도 및 미리 로딩된 데이터에 기초하여, 순방향 동역학 모듈(562)은 좌표 시스템(MNPL)에 대한 단부 이펙터(110), 좌표 시스템(EFCT)의 실제 자세의 표현을 결정한다. 미리 로딩된 데이터는 링크와 조인트의 지오메트리를 규정하는 데이터이다. 본 발명의 몇몇 형태에서, 이들 데이터는 데나비트-하텐버그 파라미터의 형태이다.
순방향 동역학 모듈(562)은 또한 인코더가 부착되지 않는 수동 조인트를 위한 조인트 각도를 계산한다. 이들 계산된 조인트 각도는 인코더가 부착되지 않은 수동 조인트를 위한 실제 조인트 각도의 표현으로서 기능한다. 순방향 동역학 모듈(562)은 단부 이펙터(110)의 실제 자세를 결정하는 프로세스의 부분으로서 이들 조인트 각도를 계산한다.
단부 이펙터의 측정된 자세에 기초하여, 순방향 동역학 모듈(562)은 좌표 시스템(MNPL)에 대한 좌표 시스템(CMVB) 및 좌표 시스템(EAPP)의 측정된 자세를 기술하는 데이터를 생성한다. 이는 좌표 시스템(EFCT, CMVB 및 EAPP)이 서로에 대해 고정된 자세를 갖기 때문이다.
좌표 시스템(CMVB)의 측정된 자세는 자코비안 계산기(564)에 적용된다. 자코비안 계산기(564)는, 이 측정된 자세에 기초하여, 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된 좌표 시스템(CMVB)의 원점의 운동에 대한 개별 좌표 공간 내의 운동에 관한 자코비안 행렬을 계산한다. 일 이러한 좌표 공간은 조인트 공간이다. 조인트 공간은 조작기의 모든 조인트 각도으로 이루어진 벡터이다. 계산된 행렬들 중 하나는 조인트 공간과 좌표 시스템(CMVB) 사이의 자코비안(JJNT)이다. 제2 좌표 공간은 간섭 공간이다. 간섭 공간은 이하에 설명되는 잠재적으로 충돌하는 링크의 쌍들 사이의 최소 거리를 포함하는 벡터이다. 몇몇 경우에, 이들 최소 거리는 잠재적으로 충돌하는 링크의 쌍들 사이의 공통 법선을 따른 거리이다. 제2 계산된 행렬은 간섭 공간과 좌표 시스템(CMVB) 사이의 자코비안(JINF)이다. 좌표 시스템(EAPP)은 제3 좌표 공간이다. 계산기(564)는 좌표 시스템(MNPL)에서 표현된 좌표 시스템(EAPP)의 원점과 좌표 시스템(CMVB)의 원점 사이의 자코비안(JWSB)을 계산한다.
종종 계산기(564)는 초기에 수치 방법을 사용하여 원하는 자코비안의 역 자코비안을 계산한다. 일단 역 자코비안이 계산되면, 계산기(564)는 역 자코비안의 역행렬(inverse)을 연산함으로써 원하는 자코비안을 결정한다. 비정방 자코비안 행렬의 경우에, 의사역행렬(pseudoinverse)이 상기 역행렬을 연산하는데 사용되어야 한다.
인코더(112 내지 118)로부터의 측정된 조인트 각도 및 순방향 동역학 모듈(562)로부터의 계산된 조인트 각도는 조인트 한계 비교기(582)에 적용된다. 조인트 한계 비교기(582) 및 연계된 모듈은 능동 및 수동의 각각의 조인트가 특정 운동 범위를 넘어 이동하는 것을 방지하는 신호를 발생한다. 최소 및 최대 조인트 제한 각도는 각각의 조인트에 대해 규정된다. 조작기의 적절한 동작을 위해, 각각의 조인트 각도는 연계된 조인트 제한 각도들 사이에 있어야 한다. 조인트 한계 비교기(582)는 조인트를 위한 실제 조인트 각도의 표현으로서 각각의 조인트를 위한 측정된 또는 계산된 조인트 각도를 이용한다.
조인트 경계 각도가 각각의 조인트 제한 각도와 연계된다. 조인트 경계 각도는 조인트 제한 각도에 비교적 근접한 조인트의 운동 범위 내의 각도이다. 예를 들어, 조인트와 연계된 최소 조인트 제한 각도가 10°이면, 최소 경계 각도는 12 내지 20°일 수도 있다. 조인트의 최대 조인트 각도가 115°이면, 최대 경계 각도는 105° 내지 113°일 수도 있다. 조인트 한계 비교기(582)는 실제 조인트 각도의 표현과 최소 및 최대 경계 조인트 각도 사이의 차이를 결정한다, 도 24의 단계 591. 이 차이는 경계 초과각(각도(ANGLEB _E))으로서 알려져 있다.
실제 조인트 각도의 표현이 최소 경계 조인트 각도보다 크고 최대 조인트 경계 각도보다 작으면, 조인트는 조인트를 위한 조인트 제한 각도로부터 이격하여 허용 가능하게 이격된 것으로 고려된다. 최근접 조인트 한계를 향한 조인트의 이동을 방지할 가상 강체에 힘 및 토크를 적용할 필요는 없다. 이에 따라, 단계 591에서, 상기 조건 테스트가 참이면, 조인트 한계 비교기는 0°의 경계 초과각을 출력한다(도시되지 않은 단계). 상기 조건 테스트가 거짓이면, 조인트 한계 비교기(582)는 실제 조인트 각도와 교차되는 경계 각도의 표현의 부호가 붙은 차이(signed difference)인 경계 초과각을 출력한다(단계는 도시되지 않음). 통상적으로, 부호가 음이면, 최소 조인트 경계 각도가 교차되고, 양이면 최대 조인트 경계 각도가 교차된다.
단계 592는 경계 초과각의 평가를 표현한다. 이 각도가 특정 조인트 각도에 대해 0이면, 조작기 제어기(124)는 조작기(50)가 최근접 경계 조인트 각도를 향해 조인트를 자유롭게 계속 이동시킬 수 있는 것을 지시하는 것으로서 이 정보를 해석한다. 도 24에서, 이는 조인트 한계 토크를 출력하지 않는 운동 제어 소프트웨어에 의해 표현된다(단계 594).
경계 초과각이 0이 아니면, 각도는 조인트 제한 토크 생성기(584)에 적용된다(도시되지 않은 단계). 생성기(584)는 경계 초과각의 입력 시리즈에 기초하여, 이들 각도의 시간 도함수를 연산한다. 이 시간 도함수는 각속도(VB _E)이다. 조인트 한계 토크 생성기(584)는, 조인트가 인접한 조인트 제한 각도를 향해 경계 각도를 넘어 더 이동하게 될 이러한 방식으로 조작기가 이동하는 것을 방지하도록 조인트에 적용될 토크를 출력한다(단계 596). 이 토크(토크(TJ _L))는 이하의 식에 따라 결정된다.
Figure 112015019096500-pct00025
(13)
몇몇 경우에,
Figure 112015019096500-pct00026
(13A)
Figure 112015019096500-pct00027
(13B)
계수(KB _E)는 스프링 계수이다. 이 계수는 가변적일 수도 있다. 이는 조인트 각도가 인접한 조인트 제한 각도에 접근함에 따라 이 각도를 향한 조인트 이동을 제한하는 토크를 상당히 증가시킬 필요가 있을 것이기 때문이다. 따라서, 교차된 경계 각도와 실제 조인트 각도의 표현 사이의 절대차와 이 토크의 크기 사이의 1차 관계보다 종종 큰 것이 존재한다.
계수(DB _E)는 감쇠 계수이다. 감쇠 계수는 가변적일 수도 있다. 본 발명의 몇몇 형태에서, 이 계수는 경계 초과각(ANGLEB _E) 및/또는 속도(VB _E)의 함수이다. 가변 계수(DB _E)는 기구의 이동의 안정성을 향상시키기 위해 바람직할 수도 있다.
실제로, 조인트 한계 토크 생성기(584)는 조인트 한계 토크를 결정하기 위해 식 (13)을 실제로 실행하지 않는다. 대신에, 생성기(584)는 한계 토크의 참조표를 유지한다(표는 도시되지 않음). 적절한 한계 토크를 결정하기 위한 입력은 경계 초과각(ANGLEB _E) 및 각속도(VB _E)의 표현이다. 경계 초과각이 0°이면, 토크(TJ _L)는 본질적으로 0 토크이다.
조인트 한계 토크 생성기(584)는 각각의 조인트에 대해 1개씩 복수의 토크(TJ_L)를 CMVB 힘 변환기(586)에 적용한다(도시되지 않은 단계). 힘 변환기(586) 내로의 제2 입력은 자코비안 계산기(564)로부터 이전에 발생된 자코비안 JJNT이다. 힘 변환기(584)는 개별 토크(TJ _L)를 열 벡터(
Figure 112015019096500-pct00028
)로 배치한다. 힘 변환기는 이들 토크(
Figure 112015019096500-pct00029
)를 좌표 시스템(CMVB)의 원점에서 가상 강체에 적용되어야 하는 등가의 힘 및 토크(힘(FJ _L))로 변환한다(단계 597). 이 변환은 이하의 식에 따라 수행된다.
Figure 112015019096500-pct00030
(14)
힘(FJ _L)은 좌표계(CMVB)에서 표현된다. 힘(FJ _L)은 힘 합산기(379)에 적용된 입력들 중 하나이다(도시되지 않은 단계).
측정된 및 계산된 조인트 각도가 적용되는 다른 소프트웨어 모듈은 간섭 한계 비교기(622)이다. 비교기(622)는 실제 조인트 각도의 표현으로서 이들 각도를 이용한다. 간략하게, 조인트 한계 비교기(622) 및 연계된 모듈은 아암의 이동이 잠재적으로 링크 충돌을 야기할 수 있으면 가상 강체에 적용되어야 하는 힘을 기술하는 데이터를 출력한다. 여기서, "링크"는 각각의 아암(68, 70)을 형성하는 단지 링크(72, 74, 76, 80) 이상의 것이다. "링크"는, 비교기(622)에 의해 수행된 프로세싱을 위해, 조인트들 중 하나의 이동의 결과로서 조작기의 다른 구성요소와 충돌할 수 있는 이동하거나 고정된 임의의 구조 부재이다. 예를 들어, 조작기(50)가 아암 링크들 중 하나가 잠재적으로 카트(52)의 외부면과 충돌할 수 있도록 구성되면, 비교기(622)는 카트면을 링크인 것으로 고려할 것이다. 이들이 잠재적으로 링크와 충돌하면 액추에이터가 배치되는 셸(shell)이 또한 링크인 것으로 고려된다.
이들 충돌을 방지하는 일 이유는 링크들 사이에 형성하는 압착점(pinch point)을 야기할 수 있는 서로에 대한 링크들의 이동을 방지하는 것이다. 이들 충돌을 방지하는 것은 이러한 충돌에 의해 발생된 손상을 또한 회피한다.
조작기의 각각의 링크는 잠재적으로는 조작기의 모든 다른 링크와의 충돌이 가능하지 않을 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 각각의 아암(68, 70)의 4개의 바아 링크(78) 및 종동 링크(80)는 조작기(50)의 고유 구성에 기인하여, 서로 충돌할 수 없다. 그럼에도 불구하고, 아암(68)의 종동 링크(80)는 아암(70)의 종동 링크(80)와 충돌할 수 있다. 잠재적으로 충돌하는 링크들의 대부분의 쌍은 아암(68)과 일체인 링크와 다른 아암, 즉 아암(70)과 일체인 링크로 이루어진다.
실제 조인트 각도의 표현에 기초하여, 간섭 한계 비교기(622)는 잠재적으로 충돌하는 링크들의 각각의 쌍 사이의 최소 거리를 결정한다(도 25의 단계 632). 본 발명의 몇몇 실시예에서, 이 최소 거리는 링크들 사이의 공통 법선을 따른 거리이다. 이 결정을 행하기 위해, 비교기(622)는, 순방향 동역학 모듈(562)에 의해 이용된 것과 유사한 데이터 및 프로세스를 사용하여, 각각의 조인트의 자세를 결정한다. 자세 데이터에 기초하여, 모듈(622)은 각각의 조인트 사이에 하나 이상의 라인 세그먼트로서 각각의 링크를 모델링한다. 라인 세그먼트 모델에 기초하여, 모듈(622)은 잠재적으로 충돌하는 링크들의 각각의 쌍 사이의 공통 법선 거리, 즉 최소 거리를 결정한다.
단계 634에서, 간섭 한계 비교기(622)는 잠재적으로 충돌하는 링크들의 각각의 쌍을 위한 최소 거리와 링크들의 쌍을 위한 경계 거리 사이의 차이를 계산한다. 이 경계 거리는 그 미만에서 서로를 향한 링크들의 이동이 바람직하지 않은 거리이다. 이 이동은 단지 하나의 링크만이 다른 링크를 향해 이동하는 이동을 포함한다는 것이 이해되어야 한다. 이 경계 거리는 충돌 회피된 거리로 고려될 수 있는 것보다 크다. 여기서, 충돌 회피된 거리는 링크들 사이의 최소 공간 거리(clearance distance)인 거리이다. 충돌 회피된 거리는 링크들 사이의 압착점을 형성하는 것으로 고려될 것인 링크들 사이의 최소 거리보다 큰 잠재적으로 충돌하는 링크들의 쌍을 위한 거리이다.
잠재적으로 충돌하는 링크들의 각각의 쌍을 위해 결정된 경계 거리는 통상적으로 절차의 시작에 앞서 결정된다. 경계 거리는 3차원 체적에 의해 둘러싸인 종축을 포함하는 각각의 링크를 모델링함으로써 결정될 수 있다. 이 체적은 원통형 또는 캡슐형 형상을 가질 수도 있다. 대안적으로, 형상은 평행한 피펫의 형태일 수도 있다. 이 체적은 더 복잡한 형상을 가질 수 있다. 이 체적의 외부면은 통상적으로 모델링된 링크의 실제 외부면을 넘어 적어도 3 cm에 위치된다. 본 발명의 몇몇 형태에서, 이 체적은 링크의 실제 표면을 넘어 적어도 5 cm 또는 적어도 10 cm의 외경을 갖는다. 체적이 캡슐형 또는 원통형이면, 잠재적으로 충돌하는 링크들의 각각의 쌍을 위한 경계 거리는 캡슐 또는 실린더를 포위하는 링크의 각각을 위한 반경의 합을 포함한다.
최소 거리와 잠재적으로 충돌하는 링크들의 쌍을 위한 경계 거리 사이의 차이는 간섭 경계 초과 거리, 즉 거리(DISTI _B_E)이다.
링크들의 쌍을 위한 최소 거리가 연계된 경계 거리를 초과하면, 조작기(50)는 링크들이 서로로부터 충분히 멀리 이격되어 서로를 향한 링크들의 이동이 압착점 또는 충돌의 형성을 야기하지 않게 될 조건에 있는 것으로 고려된다. 이 조건에서 잠재적으로 충돌하는 링크들의 각각의 쌍에 대해, 비교기는 0의 간섭 경계 초과 거리로 복귀한다(도시되지 않은 단계).
링크들의 쌍을 위한 최소 거리가 연계된 경계 거리보다 작으면, 간섭 한계 비교기(622)는 거리(DISTI _B_E)로서 차이의 절대값을 출력한다(도시되지 않은 단계).
단계 635에서, 잠재적으로 충돌하는 링크들의 쌍에 대해, 간섭 경계 초과 거리(거리(DISTI _B_E))가 평가된다. 이 거리가 0이면, 운동 제어 프로세스는 링크들이 함께 계속 이동하는 것을 방지하게 될 힘을 출력하지 않는다(단계 636).
간섭 경계 초과 거리(거리((DISTI_B_E))가 0이 아니면, 거리는 간섭 제한 힘 생성기(624)에 적용된다(도시되지 않은 단계). 생성기(624)는, 간섭 경계 초과 거리의 입력 시리즈에 기초하여, 이들 거리의 시간 도함수를 연산한다(단계 637). 이 시간 도함수는 선속도(VI _B_E)이다. 간섭 제한 힘 생성기(624)는 링크들 사이의 최소 거리의 라인을 따라 적용될 힘을 출력하여 잠재적으로 충돌하는 링크들 사이의 거리의 추가의 접근을 야기하게 될 이러한 방식으로 조작기가 이동하는 것을 방지한다(단계 638). 본 발명의 몇몇 구성에서, 이 라인은 링크들 사이의 공통 법선을 따른다. 이 힘(힘(FI _B_E))은 이하의 식에 따라 결정된다.
Figure 112015019096500-pct00031
(15)
몇몇 경우에,
Figure 112015019096500-pct00032
(15A)
Figure 112015019096500-pct00033
(15B)
계수(KC _A)는 스프링 계수이다. 이 계수는 가변적일 수도 있다. 이는 최소 거리가 충돌 정지 거리에 접근함에 따라, 서로를 향한 링크들의 이동을 제한하는 힘을 상당히 증가시킬 필요가 있을 것이기 때문이다. 따라서, 이 힘의 크기와 간섭 경계 초과 거리 사이의 1차 관계보다 종종 큰 것이 존재한다.
계수(DC _A)는 감쇠 계수이다. 감쇠 계수는 가변적일 수도 있다. 본 발명의 몇몇 형태에서, 이 계수는 거리(DISTI _B_E) 및/또는 속도(VI _B_E)의 함수이다. 가변 계수(DC _A)는 기구의 이동의 안정성을 향상시키기 위해 바람직할 수도 있다.
실제로, 간섭 제한 힘 생성기(624)는 충돌 방지력을 결정하기 위해 식 (15)를 실제로 실행하지 않는다. 대신에, 생성기(624)는 충돌 방지력의 참조표를 유지한다(표는 도시되지 않음). 충돌 방지력을 결정하기 위한 입력은 간섭 경계 초과 거리(DISTI _B_E) 및 속도(VI _B_E)의 표현이다. 간섭 경계 초과 거리가 0이면, 힘(FI _B_E)은 본질적으로 0 힘이다. 간섭 제한 힘 생성기(624)는 각각의 잠재적으로 충돌하는 링크들의 쌍에 대해 1개씩 복수의 힘(FI _B_E)을 발생한다.
생성기(624)에 의해 발생된 복수의 힘(FI _B_E)은 CMVB 힘 변환기(626)에 적용된다(도시되지 않은 단계). 힘 변환기(626) 내로의 제2 입력은 자코비안 계산기(564)로부터 이전에 발생된 자코비안 JINF이다. 힘 변환기(626)는 개별 힘(FI _B_E)을 열 벡터(
Figure 112015019096500-pct00034
)로 배치한다. 힘 변환기는 이들 힘(
Figure 112015019096500-pct00035
)을 가상 강체의 좌표 시스템(CMVB)의 원점에 적용되어야 하는 등가의 힘 및 토크(힘(FINF))로 변환한다(단계 639). 이 변환은 이하의 식에 따라 수행된다.
Figure 112015019096500-pct00036
(16)
힘(FINF)은 좌표계(CMVB)에서 표현된다. 힘(FINF)은 힘 합산기(379)에 적용된 입력들 중 하나이다(도시되지 않은 단계).
조작기 제어기(124)에 의해 수행된 운동 제어 프로세스의 부분인 다른 모듈은 작업공간 한계 비교기(652)이다. 작업공간 한계 비교기(652)는 에너지 적용기(184)가 규정된 작업공간의 경계에 도달하는지를 판정한다. 이 작업공간의 한계는 좌표 시스템(MNPL)의 원점으로부터 이격되고, 이 좌표 시스템을 참조하여 규정된다. 실제 조인트 각도의 표현으로서 이들 각도를 이용한다. 작업공간은 숄더(67, 69) 및 링크(72, 74)가 이들의 운동 범위의 전체 연장부로 이동하도록 허용되면 에너지 적용기(184)가 이동할 수 있는 체적 내에 있다. 때때로 "기민한 작업공간(dexterous workspace)"이라 칭하는 이 작업공간은 조작기(50)의 전체 운동 범위 내의 공간의 체적보다 작다. 이는 에너지 적용기(184)가 그 고유 경계의 한계를 향해 이동함에 따라, 기구 및 에너지 적용기(184)의 배향을 조정하는 능력이 감소되기 때문이다. 예로서, 극단에서, 조작기 기준 프레임의 원점으로부터 최대 거리로 이격되는 위치에 에너지 적용기(184)를 위치설정하기 위해, 아암은 단지 하나의 위치, 즉 완전 신장 위치에 있을 수 있다. 아암은 단지 단일 위치에 있을 수 있기 때문에, 신장에 의해 기구 및 에너지 적용기(184)는 단지 일 배향으로 정렬될 수 있다. 의사가 에너지 적용기(184)를 이와 같이 재배향하는 적어도 몇몇 능력을 갖는 것을 보장하기 위해, 조작기(50)는 에너지 적용기(184)가 이 작업공간의 외부로 전진하는 것을 허용하지 않는다.
조작기(50)의 물리적 구성에 기인하여, 이 작업공간은 통상적으로 구 또는 입방체와 같은 간단한 기하학적 구조의 형태는 아니라는 것이 이해되어야 한다. 작업공간은 그 각각이 상이한 형상 및/또는 크기를 갖는 연속적인 체적의 세트에 의해 종종 규정된다. 따라서, 조작기의 원점 상의 그리고 말단측의 작업공간의 천정까지의 거리는 조작기 좌표 시스템의 원점으로부터 1.5 m의 거리일 수도 있고, 조작기 좌표 시스템의 원점 아래의 작업공간의 기부까지의 거리는 0.2 m일 수도 있다. 본 발명의 이들 및 다른 형태에서, 작업공간의 기단부는 좌표 시스템(MNPL)의 원점에 말단측에 위치될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 몇몇 형태에서, 아암은 좌표 시스템(MNPL)의 원점으로부터 말단측에 위치 0.5 m로부터 동일한 지점으로부터 말단측에 위치 2.0 m까지 연장할 수도 있는 작업공간 내에서 기구를 이동하는 것이 가능할 수도 있다.
작업공간을 규정하는 조작기 주위의 가상면은 집합적으로 작업공간 한계라 칭한다. 작업공간 한계 내에서, 작업공간 경계가 존재한다. 작업공간 경계는 통상적으로 작업공간 한계로부터 내향으로 1 내지 5 cm에 위치된다. 작업공간 한계와 같이, 작업공간 경계는 좌표 시스템(MNPL)에 규정된다.
작업공간 한계 비교기(652)는 에너지 적용기(184), 좌표 시스템(EAPP)의 원점의 실제 위치의 표현을 입력으로서 수신한다. 본 발명의 일 형태에서, 이 위치 상의 좌표 시스템(EAPP)의 원점의 실제 위치의 표현은 순방향 동역학 모듈(562)에 의해 계산된다. 에너지 적용기(184) 위치의 표현에 기초하여, 비교기(652)는 작업공간 경계에 대한 에너지 적용기(184)의 위치, 좌표 시스템(EAPP)의 원점을 결정한다(단계 639a). 단계 640은 이 초기 결정이 행해진 후에 발생하는 평가를 표현한다. 에너지 적용기(184)가 작업공간 경계 내에 있으면, 운동 제어 프로세스는 에너지 적용기(184)가 작업공간 한계 내에 잔류하는 것을 보장하기 위해 힘을 적용하지 않는다. 이는 단계 661로 분기에 의해 표현된다.
단계 661 테스트의 평가가 거짓이면, 비교기(652)는 양의 작업공간 경계 초과 거리(거리(DISTW _B_E))를 계산한다(단계 663). 이 거리는 라인이 경계의 표면에 수직이도록 좌표 시스템(EAPP)의 원점으로부터 작업공간 경계 상의 지점으로 복귀하는 라인을 따른 거리이다. 이 거리는 통상적으로 좌표 시스템(EAPP)의 원점으로부터 작업공간 경계로 복귀하는 최단 거리이다. 단계 663의 부분으로서, 좌표 시스템(EAPP)의 원점으로부터 작업공간 경계를 향해 이 라인을 따른 단위 방향 벡터(벡터(DW _B_E))가 결정된다. 벡터(DW _B_E)는 좌표 시스템(MNPL)에서 표현된다.
작업공간 경계 초과 거리는 작업공간 제한 힘 생성기(654)에 적용된다(도시되지 않은 단계). 생성기(654)는 작업공간 경계 초과 거리의 입력 시리즈에 기초하여, 이들 거리의 시간 도함수를 연산한다(단계 664). 이 시간 도함수는 선속도(VW _B_E)이다.
단계 665에서, 작업공간 경계 초과 힘 생성기(654)는 에너지 적용기(184)가 작업공간 경계로부터 작업공간 한계를 향해 더 멀리 이격하여 이동하는 것ㅇㄹ 방지하게 될 좌표 시스템(EAPP)의 원점으로부터 작업공간으로 복귀하는 법선을 따라 적용될 힘을 출력한다. 이 힘(힘(FW _B_E))의 크기는 이하의 식에 따라 결정된다.
Figure 112015019096500-pct00037
(17)
몇몇 경우에,
Figure 112015019096500-pct00038
(17A)
Figure 112015019096500-pct00039
(17B)
계수(KWS _E)는 스프링 계수이다. 이 계수는 가변적일 수도 있다. 이는 에너지 적용기(184)가 작업공간 경계로부터 작업공간 한계를 향해 외향으로 이동함에 따라, 작업공간 한계를 향한 에너지 적용기(184)의 계속된 이동을 방지하는 힘을 상당히 증가시킬 필요가 있기 때문이다. 따라서, 이 힘의 크기와 작업공간 경계 초과 거리 사이의 1차 관계보다 종종 큰 것이 존재한다.
계수(DWS _E)는 감쇠 계수이다. 감쇠 계수는 가변적일 수도 있다. 본 발명의 몇몇 형태에서, 이 계수는 거리(DISTW _B_E) 및/또는 속도(VW _B__E)의 함수이다. 가변 계수(DWS _E)는 기구의 이동의 안정성을 향상시키기 위해 바람직할 수도 있다.
실제로, 작업공간 경계 힘 생성기(654)는 작업공간 경계 초과력을 결정하기 위해 식 (17)을 실제로 실행하지 않는다. 대신에, 생성기(654)는 이들 힘의 참조표를 유지한다(표는 도시되지 않음). 충돌 방지력을 결정하기 위한 입력은 작업공간 경계 초과 거리(DISTI _B_E) 및 속도(VI _B_E)의 표현이다. 작업공간 초과 거리가 0이면, 힘(FW _B_E)은 본질적으로 0 힘이다.
스칼라 힘(FW _B_E)은 이하의 식에 따라 벡터 힘(
Figure 112015019096500-pct00040
)으로 변환된다.
Figure 112015019096500-pct00041
(17)
힘(
Figure 112015019096500-pct00042
)은 좌표 시스템(MNPL)에서 표현된다.
힘(
Figure 112015019096500-pct00043
)은 CMVB 힘 변환기(655)에 적용된다(도시되지 않은 단계). 힘 변환기(655) 내로의 제2 입력은 자코비안 계산기(564)로부터의 자코비안 JWSB이다. 힘 변환기는 힘(
Figure 112015019096500-pct00044
)을 가상 강체의 좌표 시스템(CMVB)의 원점에 적용되어야 하는 등가의 힘 및 토크(힘(FWSB))로 변환한다(단계 666). 이 변환은 이하의 식에 따라 수행된다.
Figure 112015019096500-pct00045
(18)
힘(FWSB)은 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된다. 힘(FWSB)은 힘 합산기(379)에 적용된 힘들 중 하나이다(도시되지 않은 단계).
거동 제어기는 조작기(50), 기구(160) 및 에너지 적용기(184)에 적용된 외력 및 토크에 대한 데이터를 제공하는 모듈을 또한 포함한다. 이들 외력 및 토크는 기구 전진 및 의사 적용력 및 토크에 대한 조직의 저항을 포함한다.
외력 및 토크를 결정하는 일 방법은 조인트 모터(101)에 의해 출력된 역구동 토크의 크기를 결정하는 것이다. 역구동 토크는 조작기, 기구 및 에너지 적용기(184) 상에 배치된 외력 및 토크에 응답하여 조인트 모터(101)에 의해 출력된다. 역구동 토크는 관성 및 중력을 극복하는데 필요한 토크를 넘어 조인트 모터(101)에 의해 출력된 토크이다.
역구동 토크는 각각의 조인트 모터(101) 및 연계된 조인트 모터 제어기(126)가 위치 제어 루프를 형성하기 때문에, 외력 및 토크의 표현으로서 기능한다. 조인트 모터 제어기(126)는 제어기가 연계되는 조인트의 조인트 각도를 조절한다. 각각의 제어기(126)는 모터가 연계된 조인트를 명령된 조인트 각도으로 구동하는 것을 보장하기 위해, 가능한 한 근접하여, 연계된 모터(101)가 출력하는 토크를 계속 조정한다. 기구가 외력 및 토크에 적용될 때, 이들 힘 및 토크는 명령된 자세로의 기구의 전진을 순간적으로 중단한다. 이는 이어서 이들의 명령된 조인트 각도으로의 조인트들 중 하나 이상의 전진을 순간적으로 중단한다. 제어 루프는 통상적으로 거동 및 운동 제어 프로세스보다 훨씬 더 높은 대역폭에서 동작한다. 따라서, 제어 루프는 본질적으로 외력 및 토크의 적용와 동시에, 이들 힘 및 토크를 보상하기 위해 조인트 모터(101)에 의해 출력된 토크를 조정한다. 따라서, 조인트 모터에 의해 출력된 토크는 토크의 합을 표현한다. 이들 토크는 관성 및 중력을 극복하는데 필요한 토크, 외력 및 토크, 역구동 토크를 극복하는데 필요한 토크이다.
역구동 토크를 계산하기 위해, 조작기 제어기(124)는 조인트 모터(101)가 외력 및 토크가 존재하지 않으면 출력해야 하는 토크를 결정한다. 이들 토크는 예측된 동역학 모듈, 즉 모듈(690)에 의해 결정된다. 예측된 동역학 모듈(690) 내로의 입력은 인코더(112, 114, 116, 117, 118)로부터 측정된 조인트 각도 및 순방향 동역학 모듈(562)로부터의 계산된 조인트 각도이다. 명령 동역학 모듈(544)에 의해 이용된 방법을 사용하여, 예측된 동역학 모듈(690)은 각각의 능동 조인트에 대해, 조인트의 관찰된 이동에 따른 토크의 추정치를 계산한다. 이들 토크는 조작기, 기구 또는 에너지 적용기(184)에 적용된 외력 및 토크의 결여시에 적용될 토크의 추정치이다. 이들 토크는 예측된 토크라 칭한다.
역구동 토크가 결정되는 변수의 제2 세트는 조인트 모터가 명령된 자세를 향해 기구(160)를 전진시키도록 아암(68, 70)에 적용하는 실제 토크이다. 조작기(50)는 실제 토크의 표현을 얻기 위해 2개의 방법을 이용한다. 하나의 방법은 조인트 모터(101), 더 정확하게는 감속 기어(105)에 의해 출력된 토크의 측정이다. 실제로, 조인트 모터 제어기(126)로부터 조인트 모터(101)에 적용된 전류를 표현하는 신호는 종종 조인트 모터/감속 기어 토크를 표현하는 신호로서 이용된다. 이는 모터(101)에 적용된 전류와 모터에 의해 출력된 토크 사이의 선형 관계가 존재하기 때문이다.
실제 토크의 표현을 결정하는 제2 방법은 조인트 모터(101)가 토크 센서(89)에 의해 측정된 바와 같이 출력하는 토크를 모니터링하는 것이다.
역구동 토크 합산기(691)는 조인트 모터(101)에 적용된 전류 및 토크 센서(89)에 의해 출력된 신호를 입력으로서 수신한다. 토크 합산기(691)는 이들 입력을 혼합하여 실제 조인트 토크를 표현하는 출력 데이터의 단일 스트림을 생성한다. 본 발명의 몇몇 형태에서, 역구동 토크 합산기(691)는 실제 토크의 이들 2개의 표현의 가중 평균을 생성한다. 이들 평균 토크값은 실제 조인트 토크를 결정하는 2개의 개별 방법에서 고유적이지만 상이한 토크 측정의 정확성의 강도를 반영한다. 토크 센서(89)는 토크 입력의 변화에 증분적으로 더 민감한 신호를 생성할 수도 있다. 몇몇 경우에 적용된 전류에 기초하는 토크 측정은 더 넓은 범위의 토크에 걸쳐 출력 토크를 더 표현한다.
토크 합산기(691)에 의해 생성된 실제 조인트 토크의 표현은 역구동 토크 계산기(693)에 적용된다. 계산기(693) 내로의 제2 입력은 예측된 조인트 토크의 세트이다. 계산기(693)는 이들 2개의 토크의 세트 사이의 차이를 연산한다. 이 차이는 외력 및 토크를 보상하도록 출력된 역구동 토크(토크(TBDR))의 추정치이다. 토크(TBDR)는 능동 조인트에 적용된 역구동 토크의 추정치를 포함하는 열 벡터이다. 수동 조인트를 위한 토크(TBDR)의 성분은 0으로 설정된다.
외력 및 토크가 존재하지 않으면, 실제 조인트 토크의 표현은 예측된 조인트 토크에 동일해야 한다. 이 조건이 존재하면, 역구동 토크 계산기(693)로부터의 출력(토크(TBDR))은 본질적으로 0 벡터이다.
토크(TBDR)는 CMVB 힘 변환기(694)에 적용된다. 힘 변환기(694) 내로의 제2 입력은 자코비안 계산기(564)로부터의 자코비안 JJNT이다. 힘 변환기(694)는 토크(TBDR)를 가상 강체의 좌표 시스템(CMVB)의 원점에 적용되어야 하는 등가의 힘 및 토크(힘(FBDR))로 변환한다. 이 변환은 이하의 식에 따라 수행된다.
Figure 112015019096500-pct00046
(19)
힘(FBDR)은 좌표 시스템(CMVB)으로 표현된다. 힘(FBDR)은 조작기(50), 기구(160) 및 에너지 적용기(184)에 적용된 외력 및 토크의 방향과 동일한 방향이다.
역구동력(FBDR)이 불감대역 필터(695)에 적용된다. 불감대역 필터(695)는 단지 필터(695) 내에 저장된 특정의 규정된 임계값을 상회하는 절대값을 갖는 역구동력의 후속 처리를 위해 통과한다. 본 발명의 몇몇 형태에서, 힘(FBDR)의 각각의 성분에 대한 임계치가 존재한다. 대안적으로, 임계치는 힘 성분의 크기 및 힘(FBDR)의 토크 성분의 크기에 기초한다.
필터(695)의 출력은 역구동력(FBDR)의 성분과 임계값 사이의 차이에 기초한다. 임계값 미만의 절대값을 갖는 힘(FBDR)의 성분은 0으로 설정된다. 이 필터링은 조작기(50)의 구조를 모델링하는데 있어서 고유의 제한을 오프셋한다. 이들 제한은 조작기 아암(68, 70)에 부착될 수도 있는 케이블의 존재와 같은, 초과의 부하를 고려하는데 있어서 어려움에 부분적으로 기인한다. 이들 제한은 또한 조작기의 마찰 및 동역학을 모델링하는데 있어서 어려움을 보상한다.
힘/토크 센서(108)는 조작기(50), 기구(160) 및 에너지 적용기(184)에 적용된 외력 및 토크의 제2 지표(indicia)를 조작기 제어기(124)에 제공한다. 센서(108)로부터의 출력 신호는 도 13e에 도시된 중력 보상기(689)에 적용된다. 중력 보상기(689)는 센서(108), 기구(160) 및 에너지 적용기(184)에 대한 중력의 효과가 실질적으로 제거되는 적용된 힘 및 토크를 표현하는 신호를 출력한다.
이들 보상은 통상적으로 감지된 힘 및 토크를 표현하는 신호로부터 감산된다. 보상은 종종 보상기(689)와 일체형인 참조표 내에 저장된 값을 참조하여 수행된다. 이들 값은 양 또는 음일 수도 있다. 측정된 힘 및 토크를 표현하는 임의의 개별 신호로부터 감산된 특정 보상값은 일반적으로 기구의 배향의 함수이다. 보상기(689) 내로의 제2 입력은 따라서 기구의 실제 배향을 표현하는 데이터이다. 순방향 동역학 모듈(562)로부터 측정된 자세의 배향 성분은 이 실제 기구 배향의 표현으로서 기능할 수 있다.
보상기(689)에 의해 유지된 보상값 표를 위한 데이터는 조작기(50)가 초기에 활성화될 때마다 규정될 수 있다. 이들 데이터를 얻기 위해, 아암(68, 70)은 다수의 사전 규정된 배향으로 기구(160) 및 부착된 에너지 적용기(184)를 위치설정한다. 보상기(689)는 기구가 이들 배향의 각각에 있을 때 센서(108)로부터 출력에 기초하여, 참조표를 위한 데이터를 생성한다. 대안적으로, 표를 위한 데이터는 센서(108)에 관한 사전 규정된 데이터 및 센서의 말단측으로 지향된 부분에 부착된 구성요소의 질량 특성을 규정하는 데이터를 사용하여 계산된다. 이들 데이터는 기구에 일체형인 메모리 내에 저장된 데이터를 포함할 수도 있다.
이 보상의 결과로서, 의사는 기구를 파지할 때, 기구에 대해 작용하는 실제 중력에 또한 이 힘의 모방된 형태에 노출되지 않는다. 이는 연장된 기간 동안 기구를 파지할 때 의사가 그렇지 않으면 노출될 수도 있는 물리적 피로를 감소시킨다.
보상기(689)는 또한 센서에 의해 출력된 신호의 고유의 에러를 보상한다. 이들 에러는 온도 드리프트에 기인하는 오프셋을 포함한다. 보상기(689)는 센서에 특정한 오프셋값을 가산하거나 감산함으로써 이들 에러를 보상한다. 이들 오프셋값은 또한 센서 배향의 함수일 수도 있다. 이들 오프셋값은 종종 보상기(689)와 일체인 참조표 내에 저장된다. 이들 참조표는 중력 보상 오프셋값이 저장되는 표로부터 분리된다.
센서(108)로부터의 중력 보상된 신호는 CMVB 힘 변환기(696)에 적용된다. 변환기(696)는 센서(108)에 특정한 좌표 시스템으로부터의 이들 힘 및 토크를 좌표 시스템(CMVB)에 적용된 등가의 힘 및 토크로 변환한다. CMVB 힘 변환기(696)에 의해 이용된 자코비안은 조작기가 이용되는 절차의 시작시에 규정된 일정한 계수를 갖는 자코비안이다. 이 자코비안은 센서(108)의 좌표 시스템과 좌표 시스템(CMVB) 사이의 상대 자세에 기초한다. 변환기(696)는 따라서 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된 센서(108)에 의해 측정된 힘 및 토크의 표현을 출력한다.
변환기(696)의 출력은 조작기 제어기(124)의 내부의 감쇠기(697)에 적용된다. 감쇠기(697)는 0 값으로부터 이들의 비감쇠된 레벨로 신호를 선택적으로 감쇠한다. 본 발명의 몇몇 형태에서, 램핑(ramping)은 유한 추진력 응답 디지털 필터를 사용하여 수행된다. 감쇠기(697)가 이들 신호를 감쇠하는 정도는 스위치(176)의 눌러진/해제된 상태의 함수이다. 스위치(176)가 눌러질 때, 감쇠기(697)는 이들의 완전히 감쇠된 0 값으로 신호를 램핑 다운한다. 스위치(176)의 해제시에, 신호는 이들의 비감쇠된 레벨로 램핑된다. 램핑 다운/램핑 업은 통상적으로 10 내지 500 밀리초의 기간에 걸쳐 수행된다. 이들 2개의 램핑 프로세스의 실제 시간 기간은 동일할 필요는 없다. 본 발명의 몇몇 형태에서, 램핑은 유한 추진력 응답 디지털 필터를 사용하여 수행된다. 감쇠기(697)로부터의 출력은 힘(FFTS)이다. 힘(FFTS)은 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된다.
이 신호 램핑은 스위치(176)가 초기에 눌러지거나 해제될 때 큰 추진력이 기구에 적용되는 정도를 감소시킨다.
CMVB 힘 변환기(694)로부터의 힘(FBDR) 및 힘(FFTS)은 외력 합산기(698)에 적용된다. 합산기(698)는 외력 및 토크(힘(FEXT))의 이들 2개의 표현의 가중된 합을 생성한다. 힘(FEXT)은 힘 벡터 성분(
Figure 112015019096500-pct00047
) 및 토크 벡터 성분(
Figure 112015019096500-pct00048
)을 포함한다. 외력 힘 합산기(698)는 이하의 식에 따라 힘 벡터 성분을 출력한다.
Figure 112015019096500-pct00049
(20A)
여기서,
Figure 112015019096500-pct00050
은 FBDR의 힘 벡터 성분이다. 벡터
Figure 112015019096500-pct00051
는 FFTS의 힘 벡터 성분이다. 외력(FEXT)의 토크 벡터 성분은 유사한 식을 사용하여 계산된다.
Figure 112015019096500-pct00052
(20B)
여기서,
Figure 112015019096500-pct00053
은 FBDR의 토크 벡터 성분이다. 벡터
Figure 112015019096500-pct00054
는 FFTS의 토크 벡터 성분이다.
식 (20A 및 20B)에서, ABDR, AFTS, BBDR 및 BFTS는 개별 힘 및 토크 변수를 위한 가중 팩터 계수이다. 이들 가중 팩터는 조작기, 기구 또는 에너지 적용기(184)에 적용된 외력 및 토크의 전체 범위에 대해 일정하지 않을 수도 있다. 이들 가중 팩터는 외력 및 토크의 표현의 소스와 연계된 특성을 보상하도록 변경될 수도 있다. 예를 들어, 비교적 낮은 외력 및 토크가 기구에 적용될 때, 센서(108)는 이들 힘 및 토크의 더 정확한 표현을 제공할 수도 있다. 이에 따라, 조작기가 이 상태에 있을 때, 가중 팩터(AFTS, BFTS)는 비교적 높고 가중 팩터(ABDR, BBDR)는 비교적 낮다.
외력 및 토크가 비교적 클 때, 동일한 센서(108)로부터의 출력 신호가 포화될 수도 있다. 조작기(50)의 이 구성에 대해, 역구동 토크는 더 넓은 동적 범위에 걸쳐 외력 및 토크를 표현한다. 이에 따라, 외력 및 토크가 비교적 클 때, 가중 팩터(ABDR, BBDR)는 비교적 높고, 가중 팩터(AFTS, BFTS)는 비교적 낮다.
가중 팩터는 통상적으로 0.0 내지 1.0의 범위이다. 실험 테스트의 결과로서, 본 발명의 몇몇 형태에서, 가중 팩터(ABDR, BBDR)의 최대값은 1 초과의 값으로 설정된다. 각각의 쌍을 위한 팩터(Axxx 및 Bxxx)는 통상적으로 1에 가산된다. 본 발명의 몇몇 형태에서, 이 합은 1보다 작거나 클 수도 있다.
힘(FEXT)은 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된다. 외력 합산기는 힘(FEXT)을 힘 합산기(379)에 적용한다.
감쇠력 및 토크는 또한 힘 합산기(380)에 의해 출력된 힘(FTTL) 및 토크(TTTL)의 성분이다. 집합적으로, 감쇠력 및 토크는 힘(FDMP)으로서 식별된다. 감쇠력(FDMP)은 기구의 자연 운동을 모방하는 기구의 이동에 대한 저항을 제공하도록 발생된다.
감쇠력(FDMP)은 도 13b에 도시된 감쇠력 계산기(734)에 의해 발생된다. 좌표 시스템(CMVB)의 실제 속도의 표현은 계산기(734)가 감쇠력(FDMP)을 결정하는 입력 데이터로서 기능한다. 본 발명의 도시된 형태에서, 절단 안내부(390)에 의해 출력된 명령된 속도는 이 속도의 표현으로서 이용된다.
감쇠력 계산기(734)가 기구(160)의 전진에 대향하여 힘을 발생할 수 있는 다수의 상이한 수단이 존재한다. 계산기(734)는 입력 변수가 속도 변수인 이들 힘을 발생하기 위해 알고리즘을 사용할 수도 있다. 이 알고리즘은 통상적으로 이하의 형태이다.
Figure 112015019096500-pct00055
(21)
몇몇 경우에,
Figure 112015019096500-pct00056
(21A)
속도(VCMND)는 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된 명령된 속도의 선형 및 회전 성분을 포함하는 벡터이다. 계수(DDMP)는 감쇠 계수를 포함하는 행렬이다. 본 발명의 다수의 구성에서, 이 행렬은 선형 및 회전 계수가 동일하지 않은 대각 행렬이다. 종종, 선형 계수는 동일하고, 회전 계수는 동일하다. 이 알고리즘의 계수들은 계산기에 공급된 속도의 속도들의 특정 범위의 함수로서 변화할 수도 있다. 이들 계수는 통상적으로 계산기(734)와 연계된 룩업 케이블 내에 저장된다.
대안적으로, 감쇠 계산기(734)는 속도 벡터에 기초하여, 감쇠력(FDMP)을 위한 다수의 상이한 값이 저장되는 참조표를 참조한다. 계산기(734)에 공급된 특정 속도에 기초하여, 계산기는 적절한 힘(FDMP)을 집합적으로 기술하는 데이터를 검색한다.
종종 조작기(50)는 복수의 세트의 감쇠 계수(DDMP) 또는 힘(FDMP)을 위한 값이 저장되어 있는 다수의 세트의 참조표를 구비한다. 조작기(50)의 동작 모드에 따르면, 특정 세트의 계수 또는 참조표는 힘(FDMP)이 발생되는 기준 데이터로서 사용된다. 이는 종종 조작기의 동작 모드의 함수로서 감쇠력을 설정하는 것이 바람직하기 때문이다. 예를 들어, 수동 모드에서 동작할 때에 비교하여, 조작기가 준자동적 모드에서 작동될 때, 더 높은 크기의 감쇠력을 제공하는 것이 종종 바람직하다. 이 감쇠력의 증가는 기구 및 에너지 적용기(184)가 노출되는 힘(저항)에 대한 기구의 반작용을 최소화하는 것으로 발견되었다. 이는 조작기(50)가 경로 세그먼트를 따라 에너지 적용기(184)를 전진하는 정확도를 향상시킬 수 있다.
감쇠력 계산기(734)가 기구(160)의 전진에 대향하여 힘을 발생할 수 있는 다른 수단은 "미끄럼 마찰"에 기인하는 힘을 발생하는 알고리즘을 사용하는 것이다. 미끄럼 마찰의 크기는 일정값이고, 표면적, 변위 또는 위치 및 속도에 독립적이다. 이 유형의 감쇠는 1차이고, 쿨롱 감쇠(Coulomb damping)라 지칭된다. 쿨롱 감쇠 및 전술된 점성 감쇠는 독립적으로 조정되어 기구의 안정성을 유지하고 어떻게 기구가 의사에 느껴지는지를 제어할 수도 있다.
또한, 의사가 스위치(176)를 눌러 기구(176)의 위치를 수동으로 설정할 때 감소된 크기 감쇠력(FDMP)을 출력하는 것이 종종 바람직하다. 스위치(176)가 해제되자마자, 증가된 크기의 감쇠력(FDMP)의 출력을 야기하는 계수(DDMP) 또는 참조표를 이용하는 것이 통상적으로 바람직하다. 이 더 높은 크기의 힘(FDMP)은 기구의 이동을 급속하게 정지하도록 출력된다.
감쇠력 계산기(734)는 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된 가상 강체의 질량 중심에 적용될 힘으로서 감쇠력(FDMP)을 출력한다. 감쇠력(FDMP)은 힘 합산기(379)에 적용된다.
힘 합산기(379), 환경적 힘 합산기는 이하의 입력: 조인트 제한 힘(FJ _L); 간섭 제한 힘(FINF); 작업공간 경계력(FWSB); 외력(FEXT); 및 감쇠력(FDMP)을 수신한다. 이들 힘은 함께 합산된다. 힘 합산기(379)의 출력은 환경적 힘, 힘(FENV)이다.
환경적 힘 합산기(379)는 가중된 합으로서 힘(FENV)을 출력할 수도 있다. 계수는 이 가중을 수행하기 위해 개별 입력에 적용된다. 가중은 각각의 입력 힘의 상대 분포를 적절하게 균형화하도록 수행될 수도 있다. 이 균형은 조작기(50)가 수동 모드에서 기구를 전진시킬 때, 의사가 지각하는 인상이 기구를 전진시키기 위해 그/그녀가 직접 힘을 적용하면 지각할 것과 동일한 정도로 증가하도록 수행된다. 계수는 동작 모드들 사이의 조작기의 전이의 함수로서 변화할 수도 있다. 이들 전이 중에, 계수는 통상적으로 전이 후의 시간 간격에 걸쳐 램프업 또는 다운된다. 통상적으로, 이 간격은 10 내지 100 밀리초이다.
환경적 힘(FENV)은 도구 경로 힘 계산기(278)의 에너지 적용기 힘 계산기(358)에 적용된다. 에너지 적용기 힘 계산기(358)는 식 (5)의 그 해 내로의 전술된 입력으로서 힘(FENV)을 사용한다. 환경적 힘(FENV)은 또한 총 힘 합산기(380)에 적용된다.
총 힘 합산기(380)는 환경적 힘(FENV), 준자동적 기구 전진력(FINST) 및 기구의 배향을 유지하도록 요구된 힘(FORNT)을 입력으로서 수신한다. 이들 3개의 입력에 기초하여, 총 힘 합산기(380)는 전술된 출력들: 힘(FTTL) 및 토크(TTTL)를 생성한다. 힘(FTTL) 및 토크(TTTL)는 동일한 이유로 입력의 가중된 합일 수도 있고, 환경적 힘(FENV)은 가중된 합일 수도 있다.
조작기 제어기(124)의 내부의 다른 모듈은 도 27에 도시된 기구 매니저(702)이다. 기구 매니저(702)는 기구(160)의 온/오프 상태를 제어한다. 매니저(702) 내로의 입력은 펜던트 트리거(194), 기구 버튼(164, 174) 및 기구 제어 스위치(176)의 누름/해제 상태를 지시하는 신호를 포함한다. 힘 오버라이드(375)는 기구 동력 생성 유닛(163)을 비활성화할 필요가 있으면 신호를 제공한다. 도구 경로 생성기(234)는 기구의 준자동적 전진의 시작시에 기구 매니저(702)에 신호를 선택적으로 제기한다. 이 신호는 기구가 이하에 설명된 목표 영역 내에 있으면 제기된다. 절단 안내부(390)는 경계가 규정되어 있는 것을 지시하는 신호를 기구 매니저(702)에 제공한다. 국부화 엔진(270)은 엔진이 기구와 뼈의 상대 자세를 기술하는 데이터를 발생하는 것이 가능한 것을 지시하는 데이터를 제공한다. 추론적으로, 이들 후자의 데이터는 트랙커(212, 214)에 의해 전송된 신호가 국부화기(216)에 의해 수신되는 것을 지시하는 데이터이다. 상기 데이터에 기초하여, 기구 매니저(702)는 기구 동력 생성 유닛(163)을 활성화 및 비활성화하기 위해 신호를 선택적으로 제기한다. 이들 신호는 도구 제어기(132)에 포워딩된다.
기구 매니저(702)는 부합되는 다수의 조건에 응답하여 도구 동력 생성 유닛(163)의 온 전환을 야기하는 신호를 제기한다. 이들 조건 중 하나는 절단 안내부(390)가 경계가 규정되어 있는 것을 지시하는 것이다. 부합되어야 하는 다른 조건은 국부화 엔진(270)이 뼈에 대한 기구의 상대 자세를 추적하는 것이 가능해야 하는 것이다.
기구 매니저(702)는 의사가 기구를 의도적으로 작동하기 위해 포지티브 동작을 취할 때 기구(160)를 작동시킨다. 조작기가 수동 모드에서 동작될 때, 이 동작은 버튼(164 또는 174) 중 하나의 토글링과 조합하여 스위치(176)의 계속되는 누름이다. 조작기가 준자동적 모드로 동작될 때, 기구 매니저(702)는 단지 매니저가 펜던트 트리거(194)가 눌러지는 지시를 수신하면 동력 생성 유닛(163)이 여기되어야 하는 것을 지시하는 신호를 도구 제어기(132)에 송신한다.
IV. 동작
A. 수동 모드
조작기(50)는 에너지 적용기(184)를 기구(160)에 부착함으로써 사용을 위해 준비된다. 기구(160)는 커플링 조립체(111)에 의해 단부 이펙터(110)에 장착된다. 캘리브레이션 기술을 사용하여, 좌표 시스템(EAPP)의 자세, 좌표 시스템(CMVB)의 자세, 좌표 시스템(EFCT)의 자세 및 좌표 시스템(TLTR)의 자세가 서로에 대해 결정된다. 이들 상대적 자세를 설명하는 데이터는 조작기 제어기(124), 구체적으로는, 좌표 시스템 변환기(272)에 공급된다.
조작기(50)의 초기 작동시, 절단 안내부가 기구의 전진을 제한하는 경계는 규정되어 있지 않다. 따라서, 기구 매니저(702)는 기구 동력 생성 유닛(163)의 작용을 초래할 수 있는 공구 제어기(132)에 신호를 발생시키지 않는다.
뼈 트랙커(212)가 뼈에 고정되고 나서, 뼈는 좌표 시스템(BTRK)에 대해 정합된다. 수술 인력은 네비게이션 인터페이스(220)를 사용하여 뼈에 대한 경계의 위치설정을 조절 및 확인한다. 이러한 단계가 수행되고 나면, 경계 생성기(232)는 이들 데이터를 사용하여 좌표 시스템(BTRK)에 대한 경계와 연계된 좌표 시스템의 자세를 계산한다. 이 관계는 고정된다. 이들 관계 데이터는 좌표 시스템 변환기(272)에 적용된다. 경계 형성 타일의 위치를 규정하는 데이터가 절단 안내부(390) 내로 로딩된다.
타일 형성 데이터가 절단 안내부(390) 내에 로딩되고 나면, 절단 안내부(390)는 기구 매니저(702)에 신호를 발생시켜 경계가 규정된 것을 나타낸다. 이 신호의 수신은 기구 매니저(702)에 의해 인식되고, 의사가 이제 기구(160)를 작동시킬 수 있다.
또한, 기구의 초기 구성의 일부로서, 공구 제어기(132)는 작동시 의사에 의해 지정된 에너지를 기구가 출력하게 하기 위해 필요한 여기 신호를 출력하도록 설정된다. 예로서, 기구(160)가 모터를 포함하는 경우, 공구 제어기(132)는 의사가 원하는 모터 속도로 기구 모터가 동작하게 하도록 설정된다. 기구(160)가 전자수술 공구인 경우, 공구 제어기(132)는 기구가 적절한 전류를 발생하게 하도록 설정되고 및/또는 두 개의 전극을 가로질러 적절한 전압이 발생하게 하도록 설정된다. 기구가 광 에너지를 방출하는 경우, 기구 제어기(132)는 기구(160)가 적절한 와트수의 광 에너지를 출력하게 하도록 설정된다. 이들 설정은 사용자 인터페이스(130)를 통한 명령의 도입에 의해 수행된다.
조작기(50)는 사용자 인터페이스(130) 상에 존재하는 버튼을 누름으로써 동작이 가능해진다(버튼은 예시되지 않음). 이 버튼의 누름에 응답하여, 조작기 제어기는 측정된 조인트 각도로서 인코더(112, 114, 116, 117 및 118)로부터 신호를 판독한다. 이들 데이터에 기초하여, 순방향 운동학 모듈(562)은 계산된 조인트 각도의 초기 세트를 계산한다. 순방향 운동학 모듈(562)은 또한 조작기 좌표 시스템(MNPL)의 원점에 대한 좌표 시스템(CMVB)의 초기 자세를 출력한다.
측정된 조인트 각도, 계산된 조인트 각도 및 좌표 시스템(CMVB)의 초기 자세에 기초하여, 비교기(582, 622 및 652)에 의해 초기 비교가 수행된다. 이들 비교는 초기 상태에서 조작기가 조인트 한계, 간섭 한계 또는 작업공간 한계 중 임의의 것을 위반하는 경우를 결정하기 위해 수행된다(단계는 도시되지 않음). 이들 한계 중 임의의 것이 위반되는 경우, 사용자 인터페이스(130) 상에 에러 메시지가 표시된다. 위반이 해소될 때까지 조작기의 다른 동작은 차단된다.
좌표 시스템(CMVB)의 순방향 운동학 유도 초기 자세는 또한 이 좌표 시스템의 초기 명령된 자세로서 사용된다. 명령된 속도는 초기에 0으로 설정된다.
따라서, 적분기(386)는 0의 초기 명령된 속도와 좌표 시스템(CMVB)의 실제 자세를 나타내는 데이터를 제1 프레임 초기 조건으로서 갖는다. 이 명령된 자세는 초기에 역방향 운동학 모듈(542)로 전달된다.
임의의 명령된 자세 데이터에서와 같이, 역방향 운동학 모듈은 이 명령된 자세를 사용하여 조인트 모터 제어기(126)에 적용되는 명령된 조인트 각도를 결정한다. 이 초기 프레임에서, 측정된 조인트 각도는 실질적으로 이미 명령된 조인트 각도에 있다.
조인트 모터 제어기(126)가 초기에 작동될 때, 브레이크는 활성 조인트를 정적으로 보유한다. 조인트 모터 제어기(126)가 작동된 이후, 브레이크가 해제된다. 브레이크의 해제에 응답하여, 중력이 링크에 작용하기 시작한다. 활성 조인트가 명령된 조인트 각도로부터 벗어나기 시작할 때, 제어기(126)는 중력의 힘을 상쇄하는 토크를 모터(101)가 출력하게 한다. 따라서, 조인트 모터 제어기(126)는 실질적으로 아암을 정적으로 보유하는 토크가 출력되게 한다. 브레이크(103)가 해제되고 나서, 조작기(50)는 기구(160)를 위치설정할 수 있다.
스위치(176)가 눌러지지 않는 주기 동안, 센서 신호 감쇠기(697)는 힘 토크 센서(108)로부터 외력 합산기(698)로의 신호의 통과를 완전히 감쇠, 차단 한다. 이들 신호를 차단하는 것은 센서(108)로부터 신호의 드리프트와 무작위 변동을 초래할 수 있는 조작기의 비의도적 이동을 방지한다. 이들 드리프팅 및 변하는 센서 신호가 감쇠기(697)를 초과하여 전달되는 경우, 이들은 의사가 힘 및/또는 토크를 기구에 적용하였다는 지표로서 해석된다. 이는 조작기 제어기(124) 내부의 다른 모듈이 조작기의 비의도적 이동을 유발하는 명령을 생성하게 한다.
의사가 기구를 이동시키기를 시도하지 않는 경우에도, 역구동력(FBDR)이 아암(68 또는 70)이나 부착된 구성요소 중 하나가 외력을 받고 있다는 것을 나타내는 경우 조작기 제어기(124)는 기구(160)를 재배치한다. 이는 이들 장치 중 어느 하나가 다소 비의도적으로 부딪히는 경우에 기구(160)와 조작기의 구조 구성요소에 대한 손상을 방지한다. 이들 비의도적 힘은 데드밴드 필터(695)에 의해 통과된 최소의 힘보다 커야만 한다는 것을 인지하여야 한다.
조작기(50)는 수동 모드에서 초기치에 의거하여 초기화된다. 조작기가 수동 모드에 있을 때, 기구(160)는 준자동적으로 전진하지 않는다. 공구 경로 힘 계산기(278)는 기구의 준자동적 전진을 촉진하는 전체 힘 합산기(380)에 힘 및 토크의 신호를 출력하지 않는다.
의사가 기구를 위치설정하기 위해, 의사는 가능화 스위치(176)를 누른다. 유사하게, 의사는 기구 상에 힘 및 토크를 부여한다. 이들 힘 및 토크는 기구 자세를 제어하기 위해 손에 보유된 기구 상에 부여되는 것들과 크기가 유사하다. 스위치(176)의 상태 전이를 감지하는 것에 응답하여, 센서 신호 감쇠기(697)는 센서(108)로부터 그 비감쇠 레벨로 신호를 상승시킨다. 이러한 신호 상승은 최초에 토크를 아암에 적용할 때 조인트 모터(101)가 조작기(50)에 큰 양의 토크를 갑작스럽게 적용하지 않는 것을 보증한다.
의사가 기구 상에 힘 및 토크를 부여하는 것에 응답하여, 센서(108)는 이들 힘 및 토크를 나타내는 신호를 출력한다. 이들 신호는 센서 신호 감쇠기(697)를 통해 외력 합산기(698)에 전달된다. 외력 합산기는 역구동력(FBDR)에 의해 표현된 바와 같은 외력을 나타내는 신호와 적절히 이들 신호를 혼합한다. 외력 합산기(698)는 순차적으로 이들 신호를 환경적 힘 합산기(379)를 통해 총 힘 합산기(380)로 출력한다. 이들 의사가 적용한 힘은 전체 힘 합산기(380)에 의해 출력된 힘(FTTL) 및 토크(TTTL)의 결과적 구성요소이다.
결과적으로, 적분기(386)가 자세 및 속도 데이터를 생성할 때, 이는 의사가 적용한 힘 및 토크의 표현에 부분적으로 기초한다. 절단 안내부(390)는 적분기 생성 자세 및 속도에 기초하여 좌표 시스템(CMVB)을 위한 명령된 자세 및 명령된 속도를 출력한다. 명령된 자세에 기초하여, 역방향 운동학 모듈(542) 및 명령 역학 모듈(544)은 액티브 조인트를 위한 명령된 조인트 각도와 피드 포워드 토크를 각각 나타내는 신호를 생성한다. 조인트 모터 제어기(126)는 명령된 조인트 각도와 피드 포워드 토크에 기초하여 조인트 모터(101)에 필요한 전류를 적용한다. 이들은 그 명령된 조인트 각도를 향한 액티브 조인트의 전진을 초래하는 토크를 모터(101)가 출력하게 하는 전류이다. 이는 의사가 적용한 힘 및 토크가 손에 보유한 기구의 질량 중심에 적용하는 경우 기구(160)의 운동을 모사하는 기구의 운동을 초래한다.
기구(160)를 작동시키기 위해, 스위치(176)가 눌러진 동안 버튼(164 또는 174) 중 어느 하나가 토글된다. 이 조건이 나타날 때, 기구 매니저(702)는 명령 신호를 공구 제어기(132)에 제기한다. 이는 이제 기구를 작동시킬 때라는 것을 제어기(132)에 명령하는 명령 신호이다. 이 명령 신호의 수취에 기초하여, 공구 제어기(132)는 기구를 작동시키기 위해 기구(160)에 적절한 여기 신호를 적용한다. 기구(160)가 모터를 포함하고 에너지 적용기(184)가 가시 또는 다른 절단 악세사리인 상황에서, 여기 신호의 적용은 에너지 적용기(184)의 회전을 초래한다.
기구(160) 및 에너지 적용기(184)가 전진될 때, 국지화 엔진(270)은 로컬라이저(216)에 대해 공구 트랙커(214) 및 뼈 트랙커(212) 양자 모두의 자세를 나타내는 데이터를 지속적으로 생성한다. 이들 데이터는 좌표 시스템 변환기(272)로 전달된다. 좌표 시스템 변환기(272)는 조작기 좌표 시스템(MNPL)에 대한 단부 이펙터(110)의 자세를 나타내는 순방향 운동학 모듈(562)로부터 데이터를 수신한다. 좌표 시스템 변환기(272)는 다음의 데이터에 기초하여 좌표 시스템(MNPL)에 대한 경계 좌표 시스템의 자세를 나타내는 데이터를 생성한다: 뼈 트랙커 좌표 시스템(BTRK)에 대한 경계 좌표 시스템의 고정된 자세, 로컬라이저 좌표 시스템(LCLZ)에 대한 뼈 트랙커 좌표 시스템(BTRK)의 이동 자세, 공구 트랙커 좌표 시스템(TLTR)에 대한 로컬라이저 좌표 시스템(LCLZ)의 이동 자세, 단부 이펙터 좌표 시스템(EFCT)에 대한 공구 트랙커 좌표 시스템(TLTR)의 고정된 자세, 순방향 운동학 모듈에 기초한, 조작기 좌표 시스템(MNPL)에 대한 단부 이펙터 좌표 시스템(EFCT)의 자세.
에너지 적용기(184)의 고정된 자세, 좌표 시스템(EFCT)에 대비한 좌표 시스템(EAPP) 및 좌표 시스템(MNPL)에 대한 단부 이펙터 좌표 시스템(EFCT)의 이동 자세에 기초하여, 좌표 시스템 변환기(272)는 좌표 시스템(MNPL)에 대한 좌표 시스템(EAPP)의 자세를 나타내는 데이터를 생성한다.
따라서, 좌표 시스템 변환기(272)는 조작기 좌표 시스템(MNPL)에 대한 경계 좌표 시스템 및 좌표 시스템(EAPP) 양자 모두의 자세를 나타내는 데이터를 절단 안내부(390)에 제공한다.
상술한 데이터에 추가로, 절단 안내부(390)는 경계 좌표 시스템의 원점에 대한 경계 형성 타일의 자세를 규정하는 이전에 저장된 데이터를 포함한다. 이들 데이터에 기초하여, 절단 안내부(390)는 의사가 의도한 기구(160)의 전진이 에너지 적용기(184)가 경계 형성 타일을 지나가게 하는지를 결정하기 위해 도 21a 내지 도 21c에 관하여 상술한 처리 단계를 수행한다. 이러한 평가 테스트가 부정적인 경우, 절단 안내부(390)는 명령된 자세 및 속도로서 적분기 생성 자세 및 속도를 출력한다.
대안적으로, 적분기 생성 위치가 경계 형성 타일을 초과하는 것으로 나타나는 경우, 절단 안내부(390)는 이러한 운동을 피하기 위해 가상 강체에 적용될 필요가 있는 임펄스 또는 임펄스들을 결정하는 데이터를 생성한다. 절단 안내부(390)에 의해 출력된 명령된 자세는 이 임펄스(또는 임펄스들)에 기초한다. 따라서, 조작기(50)는 에너지 조작기(184)가 타일을 지나가게 하는 방식으로 아암을 전진시키지 않는다. 대신, 조작기는 경계에 의해 규정된 체적 내에서 에너지 적용기(184)를 유지하는 방식으로 아암을 전진시킨다. 에너지 적용기(184)가 조직을 제거하기 위해 사용되는 경우, 에너지 적용기(184)의 이러한 전진 방법은 조작기가 단지 의사가 제거를 필요로하는 조직을 제거기 위한 에너지 적용을 할 수 있게 한다. 이는 잔여 조직이 의사가 원하는 규정된 형상의 표면(242)을 갖게 한다.
상술한 바와 같이, 조인트 모터로부터 견부 및 링크로 토크를 전달하는 기어 조립체는 실질적으로 제로 백래시 기어 조립체이다. 본 발명의 이러한 특징은 기어의 실제 회전 동안 작동되는 견부 또는 링크/링크들의 이동시 실질적으로 어떠한 미끄럼, 헐거움도 존재하지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 미끄럼의 최소화는 구성요소의 매우 안정적인 이동을 초래한다. 또한, 이러한 최소화는 부착된 아암 및 견부의 정확한 위치를 초래한다. 종합적으로, 이들 특징은 조인트 모터가 견부 및 링크를 급속하게 재배치하고 이런 재배치를 높은 정확도로 수행하는 것을 가능하게 한다. 이는 조인트 모터 및 기어 조립체의 회전 방향의 역전의 결과로서 발생하는 재배치를 포함한다.
에너지 적용기(184)의 수동 모드 전진 동안, 조인트 한계 비교기(582), 간섭 한계 비교기(622) 및 작업공간 한계 비교기(652)는 그 상술한 분석을 수행한다. 경계들 중 각각의 경계가 가로질러지는 경우, 적절한 구속력이 환경적 힘 합산기(379)에 공급된다. 가상 강체에 적용되는 구속력은 조인트가 조인트 한계를 초과하게 하거나, 아암 쌍이 그 간섭 한계를 초과하여 이동하게 하거나, 에너지 적용기(184)가 작업 공간 한계를 초과하게 하는 방식으로 조작기가 아암을 전진시키는 것을 실질적으로 방지한다.
흐름도에 도시되어 있지 않지만, 조인트 한계 비교기(582)는 임의의 조인트가 그 조인트 한계 중 하나를 초과하는지를 평가하고, 간헙 한계 비교기(622)는 임의의 아암 쌍이 그 간섭 한계 보다 적은 거리에 있는지를 평가하고, 작업 공간 경계 비교기(652)는 에너지 적용기(184)가 그 작업공간 경계 한계를 초과하여 이동되었는지를 평가한다. 통상적으로, 이들 조건 중 하나는 조작기가 손상되거나, 오작동하거나, 극도로 높은 외력을 받는 경우에만 발생한다. 임의의 이들 조건 테스트가 참인 경우, 조작기 제어기(124)는 아암의 전진을 중단시키고, 브레이크와 결합하며, 기구 동력 생성 유닛(163)은 비활성화되며, 연결들은 도시되어 있지 않다. 에러 메시지가 사용자에게 표시된다. 조작기는 불능화 상태에 진입한 것으로 고려된다. 조작기는 에러가 해소될 때까지 이 상태를 유지한다.
상술한 바와 같이, 기구의 전진 동안, 제거 재료 로거(275)는 데이터를 생성 및 저장한다. 이들 데이터는 에너지 적용기(184)가 적용된 조직의 체적을 나타낸다.
기구의 수동 모드 전진 동안 임의의 시간에, 의사는 버튼(164 또는 174) 중 하나의 제2 토글링에 의해 기구를 비활성화할 수 있다. 버튼(164 또는 174)의 이러한 제2 토글링에 응답하여, 기구 매니저(702)는 제어기가 기구 동력 생성 유닛(163)을 비활성화하게 하는 신호를 공구 제어기(132)에 제기한다. 버튼(164 또는 174)의 추가적 토글링은 기구 매니저(702) 및 공구 제어기(132)가 기구 동력 생성 유닛(163)을 재활성화하게 한다.
의사가 조직에 대한 에너지 적용기(184)의 특정 적용을 완료하고 나면, 의사는 스위치(176) 상의 압력을 해제한다. 스위치(176)의 해제에 응답하여, 기구 매니저(702)는 제어기가 기구 동력 생성 유닛(163)을 비활성화하게 하는 신호를 공구 제어기(132)에 제기한다. 이는 의사가 그/그녀의 손을 기구로부터 제거할 때 기구의 작동을 방지한다.
또한, 센서 신호 감쇠기(697)는 스위치(176)의 해제에 응답한다. 이러한 이벤트가 발생할 때, 감쇠기(697)는 힘/토크 센서(108)로부터 외력 합산기(698)로의 신호의 적용을 감소시킨다. 이는 환경적 힘 합산기(379)에 적용된 외력 성분의 감소를 초래한다. 그 성분의 감소는 전체 힘 합산기(380)에 의해 출력된 힘 및 토크가 의사가 원하는 기구 위치설정에 기초한 성분을 포함하는 정도의 유사한 감소를 초래한다.
또한, 적분기(386)는 스위치(176)가 해제된 것을 나타내는 데이터를 수신한다. 이 데이터의 수취에 응답하여, 적분기(386)는 적분기에 의해 출력된 속도 신호의 크기를 급속히 감소시킨다. 이들 속도는 통상적으로 250 밀리초 이하인 시간 주기에 걸쳐 0으로 감소한다. 이러한 속도 감소는 대안적으로 환경적 힘 합산기(379)에 적용되는 완충력을 순간적으로 증가시킴으로써 달성될 수 있다.
환경적 힘 합산기(379)에 어떠한 다른 힘도 적용되지 않는 것을 가정하면, 속도 감소는 기구(160)의 전진의 중단을 초래한다. 조인트 모터 제어기(126)는 조인트 모터(101)에 전류를 지속적으로 적용한다. 이들 전류는 조인트 모터(101)가 절단 안내부(390)에 의해 출력된 최종 명령된 자세에 기초한 그 최종 위치에서 견부 및 아암을 보유하는 토크를 출력하게 한다. 조작기는 스위치(176)의 해제 이전에 적어도 순간적으로 최종 자세에서 기구를 보유한다.
스위치(176)가 해제되는 시간에, 절단 안내부(390)는 에너지 적용기(184)가 타일을 지나가는 것을 방지하도록 가상 강체에 힘을 적용하는 과정에 있다. 이러한 상태가 존재하는 경우, 이때, 스위치(176)의 해제는 기구 전진의 급속한 중단을 초래하지 않는다. 절단 안내부(390)는 가상 강체에 적용될 필요가 있는 힘을 계속 출력한다. 따라서, 이들 힘의 출력은 조작기가 에너지 적용기(184)가 경계 내에 머무르는 방식으로 기구의 위치설정을 지속하게 한다.
상술한 바와 같이, 스위치(176)의 해제는 통상적으로 조작기(50)에 의한 기구(160)의 전진의 중단을 초래한다. 기구의 추가 이동을 증진시키는 조건이 존재할 수 있다. 상술한 바와 같이, 한 가지 이런 조건은 에너지 적용기(184)가 타일을 가로지른다는 것을 나타내는 절단 안내부(390)에 의한 결정이다. 일부 환경에서, 절단 안내부(390)는 스위치(176)의 해제 이후 이러한 결정을 수행한다. 이러한 결정은 스위치(176)가 해제된 이후에도 소프트웨어 모듈이 활성 상태로 남아있기 때문에 발생할 수 있다. 절단 안내부(390)는 에너지 적용기(184)가 경계를 가로지르는 것을 방지하기 위해 가상 강체에 적용되는 힘을 선택적으로 생성하기를 계속한다. 이러한 경우는 기구(160)가 정지상태일 때 기구에 대한 환자의 이동이 에너지 적용기(184)가 명백히 경계를 가로지르게 하는 경우 발생할 수 있다. 절단 안내부(390)가 이러한 가로지름이 발생한다는 것을 결정하는 경우, 절단 안내부는 적용기가 경계를 가로지르지 않도록 에너지 적용기(184)를 효과적으로 이동시키는 힘을 가상 강체에 적용한다. 달리 말하면, 뼈의 이동의 결과로서, 조작기(50)는 기구의 재배치를 지속할 수 있다.
스위치(176)가 해제 상태에 있을 때 조작기(184)에 의한 기구(160)의 소정의 이동을 초래하는 다른 조건이 존재할 수 있다. 구체적으로, 조인트 모터(101)가 역구동력을 받거나 거동 제어 모듈 중 하나가 구속력을 출력하는 경우, 비제로 가수가 여전히 환경적 힘 합산기(379)에 적용된다. 전체 힘 합산기(380)는 순차적으로 가속 계산기(384)에 비제로 전체 힘 및 전체 토크를 출력한다. 전체 힘 합산기(380)로부터의 이들 출력이 0이 아닌 경우, 적분기(386)는 속도의 초기 감소 이후, 속도를 전체 힘 및 전체 토크에 기초한 속도로 상승시킨다. 따라서, 역구동 또는 구속력이 존재하는 경우, 조작기(50)는 기구의 전진을 초기에 중단시킨 이후, 기구의 재배치를 지속한다. 이러한 전진은 이들 힘에 기인한 시간에 걸친 이들 가속의 적분이 0으로 떨어질때까지 이루어진다.
시간에 걸친 이들 가속의 적분이 0으로 떨어지고 절단 안내부(390)가 더 이상 가상 강체에 힘을 적용하지 않게 되고 나면, 조작기(50)는 정적 자세에서 기구(160)를 보유한다. 조작기(50)는 의사에 의한 재배치시까지 이 상태로 유지된다.
절차의 완료시, 조작기는 사용자 인터페이스(130) 상에 존재하는 버튼을 누름으로써 비활성화될 수 있으며, 버튼은 도시되어 있지 않다. 이 버튼을 누를 시, 브레이크(103)가 재결합된다. 브레이크(103)가 결합되는 것을 보증하기에 충분한 시간이 경과하고 나면, 조작기 제어기(124)는 조인트 모터 제어기(126)에 명령을 전송한다. 이들 명령에 응답하여, 조인트 모터 제어기는 조인트 모터(101)에 적용되는 전류를 중단시킨다.
B. 준자동 모드
수동 모드에서 조작기를 동작시키기 위해 수행되는 초기 단계는 준자동 동작을 위해 조작기를 준비하도록 수행되었다. 기구(160) 및 에너지 적용기(184)는 함께 그리고 단부 이펙터(110)에 연결된다. 적절한 캘리브레이션, 네비게이션 정합 및 경계 위치설정이 수행된다. 경계는 절단 안내부(390) 내로 로딩된다.
본 발명의 일부 형태에서, 조작기(50)는 수동 모드 동작을 위해 가능화되고 나면, 기구(160)를 준자동적으로 전진시킬 준비가 된다. 도 28a를 참조하면, 기구의 준자동 동작의 초기 단계는 에너지 적용기(184)가 그를 따라 전진하여야 하는 공구 경로의 생성이라는 것이 관찰된다(단계 760). 단계 760에서, 공구 경로 생성기(234)는 공구 경로(248)를 규정하는 데이터를 생성한다(도 15c). 이 공구 경로, 또한, 경로 세그먼트(256, 262, 266)의 세트는 에너지 적용기(184)가 적용되어야 하는 조직을 따른 위치를 규정한다. 단계 760의 일부로서, 공구 경로 생성기(234)는 제거 재료 로거(275)로부터 구해진 데이터를 참조한다. 단계 760이 절차의 시작시에 실행될 때, 이들 데이터는 조직에 대한 에너지 적용기(184)의 어떠한 적용도 존재하지 않는다는 것을 나타낸다. 이 조건이 존재하는 경우, 조직에 대한 공구 경로의 시작 지점인 지점(258)은 원론적으로 계산된 경로 시작 지점이다.
대안적으로, 제거 재료 로거(275)로부터의 데이터는 에너지 적용기(184)가 조직의 하나 이상의 체적에 이전에 적용되었다는 것을 나타낼 수 있다. 종종 이는 기구의 수동 모드 전진에 의한 이전의 조직 제거에 기인한다. 이러한 상태가 존재하는 경우, 공구 경로 생성기(234)는 반전된 공구 경로(248)를 생성한다. 반전된 공구 경로(248)는 에너지 적용기(184)가 이제 그 위로 횡단하는 에너지 적용기(184)가 적용되지 않은 잔여 조직을 따른 경로 세그먼트의 집합이다. 반전된 공구 경로(248)의 생성은 에너지 적용기(184)가 이전에 제거된 조직을 제거하기를 시도하도록 자유 공간에서 이동하는 것을 회피한다. 이 반전된 공구 경로의 생성의 결과로서, 공구 경로 생성기는 에너지 적용기(184)가 그에 대해 적용되는 조직을 따른 공구 경로의 시작 지점인, 지점(258)의 새로운 위치를 생성할 수 있다.
공구 경로 생성기(234)가 제거될 조직 위로 연장하는 경로 세그먼트의 세트를 형성하더라도 모든 경로 세그먼트가 조직 위로 연장할 수 있는 것은 아니라는 것을 인지하여야 한다. 일부 경로 세그먼트는 조직 위로 연장하는 경로 세그먼트 사이의 자유 공간으로 연장한다.
기구의 준자동성 전진의 시작 이전에, 조작기(50)의 수동 모드 동작에 결부하여 의사는 좌표 시스템(EAPP)의 원점이 목표 영역이라 지칭되는 위치에 있도록 기구를 위치설정한다(단계 762). 이 목표 영역은 조직상의 공구 경로의 시작 지점인 지점(258)에 매우 근접한 공간에 있다. 본 발명의 일부 형태에서, 이 목표 영역은 경로 시작 지점(258)의 2cm 내의 뼈 위의 체적이다. 본 발명의 다른 형태에서, 이 목표 영역은 경로 시작 지점(258) 위의 1cm 이내의 체적이다. 국지화 엔진에 의한 기구 및 뼈의 추적에 부분적으로 기초하여, 좌표 시스템 변환기(272)는 시작 지점(258)에 대한 에너지 적용기(184) 좌표 시스템(EAPP)의 원점의 근접도를 나타내는 데이터를 생성한다. 좌표 시스템 변환기(272)는 네비게이션 프로세서(218)에 데이터를 제공한다. 이들 데이터에 기초하여, 네비게이션 프로세서(218)는 공구 경로 시작 지점(258)에 대한 에너지 적용기(184)의 위치를 나타내는 이미지를 인터페이스(220) 상에 제공한다. 의사는 기구를 위치설정하기 위해 이 디스플레이를 참조한다.
의사가 기구의 거친 위치설정을 완성하고 나서, 조작기 제어기(124)는 최종 명령된 자세로 기구를 계속 보유한다. 이는 아암도 기구도 구속력이나 역구동력을 받지 않는 것을 가정한다.
기구가 목표 영역에 있고 의사가 준자동 동작을 개시하기를 원하는 것으로 믿어지면, 의사는 펜던트 트리거 스위치(194)를 누른다(단계는 예시되지 않음). 사용자 인터페이스(130)는 트리거 스위치가 눌러졌는지 여부를 판정하기 위해 펜던트(190)를 계속 감시한다(단계 764). 트리거(194)를 누르는 것은 조작기를 준자동 모드가 되게 한다. 의사가 기구를 준자동적으로 전진시키기를 원하는 시간 기간 전반에 걸쳐, 펜던트 트리거(194)는 눌러진 상태로 유지되어야 한다. 더 상세히 후술된 바와 같이, 펜던트 트리거(194)의 해제는 조작기(50)를 수동 모드로 복귀시킨다.
준자동 모드로 기구를 배치한 한 가지 즉각적인 효과는 공구 경로 생성기(234)가 자유 공간을 통해 연장하는 공구 경로를 생성한다는 것이다(단계 766). 자유 공간 경로 세그먼트는 지점(258)에 도달하기 위해 그를 따라 에너지 적용기(184)가 전진하여야 하는 공구 경로의 위치이다.
트리거(194)를 누르기 이전에, 사용자 인터페이스(130)는 공급 속도 계산기(284)에 대한 사용자 조절 입력을 0으로 설정한다(단계는 도시되지 않음). 결과적으로, 트리거(194)가 최초 눌러졌을 때, 공급 속도 계산기(284)는 0의 초기치 기구 공급율을 출력한다. 따라서, 이들 출력 신호는 시간 트리거(194)가 눌러지는 시간에 위치되어 있는 위치에서 에너지 적용기(184)를 실질적으로 보유하는 전체 힘 합산기(380)에 대한 힘 및 토크의 세트를 공구 경로 힘 계산기(278)가 최초에 생성하게 한다. 빈번히, 기구의 준자동 전진의 이 스테이지에서 공구 경로 힘 계산기(278)에 의해 출력된 힘 및 토크는 0에 근접한다.
펜던트 트리거(194)를 초기에 누를 때, 또한, 조작기 제어기(124)는 에너지 적용기(184) 좌표 시스템(EAPP)의 원점이 목표 영역 내에 있다는 것을 확인한다. 에너지 적용기(184)가 목표 영역의 외부에 있는 경우, 자유 공간 경로 세그먼트가 절단되지 않은 조직의 섹션 또는 타일을 형성하는 경계 중 하나를 가로지르는 가능성을 증가시킨다. 따라서, 조작기(50)는 단지 에너지 적용기(184)가 목표 위치에 있을 때 준자동 기구 전진이 시작될 수 있게 한다.
도 28a에서, 단계 768 및 770은 그에 의해 조작기(50)가 에너지 적용기(184) 좌표 시스템(EAPP)의 원점의 공구 경로 지점(258)에 대한 근접도를 평가하는 프로세스를 나타낸다. 단계 768은 에너지 적용기(184)로부터 지점(258)까지의 거리의 공구 경로 생성기(234)에 의한 결정이다. 단계 770은 이 거리가 에너지 적용기(184)가 목표 영역 내에 있다는 것을 나타내는 지 여부에 대한 평가이다. 기구가 목표 영역 내에 있지 않은 경우, 메시지가 인터페이스(220) 상에 표시된다(단계 772). 이때 의사는 기구를 재배치하여야 한다. 기구를 이렇게 재배치하기 위해, 의사는 먼저 트리거(194)를 해제하여야 한다(단계는 도시되지 않음). 본 발명의 설명된 형태에서, 트리거(194)의 해제의 결과로서, 조작기는 단계 760으로 자동으로 되돌아간다.
좌표 시스템(EAPP)의 원점이 목표 영역에 있는 것으로 결정될 때, 공구 경로 생성기(234)는 기구 매니저(702)에 이러한 사실에 관한 데이터를 전송한다(단계는 도시되지 않음). 기구 매니저(702)는 순차적으로 공구 제어기(132)에 명령을 전송한다. 이 명령은 여기 신호를 기구에 적용할 것을 공구 제어기에 명령하며, 이는 기구 동력 생성 유닛(163)의 작용을 초래한다. 종합적으로, 상술한 단계들은 단계 774로서 도 28a에 나타나 있다. 기구(160)를 구동하기 위해 사용되는 동작 설정을 조절하기 위해, 조작기 디스플레이 상에 존재하는 버튼을 통해 명령이 입력된다(버튼은 예시되지 않음). 이들 버튼을 누르는 것에 기초하여, 사용자 인터페이스(130)는 공구 동력 생성 유닛(163)의 동작을 조절하는 명령을 공구 제어기(132)에 전송한다(단계는 도시되지 않음).
단계 770의 테스트의 평가가 긍정적인 경우, 공구 배향 조절기(368)는 기준 표면(369), 개구(370) 및 중심설정 지점(371)을 규정한다(단계 776). 이들 기하학적 랜드마크는 뼈에 대한 기구(160)의 실제 자세의 표현에 기초하여 규정된다. 좌표 시스템(BONE)으로 변환된 명령된 자세는 실제 자세의 표현으로서 사용된다.
의사는 기구(160)의 준자동 전진을 시작할 준비가 되고 나면, 의사는 버튼(195)을 누른다(단계는 예시되지 않음). 본 발명의 일부 형태에서, 버튼(193, 195)의 누름에 기초하여 사용자 인터페이스(130)는 공급율의 사용자 조절을 나타내는 계수를 출력한다. 본 발명의 일부 형태에서, 계수는 0.0, 0.25, 0.40, 0.70 또는 1.0이다. 이는 USER ADJUST 입력으로서 공급 속도 계산기(284)에 적용되는 계수이다. 펜던트 버튼(193)의 각각의 누름은 사용자 인터페이스가 공급율 계수를 레벨 아래로 재조절하게 한다. 펜던트 버튼(195)의 각각의 누름은 사용자 인터페이스가 공급율 계수를 다음의 더 높은 레벨까지 재조절하게 한다. 사용자 인터페이스(130)는 버튼(193 또는 195) 각각이 눌러지는지 여부를 결정하기 위해 펜던트(190)를 지속적으로 감시한다(단계 778). 본 발명을 이해할 목적으로, 기구 전진을 시작하기 위해 필요한 명령은 USER ADJUST 계수를 0을 초과하도록 재설정하기 위한 명령이라는 것을 이해하여야 한다.
버튼(195)의 초기 누름 또는 누름들은 사용자 인터페이스(130)가 공급 속도 계산기(284)에 적용되는 USER ADJUST 계수의 레벨을 상향 조절하게 한다. 이 계수가 설정되는 레벨은 버튼(195)이 펄싱되는 시기의 횟수의 함수이다. 이 비제로 계수의 수신에 응답하여 공급 속도 계산기(284)는 비제로 기구 공급율을 출력한다(단계는 도시되지 않음). 이는 공급 속도 계산기(284)에 적용된 다른 계수 중 어느 것도 0이 아닌 것으로 가정한다. 기구가 비제로 속도로 전진한다는 이러한 지표에 기초하여, 공구 경로 힘 생성기(234)의 다운라인 모듈들은 협력하여 공구 경로를 따른 에너지 적용기(184)의 전진을 유발하기 위해 가상 강체에 적용될 필요가 있는 힘 및 토크의 시퀀스를 출력한다. 이들 힘 및 토크는 전체 힘 합산기(380)에 적용된다. 따라서, 전체 힘 합산기(380)로부터의 모듈 다운라인은 에너지 적용기(184) 및 기구(160)의 원하는 전진을 초래하도록 협력한다(단계 782). 기구의 전진이 별개의 단계로서 도시되어 있지만, 이하에 설명된 단계는 기구가 준자동적으로 전진하는 동안 이루어질 수 있다는 것을 인지하여야 한다.
초기에, 에너지 적용기(184)의 이러한 조절에서, 에너지 적용기(184)는 자유 공간 경로 세그먼트를 따라 이동하며, 이 경로 세그먼트는 지점(258)로 이어진다. 지점(258)으로부터, 에너지 적용기(184)는 조직상의 경로 세그먼트를 따라 전진한다. 본 발명의 설명된 형태에서, 에너지 적용기(184)는 가시이고, 이는 지점(258)을 초과한 에너지 적용기(184)의 이러한 전진의 결과로서, 회전하는 가시 헤드가 조직에 대해 눌러진다는 것을 의미한다. 가시 헤드의 형상, 기구 동력 생성 유닛(모터(163))에 의한 가시 헤드의 회전 및 조작기(50)에 의해 가시 헤드에 적용된 힘에 기인하여, 가시 헤드는 가시 헤드가 그에 대해 적용되는 조직을 제거한다(단계는 표시되지 않음).
도 28a 내지 도 28g에서, 단계들은 순차적으로 이루어지는 것으로 도시되어 있다. 다수의 단계들은 기구가 준자동적으로 전진되는 시기 전반에 걸쳐 연속적인 동시에 실질적으로 동시적으로 이루어진다는 것을 인지하여야 한다. 일부 경우에, 프로세스 단계에 의해 표시되는 기능은 독립적 연속 기능으로서 구현된다. 도 28a 내지 도 28g는 모듈에 의해 이루어지는 판정 또는 프로세스 단계가 모듈에 의해 실행되는 순서를 나타내지 않는다. 도면은 모듈에 의해 수행되는 상술한 프로세스의 의사가 인지하는 종합적 효과를 나타낸다.
에너지 적용기(184)가 조직에 대해 전진할 때, 제거 재료 로거(275)는 에너지 적용기(184)가 그에 대해 적용되었던 조직의 부분을 나타내는 데이터를 생성 및 저장한다(단계 784). 이들 데이터는 에너지 적용기(184)가 적용되었던 조직의 부분을 나타내는 이전에 취득된 데이터를 갱신하기 위해 사용된다. 단계 760의 후속 실행시, 공구 경로 생성기(234)는 반전 공구 경로를 생성하기 위해 이들 갱신된 데이터를 사용한다.
준자동 모드에서의 조작기(50)의 동작 동안, 힘 오버라이더(375)는 조작기 및 기구의 그 전술한 감시를 수행한다. 에너지 적용기(184)에 의해 출력된 파워의 결정은 단계 786에 나타나 있다. 파워 출력이 지정된 시간 기간을 위한 사전규정된 하한값을 초과한다는 판정은 본 발명의 시스템이 원하지 않는 상태에서 동작할 수 있다는 것으로 조작기(50)에 의해 해석된다. 따라서, 단계 786의 일부로서, 에너지 적용기(184)에 의한 파워 출력의 지표가 이 지표를 위한 하한값에 비교된다. 이 평가 테스트가 참인 경우, 힘 오버라이더(375)는 기구 매니저(702)에 명령을 전송한다. 이 명령에 응답하여, 기구 매니저(702)는 제어기(132)에 기구 동력 생성 유닛(163)을 비활성화할 것을 명령한다. 공구 제어기(132)는 결과적으로 기구를 비활성화한다. 상술한 단계는 집합적으로 단계 794의 실행을 형성한다. 힘 오버라이더(375)는 공급 속도 계산기(284)에 기구 공급율을 0으로 강하시킬 것을 명령한다. 이는 조작기가 에너지 적용기(184)의 전진을 중단시키게 한다. 이는 단계 796의 실행으로서 도 28b의 경우를 나타낸다.
또한, 힘 오버라이더(375)는 사용자 인터페이스(130)가 기구의 준자동 전진이 종결된 이유를 나타내는 메시지를 제공하게 한다(단계 798). 이는 에너지 적용기(184)가 적용되는 부위에 원치않는 상태가 존재하는 지를 판정하도록 예상되는 것 보다 많은 토크를 기구가 출력하는 이유를 연구할 기회를 의사에게 제공한다.
단계 796에서 조작기(50)에 의한 기구의 전진의 중단은 조작기가 조인트 모터(101)가 토크를 출력하는 정도의 조절을 계속하는 것을 중단시키지 않는다. 공구 경로 힘 계산기(278)에 의해 출력된 힘 및 토크는 그 최종 목표 위치에서 에너지 적용기(184)를 유지하기 위해 가상 강체에 적용될 필요가 있는 힘 및 토크이다. 전체 힘 합산기(380) 및 다운라인 모듈은 조인트 모터(101)가 아암(68, 70)이 최종 목표 위치에서 에너지 적용기(184)를 보유하게 하는 토크를 출력하게 한다(단계는 도시되지 않음).
조작기(50)가 여전히 준자동 모드에 있는 동안, 조작기는 단계 798 이후 에너지 적용기(184)를 전진시키지 않는다. 이는 의사에게 적용기 전진의 중지를 초래하는 조건을 돌볼 기회를 제공한다. 조작기 제어기(124)는 경보가 응답된 이후 의사가 에너지 적용기(184)의 준자동 전진을 재시작할 수 있게 한다. 단계 799는 이러한 응답을 대기하는 힘 오버라이더(375)를 나타낸다. 의사는 버튼을 누름으로서 이러한 응답을 수행한다. 조작기(50)가 이 상태에 있을 때, 기구 버튼(172)은 의사가 단계 798의 경보에 응답하기 위해 눌러지는 버튼으로서 기능할 수 있다.
경보가 응답되고 나서, 힘 오버라이더(375)는 조작기를 조작기가 현재의 준자동 공구 전진을 지속할 수 있는 상태가 되게 한다. 이는 단계 799로부터 단계 774로의 역방향 전이에 의해 표현된다. 이 기구 매니저(702)는 기구 동력 생성 유닛(163)의 작동을 초래하는 명령을 다시 제기한다. 기구 배향 랜드마크는 단계 776의 재실행시 재설정된다. 의사의 0.0을 초과한 USER ADJUST 계수의 재설정 및 단계 778의 재실행에 기초하여, 에너지 적용기(184)는 다시 전진되고, 단계 782가 실행된다.
단계 786의 또 다른 구성요소는 지정된 시간 주기를 위한 이 지표의 더 높은 제한 레벨로 에너지 적용기(184)에 의해 출력된 파워의 지표의 비교이다. 이러한 평가 참으로 테스트되는 것은 조작기가 원하지 않는 상태에 있을 더 큰 가능성이 존재한다는 것으로 힘 오버라이더(375)에 의해 해석된다. 따라서, 이 평가 참으로 테스트되는 경우, 조작기 제어기는 수동 모드로 전환하고 에너지 적용기(184)의 동작을 비활성화하기 위해 필요한 단계를 수행한다. 이는 단계 786으로부터 이하에 설명된 단계 864 및 866으로의 분기로서 나타난다.
단계 788은 힘 계산기(358)에 의한 힘(FINST) 출력의 힘 오퍼라이더에 의한 감시를 나타낸다. 단계 788에서, 힘 오버라이더(375)는 힘(FINST)을 그 연계된 상술된 바와 같은 하한 및 상한값에 비교한다. 평가가 힘(FINST)이 지정된 시간 주기에 대해 그 하한값을 초과하는 것을 나타내는 경우는 에너지 적용기(184)의 전진을 억제하는 수술 부위의 부근의 폐색(828)이 존재한다는 것을 나타내는 것으로서 해석된다. 따라서, 단계 788의 이러한 평가가 참으로 테스트되는 경우, 힘 오버라이더(375)는 전술된 단계 794, 796, 798 및 799가 실행되게 한다.
이는 의사가 에너지 적용기(184)의 전진이 억제되는 이유를 결정하는 기회를 제공한다. 의사는 적절하다면 에너지 적용기 힘 계산기(358)가 큰 크기의 힘/토크가 가상 강체에 적용될 필요가 있다는 것을 나타내게 하는 상태를 돌보기 위해 단계들을 수행할 수 있다.
단계 788에서, 힘 오버라이더(375)는 힘(FINST)이 지정된 시간 주기 동안 그 더 높은 한계값을 초과하였다는 것을 판정할 수 있다. 이러한 평가의 테스트가 참인 것은 조작기가 원하지 않은 상태에 있는 더 큰 가능성이 존재한다는 지표로서 해석된다. 따라서, 조작기 제어기는 수동 모드로 돌아가고 에너지 적용기(184)를 비활성화하도록 단계 864 및 866으로 분기한다.
또한, 힘 오버라이더(375)는 센서(108)에 의해 감지되는 힘 및 토크를 나타내는 신호를 감시한다(단계 804). 이러한 감시는 과도한 외력이 기구(160) 또는 에너지 적용기(184)에 적용되는 경우를 결정하기 위해 수행된다. 에너지 적용기(184)가 적용되는 조직의 일반적 저항의 결과로서, 기구(160)의 전진에는 약간의 저항이 존재한다. 기구의 준자동 전진 동안, 조직 저항의 적용에 응답하여 힘/토크 센서(108)는 센서가 최소 레벨의 힘 및 토크에 노출된다는 것을 나타내는 신호를 출력한다.
이 평가는 센서(108)에 의해 감지된 힘 및 토크가 지정된 시간 주기보다 많이 하한값을 초과한다는 것을 나타낼 수 있다. 이러한 경우는 폐색(828)이 에너지 적용기(184)의 전진을 억제하는 소정 종류의 저항력을 부여하는 경우에 발생할 수 있다. 이러한 조건이 참으로 테스트되는 경우, 힘 오버라이더(375)는 에너지 적용기(184)의 준자동 전진을 일시적으로 정지시키도록 단계 794, 796, 798 및 799로 분기한다.
또한, 기구의 준자동 전진 동안, 의사가 기구의 재배치를 급작스럽게 시도하게 하는 조건이 존재할 수 있다. 이러한 작용을 취할 때, 의사는 비의도적으로 펜던트 트리거(194)를 해제하지 않을 수 있다. 이러한 경우가 발생하면, 공구 경로로부터 이격 방향으로 기구를 변위시키려는 의사의 노력에 응답하여, 힘/토크 센서(108)는 비교적 높은 힘 및 토크에 노출된다. 이들 힘 및 토크는 힘 오버라이더(375)에 의해 유지되는 높은 한계 힘/토크 한계를 초과한다. 따라서, 단계 804에서, 힘 오버라이더는 또한 이들 힘/토크가 지정된 시간 기간보다 큰 시간 동안 그 더 높은 한계값을 초과하였는지를 판정하기 위해 센서(108)의 출력을 평가한다.
상술한 평가가 참으로 테스트되는 경우, 힘 오버라이더(375)는 기구 동력 생성 유닛의 비활성화를 초래하는 명령을 제기한다(단계 808). 또한, 힘 오버라이더(375)는 기구의 준자동 전진을 중단시키는 명령을 제기한다(단계 810). 각각 단계 794 및 796을 실행하는 동일한 소프트웨어 및 하드웨어 구성요소가 각각 단계 808 및 810을 수행한다.
또한, 힘 오버라이더(375)는 에너지 적용기 힘 계산기에 의해 출력된 힘 (FINST)을 0으로 하강하게 한다. 이는 조작기가 준자동 모드를 벗어나게 하고, 조작기를 단계 811에 표시된 수동 모드 동작으로 복귀시킨다. 의사에 의해 적용되는 힘 및 토크의 크기에 기인하여, 역구동력은 데드밴드 필터(695)에 저장된 임계값보다 크다. 의사가 인가한 힘에 기초하여, 외력 합산기(698)는 환경적 힘 합산기(379)에 힘을 출력한다. 결과적으로, 스위치(176)가 눌러지지 않더라도, 조작기(50)는 단계 812로 표시된 바와 같이, 의사가 에너지 적용기를 공구 경로 외부로 밀기 위해 적용한 힘 및 토크에 응답하여 기구를 재배치한다.
기구가 이렇게 재배치되고 나서, 조작기는 단계 760으로 복귀한다. 기구의 준자동 전진은 펜던트 트리거의 누름에 의해 재활성화된다(단계 764).
에너지 적용기(184)의 전진 동안, 공구 배향 조절기(368)는 기구(160)의 배향을 감시한다. 도 28c에서, 이는 별개의 단계 814로서 도시되어 있다. 이러한 감시는 에너지 적용기(184)의 전진과 동시에 이루어진다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 프로세스 동안, 기준 표면(369), 개구(370) 및 중심설정 지점(371)의 위치는 좌표 시스템(BONE)에 대해 규정된다는 것을 이해하여야 한다.
준자동 전진 동안 기구의 배향의 변화는 도 29a 및 도 29b를 먼저 참조하여 설명된다. 이들 도면은 기구 및 에너지 적용기(184)의 초기 배향을 도시한다. 여기서, 기구 종방향 축은 개구(370) 내의 중심설정 지점(371)을 통해 연장한다. 이 기구 종방향 축은 기준 표면(369)에 수직이다.
기구의 준자동 전진 동안, 목적은 공구 경로를 따라 에너지 적용기(184)를 전진시키는 것이다. 상술한 바로부터, 이는 에너지 적용기 힘 계산기(358)에 의해 수행되는 계산에 기초하여 가상 강체에 적용되는 힘 및 토크의 적용으로부터 초래되는 이동이라는 것을 인지하여야 한다.
상술한 바와 같이, 공구 배향 조절기(368)는 가상 강체에 적용되는 다른 세트의 힘 및 토크를 생성한다. 이는 최소한, 조작기가 기구를 기구 축이 기준 표면 개구(370) 내에 유지되도록 배향하는 것을 보증하기 위한 것이다. 이상적으로, 조작기는 기구 축이 개구 중심설정 지점(371)과 교차하도록 기구를 배향할 수 있다.
도 30a 및 도 30b는 에너지 적용기 좌표 시스템(EAPP)이 중심설정 지점(371)을 통해 기준 평면(369)에 수직으로 연장하는 라인으로부터 비교적 짧은 거리 이격되어 있을 때를 도시한다. 도 29b의 위치로부터 도 30b의 위치로 에너지 적용기(184)가 전진할 때, 힘(FORNT)은 가상 강체에 대한 적용을 위해 공구 배향 조절기(368)에 의해 출력된다. 이들은 공통 축이 중심설정 지점(371)을 통해 계속 연장하도록 조작기가 기구를 피봇시키게 하는 힘(FORNT)이다.
도 31에 도시된 바와 같이, 기구의 준자동 전진 동안, 조작기는 적용기가 개구(370)에 의해 대응된 영역의 외부에 위치된 공구 경로(248)의 일부를 따라 전진되도록 에너지 적용기(184)를 위치설정할 수 있다. 이 영역은 점선 포위부로 도시되어 있다. 에너지 적용기(184)가 이렇게 위치되어 있을 때에도, 공구 배향 조절기(368)는 공통 축이 실질적으로 중심설정 지점(371)과 교차하도록 조작기가 기구를 배향하도록 힘(FORNT)을 적용한다. 본 발명의 일부 구성에서, 공구 배향 조절기(368)가 조직의 표면 위로 대략 15 cm에 위치된 기준 표면(369) 내의 3 cm 반경을 갖는 개구(370)를 형성할 때, 조작기(50)는 에너지 적용기(184)를 중심설정 지점(371)을 통해 법선 방향으로부터 20 cm 이상에 위치될 수 있도록 위치설정할 수 있다. 에너지 적용기(184)가 이 영역의 주연부에 위치될 때에도, 가상 강체에 적용된 힘(FORNT)은 공통 축이 실질적으로 중심설정 지점(371)과 교차하도록 조작기가 기구를 배향하게 한다.
조작기(50)는 또한 공구 경로(248) 위에 그 자체를 제공할 수 있는 미소한 장애물(828)이 공구 경로를 따라 에너지 적용기(184)의 전진을 차단하지 않도록 구성된다. 이들 장애물은 공구 경로 위로 외향 돌출하는 조직을 포함한다. 흡입 적용기 및 수축기 같은 기구가 또한 공구 경로 위로 돌출할 수 있다. 도 28c에서, 장애물(828)이 존재하는지 여부가 단계 818의 조건 테스트로서 도시되어 있다. 장애물(828)이 존재하지 않는 것을 가정하면, 단계 818의 조건이 부정이면, 기구의 이러한 준자동 전진은 단계 836으로의 진행으로 표현된 바와 같이 이어진다.
장애물(828)이 존재하는 경우, 단계 818의 조건이 긍정인 경우, 장애물(828)은 조작기가 중심설정 지점(371)을 통해 공통 축을 유지하는 충분한 힘(FORNT)을 출력하는 공구 배향 조절기(368)의 기능을 저지한다(단계는 예시되지 않음). 이러한 경우의 발생에 응답하여, 조작기(50)는 공통 축이 개구(370)의 주연부를 향해 이동하도록 기구를 전진시킨다. 단계는 예시되어 있지 않다. 중심설정 지점(371)으로부터 이격 방향으로의 공통 축의 변위는 가상 강체에 적용된 힘(FORNT)보다 큰, 그와의 평형을 벗어나는 장애물(828)의 저지력을 초래하는 것으로 말해질 수 있다. 이러한 변위에 응답하여, 공구 배향 조절기는 공통 축이 개구 내에 유지되도록 조작기(50)가 기구를 배향하는 것을 보증하도록 힘(FORNT)을 조절한다(단계 824). 통상적으로 이 힘(FORNT)은 이전에 출력된 힘(FORNT)보다 크기가 더 크다.
새롭게 적용된 힘(FORNT)에 응답하여, 조작기는 공통 축이 중심설정 지점(371)으로부터 이격된 개구(370)의 지점을 통해 개구와 교차하도록 기구를 위치설정할 수 있다. 도 32a, 도 32b 및 도 32c는 이 위치의 기구를 도시한다. 공통 축의 이러한 새로운 위치는 가상 강체에 힘(FORNT)이 적용되괴 장애물(828)의 저항력이 평형인 위치이다. 장애물(828)은 기구에 항복할 수 있다(단계 826). 이는 장애물(828)이 연성 조직 같은 항복가능한 재료인 경우에 발생할 수 있다. 대안적으로, 이러한 경우는 강체를 통해 장애물(828)이 항복가능한 조직에 고정되는 경우 발생할 수 있다. 장애물(828)이 항복하는 경우, 조작기는 기구를 계속 전진시킨다. 장애물(828)이 항복함에 따라, 가상 강체에 적용되는 힘(FORNT)은 장애물(828)의 저항력보다 커진다. 이는 공통 축이 중심설정 지점(371)과 실질적으로 교차하는 배향으로 조작기가 기구를 복원시키게 한다(단계는 도시되지 않음). 도 28f에서, 장애물(828)의 항복은 단계 836으로의 분기로서 표시되어 있다.
장애물(828)이 항복하지 않는 경우에도, 단계(826)의 조건은 음이고, 공통 축은 기준 표면 개구(370) 내에 유지될 수 있다(단계 830의 조건 평가). 이러한 조건이 존재하는 경우, 조작기(50)는 기구의 준자동 전진을 계속한다(단계 836으로의 분기).
대안적으로, 단계 830의 조건 테스트의 결과는 음일 수 있다. 이러한 경우에, 공구 배향력 조절기(368)는 높은 크기의 힘(FORNT)을 출력한다. 이러한 힘(FORNT)은 도 19의 피크 지점(378)과 굴절 지점(377) 사이의 표 값에 기초한다. 이러한 힘(FORNT)의 출력은 단계 832로 표시되어 있다.
단계 834에서, 힘(FORNT)의 크기는 이러한 힘과 연계된 낮은 한계값과 높은 한계값에 비교된다. 이러한 평가는 힘 오버라이더(375)에 의해 수행된다. 양 평가가 부정으로 테스트되는 경우, 조작기는 가상 강체에 대한 새로운 힘(FORNT)의 적용에 응답하여 조작기를 재배향한다. 이는 단계 824로 다시 분기하는 것으로 도시되어 있다.
대안적으로, 단계 834의 평가의 결과로서, 힘 오버라이더(375)는 힘(FORNT)이 지정된 시간 기간 동안 이러한힘을 위한 하한값을 초과한다는 것을 결정한다. 힘 오버라이더(375)가 이러한 결정을 하는 경우, 힘 오버라이더는 조작기가 준자동 전진이 적어도 일시적으로 중단되어야하는 상태에 있는 것으로 해석한다. 이는 이전에 설명된 단계 794, 796, 798 및 799로의 분기로서 도시되어 있다.
일부 상황에서, 공구 배향 조절기(368)에 의해 출력된 힘(FORNT)은 지정된 시간 주기 이상동안 이 힘과 연계된 상한값을 초과할 수 있다. 이러한 경우는 장애물(828)이 기구(160) 또는 에너지 적용기(184)와 충돌하는 경우 발생할 수 있다. 따라서, 힘 오버라이더(375)는 단계 834의 이러한 제2 평가가 참으로 테스트되는 것을 조작기가 바람직하지 못한 상태에 있다는 지표로서 해석한다. 따라서, 조작기 제어기(124)는 조작기를 수동 모드로 다시 전이시키고 기구를 비활성화하도록 단계 864 및 866으로 분기한다.
기구(160)의 준자동 전진 동안, 의사는 에너지 적용기(184)가 공구 경로(252)를 따라 전진하는 동안 기구의 배향을 재설정할 것을 결정할 수 있다. 기구가 조직 또는 공구 경로 부근에 존재할 수 있는 다른 기구와 접촉하는 것을 피하도록 기구를 재배향하는 것이 바람직할 수 있다.
단계 836은 의사가 기구를 재배향하기로 판정하는 것과 연계된 판정을 나타낸다. 의사가 기구를 재배향하기를 원하는 경우, 그/그녀는 기구 버튼(172)을 누른다(단계는 도시되지 않음). 사용자 인터페이스(130)는 이 버튼의 상태를 감시한다. 단계 836의 평가가 부정으로 테스트되는 한, 공구 배향 조절기(368)는 공구 축이 가능한 근접하게 이전에 규정된 중심설정 지점(371)과 교차하도록 조작기가 기구를 배향하게 하는 힘(FORNT)을 계속 출력한다. 도 28c에서, 이는 단계 850으로의 진행으로 표시되어 있다.
단계 836의 평가가 긍정으로 테스트되는 경우, 공구 배향 조절기(368)는 기준 표면(369), 공구 개구(370) 및 중심설정 지점(371)을 재규정한다(단계 840). 이들 형상 기준 특징의 이들 재규정은 명령된 자세에 의해 나타내진 기구의 현재 실제 자세에 기초한다.
결과적으로, 단계 814의 후속 재실행시, 배향 조절기(368)로의 입력 변수는 기구가 중심설정 지점(371)에 실질적으로 중심설정된다는 것을 나타낸다. 기구가 이러한 상태에 있으며, 공구 배향 조절기는 적절한 배향력 FORNT = 0을 가상 강체에 적용할 필요가 없다는 것을 결정한다(단계 842).
기구 재배향 동안, 의사는 기구를 재배향하기 위해 기구에 힘 및 토크를 적용한다. 이들 힘 및 토크는 통상적으로 환경적 힘 합산기(379)에 적용된 외력(FEXT)의 가장 큰 성분이다. FORNT가 0이기 때문에, 공구 배향 조절기(368)는 의사가 적용한 외력(FEXT)에 대향하는 힘을 가상 강체에 적용하지 않는다. 따라서, 이러한 외력(FEXT)에 응답하여, 조작기(50)는 기구 배향이 의사가 원하는 배향에 기초하도록 기구를 배향한다(단계 844).
이러한 프로세스에서 FORNT가 0인 동안, 에너지 적용기 힘 계산기(358) 및 힘 변환기(362)는 비제로 힘(FINST)을 계속 출력한다. 이는 조작기가 공구 경로(248)를 따라 에너지 적용기(184)를 전진시키게 하는 가상 강체에 적용된 힘(FINST)이다. 따라서, 조작기(50)는 의사가 원하는 기구의 재배향을 모사하는 것과 동시에 에너지 적용기(184)가 공구 경로(248)를 따라 전진하도록 기구를 계속 위치설정하며, 단계 782가 계속 실행된다.
조작기는 버튼(172)이 눌러진 상태로 유지되는 한 상술한 프로세스 단계에 따라 기구를 계속 재배향한다. 이는 도 28g에 판정 단계 846으로부터 단계 840으로의 회귀로서 표시되어 있다.
기구가 의사가 원하는 배향이 되고 나면, 의사가 버튼(172)을 해제한다(단계는 도시되지 않음). 이러한 경우의 발생에 응답하여, 공구 배향 조절기(368)는 기구의 명령된 자세에 기초하여 배향 랜드마크를 더 이상 지속적으로 갱신하지 않는다. 버튼(172)이 해제될 때 저장되는 랜드마크는 힘(FORNT)을 결정하기 위한 후속 계산이 그에 기초하게 되는 랜드마크이다(단계 848). 조작기가 이들 랜드마크에 기초한 기구 배향의 준자동 조절을 계속한다(단계 849). 이때, 조작기(50)는 단계 850으로 전진하는 것으로 고려될 수 있다.
조작기(50)의 일부 구성에서, 버튼(172)의 해제는 의사가 단계 798에서 제공된 경보를 제거하는 단계 799 프로세스를 수행하였다는 지표로서 인식된다. 이는 기구(160)의 준자동 전진을 일시적으로 정지시키기 위해 조작기(50)가 유발할 수 있는 다수의 조건이 기구의 재배향에 의해 치유되었기 때문이다.
조작기(50)가 준자동 모드에서 동작할 때, 사용자 인터페이스(130)는 버튼(193 또는 195) 중 어느 하나가 눌러졌는지를 결정하기 위해 펜던트(190)를 지속적으로 감시한다. 이는 의사가 공구 경로를 따른 에너지 적용기(184)의 전진의 공급율을 조절하는 것을 의사가 선택하였는지 여부를 감시하는 조작기로서 도 28c에 표시되어 있다(단계 850). 버튼(193 또는 195) 중 어느 하나가 눌러지는 것에 응답하여, 단계 778에 관하여 설명된 프로세스가 사용되어 새로운 USER ADJUST 계수가 공급 속도 계산기(284)에 적용되게 한다(단계는 도시되지 않음). 이는 제어기(124)가 조작기가 공구 경로(248)를 따라 에너지 적용기(184)를 전진시키는 속도를 조절하게 한다(단계 858).
단계 858에서 기구 공급율이 0 속도로 설정되는 경우, 공구 경로 힘 계산기(278)는 여전히 힘(FINST)을 출력한다. 이는 공구 경로(248) 상의 최종 결정된 목표 위치에 에너지 적용기(184)를 조작기(50)가 보유하게 하는 가상 강체에 적용된 힘(FINST)이다(단계는 예시되지 않음).
본 발명의 일부 형태에서, 기구 공급율이 0 속도로 설정될 때, 기구 매니저(702)는 또한 공구 동력 생성 유닛(163)의 비활성화를 초래하는 명령을 제기한다(단계는 예시되지 않음). 본 발명의 이들 형태에서, 버튼(195)이 다시 눌러져서 기구의 준자동 전진을 다시 유발할 때, 기구 매니저(702)는 기구 동력 생성 유닛이 재활성화되게 한다. 사용자 인터페이스(130)는 공급 속도 계산기(284)에 비제로 USER ADJUST 계수를 적용한다(단계는 예시되지 않음).
또한, 본 발명의 일부 형태에서, 기구 공급율을 0보다 큰 속도로 재설정할 때, 에너지 적용기 힘 계산기(358)는 공구 경로를 따라 에너지 적용기(184)의 순방향 전진을 초래하는 힘(FINST)의 방향에 실질적으로 대향한 힘(FINST)을 초기에 출력한다. 이러한 초기 힘(FINST)이 가상 강체에 순간적으로 적용된 결과로서, 조작기는 초기에 에너지 적용기(184)를 공구 경로(248)를 따라 역방향으로 이동시킨다. 이러한 이동은 통상적으로 2 mm 이하이다. 에너지 적용기(184)가 이러한 역방향 이동과 결부되면, 기구 동력 생성 유닛(163)이 재활성화된다. 기구 동력 생성기가 재활성화되고 나면, 에너지 적용기 힘 계산기(358)는 공구 경로(248)를 따라 에너지 적용기(184)를 조작기가 순방향으로 전진시키게 하는 힘(FINST)을 출력한다.
상기 프로세스 단계는 적용기가 조직에 대해 가압되는 동안 에너지 적용기(184)를 재작동시키는 조건을 회피한다. 이는 재작동시 적용기(184)가 조직에 대해 결속되는 가능성을 감소시킨다.
기구(160)의 준자동 전진 동안, 절단 안내부(390)는 조작기가 수동 모드에서 동작하는 것 처럼 경계 타일에 대한 에너지 적용기(184)의 위치를 감시한다(단계 860). 조작기가 준자동 모드에 있을 때 절단 안내부(390)의 동작 방법은 조작기가 수동 모드에서 동작할 때와 동일하다. 조작기(50)가 공구 경로(248)를 따라 에너지 적용기(184)를 위치설정하기 때문에, 매우 드물게 절단 안내부(390)는 이 위치가 경계 형성 타일 중 하나를 가로지른 것으로 결정한다.
그러나, 외부적 사건의 발생이 조작기의 준자동 모드로부터 다시 수동 모드로의 급속한 전이를 유발할 가능성이 존재한다. 이런 경우의 일 예는 조작기가 준자동 전진을 수행하는 동안 기구를 재안내하기 위해 기구 상에 힘을 적용하는 의사의 상술한 작용이다(단계 788 참조). 이런 경우의 두 번째 예는 에너지 적용기(184)가 경계 형성 타일 중 하나에 긴밀하게 근접할 때 기구를 위치설정하기 위해 의사가 기구 스위치(176)를 누르는 후술된 경우이다.
따라서, 조작기(50)가 준자동 에너지 적용기 전진과 결부될 때에도, 절단 안내부(390)는 여전히 에너지 적용기(184)의 명령된 위치가 규정된 경계 내에 있다는 것을 확인한다. 절단 안내부(390)가 에너지 적용기(184)가 경계를 가로지르는 것으로 결정하는 경우, 절단 안내부는 가상 강체에 임펄스 또는 임펄스들을 적용한다. 이러한 힘의 적용은 단계 860의 부분으로 고려될 수 있다. 임펄스(또는 임펄스들)의 적용은 조작기(50)가 이러한 운동을 피하게 한다. 따라서, 조작기가 에너지 적용기(184)를 준자동적으로 전진시킬 때에도 절단 안내부(390)는 실질적으로 에너지 적용기(184)가 경계를 초과하여 이동되는 가능성을 제거한다.
기구의 준자동 전진 동안, 사용자 인터페이스는 또한 기구 스위치(176)의 상태를 감시한다(단계 862). 스위치(176)가 눌러지는 경우, 사용자 인터페이스가 조작기를 수동 모드 동작으로 다시 전이시킨다(단계 864). 이러한 프로세스는 공구 경로 힘 계산기(278)가 전체 힘 합산기(380)에 출력하는 힘(FINST　및 FORNT)의 제로화를 수반한다. 센서 신호 감쇠기(679)가 센서(108)에 의해 측정된 힘 및 토크가 힘(FEXT)의 성분으로서 기능하는 정도를 상승시킨다. 종합적으로 이들 작용은 준자동 전진을 수행하는 상태로부터 의사가 적용한 힘 및 토크에 기초하여 발생되는 위치설정을 모사하는 기구 위치설정을 수행하는 상태로 조작기를 전이시킨다.
동작 모드들 사이의 이들 전이 동안, 기구 매니저(702)는 기구를 비활성화하기 위해 공구 제어기에 명령을 생성한다(단계는 도시되지 않음). 명령의 수신시, 공구 제어기(132)는 기구 동력 생성 유닛으로의 여기 신호의 적용을 무효화한다(단계 866).
그후, 조작기 제어기는 새로운 조직 공구 경로를 생성하며, 단계 760가 재실행된다.
사용자 인터페이스(130)는 트리거(194)의 상태를 결정하기 위해 펜던트(190)를 지속적으로 감시한다(단계 868). 트리거(194)가 눌러진 상태로 유지되는 경우, 조작기(50)는 준자동 모드에서 기구를 계속 전진시킨다. 도 28b 및 도 28d에서, 이는 단계 868로부터 단계 782로의 회귀로서 도시되어 있다.
트리거(194)가 해제되고 나면, 조작기는 수동 모드 동작으로 복귀되고, 에너지 적용기(184)를 비활성화한다. 이는 단계 868로부터 단계 864 및 866으로의 분기로 표시되어 있다. 단계 864의 실행의 이러한 형태에서, 의사는 기구에 힘 및 토크를 적용하지 않을 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 결과적으로, 힘(FINST　및 FORNT)이 0이되는 것에 추가로, 힘(FEXT)은 또한 실질적으로 0이다. 따라서, 전체 힘 합산기(380)에 의해 출력된 힘(FTTL) 및 토크(TTTL)는 가상 강체에 적용되어 조작기(50)가 정적 자세로 기구를 보유하게 하는 힘 및 토크이다. 이는 에너지 적용기(184)가 공구 경로(248)를 따라 최종 목표 위치에 있는 자세이다.
상술한 바와 같이, 단계 866가 실행되고 나면, 새로운 조직 공구 경로가 생성되고, 단계 760가 재실행된다. 기구의 준자동 전진이 종결되고 나면, 의사는 기구를 위치설정하고 기구를 수동 모드 동작을 통해 작동시킬 수 있다.
기구(160)의 준자동 전진은 의사가 펜던트 트리거(194)를 다시 누름으로써 재시작될 수 있다. 이는 역시 단계 764의 평가가 긍정으로 테스트되게 한다.
V. 대안 실시예
본 발명의 조작기는 조작기 제어기와 네비게이션 프로세서가 존재하는 설명된 구성에 한정되지 않는다는 것을 인지하여야 한다. 본 발명의 일부 형태에서, 단일 프로세서 또는 다중 코어 프로세서, 다수의 다중 코어 프로세서 또는 GPU, 복수의 DSP 또는 병렬 프로세서의 세트가 이들 프로세서에 의해 수행되는 데이터 처리를 수행할 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 일부 형태는 설명된 것보다 더 많은 프로세서를 가질 수 있다. 예로서, 제1 프로세서는 네비게이션 데이터 프로세스 중 일부를 수행할 수 있고, 제2 프로세서는 거동 제어 기능을 수행할 수 있으며, 제3 프로세서는 운동 제어 프로세스를 수행할 수 있다. 유사하게, 본 발명의 일부 형태에서, 다수의 네비게이션 및 거동 제어 기능은 이들 임무 전용의 프로세서에 의해 수행될 수 있다.
유사하게, 설명된 다양한 소프트웨어 모듈은 예시적이고 제한적이지 않은 것으로 이해되어야 한다. 다른 소프트웨어 모듈은 의사의 힘 및 토크가 기구에 적용되는 경우 기구의 전진을 모사하고, 기구를 준자동적으로 전진시키고, 준자동 전진 동안 기구 배향을 의사가 조절할 수 있게 하기 위해 필요한 토크를 조인트 모터(101)가 출력하게 하는 처리 단계를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일부 형태에서, 인터페이스(130 또는 220) 중 하나 상에 존재하는 버튼을 누름으로써, 가상 강체의 질량 및 관성의 특성을 변화시킬 수 있게 한다. 예로서, 가상 질량의 크기를 감소 또는 증가시키는 것이 가능하다. 가상 질량을 감소시키는 것은 조작기가 기구 및 에너지 적용기(184)가 그 실제 질량에 비해 질량이 더 낮은 것처럼 응답하게 한다. 결과적으로, 의사가 기구에 힘 및 토크를 적용할 때, 조작기에 의한 기구의 모사된 이동은 기구가 의사의 손의 질량을 더 낮게 느끼는 동시에 적용된 힘 및 토크에 더욱 응답적이게 한다. 리셋될 수 있는 관성 특성은 관성 텐서 또는 행렬을 포함한다.
변경될 수 있는 다른 관성 특성은 가상 강체의 질량의 중심의 위치이다. 가상 강체의 질량 중심의 이동은 단부 이펙터 좌표 시스템(EFCT)의 원점에 대한 이 지점의 위치를 재규정함으로써 수행된다. 가상 강체의 질량 중심의 이러한 이동은 조작기가 기구를 기구의 질량 중심이 변위되는 인상을 의사에게 제공하는 방식으로 위치설정하게 한다. 기구(160) 내에 위치되지 않도록 질량 중심을 위치시키는 것도 가능할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 기구(160) 또는 에너지 적용기(184)와 연계된 좌표 시스템(EFCT) 또는 다른 정적 좌표 시스템에 대해 좌표 시스템(CMVB)의 배향을 재규정할 수 있다.
유사하게, 좌표 시스템(CMVB)의 대응 축에 대향한 방향으로 연장하도록 에너지 적용기 좌표 시스템(EAPP)의 Z-축이 배향될 필요가 없다. 본 발명의 일부 구현예에서, 이들 축은 동일한 방향으로 배향될 수 있다. 또한 본 발명의 일부 형태에서, 이들 Z 축은 서로에 대해 각질 수 있다. 또한, 이들 축은 서로 평행할 수도 있다.
또한, 다양한 좌표 시스템의 다양한 Z-축이 일반적으로 수직인 것으로 도시되어 있지 만, 이는 제한적인 것으로 이해하지 않아야 한다. 본 발명의 대안적 구성에서, 하나 이상의 좌표 시스템에 대하여, X 축 또는 Y 축은 카트(52)의 수평 기부 평면에 거의 정확하게 수직인 축일 수 있다.
유사하게, 특정 처리 단계는 설명된 바와 다를 수 있으며, 알고리즘 및 모델의 변형이 가능하다. 예로서, 각각 에너지 적용기 힘 계산기(358)와 절단 안내부(390)에 의해 계산된 힘(FEAPP　및 FBNDR)은 좌표 시스템(EAPP)의 원점에 대한 적용을 위해 계산될 필요가 없다. 본 발명의 대안적 형태에서, 이들 힘은 좌표 시스템(CMVB)의 원점으로부터 통상적으로 이격된 다른 지점에 대한 적용을 위해 계산된다. 이들 힘이 적용되는 정확한 위치는 종종 에너지 적용기(184)의 형상의 함수이다. 유사하게, 에너지 적용기(358) 및 절단 안내부(390) 양자 모두는 이들이 각각 동일한 지점에 생성하는 힘을 적용할 필요는 없다. 절단 안내부에 관하여, 힘(FBNDR)이 적용되는 지점은 각각 재계산될 수 있다. 힘(FBNDR)의 적용 지점은 절단 안내부(390)가 에너지 적용기(184)의 어느 지점 또는 섹션이 먼저 경계 규정 타일을 가로지르는 지를 결정하는 경계 교차 분석 단계의 함수일 수 있다. 힘(FEAPP_SPR)의 계산에 관하여 동일한 대안이 가능하다. 후술된 바와 같이, 본 발명의 일부 형태에서, 에너지 적용기 계산기(358)는 이 힘(FEAPP_SPR)을 계산할 수 있다.
예로서, 간섭 한계 계산기 비교기(622)는 항상 원통형 또는 캡슐형인 링크의 모델을 포함한다. 링크는 직사각형, 원추형 또는 삼각형 구조로 모델링될 수 있다. 본 발명의 일부 형태에서, 각 링크는 개별 구조가 서로 다른 크기 및/또는 형상으로 이루어지는 하나 이상의 구조의 집합으로서 모델링될 수 있다.
유사하게, 본 발명의 모든 형태에서, 러닝 평균 필터가 사용되어 공구 경로(248)를 따라 목표 위치를 생성할 필요는 없다. 대안적으로, 평활화 기술은 스플라인의 사용, 유한 임펄스 응답 필터링, 무한 임펄스 응답 필터링, 체비세프 필터링, 버터워쓰 필터링 및 파라볼릭 블렌드와의 선형 세그먼트의 혼합을 포함한다.
유사하게, 감쇠기(697)에 의해 수행되는 신호 램핑 같은 신호 램핑이 항상 유한 임펄스 필터를 사용하여 수행될 필요가 없다. 무한 임펄스 응답 필터링 같은 다른 프로세스, 체비세프 필터링, 버터워쓰 필터링 또는 적응성 필터링 같은 다른 프로세스가 대안적으로 이 신호 램핑을 수행하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 모든 형태에서, 공급 속도 계산기(284)는 항상 변수들의 순간적 값에 기초하여 기구 공급율을 계산할 필요는 없다. 본 발명의 일부 형태에서, 이들 입력 변수가 필터링될 수 있다. 유사하게, 임의의 변수가 공급율을 이행하는 정도를 달성하기 위해 승산자로서 사용되는 계수를 변화시킬 이유가 존재할 수 있다. 특정 변수의 적용이 지연될 수 있다. 계수의 변화는 계수의 크기의 변화의 영향을 혼합/제거하기 위해 필터링 또는 램핑될 수 있다. 이 필터링 또는 혼합은 기구(160)의 전진을 평활화한다. 기구의 전진의 이 평활화는 기구의 위치설정의 급속한 변화에 기인하여, 조작기가 불안정해지거나 목표 위치를 도과할 수 있다. 임의의 변수의 효과는 선택적으로 무시될 수 있다. 예로서, 가장 작은 또는 가장 큰 계수 중 어느 하나에 기초하여 기구 공급율을 생성하는 것만이 바람직할 수 있다. 다른 계수는 무시된다.
본 발명의 일부 형태에서, 공급 속도 계산기(284)로의 둘 이상의 변수가 조합될 수 있다. 이러한 조합은 합산, 승산, 평균화 또는 나눗셈에 의한 것일 수 있다. 계산된 계수는 유사하게 합산, 승산, 평균화 또는 나눗셈되어 기구 공급율을 형성하기 위해 규정된 공급율에 기초하여 사용된 최종 계수를 제공할 수 있다. 유사하게, 단지 변수-대-계수 공급율 표에 기초하여 계수가 결정될 필요는 없다. 이들 계수를 결정하기 위한 다른 수단은 그 결과가 기구 공급율을 정립하기 위해 사용되는 계수인 수학식의 입력 변수로서 변수들을 사용하는 것에 기초한다. 수학식은 다항 방정식 또는 비선형 방정식일 수 있다.
유사하게, 기구 동력의 지표로서 역할을 하는 공급 속도 계산기(284)에 의해 데이터로서 기구 전류 요구량 이외의 데이터가 사용될 수 있다. 이들 데이터는 일정한 출력을 유지하기 위해 기구에 적용될 필요가 있는 전압 또는 듀티 사이클을 포함한다. 이 출력은 속도 또는 온도일 수 있다. 폐루프 에너지 출력 장치의 경우에, 출력의 측정은 기구 동력의 지표로서 기능할 수 있다. 더 구체적으로, 출력의 강하는 기구 동력의 변화의 지표로서 기능할 수 있다. 예로서, 감지된 파라미터가 모터 속도인 경우, 속도의 강하는 기구의 동력 수요의 증가가 존재한다는 것을 나타낸다. 동력 요구가 변하였다는 이러한 추론 지표에 기초하여, 공급 속도 계산기(284)에 적용되는 INST POWER 계수가 조절된다.
조인트 모터(101)에 의해 출력된 토크의 대안적 표현이 이들 모터에 의해 출력되는 역구동 토크의 결정을 돕기 위해 사용될 수 있다. 예로서, 이들 모터에 의한 토크 출력의 지표로서 조인트 모터(101)에 적용된 실제 전류를 나타내는 신호를 항상 사용할 필요가 있는 것은 아니다. 본 발명의 대안적 구성에서, 조인트 모터 제어기(126)의 전류 제어 루프에 명령된 전류 또는 피드 포워드 토크를 나타내는 신호가 모터에 의해 출력되는 토크를 나타내는 신호로서 사용될 수 있다.
실제 조인트 토크를 나타내는 데이터는 또한 조인트 모터(101)에 부착된 센서 또는 액티브 조인트와 일체인 다른 구성요소에 의해 공급될 수 있다. 또한, 본 발명의 일부 형태에서, 역구동력 합산기(691)가 존재하지 않을 수 있다. 본 발명의 이들 형태에서, 실제 토크의 표현들 중 하나의 표현은 역구동 토크 계산기(693)에 적용된다.
역구동력 및 토크를 결정하기 위한 대안적 방법이 또한 사용될 수 있다. 예로서, 본 발명의 한가지 대안적 방법에서, 조인트 모터(101)에 의해 생성된 토크와 예상 토크 사이의 제1 편차가 계산된다. 토크 편차값의 이러한 세트는 그후 역구동력 및 토크의 제1 세트로서 좌표 시스템(CMVB)으로 변환된다. 제2 편차는 센서(89)에 의해 감지된 토크와 예상 토크 사이에서 계산된다. 토크 편차 값의 이러한 세트는 그후 역구동력 및 토크의 제2 세트로서 좌표 시스템(CMVB)으로 변환된다. 기구 역구동력 및 토크의 이들 두 세트는 함께 합산되어 역구동력 및 토크를 나타내는 데이터를 생성한다. 이 합으로의 입력은 가중될 수 있다.
조작기를 형성하는 링크의 물리적 구성은 설명된 바로부터 변할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예로서, 평행 4개 바아 링크절을 갖는 일부 조작기에서, 링크절은 커플러를 링크에 연결하는 손목부는 구동 링크의 축으로부터 측방향으로 오프셋된 축을 중심으로 회전할 수 있도록 설계될 수 있다. 유사하게, 손목부는 구동 링크에 정확히 평행하거나 수직인 축을 중심으로 회전하지 않을 수도 있다. 유사하게, 본 발명의 모든 형태에서 조작기는 복수의 4개 바아 링크절 조립체를 가질 필요는 없다. 본 발명은 집합적으로 단일 아암 시리얼 링크절을 형성하는 복수의 링크로 구성될 수 있다. 함께 결합된 복수의 링크를 포함하는 본 발명의 형태에서, 링크 사이의 커플러는 강성적이지 않을 수 있다.
영구 자석 동기 모터 이외의 모터가 작동기로서 사용될 수 있다. 예로서, 무브러시 DC 모터, 브러시형 DC 모터, 스텝퍼 모터 및 유도 모터. 유사하게, 작동기는 전기 구동식 모터일 필요는 없다. 본 발명의 일부 형태에서, 작동기는 유압 또는 공압 모터일 수 있다.
조인트 모터 제어기의 구조는 작동기 내부의 모터의 특성의 함수인 것으로 이해되어야 한다. 모터 제어 프로세스의 변형도 가능하다. 예로서, 조절 모터 동작시 속도 제어 루프를 생략하는 것이 가능할 수 있다.
본 발명의 일부 형태에서, 작동 조인트 중 적어도 하나에 복수의 인코더를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 제1 인코더는 조인트 모터(101)와 일체인 샤프트의 각도 위치를 감시한다. 이 인코더로부터의 데이터는 조인트 작동기의 작동을 조절하기 위해 조인트 모터 제어기에 의해 사용된다. 조인트 작동기가 전기 모터인 경우, 이들 데이터는 종종 모터 권선의 정류를 조절하기 위해 사용된다. 제2 인코더는 조인트 각도를 감시한다. 이 제2 인코더로부터의 데이터는 실제 조인트 각도의 표현으로서 순방향 운동학 모듈(562) 같은 모듈에 의해 사용된다. 조인트 각도의 이 더욱 직접적 측정은 기어 트레인의 고유 공차에 의해 영향을 받지 않는다. 따라서, 조인트 각도의 실제 표현으로서 조인트 각도의 이러한 더 직접적인 측정을 사용하는 것은 기구(160)의 자세를 조작기가 설정하는 정확도를 향상시킬 수 있다.
액티브 조인트 중 적어도 하나를 위한 복수의 인코더를 포함하는 본 발명의 구성에서, 복수의 인코더로부터의 위치 데이터는 조인트 작동기의 작동을 조절하기 위해 조인트 모터 제어기에 의해 사용될 수 있다. 예로서, 본 발명의 일부 구성에서, 하나의 인코더, 종종, 조인트 작동기와 연계된 인코더로부터의 데이터는 위치 제어 루프로의 일차 피드백 변수로서 사용된다. 종종 실제 조인트 각도를 나타내는 데이터를 생성하는 인코더인 제2 인코더로부터의 데이터는 출력 신호의 감쇠 성분을 결정하기 위한 입력으로서 사용된다. 본 발명의 조작기의 또 다른 구성에서, 위치 제어 루프로의 일차 피드백 변수는 복수의 인코더로부터의 조인트 각도를 나타내는 데이터의 가중된 평균에 기초한 조인트 각도의 표현이다. 또한, 감쇠 성분은 복수의 인코더로부터의 조인트 각도의 표현 사이의 편차에 기초할 수 있다. 조인트 각도 위치 제어 루프로의 입력 변수로서 조인트 각도의 이들 복수의 표현을 사용하는 것은 이 제어 프로세스의 안정성을 개선시킬 수 있다.
유사하게, 기구가 적용되는 조직을 맵핑하기 위해 다른 방법이 사용될 수 있다. 이들 방법 중 하나에서, 의사는 그 위치가 수술 네비게이션 시스템(210)에 의해 추적되는 포인터를 사용한다. 절차의 시작점에서, 의사는 환자의 신체 상의 특정 랜드마크를 식별하기 위해 포인터를 사용한다. 이들 랜드마크의 위치에 기초하여, 에너지 적용기(184)가 적용되어야 하는 공간의 경계를 규정하는 데이터가 생성된다.
본 발명의 대안적 형태에서, 절단 안내부는 에너지 적용기(184)가 가로지르는 경계 상의 지점을 결정하기 위해 다른 방법을 사용한다. 이 분석에 관하여, 에너지 적용기(184)가 경계를 가로지르는 위치를 결정할 때 좌표 시스템(CMVB)의 속도가 일정한 것으로 항상 가정될 필요는 없다. 좌표 시스템(BONE)의 속도는 또한 프레임 동안 변할 수 있다. 경계에 대한 복수의 에너지 적용기(184)가 단일 프레임이 순차적으로 취급되는 동안 접촉할 필요는 없다. 이들 접촉은 단일 유효 접촉을 생성하도록 응집될 수 있다. 이 단일 유효 접촉은 단일 경계 구속력에 의해 완화된다.
유사하게, 절단 안내부(390)는 에너지 적용기(184)가 경계를 가로지르는 것을 방지하기 위해 임펄스에 의존하지 않는다. 예로서, 조작기(50)의 대안적 구성에서, 각 경계 타일은 스프링/댐퍼 시스템 같은 순응성 표면으로서 모델링될 수 있다. 에너지 적용기(184)가 타일을 초과한 위치로 이동되는 것이 결정될 때, 타일을 형성하는 스프링은 압축되는 것으로 고려된다. 스프링이 이러한 압축에 대해 적용하는 힘이 계산된다.
유사하게, 본 발명의 조작기는 평행 경로 세그먼트들을 포함하는 공구 경로를 생성하는 공구 경로 생성기와 함께 사용하기 위해서만 설계되는 것은 아니다. 본 발명의 조작기는 함께 연결될 때 2차원 또는 3차원 나선 중 어느 하나를 형성하는 세그먼트를 포함하는 공구 경로를 생성하는 공구 경로 생성기와 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 설명된 형태에서, 공구 경로는 에너지 적용기(184)가 그에 대해 적용되는 조직을 따른 지점의 세트인 것으로 설명된다. 이는 단지 예시적이며, 제한적인 것은 아니다. 기구의 유형에 의존하여, 공구 경로는 에너지 적용기(184)가 목표 조직에 대한 규정된 배향으로, 그리고, 목표 조직으로부터 선택된 거리에 있도록 기구를 위치설정하도록 생성되는 것일 수 있다. 이 유형의 공구 경로는 예로서 기구가 광 에너지를 방출하는 경우에 생성될 수 있다. 이 유형의 기구는 원하는 절차를 수행하기 위해, 에너지 적용기(184)의 원위 단부 팁은 에너지가 적용되는 조직으로부터 예로서 0.1 내지 2.0 cm의 주어진 거리로 이격될 필요가 있도록 설계될 수 있다.
유사하게, 본 발명의 일부 형태에서, 또한, 에너지 적용기(184)가 적용되는 조직의 표면에 대한 개구(370)의 간격을 조절할 수 있다. 일반적으로, 하위 조직 표면과 개구(370) 사이의 거리가 증가할 때, 기구가 피봇할 수 있는 공간의 체적이 감소한다. 이러한 조절을 수행하기 위한 제어부는 인터페이스(128 또는 220) 중 하나에 버튼으로서 존재할 수 있다. 이는 의사가 이러한 조절을 수행할 수 있게 한다.
본 발명의 일부 형태에서, 공구 배향 조절기(368)는 일반적 조건에서, 공통 축이 고정된 중심설정 지점과 교차하도록 조작기(50)가 기구를 위치설정하게 하는 힘(FORNT)을 항상 생성하도록 구성되지 않을 수 있다. 본 발명의 이들 형태에서, 장애물(828)이 존재하지 않을 때에도, 공구 배향 조절기(368)는 항상 공통 축이 고정된 중심설정 지점과 교차하도록 조작기가 기구를 위치설정하게 하지는 않는 가상 강체에 적용되는 힘(FORNT)을 공구 배향 조절기(368)가 출력한다. 대신, 이들 힘(FORNT)은 단지 공통 축이 기준 표면 개구와 교차하도록 조작기가 기구를 위치설정하게 한다. 도 33a 및 도 33b는 기구가 이렇게 위치설정되는 방식을 예시한다.
본 발명의 이러한 형태의 이득은 에너지 적용기(184)가 적용될 수 있는 기준 평면 아래의 조직의 표면적을 증가시킨다는 것이다. 본 발명의 이러한 특징의 추가적 이득은 단일 기준 표면 및 개구가 규정되고 나면, 넓은 영역 위에 기구를 위치설정하고 상당히 다른 평면에 있는 형상을 형성하도록 기구를 사용하는 것을 가능하게 한다는 것이다.
본 발명의 이러한 형태의 또 다른 이득은 공구 경로를 따라 에너지 적용기(184)를 전진시킬 때 공통 축과 기준 표면(390) 사이의 미소한 각도가 법선으로부터 상당히 변하지 않는 배향으로 기구를 유지하는 것을 가능하게 한다는 것이다. 본 발명의 이러한 형태의 이러한 이득은 도 33c에 개략적으로 도시되어 있다. 여기서, 에너지 적용기(184)의 원위 단부 팁은 적용기가 공구 경로(248)를 따라 전진할 때 다양한 위치에 도시되어 있다. 적용기(184)가 이들 위치 각각에 있을 때, 가상 강체에 대한 적용을 위해 조절기(368)에 의해 출력된 힘(FORNT)은 단지 공통 축이 개구(370)를 통해 연장하도록 조작기가 기구를 보유하게 한다. 조작기가 공통 축이 개구(370)의 중심을 통해 연장하도록 기구를 피봇시키도록 구속되지 않기 때문에, 기구는 종종 법선으로부터 45도 미만으로 변하는 배향으로 유지될 수 있다.
기구를 작동시키는 이러한 방법은 에너지 적용기(184)가 준자동적으로 전진할 때 중심설정 지점의 장소의 위치를 공구 배향 조절기(368)가 동적으로 변화시키게 함으로써 달성될 수 있다. 중심설정 지점의 각각의 새로운 위치는 기준 표면(369)에 대한 공통 축의 실제 각도의 표현, 적용기 목표 위치 및 기구의 명령된 자세 및 명령된 속도 같은 변수들에 기초한다. 중심설정 지점의 각각의 새로운 위치는 기군 표면 개구(370) 내에 있는 것으로 이해된다. 거리(DISTINST-cP)는 기준 표면 개구(370)와 공통 축의 교차부 및 동적으로 규정된 중심설정 지점 사이의 거리에 기초하여 계산된다.
유사하게, 배향 조절기(368)가 스프링/댐퍼 모델링에 기초한 기구 배향을 유지하도록 가상 강체에 적용된 힘 및 토크를 항상 계산하는 것을 의무로 하지는 않는다. 공구 배향 조절기(368)는 중심설정 지점에 적어도 매우 인접하게 공통 축을 유지하도록 가상 강체에 적용되는 힘 및 토크를 생성하는 다른 모델에 기초하여 이들 힘 및 토크를 계산할 수 있다.
기구의 준자동 전진을 수행하기 위해 가상 강체에 적용되는 힘 및 토크를 결정하기 위해 사용되는 모델링인 임펄스 힘 모델링이 이들 힘 및 토크를 규정하기 위해 사용될 수 있다. 수학식 (5)과 유사한 수학식이 힘(FORNT)을 결정하기 위해 사용된다. 수학식 (5)의 이러한 사용에서, 방향(Dxyz)이 기초하는 변수는 중심설정 지점의 위치 및 기준 평면과 기구의 종방향 축의 교차부이다. 거리(Δd)는 기준 평면과 기구의 종방향 축의 교차부와 중심설정 지점 사이의 거리의 크기의 네거티브이다. 속도(V0)는 좌표 시스템(CMVB)에 표현된 좌표 시스템(CMVB)의 속도이다. 속도(V1)는 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된 중심설정 지점의 속도이다. 사용되는 자코비안은 좌표 시스템(CMVB)의 원점으로부터 방향(Dxyz)을 따른 중심설정 지점으로의 자코비안 행렬이다. 나머지 항들은 에너지 적용기(184)의 준자동 전진의 임펄스 모델링을 위해 사용되는 것과 동일하다.
조인트가 그 한계를 초과하는 것, 링크가 충돌하는 것 및 조작기가 작업공간 경계를 초과하여 연장하는 것을 방지하기 위해 가상 강체에 적용되는 연산된 힘 및 토크는 또한 스프링/댐퍼 모델링 이외의 모델링을 사용하여 계산될 수 있다. 이들 힘 및 토크의 세트 중 각각의 하나는 예로서 임펄스 모델링을 사용하여 연산될 수 있다.
조인트가 그 최소 및 최대 조인트 한계 각도를 초과하여 이동하는 것을 방지하는 힘 및 토크를 결정하기 위해 임펄스 모델링이 사용될 때, 수학식 (5)과 유사한 수학식이 힘(FJ_L)을 결정하기 위해 사용된다. 이 수학식은 조인트를 위한 대응하는 경계 초과 각도가 0이 아닐 때 각 조인트를 위해 사용된다. 수학식 (5)의 이러한 사용시, 방향(Dxyz)의 각도 성분은 조인트의 회전 축을 형성하는 단위 벡터의 성분이다. 방향(Dxyz)의 선형 성분은 0으로 설정된다. 다수의 경우에, 협약으로서, z-축은 회전축을 형성하도록 선택된다. 이 경우에, 방향(Dxyz)은 [0, 0, 0, 0, 0, 1]으로 설정된다. 거리(Δd)는 경계 초과 각도의 네거티브이다. 속도(V0)는 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된 좌표 시스템(CMVB)의 속도이다. 속도(V1)는 방향(Dxyz)의 정의와 일치하는 성분을 갖는 벡터로서 규정된 조인트의 원하는 속도를 나타낸다. 이러한 경우에 대하여, 경계를 초과하여 조인트가 전진하는 것을 억제하는 것이 바람직하다. 이는 축을 중심으로 하는 회전에 대응하는 속도(V1)의 성분을 0으로 설정함으로써 달성된다. 상술한 규약이 사용되는 경우, 속도(V1)는 0 벡터이다. 사용되는 자코비안은 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된 좌표 시스템(CMVB)의 원점으로부터 방향(Dxyz)으로 규정된 공간으로의 자코비안 행렬이다. 수학식 (5)의 이러한 형태를 사용하여, 힘(FENV)은 이전에 규정된 힘(FJ_L) 성분이 제거된 상태의 이전에 규정된 힘(FENV)이다. 나머지 항들은 에너지 적용기(184)의 준자동 전진의 임펄스 모델링을 위해 사용되는 것과 동일하다.
링크가 충돌하는 것을 방지하는 힘 및 토크를 결정하기 위해 임펄스 모델링이 사용될 때, 수학식 (5)과 유사한 수학식이 힘(FINF)을 결정하기 위해 사용된다. 이 수학식은 링크 쌍을 위한 대응하는 간섭 경계 초과 거리가 0이 아닐 때 잠재적으로 충돌하는 각 링크 쌍을 위해 이 수학식이 사용된다. 수학식 (5)의 이러한 사용에서, 방향(Dxyz)의 선형 성분은 링크들 사이의 최소 거리의 라인을 규정하는 단위 벡터의 성분이다. 다수의 경우에, 이는 링크들 사이의 공통 법선이다. 방향(Dxyz)의 각도 성분은 0으로 설정된다. 다수의 경우에, 규약으로서, z-축은 최소 거리의 라인을 따르도록 선택된다. 이러한 경우에, 방향(Dxyz)은 [0, 0, 1, 0, 0, 0]으로 설정된다. 거리(Δd)는 경계 초과 거리의 네거티브이다. 속도(V0)는 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된 좌표 시스템(CMVB)의 속도이다. 속도(V1)는 방향(Dxyz)의 정의와 일관되는 성분을 갖는 벡터로서 규정된, 최소 거리의 라인을 따른 링크들 사이의 원하는 속도를 나타낸다. 이 경우에 대하여, 이 라인을 따라 서로를 향해 링크들이 전진하는 것을 억제하는 것이 바람직하다. 이는 최소 거리의 방향에 대응하는 속도(V1)의 성분을 0으로 설정함으로써 달성된다. 상술한 규약이 사용되는 경우, 속도(V1)는 0 벡터이다. 사용되는 자코비안은 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된 좌표 시스템(CMVB)의 원점으로부터 방향(Dxyz)으로 규정된 간섭 공간으로의 자코비안 행렬이다. 수학식 (5)의 이 형태를 사용하여, 힘(FENV)은 이전에 규정된 힘(FINP) 성분이 제거된 이전에 규정된 힘(FENV)이다. 나머지 항들은 에너지 적용기(184)의 준자동 전진의 임펄스 모델링을 위해 사용되는 것과 동일하다.
조작기가 작업공간 경계를 초과하는 것을 방지하는 힘과 토크를 결정하기 위해 임펄스 모델링이 사용될 때, 수학식 (5)과 유사한 수학식이 힘(FWSB)을 결정하기 위해 사용된다. 이 수학식은 작업공간 경계 초과 거리(DISTW_B_E)가 0이 아닐 때 사용된다. 수학식 (5)의 이러한 사용에서, 방향(Dxyz)의 선형 부분은 이전에 규정된 단위 방향 벡터(DW_B _E)이다. 방향(Dxyz)의 각도 성분은 0으로 설정된다. 거리(Δd)는 거리(DISW_B_E)의 네거티브이다. 속도(V0)는 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된 좌표 시스템(CMVB)의 속도이다. 속도(V1)가 방향(Dxyz)의 정의와 일치하는 성분을 갖는 벡터로서 규정된 작업공간 경계로부터 이격 방향으로의 좌표 시스템(EAPP)의 원하는 속도를 나타낸다. 이러한 경우에 대하여, 작업공간 경계를 초과한 좌표 시스템(EAPP)의 전진을 억제하는 것이 바람직하다. 이는 경계를 초과한 이동의 속도에 대응하는 속도(V1)의 성분을 0으로 설정함으로써 달성된다. 이는 거리(DISTW_B_E)와 속도(V1)의 적이 0 벡터가 되게 한다. 사용되는 자코비안은 좌표 시스템(CMVB)에서 표현된 좌표 시스템(CMVB)의 원점으로부터 경계로 돌아가는 최소 거리의 라인이 방향(Dxyz)을 따른 경계와 교차하는 지점으로의 자코비안 행렬이다. 이러한 교차 지점은 좌표 시스템(MNPL)에서 표현된다. 수학식(5)의 이러한 형태를 사용하여, 힘(FENV)은 이전에 규정된 힘(FWSB) 성분이 제거된 이전에 규정된 힘(FENV)이다. 나머지 항들은 에너지 적용기(184)의 준자동 전진의 임펄스 모델링을 위해 사용되는 것과 동일하다.
가상 강체에 적용되는 복수의 힘을 결정하기 위해 임펄스 모델링이 사용되는 경우, 수학식 (5)의 복수의 형태가 수학식의 시스템으로서 함께 풀려진다. 이들 수학식을 푸는 결과로서 결정되는 미지수는 개별적인 대응하는 힘들이다. 이들 힘들 각각은 그 각각의 Dxyz 방향들을 따른 스칼라 힘들이다. 각 힘은 좌표 시스템(CMVB)의 원점에 작용하는 등가의 힘 및 토크로 변환된다. 이들 변환은 수학식 (6)의 형태들을 사용하여 수행된다. 각 경우에, 각각의 자코비안이 사용된다.
풀려진 힘들의 세트는 힘들(FJ _L , FINF 또는 FWSB) 중 임의의 것을 포함하는 경우, 수학식은 선형적 상보성 문제로서 풀려진다. 이는 힘들(FJ _L , FINF 또는 FWSB) 중 각각의 하나가 대응 경계가 초과되지 않는 경우 존재하지 않을 수 있는 특징을 갖기 때문이다. 이 문제점은 각 힘 및 속도 쌍에 대하여, 힘이 0과 같거나 그보다 커야하고 속도도 0보다 같거나 그보다 커야하는 형태이다.
힘들(FJ _L , FINF 또는 FWSB) 중 임의의 것이 가상 강체에 적용된 토크 및 힘의 임펄스 모델링의 일부로서 풀려지는 경우, 풀려진 힘 각각은 전체 힘 합산기(380)에 직접적으로 적용된다. 이들 임펄스 모델링된 힘은 환경적 힘 합산기(379)에 적용되지 않는다.
작업공간 경계 힘(FWSB)을 생성하기 위해 사용된 프로세스에서, 좌표 시스템(EAPP)의 자세에만 기초하여 이 힘을 생성할 필요가 없다. 예로서, 그 자세가 좌표 시스템(EAPP)에 대해 고정된 좌표 시스템 중 하나에 기초하여 이러한 모델링을 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 이들 좌표 시스템은 좌표 시스템(EFCT) 및 좌표 시스템(CMVB)를 포함한다. 이 모델링 제어는 또한 아암(68, 70) 상의 하나 이상의 가동 지점의 위치/위치들의 평가에 기초할 수 있다. 복수의 좌표 시스템의 자세에 기초하여 힘(FWSB)을 모델링하는 것이 바람직할 수 있다. 조작기에 부착된 다른 구성요소 상의 복수의 지점들 중 임의의 것 또는 하나보다 많은 것을 갖는 것을 피하는 것이 바람직한 경우 이 유형의 모델링이 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 형태에서, 에너지 적용기(184)가 준자동 동작의 시작점에서 목표 영역 내에 있는지 여부를 결정하기 위한 단계 770의 평가는 단계 766에서 생성된 자유 공간 공구 경로 세그먼트의 길이를 평가함으로써 수행된다. 이 경로 세그먼트의 길이가 최대 길이 미만인 경우, 조작기 제어기(124)는 에너지 적용기 좌표 시스템(EAPP)의 원점이 조직상 경로 세그먼트의 시작점인 지점 258에 충분히 근접한 것으로 고려되는 경우, 기구의 준자동 전진이 진행될 수 있다.
조작기(50)가 준자동 모드에서 동작될 때, 임펄스 이외의 프로세스들에 기초한 계산이 목표 위치로 에너지 적용기(184)를 전진시키기 위해 필요한 힘을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 예로서, 힘은 스프링/감쇠력으로서 모델링될 수 있다. 일반적으로 이들 스프링/감쇠력들은 이하의 공식에 따라 모델링된다:
FEAPP _ SPR = KEAPP*DISTTRGT - CMKD - DEAPP _ REL*VTRGT - CMND - DEAPP _ MNPL*VTRGT (15)
여기서, FEAPP _ SPR은 목표 위치를 향해 경로 세그먼트를 따라 에너지 적용기(184)를 견인하기 위해 좌표 시스템(EAPP)의 원점에서 가상 강체에 적용될 필요가 있는 스프링/감쇠력이다. 상수(KEAPP)는 스프링 상수이고, DEAPP _ REL는 상대 속도를 위한 감쇠 계수이고, DEAPP _ MNPL은 조작기 좌표 시스템(MNPL)의 속도를 위한 감쇠 계수이다. 거리(DISTTRGT - CMND)는 명령 위치에 대한 목표 위치의 장소를 규정하는 위치 벡터이다. 벡터(VTRGT - CMND)는 명령된 위치에 대한 목표 위치의 상대 속도를 제공하는 벡터이다. 속도(VTRGT)는 조작기 좌표 시스템(MNPL)의 목표 위치의 속도를 제공하는 벡터이다. 가상 강체에 적용될 필요가 있는 힘을 결정하기 위한 입력 변수로서 속도(VTRGT)를 사용할 필요는 없을 수 있다.
FEAPP SPR이 결정되고 나면, 이 힘은 좌표 시스템(CMVB)의 원점에서 가상 강체에 적용될 필요가 있는 힘 및 토크의 등가 세트로 변환된다. 이러한 변환은 이하의 수학식에 따라 수행될 수 있다.
FINST _ SPR = JT FEAPP _ SPR (16)
힘(FINST _ SPR)은 가상 강체에 적용되는 힘 및 토크이다. 이 특정 자코비안(J)은 좌표 시스템(CMVB)로부터 좌표 시스템(EAPP)로 정의된다. 힘/토크 벡터(FINST _ SPR)는 달리 힘/토크 변수(FINST)가 사용되는 경우에 대해 입력 변수로서 대체된다.
임펄스 모델링에 기초하여 힘(FTTL) 및 토크(TTTL)를 생성하기 위해 가상 강체에 어떠한 힘도 적용되지 않는다는 것이 결정되는 경우, 힘은 모두 직접적으로 전체 힘 계산기(380)에 적용될 수 있다. 이는 환경적 힘 합산기(379)를 제공할 필요성을 제거한다.
좌표 시스템의 속도 또는 자세 중 어느 하나를 결정하기 위해 적분기 또는 절단 안내부 중 어느 하나에 의해 특정 적분 기술이 사용되어야할 필요는 없다. 예로서, 반암시 오일러 방법, 베를레 방법, 직사각형, 마름모, 테일러 급수 확장 또는 리만 수치 적분 기술이 사용될 수 있다. 유사하게, 본 발명의 일부 형태에서, 적분의 기간 또는 프레임의 기간이 변수가 될 수 있다.
기구의 수동 모드 및 준자동 위치설정 양자 모두에서, 명령된 자세/위치가 힘 및 토크 계산에 사용되는 실제 기구 자세/위치를 나타내는 변수일 필요는 없다. 본 발명의 일부 형태에서, 기구/에너지 적용기의 측정된 자세/위치가 실제 위치의 표현으로서 사용된다. 이 "측정된" 자세/위치는 순방향 운동학 계산 및 공구 트랙커의 위치 및 배향을 감시함으로써 이루어진 결정의 결과로서 결정된 위치를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 조인트 각도 센서 같은 직접적 수단 또는 별도의 외부 감시 유닛 같은 간접적 수단에 의한 조인트의 측정도 결정된 측정된 자세/위치를 위해 사용되는 데이터를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 각도계는 한가지 이런 외부적 감시 유닛이다.
이 측정된 자세/위치 데이터는 힘/토크 계산에 사용되는 것에 추가로, 다른 계산에서 명령된 자세/위치에 대한 대안으로서 사용될 수 있다. 이들 계산은 조인트 한계 계산, 간섭 한계 계산 및 작업공간 한계 계산을 포함한다. 유사하게, 이러한 치환은 절대값일 필요는 없다는 것을 이해하여야 한다. 명령된 자세/위치를 이 변수로서 사용하는 것이 바람직한 몇몇 프로세스가 존재할 수 있지만, 여전히 다른 프로세스에서는 측정된 자세/위치가 사용된다. 여기서, 이러한 상황은 명령된 자세/위치 데이터를 위한 측정된 자세/위치의 치환 뿐만 아니라 명령된 조인트 각도를 위한 측정된 조인트 각도의 치환도 적용된다는 것을 이해하여야 한다.
유사하게, 실제 속도의 표현이 필요한 경우, 명령된 속도 또는 측정된 속도 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 이는 조인트의 실제 각도의 표현 및 기구를 이동시키는 좌표 시스템과 기구(160)의 실제 속도(선형속도 및 각속도)의 표현을 포함한다.
유사하게, 실제 기구 자세/위치를 설명하는 가장 적절한 변수 및/또는 조작기 조인트 각도가 명령된 자세/위치/조인트 각도와 측정된 자세/위치/조인트 각도의 조합으로부터 유도되는 경우가 있을 수 있다. 이 얻어진 값은 가중되지않은 평균, 가중 평균, 최소값 및/또는 최대값일 수 있다.
또한, 본 발명의 일부 형태에서, 힘 합산기(379 또는 380) 중 어느 하나에 적용되는 힘 및/토크 중 하나 이상에는 계수가 승산될 수 있다. 이 승산의 적은 그후 힘(FENV 및 FTTL ) 및 토크(TTTL)가 그에 기초하는 가량 변수 중 하나로서 힘 합산기에 의해 사용된다. 본 발명의 일부 형태에서, 조작기의 상태에 따라서, 하나 이상의 계수는 시간에 걸쳐 변할 수 있다. 외력 합산기에서와 같이, 이러한 혼합은 기구의 이동을 매끄럽게 하기 위해 사용된다.
예로서, 의사가 기구(160) 또는 스위치(176)의 배향을 재설정하기 위해 버튼(172)을 누르거나, 조작기가 수동 동작 모드에 있을 때 스위치(176)를 누르는 경우, 외부 힘 합산기(698)에 의해 출력된 힘 및 토크는 혼합 프로세스를 받을 수 있다. 이러한 프로세스에서, 합산기(698)에 의해 출력된 힘 및 토크에는 계수가 승산된다. 이들 승산의 적은 그후 기구의 의사가 원하는 이동을 나타내는 가량으로서 사용된다. 초기에, 이들 계수는 바람직하게는 1 미만, 0.2 이하일 수 있다. 그후, 통상적으로 1초보다 작고 더 빈번하게는 0.5초보다 작은 시간 기간에 걸쳐, 이들 계수는 1.0으로 상승한다. 따라서, 버튼(172) 또는 스위치(176)를 누를 때 의사가 이미 기구에 충분한 힘 및 토크를 부여하였다면, 이들 힘 및 토크는 가량으로서 힘 합산기(380)에 직접적으로 적용되지 않는다. 이는 이들 힘 및 토크를 힘(FTTL) 및 토크(TTTL)에 조합하는 것이 조작자가 기구의 위치를 급속히 재설정하게 하는 정도를 감소시킨다.
유사하게, 공구 배향 조절기(368)는 기준 표면 및 기준 표면 내에 형성된 개구의 위치를 항상 일정하게 유지하지 않을 수 있다는 것을 또한 인지하여야 한다. 미리 프로그램된 명령 또는 사용자 인터페이스를 통해 입력된 명령의 결과로서, 이들 기하학적 랜드마크 양자 모두의 위치 및 형상이 재설정될 수 있다.
도 34a, 34b 및 34c는 기준 표면 및 개구의 위치 및 재배향이 재설정되는 한 가지 상황을 예시한다. 도 34a에서, 기준 표면(910)은 에너지 적용기(184)가 적용되는 조직인 뼈(902)의 표면에 상대적으로 긴밀하게 근접하게 도시되어 있다. 기준 표면에 형성된 개구(912)는 적어도 도시된 평면에서, 좁은 길이를 갖는 것으로 도시되어 있다. 개구(912)는 따라서 에너지 적용기(184)가 비교적 작은 면적인 조직의 섹션에 적용될 때 그를 통해 에너지 적용기(184)의 축이 교차하여야 하는 영역을 규정하도록 잘 배치되어 있다. 이는 도 34b에 도시된 바와 같이 뼈 내에 초기 보어(904)를 형성하도록 제거되는 조직의 섹션이다.
보어(904)가 형성되고 나면, 도 34c에 도시된 바와 같이 공구 배향 조절기는 개구(920)를 갖는 새로운 기준 표면인 표면(918)을 규정한다. 기준 표면(918)은 기준 표면(910)보다 뼈(902)의 표면으로부터 추가로 이격되어 있다. 개구(920)는 개구(912)보다 더 크다. 기준 표면의 위치의 변화 및 개구의 크기의 증가는 에너지 적용기 좌표 시스템(EAPP)의 원점이 적용될 수 있는 면적을 초기 상태에 비해 증가시킨다. 이는 에너지 적용기(184)가 그후 뼈(902) 내에 언더컷(906)을 형성하기 위해 도 34c에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 이 언더컷(906)은 적어도 도시된 평면에서 뼈(904)를 가로지른 직경보다 큰 폭을 갖는 것으로 관찰된다.
도 35a, 도 35b 및 도 35c는 기준 표면 및 개구의 위치 및 배향이 재설정되는 다른 상황을 도시한다. 도 35a는 기준 표면(938)이 초기에 도면에서 대체로 평면으로 나타나는 뼈(902)의 표면에 대체로 평행한 평면에 있도록 규정될 때를 도시한다. 개구(940)는 표면(938)에 규정되어 있다. 개구(940)는 도 35b에 도시된 바와 같이, 에너지 적용기(184)가 뼈 내에 표면(930, 932)을 형성하기 위해 사용될 때 공구 배향 조절기(368)가 에너지 적용기(184)의 배향을 조절하는 개구이다.
표면(930, 932)이 형성된 이후, 절차는 표면(932)으로부터 멀어지는 방향으로 테이퍼진 표면을 형성하는 것을 요구할 수 있다. 이는 도 35b에서 새로운 기준 표면(944)이 도시되어 있는 이유이다. 공구 배향 조절기는 뼈(902)의 상단 수평 표면에 평행하지 않고 각지도록 기준 표면(944)을 형성한다. 개구(946)는 기준 표면(944)에 형성된다. 에너지 적용기(184)가 적용되는 영역의 세부사항이 주어지면, 개구(946)는 개구(940)의 것보다 작은 도면의 평면에서의 폭을 갖는다.
기준 표면(944) 및 개구(946)가 규정되고 나면, 조작기는 에너지 적용기(184)를 적용할 수 있다. 구체적으로, 에너지 적용기(184)는 도 35c에서 표면(936)을 형성하도록 뼈를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 프로세스 동안, 공구 배향 조절기(368)는 개구(946)의 위치에 기초하여 에너지 적용기(184)의 배향을 유지한다.
예시되지 않았지만, 컴퓨터 생성 또는 수동 규정 기준 표면 중 어느 하나, 그리고 연장 개구는 항상 평면이라는 것을 또한 이해하여야 한다. 기준 표면 및 개구는 서로에 대해 각진 하나 이상의 교차 평면 애에 존재할 수 있다. 기준 표면 및 연계된 개구 모두 또는 일부는 굴곡 표면일 수도 있다. 마찬가지로, 에너지 적용기(184)의 배향의 한계를 형성하기 위해 사용되는 개구는 형상이 원형일 필요는 없다.
일부 절차에 대하여, 공구 배향 조절기는 개구를 형성하지 않을 수도 있다는 것을 또한 인지하여야 한다. 공구 배향 조절기(368)는 단지 중심설정 지점을 형성할 수 있다. 본 발명의 이들 형태에서, 공구 배향 조절기(368)는 단지 미소한 변동으로 공통 축이 중심설정 지점과 교차하도록 조작기(50)가 기구를 항상 배향하는 크기의 힘(FORNT)을 출력한다. 이러한 모드에서 조작기(50)를 배향할 때, 다수의 장애물의 존재는 이 힘과 연계된 관련 하한 레벨 또는 상한 레벨 중 어느 하나를 힘(FORNT)이 초과하게 할 수 있다. 힘 오버라이더(375)는 초과되는 한계 레벨에 대해 적절히 응답한다.
공구 배향 조절기(368)는 조작기(50)가 에너지 적용기(184)가 그에 대해 적용되는 조직의 표면에 대해 사전결정된 배향으로 기구(160)를 보유하도록 설계될 수 있다. 사전결정된 배향은 에너지 적용기(184)가 그 회전축 상에서 잘 절삭하지 않는 밀링 커터일 때 유리할 수 있다. 예로서, 에너지 적용기(184)가 볼 커터일 때, 공구 속도는 이 축을 따라 0에 접근하고, 재료 제거율과 표면 마감은 볼의 부분이 제거될 재료에 제공된 회전축을 따라 회전하는 상태로 절단이 이루어지는 경우 문제가된다. 이 배향의 절단은 또한 제거될 재료로 커터를 추진하기 위해 필요한 힘을 증가시키고, 종종 표면 계면에서 열을 생성한다. 따라서, 가장 효과적인 재료 제거를 제공하고 표면 마감을 최적화하는 배향으로 절단 치형부를 제공하는 자세가 선택된다.
공구 배향 조절기(368)는 에너지 적용기(184)가 그에 대해 적용되는 조직의 표면에 대한 고정된 배향으로 조작기(50)가 기구를 보유하게 하는 힘(FORNT)을 출력하도록 추가로 설계될 수 있다. 이러한 배향 조절을 수행하는 한 가지 수단은 공통 축이 고정된 각도로 기준 표면과 교차하도록 기구를 조작기가 보유하게 하는 힘(FORNT)을 배향 조절기가 출력하게하는 것이다. 항상은 아니지만 빈번히, 이 각도는 직각이다. 이 유형의 배향 조절은 조작기에 부착된 기구가 정확한 각도로 보어를 형성하기 위해 사용되는 드릴인 경우 사용된다. 그를 통해 공통 축이 교차하는 중심설정 지점의 위치나 고정된 각도는 에너지 적용기(184)가 전진될 때 공구 경로 생성기에 의해 갱신될 수 있다.
사용자 인터페이스(130)를 통해 명령을 입력함으로써 조절기(368)가 기구 배향을 조절하는 범위를 의사가 수동으로 설정하는 본 발명의 형태에서, 의사는 기준 표면의 위치 및 배향과 개구의 형상 및 크기를 변경할 수 있다. 이는 의사가 실시간으로 조작기(50)가 기구(160)의 배향을 조절하는 범위를 변경할 수 있게 한다.
유사하게, 배향 조절기에 의해 형성되는 중심설정 지점이 조절기에 의해 형성되는 개구의 중심에 있을 필요는 없다. 사용자 인터페이스를 사용하여, 의사는 중심설정 지점이 이 개구의 중심으로부터 이격되도록 중심설정 지점을 형성할 수 있다. 유사하게, 의사는 버튼(172) 같은 기구 스위치의 선택적 누름에 의해 중심설정 지점을 형성할 수 있다. 본 발명의 이러한 구현예에서, 개구 자체는 개구가 형성되는 좌표 시스템의 원점에 대하여 여전히 형상 및 위치가 고정된다.
본 발명의 일부 조적기(50)는 기구 에너지 적용기(184)가 적용될 수 있는 영역의 경계의 실질적 실시간 조절을 가능하게 하도록 추가로 구성된다. 이들 경계 설정의 형성에 대한 이해는 도 36a, 도 36b 및 도 36c를 참조로 이해된다. 도 36a는 조작기(50)가 절차의 수행을 돕기 위해 사용되는 뼈(952)를 도시하는 상면도이다. 점선 직사각형(954)은 에너지 적용기(184)가 적용되는 뼈의 표면의 경계를 나타낸다. 뼈(952)의 표면을 노출시키도록 초기에 이격 방향으로 당겨진 후퇴된 연성 조직(950)도 도시되어 있다. 환자의 피부의 표면은 참조 번호 948로 표시된다.
도 36b에 도시된 리트랙터(956)는 노출된 뼈로부터 떨어진 상태로 당겨진 조직을 유지한다. 리트랙터(956)는 에너지 적용기(184)가 적용되는 영역 위의 공간으로 연장한다. 리트랙터(956)가 설정되고 나면, 네비게이션 포인터(미도시)는 리트랙터에 대해 가압된다. 포인터의 위치를 감시함으로써 네비게이션 시스템은 그후 뼈에 대해 리트랙터(956)의 위치를 나타내는 데이터를 생성한다. 이들 데이터에 기초하여, 경계 생성기(232)는 점선(960)에 의해 표현된 수정된 경계를 나타낸다. 한편, 경계(954)와 유사하게 경계(960)는 두 개의 절결부(962)를 갖는다. 절결부(962)는 리트랙터(956)로부터 이격되고, 그 둘레의 경계의 섹션을 형성한다. 결과적으로, 수동 또는 준자동 모드 중 어느 하나에서의 기구의 동작 동안, 거동 제어 모듈은 이제 리트렉터(956)에 의해 덮여진 조직에 대해 에너지 적용기(184)가 이동하기를 시도하는 것을 방지하도록 협력한다. 이는 기구 또는 에너지 적용기(184)가 리트랙터에 충돌하는 가능성을 실질적으로 감소시킨다.
에너지 적용기(184)가 뼈(952)의 일 섹션에 적용되고 나면, 도 36c에서 볼 수 있는 바와 같이 뼈로부터 이격 방향으로 연성 조직(950)의 다른 섹션을 보유하도록 리트랙터(956)의 위치를 재설정할 필요가 있을 수 있다. 리트랙터가 재설정되고 나면, 그 위치는 다시 네비게이션 시스템을 통해 경계 생성기(232)로 전진된다. 이는 점선(964)으로 표현된 새로운 경계의 생성기가 기구가 적용되어야 하는 영역을 규정하게 한다. 이 새로운 경계는 절결부(966)를 형성한다. 절결부(966)는 리트랙터(956)가 위치되는 경계외 공간을 형성한다. 이는 리트랙터(956)가 재배치된 경우에도, 조작기가 에너지 적용기(184)가 리트랙터(956)와 충돌하는 방식으로 기구를 재배치하지 않는 것을 보증한다.
배향 조절기(368)가 기구의 결과적 배향이 허용가능한 범위 내에 있는지 여부를 결정하는 개구의 경계는 포인터를 사용하여 유사하게 규정될 수 있다. 본 발명의 또 다른 형태에서, 환자에게 부착된 마커의 위치는 배향 조절기(368)에 의해 규정된 개구의 주연부를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 이들 마커의 위치는 네비게이션 시스템(210) 또는 별개의 추적 시스템에 의해 감시될 수 있다. 포인터 또는 마커 중 어느 하나가 조절기(368)에 의해 규정된 개구의 경계를 형성하기 위해 사용될 때, 이 개구의 형상을 조절기가 동적으로 변화시킨다는 것을 이해하여야 한다.
유사하게, 제어 부재 중 일부의 물리적 구성은 변할 수 있다. 조작기(50)는 푸트 스위치의 세트를 구비할 수 있다. 이들 푸트 스위치 중 하나는 스위치(176)의 기능 중 하나 이상을 수행할 수 있다. 본 발명의 이들 형태에서, 조작기가 기구의 수동 이동을 모사하고 및/또는 기구를 작동시키게 하기 위해, 의사는 푸트스위치를 눌러야만 한다.
유사하게, 본 발명의 다른 형태에서, 기구의 준자동 전진을 유발하기 위해 눌러져야하는 스위치가 기구(160)상에 존재할 수 있게 한다. 예로서, 본 발명의 일부 형태에서, 기구는 추가적 버튼 레버를 구비한다. 의사는 기구의 준자동 전진을 유발하도록 버튼을 누른다. 조작기가 이러한 상태로 동작될 때, 버튼(164, 174)은 더 이상 기구 동력 생성 유닛(163)의 온/오프 상태를 조절하는 버튼으로서 기능하지 않는다. 대신, 버튼(164, 174)이 각각 펜던트 버튼(193, 195)의 기능을 수행한다. 버튼(164)은 준자동적으로 규정된 공급율을 감소시키도록 눌러진다. 버튼(174)은 준자동 공급율을 증가시키도록 눌러진다. 따라서, 조작기가 이러한 구성으로 동작될 때, 의사는 기구(160)를 보유하기 위해 사용되는 손을 사용하여 기구의 수동 위치설정을 유발하고, 기구를 준자동 모드 내/외에 있게 하고, 준자동 공급율을 제어할 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 모든 형태에서, 의사는 공구 경로 힘 계산기(278)가 비제로 힘(FINST 및 FORNT)을 출력하게 하도록 펜던트 트리거(194)를 계속 눌러야 한다. 본 발명의 일부 형태에서, 에너지 적용기(184)가 공구 경로(248)를 따라 전진하게 하는 가상 강체에 적용되는 힘이 펜던트 트리거(194)에 단일 펄스에 응답하여 출력된다. 조작기(50)는 의사가 제2 펄스인 정지 펄스를 트리거(194)에 적용할 때까지 기구를 전진시킨다.
이 조작기와 함께 사용되는 네비게이션 시스템은 개시된 시스템에 한정되지 않는다. 예로서, 조작기는 전자기 네비게이션 시스템과 함께 사용될 수 있다. 또한, 로컬라이저와 네비게이션 트랙커 사이에 유선 연결이 존재할 수 있다.
제거 조직 로거(275)는 제거된 제거를 위해 표시된 조직의 체적의 백분율을 나타내는 데이터를 제공할 수 있다. 이는 의사에게 절차가 완료되는 정도의 지표를 제공한다. 로거(275)는 조작기가 준자동 모드 또는 수동 모드 중 어느 하나로 동작될 때 이 기능을 수행한다.
따라서, 첨부된 청구범위의 목적은 본 발명의 진정한 개념 및 범주 내에 있는 모든 이런 변형 및 변경을 포함한다.

Claims (185)

  1. 수술 기구와 상기 수술 기구로부터 연장하는 에너지 적용기를 조작하기 위한 수술 조작기에 있어서, 상기 수술 조작기는 :
    스위치; 및
    수동 동작 모드 또는 준자동 동작 모드에서 상기 수술 조작기의 동작을 제어하고-상기 준자동 동작 모드에서의 상기 수술 조작기의 동작은 상기 에너지 적용기를 공구 경로(工具經路)를 따라 전진시킴-,
    복수의 입력 힘들(input forces) 및 토크들의 합에 근거하여 상기 에너지 적용기가 전진되는 명령된 자세를 결정하며-상기 복수의 입력 힘들(input forces) 및 토크들은 상기 준자동 동작 모드에서 상기 수술 조작기를 전진 및 배향시키기 위해 계산됨-,
    상기 스위치의 동작에 반응하여 상기 복수의 입력 힘들(input forces) 및 토크들을 조정함으로써 상기 동작 모드들 사이에서 전이하도록 구성된 적어도 하나의 제어기;
    를 포함하는 수술 조작기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어기는 상기 에너지 적용기가 상기 복수의 입력 힘들(input forces) 및 토크들의 합에 근거하여 전진되는 명령된 속도를 결정하도록 추가로 구성되는 수술 조작기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수동 동작 모드에서, 상기 수술 조작기는 사용자에 의해 상기 수술 기구에 인가(印加)된 힘들 및 토크들에 근거하여 상기 에너지 적용기를 전진시키도록 구성되는 수술 조작기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 에너지 적용기가 상기 준자동 동작 모드에 있는 동안 상기 사용자에 의해 상기 수술 기구에 인가(印加)된 재배치력들 및 토크들에 반응하여 상기 공구 경로(工具經路)를 따라 전진하면서 상기 적어도 하나의 제어기는 상기 준자동 동작 모드에서 상기 수술 기구를 재배치하도록 구성되는 수술 조작기.
  5. 제3항에 있어서, 상기 에너지 적용기가 장애물들(obstructions)에 의해 상기 수술 기구에 인가(印加)된 재배치력들 및 토크들에 반응하여 상기 공구 경로(工具經路)를 따라 전진하면서 상기 적어도 하나의 제어기는 상기 준자동 동작 모드에서 상기 수술 기구를 재배치하도록 구성되는 수술 조작기.
  6. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어기는 상기 복수의 입력 힘들(input forces) 및 토크들 중 2개를 0으로 조정함으로써 상기 준자동 동작 모드로부터 상기 수동 동작 모드로 전이하도록 구성되는 수술 조작기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 수술 조작기는 복수의 링크들을 포함하며, 두 개의 링크들 사이의 연결은 조인트를 형성하며, 두 개의 링크들 사이의 각도는 조인트 각도를 형성하는 수술 조작기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어기는 복수의 모듈들을 포함하고, 상기 복수의 모듈들 중 적어도 하나는 상기 명령된 자세를 결정하도록 구성된 거동 제어 모듈이고, 상기 복수의 모듈들 중 적어도 다른 하나의 모듈은 상기 명령된 자세에 따라 상기 에너지 적용기를 위치시키는 조인트 각도들을 결정하도록 구성된 운동 제어 모듈인 수술 조작기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 거동 제어 모듈은 가상 질량 및 가상 관성을 갖는 가상 강체로서 상기 에너지 적용기와 상기 수술 기구를 모델링하도록 구성되는 수술 조작기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 거동 제어 모듈은 상기 에너지 적용기의 이동 및 배향을 모사하도록 상기 가상 강체에 상기 복수의 입력 힘들 및 토크들을 선택적으로 인가(印加)하도록 구성되는 수술 조작기.
  11. 제9항에 있어서, 상기 거동 제어 모듈은 전체 힘 및 전체 토크를 결정하도록 추가로 구성되고, 상기 전체 힘 및 상기 전체 토크는 상기 가상 강체의 무게 중심에 인가(印加)되는 수술 조작기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 거동 제어 모듈은 상기 복수의 입력 힘들 및 토크들에 기초하여 상기 전체 힘 및 상기 전체 토크를 계산하도록 구성된 전체 힘 합산기 모듈을 포함하는 수술 조작기.
  13. 제11항에 있어서, 상기 전체 힘 및 상기 전체 토크는 기구 힘 벡터, 배향 힘 벡터, 및 환경적 힘의 합인 수술 조작기.
  14. 제13항에 있어서, 상기 기구 힘 벡터는 세 개의 별개의 힘들과 세 개의 별개의 토크들을 갖는 벡터이고, 상기 기구 힘 벡터는 특정 속도로 상기 에너지 적용기의 전진을 모사하도록 상기 가상 강체에 선택적으로 적용되며, 상기 배향 힘 벡터는 중심설정 지점을 향해 상기 수술 기구의 축을 재배치하는 것을 모사하도록 상기 가상 강체에 선택적으로 적용되는 힘 및 토크 벡터이고, 상기 환경적 힘은 가중된 합인 수술 조작기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 거동 제어 모듈은 상기 기구 힘 벡터 및 상기 배향 힘 벡터를 결정하도록 구성된 공구 경로 힘 계산기 모듈을 더 포함하는 수술 조작기.
  16. 제14항에 있어서, 상기 거동 제어 모듈은 상기 환경적 힘을 결정하도록 구성된 환경적 힘 합산기를 더 포함하는 수술 조작기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 환경적 힘 합산기는 복수의 힘 입력들을 수용하도록 구성되고, 상기 복수의 힘 입력들은 조인트 제한 힘, 간섭 제한 힘, 작업공간 경계 힘, 외력 및 감쇠력 중 하나 이상을 포함하는 수술 조작기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 환경적 힘은 상기 복수의 힘 입력들을 합산함으로써 결정되는 수술 조작기.
  19. 제18항에 있어서, 상기 환경적 힘 합산기는 상기 복수의 힘 입력들 중 각각에 계수들을 적용함으로써 각각의 힘 입력의 상대적 기여도를 선택적으로 균형화하도록 구성되는 수술 조작기.
  20. 제19항에 있어서, 상기 계수들은 수동 동작 모드 및 준자동 동작 모드 사이의 전이의 함수로서 변하여 상기 계수들은 상기 전이에 후속한 시간 간격에 걸쳐 증가 또는 감소되는 수술 조작기.
  21. 수술 기구 및 상기 수술 기구로부터 연장하는 에너지 적용기를 조작하기 위한 수술 조작기에 있어서, 상기 수술 조작기는 :
    스위치;
    상기 수술 기구에 연결하기 위한 적어도 하나의 아암으로서, 상기 적어도 하나의 아암은 복수의 링크들을 가지고, 두 링크들 사이의 각도는 조인트 각도를 형성하는, 적어도 하나의 아암; 및
    수동 동작 모드 또는 준자동 동작 모드에서 상기 수술 조작기의 동작을 제어하고-상기 준자동 동작 모드에서의 상기 수술 조작기의 동작은 상기 에너지 적용기를 공구 경로(工具經路)를 따라 전진시킴-,
    상기 수술 기구와 상기 에너지 적용기를 가상 강체로서 모델링하고,
    복수의 입력 힘들 및 토크들의 합산에 기초하여 상기 에너지 적용기의 명령된 자세를 결정하며, 상기 복수의 입력 힘들 및 토크들은 상기 에너지 적용기의 배향 및 이동을 모사하도록 상기 가상 강체에 선택적으로 인가(印加)되며,
    상기 에너지 적용기를 상기 명령된 자세에 따라 위치시키는 명령된 조인트 각도들을 결정하고,
    상기 스위치의 동작에 반응하여 상기 복수의 입력 힘들(input forces) 및 토크들을 조정함으로써 상기 동작 모드들 사이에서 전이하도록 구성된 적어도 하나의 제어기;
    를 포함하는 수술 조작기.
  22. 제21항에 있어서, 상기 수동 동작 모드에서, 상기 수술 조작기는 사용자에 의해 상기 수술 기구에 인가(印加)된 힘들 및 토크들에 근거하여 상기 에너지 적용기를 전진시키도록 구성되는 수술 조작기.
  23. 제22항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어기는 상기 복수의 입력 힘들(input forces) 및 토크들 중 2개를 0으로 조정함으로써 상기 준자동 동작 모드로부터 상기 수동 동작 모드로 전이하도록 구성되는 수술 조작기.
  24. 제22항에 있어서, 상기 수동 동작 모드에서, 상기 사용자에 의해 인가(印加)된 상기 힘들 및 토크들은 상기 수술 기구의 상기 사용자의 원하는 위치설정을 나타내며, 상기 적어도 하나의 제어기는 상기 명령된 자세에 따라 상기 수술 기구를 위치설정함으로써 상기 수술 기구의 상기 사용자의 원하는 위치설정을 모사하는 수술 조작기.
  25. 제22항에 있어서, 상기 준자동 동작 모드에서, 상기 복수의 입력 힘들 및 토크들은 상기 공구 경로(工具經路)를 따라 상기 수술 기구의 배향을 전진 및 유지하도록 지향(指向)된 힘들 및 토크들을 포함하는 수술 조작기.
  26. 제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어기는 상기 복수의 입력 힘들 및 토크들 중 각각에 계수들을 적용함으로써 상기 합산된 복수의 입력 힘들 및 토크들 중 각각의 상대적 기여도를 선택적으로 균형화하도록 구성되는 수술 조작기.
  27. 수술 조작기를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 수술 조작기는 스위치 및 수술 기구에 연결된 적어도 하나의 아암을 포함하고, 상기 적어도 하나의 아암은 복수의 링크들을 포함하며, 두 링크들 사이의 각도는 조인트 각도를 형성하며, 에너지 적용기는 상기 수술 기구로부터 연장되며,
    상기 방법은 :
    수동 동작 모드 또는 준자동 동작 모드에서 상기 수술 조작기의 동작을 제어하는 단계-상기 준자동 동작 모드에서의 상기 수술 조작기의 동작은 상기 에너지 적용기를 공구 경로(工具經路)를 따라 전진시킴-;
    상기 수술 기구 및 상기 에너지 적용기를 가상 강체로서 모델링하는 단계;
    복수의 입력 힘들 및 토크들의 합에 기초하여 상기 에너지 적용기에 대한 명령된 자세를 결정하는 단계로서, 상기 복수의 입력 힘들 및 토크들은 상기 에너지 적용기의 배향 및 이동을 모사하도록 상기 가상 강체에 선택적으로 인가(印加)되는, 명령된 자세를 결정하는 단계;
    상기 명령된 자세에 따라 상기 에너지 적용기를 위치 설정하는 명령된 조인트 각도들을 결정하는 단계; 및
    상기 스위치의 동작에 반응하여 상기 복수의 입력 힘들(input forces) 및 토크들을 조정함으로써 상기 동작 모드들 사이에서 전이하는 단계;
    를 포함하는 수술 조작기를 제어하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 에너지 적용기가 상기 복수의 입력 힘들 및 토크들의 합산에 기초하여 전진되는 명령된 속도를 결정하는 단계를 더 포함하는 수술 조작기를 제어하는 방법.
  29. 제27항에 있어서, 상기 수동 동작 모드에서 상기 수술 조작기의 동작을 제어하는 단계는 사용자에 의해 상기 수술 기구에 인가(印加)된 힘들 및 토크들에 근거하여 상기 에너지 적용기를 전진시키는 것을 포함하는 수술 조작기를 제어하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 복수의 입력 힘들(input forces) 및 토크들 중 2개를 0으로 조정함으로써 상기 준자동 동작 모드로부터 상기 수동 동작 모드로 전이하는 단계를 추가로 포함하는 수술 조작기를 제어하는 방법.
  31. 제27항에 있어서, 전체 힘 및 전체 토크를 계산하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 전체 힘 및 상기 전체 토크는 상기 가상 강체의 무게 중심에 인가(印加)되는 수술 조작기를 제어하는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 전체 힘 및 상기 전체 토크는 기구 힘 벡터, 배향 힘 벡터, 및 환경적 힘의 합인 수술 조작기를 제어하는 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 기구 힘 벡터는 세 개의 별개의 힘들과 세 개의 별개의 토크들을 갖는 벡터이고, 상기 기구 힘 벡터는 특정 속도로 상기 에너지 적용기의 전진을 모사하도록 상기 가상 강체에 선택적으로 적용되며, 상기 배향 힘 벡터는 중심설정 지점을 향해 상기 수술 기구의 축을 재배치하는 것을 모사하도록 상기 가상 강체에 선택적으로 적용되는 힘 및 토크 벡터이고, 상기 환경적 힘은 가중된 합인 수술 조작기를 제어하는 방법.
  34. 제32항에 있어서, 상기 환경적 힘은 복수의 힘 입력들을 포함하고, 상기 복수의 힘 입력들은 조인트 제한 힘, 간섭 제한 힘, 작업공간 경계 힘, 외력 및 감쇠력 중 하나 이상을 포함하는 수술 조작기를 제어하는 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 환경적 힘을 결정하는 단계는 상기 복수의 힘 입력들을 합하는 단계를 포함하는 수술 조작기를 제어하는 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 복수의 힘 입력들 중 각각에 계수들을 적용함으로써 각각의 힘 입력의 상대적 기여도를 선택적으로 균형화하는 단계를 더 포함하는 수술 조작기를 제어하는 방법.
  37. 제36항에 있어서, 상기 계수들을 상기 수동 동작 모드 및 상기 준자동 동작 모드 사이의 전이의 함수로서 변화시켜 상기 계수들이 상기 전이에 후속한 시간 간격에 걸쳐 증가 또는 감소되는 수술 조작기를 제어하는 방법.
  38. 제29항에 있어서, 상기 에너지 적용기가 상기 준자동 동작 모드에 있는 동안 상기 사용자에 의해 상기 수술 기구에 인가(印加)된 재배치력들 및 토크들에 반응하여 상기 공구 경로(工具經路)를 따라 전진하면서 상기 준자동 동작 모드에서 상기 수술 기구를 재배치하는 단계를 추가로 포함하는 수술 조작기를 제어하는 방법.
  39. 제29항에 있어서, 상기 에너지 적용기가 장애물들(obstructions)에 의해 상기 수술 기구에 인가(印加)된 재배치력들 및 토크들에 반응하여 상기 공구 경로(工具經路)를 따라 전진하면서 상기 준자동 동작 모드에서 상기 수술 기구를 재배치하는 단계를 추가로 포함하는 수술 조작기를 제어하는 방법.
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