KR102252641B1 - 모드 전환 시의 진동을 감쇠시키기 위한 명령 성형 - Google Patents

Abstract

로봇 수술 중의 모드 전환으로부터 발생하는 진동의 제거/감소를 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 로봇 수술은 그것의 부분들이 모드 전환에 의해 영향을 받을 수 있은 환자측 카트로 실행될 수 있다. 모드 전환에 의해 영향을 받을 수 있는 환자측 카트의 부분들의 초기 파라미터들이 식별되고, 평활화 곡선을 생성하는 데 사용된다. 평활화 곡선은 환자측 카트의 부분들의 운동을 모드들 사이의 전환으로 안내할 수 있다. 평활화 곡선은 새로운 모드 전환이 요청될 때까지 연속적으로 생성될 수 있다.

Description

모드 전환 시의 진동을 감쇠시키기 위한 명령 성형{COMMAND SHAPING TO DAMPEN VIBRATIONS IN MODE TRANSITIONS}

본 발명은 로봇 수술 중의 부드러운 모든 전환에 관한 것이며, 보다 상세하게는 부드러운 모든 전환을 위한 진동 감쇠에 관한 것이다.

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

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

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

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

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

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

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

본 발명의 하나의 실시예는 로봇 수술 중의 부드러운 모드 전환을 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 운동가능한 로봇 기구를 가진 환자측 카트, 및 상기 로봇 기구을 제어할 수 있는 프로세서를 포함하고 있다. 상기 프로세서는 현재의 모드와 다른 새로운 모드를 지정할 수 있는 모드 전환의 요청을 판정하고, 상기 로봇 기구의 포지션 및 속도를 포함할 수 있는 상기 로봇 기구의 초기 파라미터들을 결정하고, 현재의 모드와 새로운 모드 사이에서 전환하고, C3 연속일 수 있는 평활화 곡선을 연산하고, 상기 평활화 곡선에 따라 상기 로봇 기구를 운동시킬 수 있다.

상기 시스템의 일부 실시예에 있어서, 상기 프로세서는 상기 모드 전환에 의해 영향을 받는 상기 로봇 기구의 자유도를 식별할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 프로세서는 식별된 자유도들의 각각에 대한 평활화 곡선을 연산할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 평활화 곡선을 연산하는 과정은 제1 명령 포지션을 설정하는 과정, 단계값을 연산하는 과정, 및 제2 명령 포지션을 설정하는 과정을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 제2 명령 포지션은 연산된 단계값만큼 증분된 제1 명령 포지션일 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 프로세서는 추가적인 평활화가 요망되는지를 판정하고, 추가적인 평활화가 요망되는 경우, 제3 명령 포지션을 설정하고, 제2 단계값을 연산할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 제3 명령 포지션이 상기 제2 명령 포지션으로 설정될 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 상기 초기 파라미터들은 또한 가속도 파라미터를 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 모드 전환의 요청을 판단하는 과정의 일부로서, 상기 프로세서는 상기 모드 전환의 평활화가 지시되는지를 판정할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 모드 전환의 평활화는 상기 모드 전환으로부터의 추정 진동이 임계값을 초과하는 경우에 지시된다. 일부 실시예에 있어서, 상기 모드 전환의 평활화가 지시되는지를 판정하는 과정은 포지션 및 속도를 포함하는 상기 로봇 기구의 모드 전환 후 파라미터들을 결정하는 과정, 상기 초기 파라미터들과 상기 모드 전환 후 파라미터들 사이의 차이를 결정하는 과정, 및 상기 초기 파라미터들과 상기 모드 전환 후 파라미터들 사이의 차이를 임계값과 비교하는 과정을 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 모드 전환의 평활화는 상기 초기 파라미터들과 상기 모드 전환 후 파라미터들 사이의 차이가 상기 임계값보다 더 클 경우에 지시된다.

본 발명의 하나의 실시예는 로봇 수술 중의 모드 전환을 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 현재의 모드와 다른 새로운 모드를 지정하는 모드 전환의 요청을 판정하는 과정, 환자측 카트의 일부분의 포지션 및 속도를 포함하는 환자측 카트의 일부분의 초기 파라미터들을 결정하는 과정, 현재의 모드와 새로운 모드 사이에서 전환하고, C3 연속인 평활화 곡선을 연산하는 과정, 및 상기 평활화 곡선에 따라 상기 환자측 카트의 일부분을 운동시키는 과정을 포함할 수 있다.

상기 방법의 일부 실시예에 있어서, 평활화 곡선을 연산하는 과정은 제1 명령 포지션을 설정하는 과정, 단계값을 연산하는 과정, 및 제2 명령 포지션을 설정하는 과정을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 제2 명령 포지션은 연산된 단계값만큼 증분된 제1 명령 포지션을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 방법은 추가적인 평활화가 요망되는지를 판정하는 과정, 및 추가적인 평활화가 요망되는 경우, 제3 명령 포지션을 설정하고, 제2 단계값을 연산하는 과정을 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 제3 명령 포지션이 상기 제2 명령 포지션으로 설정된다.

일부 실시예에 있어서, 상기 평활화 곡선은 복수의 반복 연산 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 평활화 곡선의 연산은 제2 모드 전환의 요청이 수신될 때 종료된다. 일부 실시예에 있어서, 상기 초기 파라미터들은 가속도 파라미터를 포함할 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예는 로봇 수술 중의 진동 제거를 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 환자측 카트의 일부분의 속도 또는 포지션의 변화를 포함할 수 있는 요청된 동작을 수신하는 과정, 모의 감쇠 시스템에 의해 연산될 수 있는 평활화 곡선을 연산하는 과정을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 모의 감쇠 시스템은 제1 대시포트를 통해 제2 질량체에 연결된 제1 질량체 및 상기 제1 질량체를 지면에 연결시킨 제2 대시포트를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 평활화 곡선에 따라 상기 환자측 카트의 일부분을 운동시키는 과정을 포함할 수 있다.

상기 방법의 일부 실시예에 있어서, 상기 제1 질량체와 상기 제2 질량체는 동일한 질량을 갖는다. 일부 실시예에 있어서, 상기 제1 대시포트는 제1 감쇠 계수에 의해 한정되고, 상기 제2 대시포트는 제2 감쇠 계수에 의해 한정된다. 일부 실시예에 있어서, 상기 제1 감쇠 계수와 상기 제2 감쇠 계수는 동일하다.

상기 방법의 일부 실시예에 있어서, 상기 평활화 곡선을 연산하는 과정은 상기 환자측 카트의 일부분의 초기 속도, 상기 제1 질량체의 제1 초기 속도 및 상기 제2 질량체의 제2 초기 속도를 식별하는 과정을 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 제1 초기 속도 및 상기 제2 초기 속도는 상기 환자측 카트의 일부분의 초기 속도와 동일하게 설정된다. 일부 실시예에 있어서, 상기 요청된 동작이 수신될 때 상기 환자측 카트의 일부분의 위치를 식별하는 소정의 정지점을 식별하는 과정을 더 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 환자측 카트의 일부분은, 당해 환자측 카트의 일부분이 상기 평활화 곡선에 따라 운동될 때, 상기 소정의 정지점을 초과하는 드리프트를 발생시킨다.

본 발명의 하나의 실시예는 로봇 수술 중의 진동 제거를 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 운동가능한 매니퓰레이터를 포함할 수 있는 환자측 카트; 및 상기 매니퓰레이터를 제어할 수 있는 프로세서를 포함하고 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 프로세서는 상기 매니퓰레이터의 속도 또는 포지션의 변화를 포함할 수 있는 요청된 동작을 수신하고, 제1 대시포트를 통해 제2 질량체에 연결된 제1 질량체 및 상기 제1 질량체를 지면에 연결시킨 제2 대시포트에 대응되는 모의 감쇠 시스템에 의해 연산되는 평활화 곡선을 연산하고, 상기 평활화 곡선에 따라 상기 매니퓰레이터를 운동시킬 수 있다.

상기 시스템의 일부 실시예에 있어서, 상기 제1 질량체와 상기 제2 질량체는 동일한 질량을 갖는다. 일부 실시예에 있어서, 상기 제1 대시포트는 제1 감쇠 계수에 의해 한정되고, 상기 제2 대시포트는 제2 감쇠 계수에 의해 한정된다. 일부 실시예에 있어서, 상기 제1 감쇠 계수와 상기 제2 감쇠 계수는 동일하다.

상기 시스템의 일부 실시예에 있어서, 상기 평활화 곡선을 연산하는 과정은 상기 환자측 카트의 일부분의 초기 속도, 상기 제1 질량체의 제1 초기 속도 및 상기 제2 질량체의 제2 초기 속도를 식별하는 과정을 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 제1 초기 속도 및 상기 제2 초기 속도는 상기 환자측 카트의 일부분의 초기 속도와 동일하게 설정된다.

일부 실시예에 있어서, 상기 프로세서는 상기 요청된 동작이 수신될 때 상기 환자측 카트의 일부분의 위치를 식별하는 소정의 정지점을 식별할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 환자측 카트의 일부분은, 당해 환자측 카트의 일부분이 상기 평활화 곡선에 따라 운동될 때, 상기 소정의 정지점을 초과하는 거리만큼 드리프트를 발생시킨다. 그와 같은 실시예에 있어서, 상기 화자측 카트의 일부분은 소정의 정지점으로 복귀하지 않는다. 일부 실시예에 있어서, 상기 환자측 카트의 일부분은, 당해 환자측 카트의 일부분이 상기 평활화 곡선에 따라 운동되지 않을 때, 상기 소정의 정지점을 초과하는 오버슈트를 발생시킨다. 그와 같은 실시예에 있어서, 상기 오버슈트는 상기 환자측 카트의 일부분의 진동으로 인해 발생하고, 상기 환자측 카트의 일부분은 소정의 정지점으로 복귀한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 드리프트 거리 대 오버슈트의 비는 적어도 1.5:1이다.

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

도 1은 다수의 실시예에 따르는, 수술을 수행하기 위해 사용되는 최소 침습 로봇 수술 시스템의 평면도이다.
도 2는 다수의 실시예에 따르는 로봇 수술 시스템용 외과의 제어 콘솔의 사시도이다.
도 3은 다수의 실시예에 따르는 로봇 수술 시스템 전자장치 카트의 사시도이다.
도 4는 다수의 실시예에 따르는 로봇 수술 시스템을 다이어그램으로 도시하고 있다.
도 5a는 다수의 실시예에 따르는 로봇 수술 시스템의 환자측 카트(수술 로봇)의 부분도이다.
도 5b는 다수의 실시예에 따르는 로봇 수술 툴의 정면도이다.
도 6은 다수의 실시예에 따르는 로봇 수술 시스템을 도시하고 있다.
도 7은 도 6의 로봇 수술 시스템의 배향 플랫폼에 대한 셋업 링키지들의 회전 배향 한계를 도시하고 있다.
도 8은 다수의 실시예에 따르는 로봇 수술 시스템용 붐 어셈블리의 회전 한계와 관련된 무게 중심 도면이다.
도 9는 조작의 원격 중심에 대해 일정한 곡률 반경을 가지고, 그것을 따라 아웃보드 링키지의 베이스 링크가 리포지셔닝될 수 있는 곡선형 피처를 포함하는, 다수의 실시예에 따른 원격 중심 매니퓰레이터를 도시한 도면이다.
도 10은 아웃보드 링키지의 베이스 링크가 그것을 따라 운동하게 구속되도록 아웃보드 링키지의 베이스 링크가 그것에 인터페이싱되는 폐루프 곡선형 피처를 포함하는, 다수의 실시예에 따른 원격 중심 매니퓰레이터를 도시한 도면이다.
도 11은 다수의 실시예에 따른, 조작의 원격 중심에 대한 기기 홀더의 최대 피치 백 자세의 원격 중심 매니퓰레이터의 측면도이다.
도 12는 진동을 감쇠시키기 위한 명령 성형을 위한 프로세스의 하나의 실시예를 도시한 플로우차트이다.
도 13은 평활화 곡선을 연산하기 위한 프로세스의 하나의 실시예를 도시한 플로우차트이다.
도 14a 및 14b는 평활화 곡선을 연산하기 위해 사용되는 기계적 시스템의 하나의 실시예의 도면이다.
도 15는 명령 성형 알고리즘을 초기화하기 위한 프로세스의 하나의 실시예를 도시한 플로우차트이다.
도 16은 단계값을 연산하기 위한 프로세스의 하나의 실시예를 도시한 플로우차트이다.
도 17a-17b는 진동을 감쇠시키기 위한 명령 성형이 사용될 때의 결과와 진동을 감쇠시키기 위한 명령 성형이 사용되지 않을 때의 결과의 비교를 나타낸 도면들이다.

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

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

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

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

최소 침습 로봇 수술

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

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

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

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

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

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

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

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

로봇 수술 시스템 및 모듈형 매니퓰레이터 지지부

도 6은 다수의 실시예에 따르는 로봇 수술 시스템(140)의 사시 개략도이다. 수술 시스템(140)은 장착 베이스(72), 지지 링키지(122), 배향 플랫폼(124), 복수의 셋업 링키지(126)(2개 도시됨), 및 복수의 수술 기기 매니퓰레이터(82)를 포함하고 있다. 매니퓰레이터(82)의 각각은 당해 매니퓰레이터(82)에 장착되어 삽입 축선을 따라 환자 내부로 삽입가능한 수술 기기를 선택적으로 관절운동시키도록 작동가능하다. 매니퓰레이터(82)의 각각은 셋업 링키지(126) 중의 하나에 부착되어 지지된다. 셋업 링키지(126)의 각각은 제1 셋업 링키지 조인트(84)에 의해 배향 플랫폼(124)에 회전가능하게 연결되어 지지된다. 셋업 링키지(126)의 각각은 배향 플랫폼(124)에 고정 부착되어 지지된다. 배향 플랫폼(124)은 지지 링키지(122)에 회전가능하게 연결되어 지지된다. 또한, 지지 링키지(122)는 장착 베이스(72)에 고정 부착되어 지지된다.

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

지지 링키지(122)는 다수의 셋업 구조부 축선을 따른 당해 지지 링키지(122)의 링크들 사이의 상대 운동을 통해 배향 플랫폼(124)을 장착 베이스(72)에 대해 선택적으로 포지셔닝 및 배향시키도록 구성된다. 지지 링키지(122)는 칼럼 베이스(86), 병진운동 가능한 칼럼 부재(88), 쇼울더 조인트(90), 붐 베이스 부재(92), 붐 제1단 부재(94), 및 리스트 조인트(wrist joint)(98)를 포함하고 있다. 칼럼 베이스(86)는 장착 베이스(72)에 고정 부착된다. 병진운동 가능한 칼럼 부재(88)는 다수의 실시예에서 수직방향으로 배향되는 제1 셋업 구조부(SUS) 축선(142)을 따라 칼럼 베이스(86)에 대한 선택적으로 병진운동 가능하다. 다수의 실시예에 있어서, 병진운동 가능한 칼럼 부재(88)는 수직방향으로 배향된 축선을 따라 칼럼 베이스(86)에 대해 병진운동한다. 붐 베이스 부재(92)는 쇼울더 조인트(90)에 의해 병진운동 가능한 칼럼 부재(88)에 회전가능하게 연결된다. 쇼울더 조인트(90)는 다수의 실시예에 있어 붐 베이스 부재(92)를 병진운동 가능한 칼럼 부재(88)에 대해 수직방향으로 배향되는 제2 SUS 축선(144) 둘레로 선택적으로 배향시키도록 작동가능하다. 붐 제1단 부재(94)는 다수의 실시예에 있어 붐 베이스 부재(92)에 대해 수평방향으로 배향되는 제3 SUS 축선(146)을 따라 선택적으로 리포지셔닝 가능하다. 따라서, 지지 링키지(122)는 쇼울더 조인트(90)와 붐 제1단 부재(94)의 원위 단부 사이의 거리를 선택적으로 설정하도록 작동가능하다. 또한, 리스트 조인트(98)는 다수의 실시예에 있어 배향 플랫폼(124)을 붐 제1단 부재(94)에 대해 수직방향으로 배향되는 제4 SUS 축선(148) 둘레로 선택적으로 배향시키도록 작동가능하다.

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

도 7은 다수의 실시예에 따른, 배향 플랫폼(124)에 대한 셋업 링키지(126)의 회전 배향 한계를 도시하고 있다. 셋업 링키지(126)의 각각은 배향 플랫폼(124)에 대해 시계방향 한계 배향된 상태로 도시되어 있다. 대응하는 반시계방향 한계 배향은 수직방향으로 배향되는 거울면에 대한 도 7의 거울상으로 나타난다. 도시된 바와 같이, 2개의 내측 셋업 링키지(126)의 각각은 수직방향 기준선(156)에서 한쪽 방향으로 5도로부터 시작하여 수직방향 기준선(156)에서 반대쪽 방향으로 75도까지 배향될 수 있다. 또한, 도시된 바와 같이, 2개의 외측 셋업 링키지의 각각은 수직방향 기준선(156)에서 한쪽 방향으로 15도로부터 시작하여 반대쪽 방향으로 95도까지 배향될 수 있다.

도 8은 다수의 실시예에 따르는 로봇 수술 시스템(160)용 지지 링키지의 회전 한계와 관련된 무게 중심 도면을 도시하고 있다. 로봇 수술 시스템(160)의 무게 중심(162)을 수술 시스템(160)의 지지 링키지(164)에 대해 최대한 한쪽으로 이동시키도록 로봇 수술 시스템(160)의 구성요소들이 포지셔닝 및 배향되어 있기 때문에, 지지 링키지(164)의 쇼울더 조인트는 장착 베이스의 소정의 안정성 한계를 초과하는 것을 방지하도록 셋업 구조부(SUS) 쇼울더 조인트 축선(166) 둘레로의 지지 구조부(164)의 회전을 제한하도록 구성될 수 있다.

도 9는 조작의 원격 중심(RC)을 통과하여 여유 축선(redundant axix) 및 관련된 여유 기계 자유도의 구현을 위한 또 다른 접근법을 도시하고 있다. 도 9는 다수의 실시예에 따르는, 조작의 원격 중심(RC)에 대해 일정한 곡률 반경을 가지고, 그것을 따라 매니퓰레이터(260)의 아웃보드 (근위) 링키지의 베이스 링크(266)가 리포지셔닝될 수 있는 곡선형 피처(curved feature)(264)를 포함한 장착 베이스(262)를 포함하는 원격 중심 매니퓰레이터(260)를 도시하고 있다. 아웃보드 링키지(outboard linkage)는 조작의 원격 중심(RC)을 교차하는 제1 축선(268)을 중심으로 한 회전을 위해, "요(yaw)" 조인트 피처(joint feature)를 포함하는 베이스 링크(266)에 장착된다. 베이스 링크(266)는 곡선형 피처(264)를 따라 선택적으로 리포지셔닝되게 구속되도록 곡선형 피처(264)와 인터페이싱됨으로써, 환자에 대해 고정된 포지션에서 유지되는 조작의 원격 중심(RC)의 포지션을 장착 베이스(262)에 대해 유지시킨다. 곡선형 피처(264)은 베이스 링크(266)의 운동이 조작의 원격 중심(RC)을 교차하는 제2 축선(270)을 중심으로 한 회전으로 제한되도록 구성된다. 베이스 링크(266)의 포지션을 곡선형 피처(264)을 따라 변화시킴으로써, 환자에 대한 매니퓰레이터(260)의 아웃보드 링키지의 배향이 변경될 수 있고, 이에 의해 원격 중심 매니퓰레이터(260)에 의해 조작되는 수술 기기의 증가된 운동의 범위를 제공한다. 평행사변형 기구(272)가 축선(274) 둘레로의 회전을 제공한다. 전체 평행사변형 기구가 축선(268) 둘레로 회전할 때, 축선들(270 및 274)은 일치될 수 있다는 것을 볼 수 있다.

도 10은 조작의 원격 중심(RC)을 통과하여 관련된 여유 자유도를 제공하는 여유 축선의 구현을 위한 또 다른 접근법을 도시하고 있다. 도 10은 다수의 실시예에 따르는, 그것의 내부에서 매니퓰레이터(280)의 아웃보드 (원위) 링키지의 베이스 링크(286)가 리포지셔닝될 수 있는 폐루프 곡선형 피처(closed-loop curved feature)(284)를 포함한 장착 베이스(282)를 포함하는 원격 중심 매니퓰레이터(280)를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 중심 장착 요소(285)는 폐루프 곡선형 피처(284) 내부에서 회전한다. 베이스 링크(286)는 조작의 원격 중심을 향해 약간 내측으로 배향되도록 중심 장착 요소(285)에 장착된다. 아웃보드 링크는 조작의 원격 중심(RC)을 교차하는 제1 축선(288)을 중심으로 한 회전을 위해 베이스 링크(286)에 장착된다. 폐루프 곡선형 피처(284)는 당해 곡선형 피처(284) 둘레로의 베이스 링크(286)의 모든 포지션들에 대해, 환자에 대해 고정된 포지션에서 유지되는 조작의 원격 중심(RC)의 포지션이 장착 베이스(282)에 대해 유지되도록 구성된다. 폐루프 곡선형 피처(284)는 원형이고, 조작의 원격 중심(RC)을 교차하는 제2 축선(290)을 중심으로 축선 대칭이다. 베이스 링크(286)의 포지션을 폐루프 곡선형 피처(284) 둘레로 변화시킴으로써, 환자에 대한 매니퓰레이터(280)의 아웃보드 링키지의 배향이 변경될 수 있고, 이에 의해 증가된 운동의 범위, 암 대 암 또는 암 대 주변 충돌 회피 및/또는 원격 중심 매니퓰레이터(280)의 기구학적 특이점(kinematci singularity) 회피를 제공한다. 장착 베이스가 단지 원의 일부분만 통과하는 "부분원(partial circle)" 피처 또는 완전원 피처가 사용될 수 있다. 곡선형 피처(284)와 그것의 관련된 중심 장착 피처(285)는 원추형 스윕 조인트(conical sweep joint)로서 기능한다는 것을 볼 수 있다.

도 11은 기기 홀더(342)가 최대량으로 피치 백되어 있는 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 측면도이다. 도시된 자세에서는, 제1 평행사변형 링크(330)가 연장 링크(324)와 정렬된 직후의 포지션으로 요동운동되고, 제2 평행사변형 링크(336)가 제1 평행사변형 링크(330)와 정렬된 직후의 포지션으로 요동운동됨으로써, 삽입 축선(366)을 수직 축선(374)으로부터 요 축선(348) 쪽으로 75도의 각도 오프셋으로 배향시키고 있다. 원격 중심 매니퓰레이터(320)는 예를 들어 기기 홀더(342)가 요/피치 하우징(yaw/pitch housing)(346)과 접촉하게 되지 않도록 연장 링크(324)의 길이를 증가시키는 등에 의해 더 큰 최대 피치 백 각도(maximum pitch back angle)를 성취하도록 구성될 수 있겠지만, 조작의 원격 중심(RC)에 대한 기기 홀더(342)의 요잉에 관한 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 기구학은 삽입 축선(366)과 요 축선(348) 사이의 각도가 15도 미만으로 감소될 때 점점 더 불량하게 컨디셔닝된다(poorly conditioned)는 것을 고려하면, 얻어지는 추가적인 피치 백 각도는 실제적 가치가 없을 수 있다.

명령 성형(command shaping)

도 12는 진동을 감쇠시키기 위한 명령 성형을 위한 프로세스(600)의 하나의 실시예를 도시한 플로우차트이다. 프로세스(600)는 MIRS 시스템(10)과 같은 로봇 시스템 및 특히 환자측 카트(22)의 운동을 평활화(smoothing)하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 프로세스(600)는 MIRS 시스템(10)과 같은 로봇 시스템이 모드를 변경할 때 실행될 수 있고, 일부 실시예에 있어서는, 프로세스(600)는 로봇 시스템에 의한 모드 변경에 관계없이 실행될 수 있다. 프로세스(600)는 로봇 시스템의 일부이고 그리고/또는 로봇 시스템에 연결되는 프로세서 및/또는 제어 시스템을 사용하여 실행될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 프로세스(600)는 예컨대 프로세서(58)에 의해 실행될 수 있다.

프로세스(600)는 자유도(DOF)가 식별되는 블록(602)에서 시작한다. 일부 실시예에 있어서, 자유도는 MIRS 시스템(10)의 자유도 및/또는 MIRS 시스템(10)의 구성요소, 조인트 또는 피처의 자유도(DOF) 중의 하나일 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 식별되는 자유도는 모드 변경에 의해 영향을 받는 MIRS 시스템(10)의 부분들에 관련될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 이러한 자유도에 관한 정보는 예컨대 프로세서(58)와 연결될 수 있는 MIRS 시스템(10)과 관련된 메모리에 저장될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 자유도들 중의 하나 또는 다수에 관한 정보는 메모리로부터 검색 및/또는 생성 또는 수집될 수 있다.

자유도가 블록(602)에서 식별된 후, 프로세스(600)는 모드 데이터가 수신되는 블록(606)으로 진행한다. 일부 실시예에 있어서는, 모드 데이터는 MIRS 시스템(10)의 하나 또는 다수의 작동 모드를 식별할 수 있다. 하나의 실시예에 있어서, 예를 들어, 이 모드 데이터는 MIRS 시스템(10)의 현재의 작동 모드, MIRS 시스템(10)의 하나 또는 다수의 과거의 작동 모드 및/또는 MIRS 시스템(10)의 미래 또는 요청된 작동 모드를 식별할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 현재의 작동 모드와 다른 요청된 작동 모드의 식별은 일부의 실시예에 있어서 여기에 설명되는 명령 성형 없이 상당히 큰 진동을 초래할 수 있는 모드 전환을 발생시킬 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 모드 데이터는 메모리, 외과의 콘솔(16) 및/또는 전자장치 카트(24)로부터 수신될 수 있다.

모드 데이터가 수신된 후, 프로세스(600)는 모드 전환이 발생했는지 및/또는 발생하고 있는지가 판정되는 판정 상태(608)로 진행한다. 모드 전환이 발생했는지 및/또는 발생하고 있는지 여부의 판정은 MIRS 시스템(10)의 작동에 관한 정보를 모드 전환이 발생했는지 및/또는 발생하고 있는지를 판정하기 위한 기준과 비교하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 이러한 기준은 진동을 발생시킬 및/또는 진동을 발생시키기 쉬운 어떤 동작이 요청되었는지의 여부, 그 동작이 모드 전환과 관련되었는지의 여부 및/또는 이러한 진동이 어떤 임계값보다 더 큰지, 작은지 또는 같은지의 여부를 판정하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 요청된 동작은 당해 요청된 동작이 임계값보다 더 큰 MIRS 시스템(10)의 하나 또는 다수의 구성요소의 가속도를 통해 성취될 때 진동을 발생시키게 되거나 및/또는 발생시키기 쉽다. 일부 실시예에 있어서, 임계값은 가속도를 일으키는 힘의 공급원, 힘 및/또는 가속도를 경험하는 MIRS 시스템(10)의 부분의 강성의 정도 등을 포함하는 다수의 인자에 따라 변할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 이러한 판정은 또한 예컨대 요청된 모드 전환을 포함하는 요청된 동작이 MIRS 시스템(10)의 일부분을 정적인 상태로부터 동적인 상태로 또는 동적인 상태로부터 정적인 상태로 전환시킬 것인지의 여부를 판정하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 판정은 프로세서(58) 및/또는 MIRS 시스템(10)의 다른 구성요소에 의해 이루어질 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 모드 전환이 발생했는지의 여부의 판정은 또한 평활화(smoothing) 및/또는 명령 성형(command shaping)이 요청되었는지의 여부를 판정하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 이러한 판정은 외과의 및/또는 MIRS 시스템(10)의 다른 사용자로부터 수취된 하나 또는 다수의 입력에 기초하여 이루어질 수 있다. 하나의 실시예에 있어서, 이러한 정보는 메모리 내에 저장될 수 있고, 프로세스(600)가 예컨대 프로세서(58)에 의해 실행될 때 검색될 수 있다.

모드 전환이 발생했는지 및/또는 발생하고 있는지의 여부가 판정된 후, 프로세스(600)는 포지션 파라미터가 검색되는 블록(610)으로 진행한다. 일부 실시예에 있어서, 포지션 파라미터는 MIRS 시스템(10)의 하나 또는 다수의 구성요소의 포지션을 한정 및/또는 식별할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 포지션 파라미터는 MIRS 시스템(10)의 하나 또는 다수의 구성요소의 포지션을 예컨대 고정 좌표계에 대해 절대적으로 및/또는 MIRS 시스템(10)의 하나 또는 다수의 다른 구성요소에 대해 상대적으로 한정 및/또는 식별할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 포지션 파라미터는 MIRS 시스템(10)으로부터 검색될 수 있고 그리고/또는 MIRS 시스템(10)에 의해 결정될 수 있다.

포지션 파라미터가 검색된 후, 프로세스(600)는 속도 파라미터가 검색되는 블록(612)으로 진행한다. 일부 실시예에 있어서, 속도 파라미터는 MIRS 시스템(10)의 하나 또는 다수의 구성요소의 속도를 한정 및/또는 식별할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 속도 파라미터는 MIRS 시스템(10)의 하나 또는 다수의 구성요소의 속도를 예컨대 고정 좌표계에 대해 절대적으로 및/또는 MIRS 시스템(10)의 하나 또는 다수의 다른 구성요소에 대해 상대적으로 한정 및/또는 식별할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 속도 파라미터는 MIRS 시스템(10)으로부터 검색될 수 있고 그리고/또는 MIRS 시스템(10)에 의해 결정될 수 있다.

속도 파라미터가 검색된 후, 가속도 파라미터가 검색되는 블록(614)으로 진행한다. 일부 실시예에 있어서, 가속도 파라미터는 MIRS 시스템(10)의 하나 또는 다수의 구성요소의 가속도를 한정 및/또는 식별할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 가속도 파라미터는 MIRS 시스템(10)의 하나 또는 다수의 구성요소의 가속도를 예컨대 고정 좌표계에 대해 절대적으로 및/또는 MIRS 시스템(10)의 하나 또는 다수의 다른 구성요소에 대해 상대적으로 한정 및/또는 식별할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 가속도 파라미터는 MIRS 시스템(10)으로부터 검색될 수 있고 그리고/또는 MIRS 시스템(10)에 의해 결정될 수 있다.

가속도 파라미터가 검색된 후, 프로세스(600)는 평활화 곡선(smoothing curve)이 연산되는 블록(616)으로 진행한다. 평활화 곡선은 반복적으로 연산되는 복수의 단계로 만들어질 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 평활화 곡선은 MIRS 시스템 및/또는 그 구성요소의 현재의 위치, 속도 및/또는 가속도와 요청된 동작 및/또는 모드 전환에 의해 특정되는 위치, 속도 및/또는 가속도 사이의 전환 경로를 한정할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 전환 경로는 진동을 최소화 및/또는 제거하는 경로일 수 있다. 하나의 실시예에 있어서, 전환 경로는 요청된 동작 및/또는 모드 전환에 의해 영향을 받은 MIRS 시스템(10) 및/또는 그 구성요소의 포지션, 속도, 가속도, 저크(jerk) 및/또는 기타 파라미터에 있어서의 불연속성과 같은 불연속성이 없을 수 있다. 하나의 실시예에 있어서, 속도에 있어서의 불연속성을 갖지 않는 전환 경로는 C1 연속이고, 가속도에 있어서의 불연속성을 갖지 않는 전환 경로는 C2 연속이고, 저크에 있어서의 불연속성을 갖지 않는 전환 경로는 C3 연속이다. 일부 실시예에 있어서, 평활화 곡선의 연산은 MIRS 시스템(10) 및/또는 그 구성요소에 대한 하나 또는 다수의 다음번 포지션, 속도, 가속도, 저크 및/또는 기타 파라미터를 연산하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 이러한 MIRS 시스템(10) 및/또는 그 구성요소의 하나 또는 다수의 다음번 포지션, 속도, 가속도, 저크 및/또는 기타 파라미터는 트리거링 임계값(triggering threshold)이 성취될 때까지 및/또는 프로세스(600)의 재개시를 트리거하는 또 다른 동작이 요청될 때까지 무한정 연산될 수 있다. 평활화 곡선은 MIRS 시스템(10)의 프로세서(58) 또는 다른 구성요소에 의해 연산될 수 있다. 평활화 곡선의 연산의 상세는 아아래에 더 상세히 논의될 것이다.

평활화 곡선이 연산된 후, 프로세스(600)는 평활화 곡선이 적용되는 블록(618)으로 진행한다. 상술한 바와 같이, 일부 실시예에 있어서, 평활화 곡선은 MIRS 시스템(10) 및/또는 그 구성요소에 대한 하나 또는 다수의 이상의 다음번 포지션, 속도, 가속도, 저크 및/또는 기타 파라미터를 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 평활화 곡선은 예컨대 MIRS 시스템(10) 및/또는 그 구성요소를 조작하는 하나 또는 다수의 모터를 포함하는 MIRS 시스템(10) 및/또는 그 구성요소에 적용될 수 있다. 평활화 곡선의 적용은 MIRS 시스템(10)의 프로세서(58) 또는 다른 구성요소에 의해 제어 될 수 있다.

평활화 곡선이 적용된 후, 프로세스(600)는 추가적인 평활화가 필요 및/또는 요망되는지가 판정되는 판정 상태(620)로 진행한다. 일부 실시예에 있어서, 이는 예컨대 MIRS 시스템(10) 및/또는 그 구성요소의 하나 또는 다수의 파라미터를 언제 평활화가 종료될 수 있는지 또는 종료되어야 하는지를 식별하는 임계값과 비교하는 등에 의해 평활화 프로세스를 종료할지의 여부를 판정하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 추가적인 평활화를 제공할지의 여부의 판정은 예컨대 추가적인 모드 전환을 포함할 수 있는 추가적인 동작이 요청되었는지의 여부를 판정하는 것을 포함할 수 있다. 이 판정은 예컨대 프로세서(58)에 의해 이루어질 수 있다. 추가적인 평활화가 요구된다고 판정되면, 프로세스(600)는 블록(610)으로 되될아가, 상술한 바와 같이 진행한다.

프로세스(600)는 MIRS 시스템(10)의 자유도들에 대한 병렬/동시 처리 또는 순차 처리를 포함할 수 있다. 자유도들이 병렬/동시 처리되는 일부 실시예에 있어서는, 도 12에 도시된 판정 상태(622)는 생략될 수 있다. 다시 프로세스(600)로 돌아가서, 추가적인 평활화가 요구되지 않는 것으로 판정되면, 프로세스(600)는 MIRS 시스템(10)과 관련된 임의의 추가적인 자유도가 존재하는지가 판정되는 판정 상태(622)로 진행한다. 아직 식별되지 않은 추가적인 자유도가 존재한다고 판정되면, 프로세스(600)는 블록(602)으로 되돌아가 상술한 바와 같이 진행한다. MIRS 시스템(10)과 관련된 추가적인 및/또는 식별되는 자유도가 존재하지 않으면, 프로세스는, 일부 실시예에서, 종료될 수 있다.

도 13은 평활화 곡선을 연산하기 위한 프로세스(640)의 하나의 실시예를 도시한 플로우차트이다. 일부 실시예에 있어서, 프로세스(640)는 도 12에 도시된 블록(616)을 대신하여 실행될 수 있다. 도 12의 프로세스(600)와 마찬가지로, 프로세스(640)는 MIRS 시스템(10) 및/또는 그 구성요소에 의해 실행될 수 있다.

프로세스(640)는 명령 포지션이 설정되는 블록(642)에서 시작한다. 일부 실시예에 있어서, 명령 포지션은 요청된 동작이 적용되는 MIRS 시스템(10) 및/또는 그 구성요소의 현재의 포지션일 수 있다. 명령 포지션이 설정된 후, 프로세스(640)는 요청된 동작이 새로운 동작인지가 판정되는 판정 상태(644)로 진행한다. 일부 실시예에 있어서, 이 판정은 평활화가 요청된 동작에 대해 이미 발생하였는지 및/또는 요청된 동작에 대해 이미 개시되었는지의 여부를 판정하는 단계를 포함할 수 있다. 평활화가 이미 발생하였고 그리고/또는 이미 개시되었다면, 프로세스(640)는 시스템이 초기화되는 블록(646)으로 진행한다. 일부 실시예에 있어서, 시스템 초기화는 평활화 곡선의 생성을 위한 하나 또는 다수의 초기 파라미터를 설정하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 이는 하나 또는 다수의 감쇠 계수, 위치, 속도 등을 특정하는 파라미터를 설정하는 것을 포함할 수 있다.

시스템이 초기화된 후, 프로세스(640)는 단계값(step value)이 연산되는 블록(648)으로 진행한다. 일부 실시예에 있어서, 단계값은 모의 감쇠 시스템 즉 요청된 동작에 의해 영향을 받는 MIRS 시스템(10) 및/또는 그 구성요소의 위치 및/또는 속도의 하나 또는 다수의 다음번 파라미터를 한정하는 값일 수 있다. 이러한 모의 감쇠 시스템의 상세는 아래에서 더 상세히 논의될 것이다.

일부 실시예에 있어서, 단계값은 MIRS 시스템(10) 및/또는 그 구성요소가 명령 포지션으로부터 단계값에 의해 특정되는 방식으로 단계값에 의해 특정된 포지션으로 운동할 때 어떠한 저크도 경험하지 않도록 연산될 수 있다. 단계값은 프로세서(58)를 사용하여 연산될 수 있다. 어떻게 단계값이 연산될 수 있는지의 상세는 아래에서 더 상세히 논의될 것이다.

단계값이 연산된 후, 프로세스(640)는 새로운 명령 포지션이 설정되는 블록(650)으로 진행한다. 일부 실시예에 있어서, 새로운 명령 포지션은 연산된 단계값 즉 연산된 단계값들 중의 하나 또는 초기 설정된 명령 포지션과 연산된 단계값의 조합값으로 설정될 수 있다. 명령 포지션은 MIRS 시스템(10)과 관련된 메모리에 저장될 수 있다. 명령 포지션이 설정된 후, 프로세스(640)는 블록(652)으로 진행하고, 계속해서 도 12의 블록(618)으로 진행한다.

도 14a 및 14b는 평활화 곡선을 연산하기 위해 사용되는 기계적 시스템 및/또는 시모의 감쇠 시스템(700)의 하나의 실시예의 도면이다. 도 14a에서는, 모의 감쇠 시스템(700)이 가동부를 갖는 것으로 도시되어 있고, 도 14b에서는, 모의 감쇠 시스템(700)이 모든 운동이 정지되고 그리고/또는 효과적으로 정지된 후의 상태로 도시되어 있다. 동일한 모의 감쇠 시스템(700)이 운동을 정지시키고 그리고/또는 운동을 늦추기 위한 평활화 곡선을 결정하는 데 사용될 수 있고, 일부 실시예에 있어서는, 모의 감쇠 시스템(700)은 운동을 시작하고 및/또는 가속시키기 위한 평활화 곡선을 결정하는 데 사용될 수 있다.

모의 감쇠 시스템(700)은 시스템 질량체(702)를 포함한다. 시스템 질량체(702)는 요청된 동작에 의해 영향을 받는 MIRS 시스템(10) 및/또는 그 구성요소의 질량을 나타낸다. 시스템 질량체(702)의 값은 MIRS 시스템(10)과 관련된 메모리에 저장될 수 있고 그리고/또는 예컨대 하나 또는 다수의 모터와 같은 MIRS 시스템(10)의 구성요소로부터 수신되는 피드백에 기초하여 생성될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 시스템 질량은 소정의 가속도를 성취하기 위해 필요한 힘의 크기에 기초하여 결정될 수 있다.

도 14a 및 14b에 도시된 바와 같이, 시스템 질량체는 시스템 질량체(702)와 모의 감쇠 시스템(700)의 다른 구성요소의 상호작용의 함수로서 시간에 걸쳐 변하는, vs(t)로 지시된 속도를 가진다. 모의 감쇠 시스템(700)은 제1 대시포트(dashpot)(708)를 통해 제2 질량체(706)와 그리고 제2 대시포트(712)를 통해 지면과 상호 작용하는 제1 질량체(704)를 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 제1 및 제2 질량체(704, 706)는 당해 제1 및 제2 질량체(704, 706)의 질량을 식별하는 소정의 값을 가질 수 있다. 일부 실시예에 있어서는, 제1 질량체(704)의 질량은 제2 질량체(706)의 질량과 동일할 수 있고, 일부 실시예에 있어서는, 제1 질량체스(704)의 질량은 제2 질량체(706)의 질량과 상이할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 제1 및 제2 질량체(704, 706)의 질량은 제1 및 제2 대시포트(708, 712)와 조합하여 모의 감쇠 시스템(700)이 시스템 질량체(702)의 파라미터에 대한 C1, C2, C3, C4, C5 및/또는 C6 연속 평활화 곡선을 생성할 수 있도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 제1 및 제2 질량체(704, 706)의 다양한 질량이 시스템 질량체(702)의 파라미터에 대한 C1, C2, C3, C4, C5 및/또는 C6 연속 평활화 곡선을 발생시킬 수 있다.

마찬가지로, 제1 대시포트(708) 및 제2 대시포트(712)는 각각 예컨대 감쇠 계수에 의해 설명될 수 있다. 일부 실시예에 있어서는, 제1 대시포트(708)의 감쇠 계수는 제2 대시포트(712)의 감쇠 계수와 동일할 수 있으며, 일부 실시예에 있어서는, 제1 대시포트(708)의 감쇠 계수는 제2 대시포트(712)의 감쇠 계수와 상이할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 대시포트(708, 712)의 감쇠 계수들은 동작이 요청될 때의 시간과 요청된 동작에 의해 영향을 받은 MIRS 시스템(10) 및/또는 그 구성요소가 요청된 동작을 완료하는 및/또는 요청된 동작을 사실상 완료하는 때의 시간 사이에서 MIRS 시스템(10) 및/또는 그 구성요소(10)가 거치게 되는 총 이동 거리를 감소 및/또는 제거하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 요청된 동작은 당해 요청된 동작에 의해 영향을 받은 MIRS 시스템(10) 및/또는 그 구성요소가 당해 요청된 동작에서 특정된 포지션, 속도 및/또는 가속도에 점근적으로 접근할 때 사실상 종료된다.

일부 실시예에 있어서, 대시포트(708, 712)의 감쇠 계수들은 요청된 동작의 실행에 의해 발생하는 진동을 감소 및/또는 제거하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 대시포트의(708, 712)의 감쇠 계수들의 값은 MIRS 시스템(10)을 제어하는 외과의의 능력에 최소한으로 영향을 미치고 및/또는 MIRS 시스템(10)에 의해 실행되는 작업의 결과에 최소한으로 악영향을 미치는 결과를 제공하도록 최적화될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 제1 및 제2 질량체(704, 706)의 특정 질량 및/또는 특정 질량들은 제1 및 제2 대시포트(708, 712)의 감쇠 계수들과 더불어 모의 감쇠 시스템(700)의 소정의 성능 및/또는 응답성 및/또는 평활화 곡선의 형상 및/또는 궤적을 최적화하도록 동시적으로 선택될 수 있다.

도 15는 명령 성형 알고리즘을 초기화하기 위한 프로세스(660)의 하나의 실시예를 도시한 플로우차트이다. 프로세스(660)는 도 13의 블록(646)의 일부로서 또는 그것을 대신하여 실행될 수 있다. 프로세스(660)는 제1 질량체의 포지션이 도 13의 블록(642)에서 설정된 명령 포지션과 동일하게 지정되는 블록(662)에서 시작한다. 제1 질량체(704)의 포지션이 명령 포지션과 동일하게 설정된 후, 프로세스(660)는 제1 질량체(704)의 속도가 명령 속도와 동일하게, 다시 말해 동작이 요청되기 직전의 시스템 질량체(702)의 속도 vs(t)와 동일하게 설정될 때 블록(664)으로 진행한다.

제1 질량체(704)의 속도가 명령 속도와 동일하게 설정된 후, 프로세스(660)는 제2 질량체(706)의 포지션이 제1 질량체(704)의 포지션과 동일하게 설정되고, 따라서 도 13의 블록(642)에서 설정된 명령 포지션과 동일하게 설정되는 블록(666)으로 진행한다. 제2 질량체(706)의 포지션이 명령 포지션과 동일하게 설정된 후, 프로세스(660)는 제2 질량체(706)의 속도가 제1 질량체(704)의 속도와 동일하게 설정되는, 다시 말해 동작이 요청되기 직전의 시스템 질량체(702)의 속도인 명령 속도와 동일하게 설정되는 블록(668)으로 진행한다. 제2 질량체(706)의 속도가 제1 질량체(704)의 속도로 설정된 후, 프로세스(660)는 블록(670)으로 진행하고, 계속해서 도 13의 블록(648)으로 진행한다.

도 16은 단계값을 연산하기 위한 프로세스의 하나의 실시예를 도시한 플로우차트이다. 프로세스(680)는 도 13의 일부로서 또는 그것을 대신하여 실행될 수 있다. 프로세스(680)는 제1 질량체(704)의 다음번 위치가 연산되는 블록(682)에서 시작한다. 일부 실시예에 있어서, 제1 질량체(704)의 포지션은, x1이 제1 질량체(704)의 초기 포지션이고, v1이 제1 질량체(704)의 초기 속도이고, T가 예컨대 서보 시간 단계(servo time step)와 같은 기간의 지속시간이며, x1'가 제1 질량체(704)의 다음번 포지션일 때, 아래의 방정식에 따라 연산될 수 있다.

x1' = v1*T + x1

제1 질량체(704)의 다음번 포지션이 연산된 후, 프로세스(680)는 제1 질량체(704)의 다음번 속도가 연산되는 블록(684)으로 진행한다. 일부 실시예에 있어서, 제1 질량체(704)의 다음번 속도는, v1이 제1 질량체(704)의 초기 속도이고, v2가 제2 질량체(706)의 초기 속도이고, b1이 제 대시포트(708)의 감쇠 계수이고, b2가 제2 대시포트(712)의 감쇠 계수이며, v1'가 제1 질량체(704)의 다음번 속도일 때, 아래의 방정식에 따라 연산될 수 있다.

v1' = v1 - b1*v1 - b2*v1 + b2*v2

제1 질량체(704)의 다음번 속도가 연산된 후, 프로세스(680)는 제2 질량체(706)의 다음번 포지션이 연산되는 블록(686)으로 진행한다. 일부 실시예에 있어서, 제2 질량체(706)의 다음번 포지션은, x2가 제2 질량체(706)의 초기 포지션이고, v2가 제2 질량체(706)의 초기 속도이고, T가 예컨대 서보 시간 단계와 같은 기간의 지속시간이며, x2'가 제2 질량체(706)의 다음번 포지션일 때, 아래의 방정식에 따라 연산될 수 있다.

x2' = v2*T + x2

제2 질량체(706)의 다음번 포지션이 연산된 후, 프로세스(680)는 제2 질량체(706)의 다음번 속도가 연산되는 블록(688)으로 진행한다. 일부 실시예에 있어서, 제2 질량체(706)의 다음번 속도는, v1이 제1 질량체(704)의 초기 속도이고, v2가 제2 질량체(706)의 초기 속도이고, b1이 제1 대시포트(708)의 감쇠 계수이고, b2가 제2 대시포트(712)의 감쇠 계수이며, v2'가 제2 질량체(706)의 다음번 속도일 때, 아래의 방정식에 따라 연산될 수 있다.

v2' = v2 + b2*v1 + b2*v2

일부 실시예에 있어서, 단계 682-688은 MIRS 시스템(10)의 프로세서(58) 또는 다른 구성요소에 의해 실행될 수 있다. 제2 질량체(706)의 속도가 연산된 후, 프로세스(680)는 블록(690)으로 진행하고, 계속해서 도 13의 블록(650)으로 진행한다.

도 17a 및 17b는 진동을 감쇠시키기 위한 명령 성형이 사용되었을 때의 결과와 진동을 감쇠시키 위한 명령 성형이 사용되지 않았을 때의 결과의 비교를 도시하고 있다. 도 17a의 도면은 여기에 설명되는 평활화(smoothing) 없이 발생하는 급격한 모드 전환을 도시하고 있고, 도 17b의 도면은 여기에 설명되는 평활화와 함께 발생하는 부드러운 모드 전환을 도시하고 있다.

도 17a를 참조하면, "피치 DOF의 테이크오프 및 랜딩, 케이스: 5 (서보)(Takeoff and Landing of Pitch DOF, Case: 5 (Servo))"라는 제목의 도면에 MIRS 시스템(10)의 내부에서 측정된 데이터가 도시되어 있다. 도면은 시간의 함수로서 명령 포지션을 식별하는 "Cmdpos"로 표기된 궤적선, 시간의 함수로서 MIRS 시스템(10)의 일부분의 실제 포지션을 식별하는 "Actpos"로 표기된 궤적선, 모드 전환의 순간과 MIRS 시스템(10)의 일부분의 소정의 최종 포지션을 식별하는 "Lockpos"로 표기된 궤적선, 시간의 함수로서 명령 속도를 식별하는 "Cmdvel"로 표기된 궤적선, 시간의 함수로서 MIRS 시스템(10)의 일부분의 실제 속도를 식별하는 "Actvel"로 표기된 궤적선, 시간의 함수로서 궤적선 Cmdpos과 Actpos 사이의 차이를 식별하는 "Err"로 표기된 궤적선, 및 시간의 함수로서 MIRS 시스템(10)의 하나 또는 다수의 모터에 의해 적용되는 토크의 도함수를 식별하는 "Torque Diff"로 표기된 궤적선을 포함한다. 모든 궤적선들이 동일한 스케일을 가지고서 도시되어 있지만, 궤적선 Err은 MIRS 시스템(10)의 일부분의 실제 포지션의 변동을 명확하게 보여주기 위해 확대된 것이기 때문에 다른 궤적선과 동일한 스케일을 갖지 않는다.

"피치 DOF의 테이크오프 및 랜딩, 케이스: 5 (폴라리스)(Takeoff and Landing of Pitch DOF, Case: 5 (Polaris))"로 표기된 도면에 MIRS 시스템(10)의 외부에서 측정된 데이터가 도시되어 있다. 특히, "피치 DOF의 테이크오프 및 랜딩, 케이스: 5 (폴라리스)(Takeoff and Landing of Pitch DOF, Case: 5 (Polaris))"로 표기된 도면에 도시된 데이터는 외부 측정 장치로 생성되었다. "피치 DOF의 테이크오프 및 랜딩, 케이스: 5 (폴라리스)(Takeoff and Landing of Pitch DOF, Case: 5 (Polaris))"로 표기된 도면의 데이터는 시간의 함수로서 MIRS 시스템(10)의 일부분의 실제 포지션을 나타낸다. "피치 DOF의 테이크오프 및 랜딩, 케이스: 5 (폴라리스)(Takeoff and Landing of Pitch DOF, Case: 5 (Polaris))"로 표기된 도면의 데이터는 "피치 DOF의 테이크오프 및 랜딩, 케이스: 5 (서보)(Takeoff and Landing of Pitch DOF, Case: 5 (Servo))"로 표기된 도면의 궤적선 Actpos에 대응된다.

도 17a에서 보여지는 바와 같이, 진동은 t=1에서 발생하는 모드 전환으로 인해 발생한다. 이러한 진동은 MIRS 시스템(10)의 일부분의 실제 포지션과 속도에 관한 모든 궤적선에서 분명하게 나타난다. 도 17a에서 보여지는 바와 같이, 여기에 개괄되는 바와 같이 명령 성형을 사용하지 않는 것은 오버슈트(overshoot) 및 진동을 발생시킬 수 있다. 이 특정 도시의 실시예에 있어서는, 여기에 도시된 바와 같이 명령 성형을 사용하지 않는 것이 1.04 rad/s의 초기 속도를 갖는 구성요소에 대해 대략 10 mm의 오버슈트를 발생시켰다. 이 오버슈트는 소정의 정지점((0.75 라디안에 위치)과 이 소정의 정지점을 초과하는 최대 변위 사이의 거리로서 측정된다.

도 17b를 참조하면, "피치 DOF의 테이크오프 및 랜딩, 케이스: 15 (서보)(Takeoff and Landing of Pitch DOF, Case: 15 (Servo))"라는 제목의 도면에 MIRS 시스템(10)의 내부에서 측정된 데이터가 도시되어 있다. 도면은 시간의 함수로서 명령 포지션을 식별하는 "Cmdpos"로 표기된 궤적선, 시간의 함수로서 MIRS 시스템(10)의 일부분의 실제 포지션을 식별하는 "Actpos"로 표기된 궤적선, 모드 전환의 순간과 MIRS 시스템(10)의 일부분의 소정의 최종 포지션을 식별하는 "Lockpos"로 표기된 궤적선, 시간의 함수로서 명령 속도를 식별하는 "Cmdvel"로 표기된 궤적선, 시간의 함수로서 MIRS 시스템(10)의 일부분의 실제 속도를 식별하는 "Actvel"로 표기된 궤적선, 시간의 함수로서 궤적선 Cmdpos과 Actpos 사이의 차이를 식별하는 "Err"로 표기된 궤적선, 및 시간의 함수로서 MIRS 시스템(10)의 하나 또는 다수의 모터에 의해 적용되는 토크의 도함수를 식별하는 "Torque Diff"로 표기된 궤적선을 포함한다. 모든 궤적선들이 동일한 스케일을 가지고서 도시되어 있지만, 궤적선 Err은 MIRS 시스템(10)의 일부분의 실제 포지션의 변동을 명확하게 보여주기 위해 확대된 것이기 때문에 다른 궤적선과 동일한 스케일을 갖지 않는다.

"피치 DOF의 테이크오프 및 랜딩, 케이스: 15 (폴라리스)(Takeoff and Landing of Pitch DOF, Case: 15 (Polaris))"로 표기된 도면에 MIRS 시스템(10)의 외부에서 측정된 데이터가 도시되어 있다. 특히, "피치 DOF의 테이크오프 및 랜딩, 케이스: 15 (폴라리스)(Takeoff and Landing of Pitch DOF, Case: 15 (Polaris))"로 표기된 도면에 도시된 데이터는 외부 측정 장치로 생성되었다. "피치 DOF의 테이크오프 및 랜딩, 케이스: 15 (폴라리스)(Takeoff and Landing of Pitch DOF, Case: 15 (Polaris))"로 표기된 도면의 데이터는 시간의 함수로서 MIRS 시스템(10)의 일부분의 실제 포지션을 나타낸다. "피치 DOF의 테이크오프 및 랜딩, 케이스: 15 (폴라리스)(Takeoff and Landing of Pitch DOF, Case: 15 (Polaris))"로 표기된 도면의 데이터는 "피치 DOF의 테이크오프 및 랜딩, 케이스: 15 (서보)(Takeoff and Landing of Pitch DOF, Case: 15 (Servo))"로 표기된 도면의 궤적선 Actpos에 대응된다.

도 17b에서 보여지는 바와 같이, 여기에 개괄되는 바와 같이 명령 성형을 사용하는 것이 도 17a에 도시된 진동을 제거하였다. 특히, "피치 DOF의 테이크오프 및 랜딩, 케이스: 15 (폴라리스)(Takeoff and Landing of Pitch DOF, Case: 15 (Polaris))"로 표기된 도면에서 보여지는 바와 같이, 포지션은 안정값(도면에서는 0.9 라디안)에 부드럽게 접근한다. 이 실시예에 있어서는, 여기에 개시되는 바와 같이 명령 성형을 사용하는 것이 C3 연속인 평활화 곡선을 생성하였고, 따라서 저크(jerk)에 불연속성을 갖지 않는다. 또한, "피치 DOF의 테이크오프 및 랜딩, 케이스: 15 (폴라리스)(Takeoff and Landing of Pitch DOF, Case: 15 (Polaris))"로 표기된 도면에서 보여지는 바와 같이, 여기에 개괄되는 바와 같이 명령 성형을 사용하는 것은 오버슈트를 제거하는 대신, 드리프트(drift) 특히 도시된 실시예에 있어서 1.04 rad/s의 초기 속도를 갖는 구성요소에 대해 대략 35 mm의 드리프트를 발생시킨다. 이 드리프트는 소정의 정지점(0.75 라디안에 위치)과 이 소정의 정지점을 초과하는 최대 변위 사이의 거리로서 측정된다. 하지만, 놀랍게도, 여기서 명령 성형을 사용하는 것이 여기에 개시되는 바와 같이 어떠한 명령 성형도 사용되지 않을 때 발생되는 오버슈트보다 상당히 더 큰 드리프트를 발생시키지만, 여기에 개시되는 바와 같이 명령 성형을 사용하는 것이 더 우수한 임상적 결과를 제공하고, 사용자에게 MIRS 시스템(10)를 제어하는 더 큰 느낌을 제공한다.

또한, 일부 실시예에 있어서, 제1 및 제2 대시포트(708, 712)의 감쇠 계수들이 상이한 결과들을 발생시키도록 조작될 수 있다. 따라서, 하나의 실시예에 있어서, 특정 감쇠 계수들이 상당히 큰 오버슈트와 최소 드리프트를 발생시킬 수 있고, 다른 실시예에 있어서는, 특정 감쇠 계수들이 최소 오버슈트와 상당히 큰 드리프트를 발생시킬 수 있다. 유리하게, 특정 감쇠 계수들의 조합이 바람직한 임상 및/또는 제어 결과를 얻을 수 있다. 마찬가지로, 일부 실시예에 있어서, 드리프트 대 오버슈트의 비는 대략 1.5:1, 2.5:1, 3:1, 3.5:1, 4:1, 5:1 또는 임의의 다른 중간 비일 때, 임상 결과 및 외과의 체험이 최대화된다는 것이 밝혀졌다. 하나의 실시예에 있어서, 이러한 비들은 예컨대 b1=3인 제1 대시포트(708)의 감쇠 계수 및 b2=1인 제2 대시포트(712)의 감쇠 계수를 감쇠 계수에 의해 성취될 수 있다.

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

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

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

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

Claims (38)

1. 로봇 시스템에 있어서,
   상기 로봇 시스템은:
   운동가능한 로봇 기구; 및
   상기 로봇 기구를 제어하도록 구성된 프로세서를 포함하고,
   상기 프로세서는:
   현재의 모드와 다른 새로운 모드를 지정하는 모드 전환의 요청을 판정하고;
   상기 로봇 기구의 포지션 및 속도를 포함하는 상기 로봇 기구의 초기 파라미터들을 결정하고;
   현재의 모드와 새로운 모드 사이에서 전환하고 C3 연속인 평활화 곡선을 연산하되, 평활화 곡선을 연산하는 과정이 제1 명령 포지션을 설정하는 과정, 단계값을 연산하는 과정, 및 상기 제1 명령 포지션과 상기 단계값에 기초하여 제2 명령 포지션을 설정하는 과정을 포함하여, 평활화 곡선을 연산하고;
   상기 평활화 곡선에 따라 상기 로봇 기구를 운동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세서는 또한 상기 모드 전환에 의해 영향을 받는 상기 로봇 기구의 자유도를 식별하고; 식별된 자유도의 각각에 대한 평활화 곡선을 연산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세서는 또한:
   추가적인 평활화가 요망되는지를 판정하고;
   추가적인 평활화가 요망되는 경우, 제3 명령 포지션을 설정하고, 제2 단계값을 연산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 초기 파라미터들은 또한 가속도 파라미터를 포함하고, 상기 평활화 곡선은 복수의 반복 연산 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모드 전환의 요청을 판단하는 과정의 일부로서, 상기 프로세서는 또한 모드 전환으로부터의 추정 진동이 임계값을 초과하는지를 판정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 또한 제2 모드 전환의 요청을 수신하는 것에 응답하여 상기 평활화 곡선의 연산을 종료하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
7. 로봇 시스템에서의 모드 전환을 위한 방법에 있어서,
   상기 방법은:
   현재의 모드와 다른 새로운 모드를 지정하는 모드 전환의 요청을 판정하는 과정;
   상기 로봇 시스템의 일부분의 포지션 및 속도를 포함하는 상기 로봇 시스템의 일부분의 초기 파라미터들을 결정하는 과정;
   현재의 모드와 새로운 모드 사이에서 전환하고 C3 연속인 평활화 곡선을 연산하는 과정으로서, 상기 평활화 곡선을 연산하는 과정이 제1 명령 포지션을 설정하는 과정, 단계값을 연산하는 과정, 및 상기 제1 명령 포지션과 상기 단계값에 기초하여 제2 명령 포지션을 설정하는 과정을 포함하는 바의 평활화 곡선을 연산하는 과정; 및
   상기 평활화 곡선에 따라 상기 로봇 시스템의 일부분을 운동시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 모드 전환을 위한 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   추가적인 평활화가 요망되는지를 판정하는 과정; 및
   추가적인 평활화가 요망되는 경우, 제3 명령 포지션을 설정하고, 제2 단계값을 연산하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모드 전환을 위한 방법.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 제2 모드 전환의 요청이 수신될 때 상기 평활화 곡선의 연산을 종료하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모드 전환을 위한 방법.
10. 로봇 시스템의 진동 감소를 위한 방법에 있어서,
    상기 방법은:
    상기 로봇 시스템의 프로세서에 의해 상기 로봇 시스템의 일부분의 속도 또는 포지션의 변화를 포함하는 요청된 동작을 수신하는 과정;
    상기 프로세서에 의해 평활화 곡선을 연산하는 과정으로서, 상기 평활화 곡선이 상기 로봇 시스템의 일부분과 상호작용하는 감쇠 시스템을 모의 시험하고, 상기 로봇 시스템의 일부분의 질량을 나타내는 시스템 질량체, 상기 시스템 질량체와 상호작용하고 제1 대시포트를 통해 제2 질량체에 연결되는 제1 질량체 및 상기 제1 질량체를 지면에 연결시키는 제2 대시포트를 포함하는 모의 감쇠 시스템에 의해 연산되는 바의 평활화 곡선을 연산하는 과정; 및
    상기 프로세서에 의해 상기 평활화 곡선에 따라 상기 로봇 시스템의 일부분을 운동시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 감소를 위한 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 제1 질량체와 상기 제2 질량체는 동일한 질량을 갖고, 상기 제1 대시포트는 제1 감쇠 계수에 의해 한정되고, 상기 제2 대시포트는 제2 감쇠 계수에 의해 한정되며, 상기 제1 감쇠 계수와 상기 제2 감쇠 계수는 동일한 것을 특징으로 하는 진동 감소를 위한 방법.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 평활화 곡선을 연산하는 과정은: 상기 로봇 시스템의 일부분의 초기 속도를 식별하는 과정, 상기 제1 질량체의 제1 초기 속도를 상기 로봇 시스템의 일부분의 초기 속도와 동일하게 설정하는 과정, 및 상기 제2 질량체의 제2 초기 속도를 상기 로봇 시스템의 일부분의 초기 속도와 동일하게 설정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 감소를 위한 방법.
13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서에 의해, 상기 요청된 동작이 수신될 때 상기 로봇 시스템의 일부분의 위치를 식별하는 소정의 정지점을 식별하는 과정을 더 포함하고, 상기 로봇 시스템의 일부분이 상기 평활화 곡선에 따라 운동되는 경우, 상기 로봇 시스템의 일부분은 상기 소정의 정지점을 초과하는 드리프트를 발생시키게 되는 것을 특징으로 하는 진동 감소를 위한 방법.
14. 로봇 시스템에 있어서,
    상기 로봇 시스템은:
    운동가능한 매니퓰레이터; 및
    상기 운동가능한 매니퓰레이터를 제어하도록 구성된 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는 또한:
    상기 로봇 시스템의 일부분의 속도 또는 포지션의 변화를 포함하는 요청된 동작을 수신하고;
    평활화 곡선을 연산하되, 상기 평활화 곡선이 상기 로봇 시스템의 일부분과 상호작용하는 감쇠 시스템을 모의 시험하고, 상기 로봇 시스템의 일부분의 질량을 나타내는 시스템 질량체, 상기 시스템 질량체와 상호작용하고 제1 대시포트를 통해 제2 질량체에 연결되는 제1 질량체 및 상기 제1 질량체를 지면에 연결시키는 제2 대시포트를 포함하는 모의 감쇠 시스템에 의해 연산되게, 평활화 곡선을 연산하고;
    상기 평활화 곡선에 따라 상기 로봇 시스템의 일부분을 운동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 제1 질량체와 상기 제2 질량체는 동일한 질량을 갖는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
16. 제 14 항에 있어서, 상기 제1 대시포트는 제1 감쇠 계수에 의해 한정되고, 상기 제2 대시포트는 제2 감쇠 계수에 의해 한정되며, 상기 제1 감쇠 계수와 상기 제2 감쇠 계수는 동일한 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
17. 제 14 항에 있어서, 상기 평활화 곡선을 연산하는 과정은: 상기 로봇 시스템의 일부분의 초기 속도를 식별하는 과정, 상기 제1 질량체의 제1 초기 속도를 상기 로봇 시스템의 일부분의 초기 속도와 동일하게 설정하는 과정, 및 상기 제2 질량체의 제2 초기 속도를 상기 로봇 시스템의 일부분의 초기 속도와 동일하게 설정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
18. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 또한 상기 요청된 동작이 수신될 때 상기 로봇 시스템의 일부분의 위치를 식별하는 소정의 정지점을 식별하도록 구성되고, 상기 로봇 시스템의 일부분이 상기 평활화 곡선에 따라 운동되는 경우, 상기 로봇 시스템의 일부분은 상기 소정의 정지점을 초과하는 드리프트를 발생시키게 되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
19. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로봇 시스템의 일부분은 상기 운동가능한 매니퓰레이터를 포함하고, 상기 운동가능한 매니퓰레이터는 수술 툴을 홀딩하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
    
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