KR102285954B1

KR102285954B1 - 다중 영공간 목적 및 sli 거동을 관리하기 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102285954B1
Application number: KR1020207027960A
Authority: KR
Inventors: 아르장 아우어타쉬
Original assignee: 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2021-08-05
Also published as: EP2969407A1; US20180243906A1; JP2020000904A; US11173598B2; KR102391773B1; JP6585265B2; KR20210098549A; KR20150132326A; CN105120788B; US20220032453A1; JP2016514492A; JP6793797B2; EP2969407B1; CN109171975A; US20200061813A1; KR20200116544A; CN109171975B; US11602840B2; JP2019048084A; JP6423853B2

Abstract

하나 이상의 통합된 영공간 목적에 따라 매니퓰레이터의 하나 이상의 조인트의 소정의 운동과 동시적인 매니퓰레이터의 엔드 이펙터의 명령된 운동을 제공하기 위한 장치, 시스템 및 방법이 제공된다. 영공간 목적은 조인트 상태 조합, 상대적인 조인트 상태들, 일정 범위의 조인트 상태들, 조인트 상태 프로파일, 운동 에너지, 클러칭 운동, 충돌 회피 운동, 특이점 회피 운동, 자세 또는 피치 선택, 소정의 매니퓰레이터 구성, 매니퓰레이터의 명령된 재구성 및 조인트들의 비등방적 증폭이 포함할 수 있다. 상기 방법은 여러 가지 영공간 목적들에 따라 다중 영공간 운동을 연산하는 단계, 각각의 속성을 결정하는 단계 및 여러 가지 접근법을 이용하는 영공간 매니저로 영공간 운동들을 통합시키는 단계를 포함한다. 상기 접근법은 가중치 부여, 스케일링, 포화 레벨, 우선순위, 마스터 속도 제한, 포화 제한 적분 및 이들의 다양한 조합을 적용하는 것을 포함한다.

Description

다중 영공간 목적 및 SLI 거동을 관리하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHODS FOR MANAGING MULTIPLE NULL-SPACE OBJECTIVES AND SLI BEHAVIORS}

본 발명 대체로 개선된 수술 및/또는 로봇 장치, 시스템 및 방법을 제공한다.

최소 침습 의료 기술은 진단 또는 수술 과정 중에 손상되는 조직의 양을 감소시킴으로써, 환자의 회복 시간, 불편함 및 유해한 부작용을 감소시키는 것을 목적으로 한다. 수 백만 건의 "개복" 수술 또는 통상적인 수술이 매년 미국에서 시행되고 있으며; 이러한 수술들 중의 다수는 잠재적으로 최소 침습식으로 시행될 수 있는 것들이다. 하지만, 수술 기구들, 기술 및 그것들을 완전히 익히는 데 필요한 추가적인 수술 훈련에 있어서의 한계로 인해, 비교적 작은 수의 수술들만이 현재 최소 침습 기술을 이용하고 있다.

수술에 사용되는 최소 침습 원격 수술 시스템은 외과의의 조작성을 증대시키는 것과 함께 외과의가 원격지에서 환자를 수술하는 것을 가능하게 해주도록 개발되고 있다. 원격 수술은 외과의가 수술 기구 운동을 조작하기 위해 기구를 직접 손으로 파지하여 운동시키는 것이 아니라 예컨대 서보기구 등의 어떤 형태의 원격 제어를 이용하게 되는 수술 시스템을 나타내는 일반적인 용어이다. 이러한 원격 수술 시스템에 있어서, 외과의는 원격지에서 수술 부위의 영상을 제공받는다. 일반적으로 적당한 뷰어 또는 디스플레이 상의 수술 부위의 3차원 영상을 보면서, 외과의는 마스터 제어 입력 장치를 조작하고, 결과적으로 로봇 기구의 운동을 제어함으로써, 환자에 대한 수술 과정을 수행한다. 로봇 수술 기구들은 종종 개복 수술의 접근법에 관련되는 외상을 피하며서 환자 내부의 수술 부위의 조직들을 치료하기 위해 작은 최소 침습 수술용 개구부를 통해 삽입될 수 있다. 이러한 로봇 시스템은 종종 최소 침습 개구부에서 기구의 샤프트를 피벗운동시키고, 개구부를 통해 기구의 샤프트를 축선방향으로 슬라이드시키고, 개구부 내에서 샤프트를 회전시키는 등에 의해, 매우 복잡한 수술 작업을 수행하기 위한 충분한 조작성을 가지고 수술 기구의 작업 단부들을 운동시킬 수 있다.

원격 수술을 위해 사용되는 서보기구는 2개의 마스터 컨트롤러(외과의의 각각의 손마다 하나씩)로부터 입력을 수취하고, 2개 이상의 로봇 암 또는 매니퓰레이터를 구비할 수 있다. 손 운동을 촬영 장치에 의해 표시되는 로봇 기구의 영상에 매핑(mapping)시킴으로써, 외과의에게 각각의 손과 연계된 기구에 대한 정밀 제어를 제공하는 것을 도와줄 수 있다. 많은 수술 로봇 시스템에 있어서, 내시경이나 다른 촬영 장치, 추가적인 수술 기구 등을 운동시키기 위한 하나 이상의 추가적인 로봇 매니퓰레이터 암이 구비된다.

다양한 구조 장치가 로봇 수술 중에 수술 부위에 위치한 수술 기구를 지지하는 데 사용될 수 있다. 피구동 링키지(driven linkage) 또는 "슬레이브(slave)"는 흔히 로봇 수술 매니퓰레이터라 불려지고, 최소 침습 로봇 수술 중의 로봇 수술 매니퓰레이터로서의 예가 미국 특허 제6,758,843호; 제6,246,200호; 및 제5,800,423호에 개시되어 있으며; 이들의 전체 개시사항이 여기에 참조된다. 이들 링키지는 흔히 샤프트를 가진 기구를 유지하기 위한 평행사변형 배열구조를 이용한다. 그러한 매니퓰레이터 구조는 기구 샤프트가 공간 내에서 강성 샤프트의 길이를 따라 포지셔닝된 구형 회전(spherical rotation)의 원격 중심(remote center) 둘레로 피벗운동하도록 기구의 운동을 제한할 수 있다. 회전의 원격 중심을 내부 수술 부위로의 절개점과 얼라이닝(aligning)시킴으로써(예컨대, 복강경 수술 중에 복벽에 위치하는 트로카(trocar) 또는 캐뉼라(cannula)에 의해), 수술 기구의 엔드 이펙터는 매니퓰레이터 링키지를 이용하여 샤프트의 근위 단부를 이동시키는 것에 의해 복벽에 잠재적으로 위험한 힘을 강제하는 일 없이 안전하게 포지셔닝될 수 있다. 대안적인 매니퓰레이터 구조가 예컨대 미국 특허 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.

이 새로운 로봇 수술 시스템 및 장치들이 매우 효과적이고 유익한 것으로 판명되었지만, 여전히 추가적인 개선점들이 요망되고 있다. 예를 들어, 매니퓰레이터 암은 어떤 조건하에서 증가된 운동 또는 구성을 제공하기 위해 추가적인 여유 조인트(additional redundant joint)를 구비할 수 있다. 하지만, 최소 침습 수술 부위 내에서 수술 기구를 이동시킬 때, 이러한 조인트는 환자 외부에서의 상당히 큰 양의 운동을, 종종 필요하거나 기대되는 것보다 더 많은 운동을 나타낼 수 있으며, 이는 특히 최소 침습 개구부 둘레로 큰 각도 범위에 걸쳐 기구를 피벗운동시킬 때 그러할 수 있다. 환자 외부 등에서의 의도치 않은 매니퓰레이터/매니퓰레이터 접촉을 방지하면서 삽입 부위에서의 피벗운동을 구속하는 높은 구성가능성의 기구학적 매니퓰레이터의 조인트 세트들에 대한 소프트웨어 제어(software control)를 채용하는 대안적인 매니퓰레이터 구조들이 제안되어 왔다. 이러한 높은 구성가능성의 "소프트웨어 센터(software center)" 수술 매니퓰레이터 시스템들은 상당히 큰 장점들을 제공할 수 있지만, 또한 도전과제들을 제시할 수도 있다. 특히, 기계적으로 구속되는 원격 중심 링키지가 어떤 조건에서는 안전상의 장점을 가질 수 있다. 또한, 흔히 이러한 매니퓰레이터에 구비되는 다수의 조인트의 광범위한 구성도는 매니퓰레이터가 특정 과정에 바람직한 구성으로 수동식으로(manually) 셋업되는 것이 어렵게 되는 결과를 초래할 수 있다. 원격 수술 시스템을 이용하여 수행되는 수술의 범위가 계속 확대되고 있기 때문에, 환자 내의 기구의 가용한 구성 및 운동의 범위의 확대에 대한 요구가 증가하고 있다. 불행히도, 이러한 변화는 모두 신체 외부에서의 매니퓰레이터의 운동과 관련된 도전과제들을 증가시킬 수 있고, 또한 매니퓰레이터 암의 불필요한 운동과 바람직하지 않은 구성 및 운동을 회피하는 것의 중요성을 증가시킨다.

이러한 이유들과 기타의 이유들로 인해, 수술, 로봇 수술 및 다른 로봇 응용을 위한 개선된 장치, 시스템 및 방법을 제공하는 것이 유익할 것이다. 이러한 개선된 기술들이 특정 작업 중에 매니퓰레이터 암의 운동의 양을 제한하는 능력의 제공 및/또는 하나 이상의 유익한 운동의 제공을 성취한다면 특히 유익할 것이다. 또한, 적어도 몇 가지 작업들을 위한 기구의 운동의 범위를 증가시키면서, 이러한 시스템의 크기, 기계적 복잡성 또는 비용을 크게 증가시키는 일없이, 조작성을 유지시키거나 개선시키면서 그와 같은 개선점들을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명은 대체로 개선된 로봇 및/또는 수술 장치, 시스템 및 방법을 제공한다. 많은 실시형태들에 있어서, 본 발명은 높은 구성가능성의 수술 로봇 매니퓰레이터를 채용하게 될 것이다. 이러한 매니퓰레이터는 예컨대 연계된 수술용 엔드 이펙터가 수술 작업 공간 내에서 가지게 되는 것보다 더 많은 운동 자유도를 가질 수 있다. 본 발명에 따른 로봇 수술 시스템은 일반적으로 로봇 수술 기구를 지지하는 매니퓰레이터 암 및 기구의 엔드 이펙터를 조작하기 위한 좌표화된 조인트 운동을 연산하는 프로세서를 포함하고 있다. 엔드 이펙터를 지지하는 로봇 매니퓰레이터의 조인트들은 매니퓰레이터가 주어진 엔드 이펙터 포지션 및/또는 주어진 피벗점 위치를 위한 일정 범위의 여러 가지 구성들 전체에 걸쳐 이동하는 것을 가능하게 해준다. 매니퓰레이터는 사용자 명령 또는 충돌 회피 운동(collision avoidance movement)과 같은 또 다른 종류의 운동에 응답하여, 재구성 운동과 같은 여러 가지 종류의 보조 운동을 가능하게 해주기 위해 추가적인 여유 조인트(additional redundant joint)를 구비할 수 있다. 본 발명의 양태들이 여유 매니퓰레이터를 가지는 매니퓰레이터 시스템에 사용하기 위한 것으로 설명되고 있지만, 다수의 양태는 비여유 매니퓰레이터(non-redundant manipulator)를 가지는 시스템에 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

하나의 양태에 있어서, 주어진 원위 엔드 이펙터의 상태를 유지하면서 하나 이상의 목적을 성취하기 위한 영공간 내에서의 매니퓰레이터 암의 여러 가지 운동들이 소망될 수 있으며; 이러한 영공간 목적(null-space objective)은 이들에 제한되는 것은 아니지만 조인트 상태, 조인트 상태들의 조합, 상대적인 조인트 상태, 일정 범위의 조인트 상태들, 일정 프로파일(profile)의 조인트 상태들, 복수의 조인트 중의 하나 이상의 조인트의 속도, 복수의 조인트 중의 하나 이상의 조인트의 속도의 집합, 복수의 조인트 중의 하나 이상의 조인트의 운동 에너지, 클러칭 운동(clutching movement), 모션 상쇄 운동, 복수의 조인트 중의 하나 이상의 조인트의 잠금, 충돌 회피 운동, 특이점 회피 운동, 매니퓰레이터 자세 선택, 소정의 매니퓰레이터 구성, 매니퓰레이터의 명령된 재구성 및 조인트들의 비등방적 증폭(anisotropic emphasis)을 포함할 수 있다. 매니퓰레이터 시스템은 다수의 상이한 영공간 목적들을 실행시키도록 구성될 수 있으며, 종종 사용자는 매니퓰레이터가 다중 영공간 목적(multiple null-space objectives)을 동시적으로 성취하는 영공간 운동들(null-space movements)을 실행시키는 것을 소망할 수 있다. 예를 들어, 영공간 운동들에 의해 4개의 상이한 목적들을 실행시키도록 구성된 매니퓰레이터에 있어서, 사용자는 목적들 중의 2개 이상이 원위 엔드 이펙터의 명령된 운동과 동시적으로 성취되는 것을 소망할 수 있다. 다중 목적을 실현하는 데 있어 조우하게 되는 한 가지 난점은 하나의 목적과 연계된 운동이 또 다른 목적의 실행과 연계된 운동에 간섭할 수 있다는 것이다. 다른 경우, 여러 가지 목적들과 연계된 영공간 운동들을 조합하는 것이 하나 또는 모든 목적과 연계된 이점을 감소시키거나, 목적들을 완전히 상쇄시켜 목적들의 특정 조합을 바람직하지 않은 것으로 만들어버릴 수 있다. 목적들을 조합하는 것과 연계되는 또 다른 난점은 흔히 매니퓰레이터의 영공간은 영공간 자원을 두고 경쟁하는 목적들의 수보다 더 적은 차원들을 가질 수 있기 때문에, 특정 목적들을 조합하는 것이 매니퓰레이터를 구속할 수 있다는 것이다. 이러한 과제들을 고려하여, 여러 가지 영공간 운동들의 이점과 장점들을 유지하는 개선된 매니퓰레이터 운동을 제공하기 위해, 다중 영공간 목적을 동시적으로 실행시킬 때 상술한 단점들을 회피하기 위해 다중 영공간 목적을 관리하는 매니저 시스템(manager system)을 가지는 매니플레이터 시스템에 대한 요구가 존재한다. 이는 영공간 목적들 사이의 소정의 관계 및/또는 거동(behavior)에 따라 영공간 운동들을 실행시키도록 다중 영공간 목적을 관리하는 것에 의해 성취될 수 있다. 이러한 영공간 목적은 본 명세서에서 참조되는 출원들에 설명된 임의의 영공간 작업 또는 여러 가지 다른 영공간 작업들을 포함할 수 있다. 여러 가지 상이한 접근법들 또는 알고리즘들이 다중 영공간 목적들을 그들 각각의 속성에 기초하여 통합시키는 데 이용될 수 있으며, 각각의 속성은 가중치 부여(weighting), 스케일링(scaling), 포화 레벨(saturation level), 목적들 간의 우선순위(priority), 마스터 속도 제한(master velocity limiting) 및 포화 제한 적분기 알고리즘(saturated limited integrator algorithm) 또는 매니퓰레이터 운동과 연계된 여러 가지 다른 양태들을 포함할 수 있다.

어떤 양태에 있어서, 영공간 목적들에 의해 제공되는 하나 이상의 조인트의 소정의 운동은 조인트 상태, 조인트 상태들의 조합, 상대적인 조인트 상태, 일정 범위의 조인트 상태들, 일정 프로파일의 조인트 상태들 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 소정의 운동은 제1 세트의 조인트들 중의 조인트들 간에 상대적으로 균일한 조인트 속도를 유지시키는 것, 조인트 속도들을 소정의 범위 내에 또는 조인트 한계에서 제한하는 것 및/또는 매니퓰레이터의 소정의 자세나 충돌 방지 구성에 대응되는 일정 조합의 조인트 상태들을 유지시키는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 하나의 양태에 있어서, 조작 입력부를 갖는 여유 자유도(Redundant Degrees Of Freedom; RDOF) 수술 로봇 시스템이 제공된다. 이 RDOF 수술 로봇 시스템은 매니퓰레이터 어셈블리, 하나 이상의 사용자 입력 장치 및 컨트롤러를 구비한 프로세서를 포함하고 있다. 어셈블리의 매니퓰레이터 암은 주어진 엔드 이펙터 상태를 위한 일정 범위의 조인트 상태들을 가능하게 해주기에 충분한 자유도를 제공하는 복수의 조인트를 가진다. 일반적으로, 소정의 운동으로 엔드 이펙터를 이동시키기 위한 조작 명령을 수취하는 것에 응답하여, 시스템은 영공간과 직교하는 자코비안의 영직교공간(null-perpendicular-space) 내에서의 조인트 속도들을 연산함으로써 조인트의 엔드 이펙터 변위 운동을 연산하고, 소정의 엔드 이펙터 운동을 실행시키도록 연산된 운동에 따라 조인트들을 구동시킨다. 하나 이상의 조인트의 증가된 운동의 범위를 제공하기 위해 또는 여러 가지 보조 작업들을 가능하게 해주기 위해, 시스템은 최근위 레볼루트 조인트(proximal most revolute joint) 및/또는 기구를 매니퓰레이터 암의 근위 부분에 연결시키는 원위 레볼루트 조인트를 구비할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 매니퓰레이터는 기구 샤프트의 중간 부분이 원격 중심을 중심으로 피벗운동하도록 이동하게 구성된다. 매니퓰레이터와 기구 사이에, 기구 샤프트의 중간 부분이 액세스 부위를 통과되었을 때 엔드 이펙터 포지션을 위한 일정 범위의 조인트 상태들을 가능하게 해주기에 충분한 자유도를 제공하는 복수의 피구동 조인트가 존재한다. 컨트롤러를 가진 프로세서가 입력 장치를 매니퓰레이터에 연결시킨다. 소정의 엔드 이펙터 운동을 실행시키기 위한 조작 명령을 수취하는 것에 응답하여, 시스템은 영공간과 직교하는 자코비안의 영직교공간 내에서의 조인트 속도들을 연산하는 것을 포함하여 조인트들의 엔드 이펙터 변위 운동을 연산한다.

하나의 양태에 있어서, 매니퓰레이터 암의 근위 부분은 조인트들이 구동되는 동안 당해 근위 부분의 베이스에 대한 운동이 방지되도록 베이스에 부착된다. 또 다른 양태에 있어서, 매니퓰레이터 암의 근위 부분은 조인트들이 구동되는 동안 당해 근위 부분이 베이스에 대해 운동가능하도록 조인트에 의해 베이스에 연결된다. 하나의 예시의 실시형태에 있어서, 매니퓰레이터의 근위 부분을 베이스에 연결시키는 조인트는 레볼루트 조인트이고, 이 레볼루트 조인트는 당해 레볼루트 조인트의 조인트 운동이 매니퓰레이터 암의 하나 이상의 조인트를 당해 레볼루트 조인트의 피벗 축선을 중심으로 피벗운동시키도록 매니퓰레이터 암을 지지한다. 일부 실시형태에 있어서, 레볼루트 조인트의 피벗 축선은 조인트로부터 엔드 이펙터의 기구 샤프트가 피벗운동하는 중심이 되는 원격 중심을 통과하여 연장된다. 하나의 양태에 있어서, 레볼루트 조인트의 운동은 매니퓰레이터 암의 하나 이상의 조인트를 원위측으로 경사져 원위 엔드 이펙터, 일반적으로 원격 중심을 향해 배향된(orientated) 원추역 주위를 피벗운동시킨다. 이 양태에서 매니퓰레이터 암이 그 주위를 피벗운동하게 되는 이 원추역은 이하에 상세하게 설명되는 툴의 운동이 불가능하거나 손상될 수 있는 툴 팁의 운동의 범위 내의 원추형 보이드(conical void)에 해당된다.

또 다른 양태에 있어서, 매니퓰레이터의 근위 부분을 베이스에 연결시키는 조인트는 베이스에 대해 일반적으로 아치형 또는 대체로 원형 경로인 하나의 경로를 따라 운동가능하며, 이 경로를 따른 조인트의 운동이 기구 근방의 매니퓰레이터 암의 원위 부분을 통해, 바람직하게는 기구 샤프트가 피벗운동하는 중심이 되는 원격 중심을 통해 연장되는 축선을 중심으로 매니퓰레이터 암의 하나 이상의 조인트를 피벗운동시킨다. 일부 실시형태에 있어서, 매니퓰레이터는 매니퓰레이터의 근위 부분을 베이스에 연결시키는 레볼루트 조인트로서, 선형, 아치형 또는 대체로 원형일 수 있는 경로를 따라 베이스에 대해 운동가능한 레볼루트 조인트를 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 근위 레볼루트 조인트 및 원위 평행사변형 링키지를 구비한 수술 로봇 매니퓰레이터가 제공되고, 레볼루트 조인트의 피벗 축선은 엔드 이펙터의 기구 샤프트의 축선과 실질적으로 교차하고, 바람직하게는 적용가능한 경우에 원격 중심에서 만난다.

본 발명의 특성 및 장점들의 보다 완전한 이해는 본 명세서의 나머지 부분 및 도면을 참조함으로써 명백해질 것이다.

도 1a는 본 발명의 실시형태들에 따른 로봇 수술 시스템의 평면도로서, 환자 내의 내부 수술 부위에서 수술용 엔드 이펙터들을 가진 수술 기구들을 로봇식으로 이동시키기 위한 복수의 로봇 매니퓰레이터를 구비한 수술 스테이션을 가지는 로봇 수술 시스템의 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 로봇 수술 시스템을 다이어그램으로 도시하고 있다.
도 2는 도 1a의 로봇 수술 시스템 내에 수술 과정 명령들을 입력하기 위한 마스터 외과의 콘솔 즉 워크스테이션을 도시한 사시도로서, 입력 명령들에 응답하여 매니퓰레이터 명령 신호들을 발생시키기 위한 프로세서를 구비하는 마스터 외과의 콘솔의 사시도이다.
도 3은 도 1a의 전자장치 카트의 사시도이다.
도 4는 4개의 매니퓰레이터 암을 가진 환자측 카트의 사시도이다.
도 5a-5d는 하나의 예시의 매니퓰레이터 암을 도시하고 있다.
도 6a-6b는 각각 피치 포워드 구성(pitch forward configuration) 및 피치 백 구성(pitch back configuration)에서의 예시의 매니퓰레이터 암을 도시하고 있다.
도 6c는 피치 포워드 구성 및 피치 백 구성의 각각에서의 콘 오브 사일런스(cone of silence) 즉 원추형 툴 액세스 제한 구역을 포함하는, 예시의 매니퓰레이터 암의 수술 기구 툴 팁의 운동의 범위의 그래프도를 도시하고 있다.
도 7a는 매니퓰레이터 암을 근위 레볼루트 조인트(proximal revolute joint)의 축선을 중심으로 회전시키는 근위 레볼루트 조인트를 가진 예시의 매니퓰레이터 암을 도시하고 있다.
도 7b는 예시의 매니퓰레이터 암 및 그 운동의 범위 및 콘 오브 사일런스의 범위를 도시한 도면으로서, 그것의 운동이 도시된 콘 오브 사일런스를 감소시키는 데 사용될 수 있는 근위 레볼루트 조인트의 축선 둘레로 매니퓰레이터 암을 회전시키는 근위 레볼루트 조인트를 가진 예시의 매니퓰레이터의 암을 도시하고 있다.
도 8은 원위 기구 홀더 근방에 레볼루트 조인트를 가진 예시의 매니퓰레이터 암을 도시하고 있다.
도 9는 원위 기구 홀더 근방에 조인트 축선을 중심으로 기구 홀더를 회전시키거나 비틀림운동시키는 레볼루트 조인트를 가지는 예시의 매니퓰레이터 암을 도시하고 있다.
도 10a-10c는 원위 기구 홀더 근방에 레볼루트 조인트를 가진 예시의 매니퓰레이터 암의, 조인트가 조인트 운동의 범위 전체에 걸쳐 운동될 때의 순차도를 도시하고 있다.
도 11a-11b는 원위 레볼루트 조인트를 가진 예시의 매니퓰레이터 암의, 조인트의 각도 변위가 각각 0°일 때와 90°일 때의 회전 프로파일을 도시하고 있다.
도 12a-12c는 조인트의 경로 주위에서 매니퓰레이터 암을 지지하는 근위 조인트를 이동시키는 근위 조인트를 가진 예시의 매니퓰레이터 암을 도시하고 있다.
도 13a-13b는 예시의 매니퓰레이터 어셈블리의 자코비안의 영공간과 영직교공간(null-perpendicular-space) 사이의 관계를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 14a-14d는 특정 실시형태들에 따라 매니저를 이용하여 다중 영공간 목적을 통합시키는 여러 가지 접근법을 그래프로 도시하고 있다.
도 15는 하나의 예시의 매니퓰레이터 어셈블리에서 일반적인 알고리즘을 구현하는 데 사용되는 블록도를 도시하고 있다.
도 16-17은 본 발명의 양태들에 따른 예시적인 방법들의 블록도를 도시하고 있다.

본 발명은 대체로 개선된 수술 및 로봇 장치, 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명은 수술 과정 중에 복수의 수술 툴 또는 기구가 연계된 복수의 로봇 매니퓰레이터 상에 장착되거나 그것들에 의해 이동될 수술 로봇 시스템과 함께 사용하는 데 특히 유익하다. 이 로봇 시스템들은 흔히 마스터-슬레이브 컨트롤러로서 구성되는 프로세서를 구비하는 원격 로봇, 원격 수술 및/또는 원격 현장감 시스템을 포함한다. 비교적 큰 수의 자유도를 갖는 관절형 링키지들을 구비한 매니퓰레이터 어셈블리를 이동시키도록 적절히 구성된 프로세서를 채용한 로봇 시스템을 제공하는 것에 의해, 링키지들의 운동이 최소 침습 액세스 부위를 통한 작업에 맞춤구성될 수 있다.

여기에 설명되는 로봇 매니퓰레이터 어셈블리는 흔히 로봇 매니퓰레이터 및 그것들에 장착되는 툴(툴은 종종 수술 형태들에서 수술 기구를 포함)을 포함하고 있지만, "로봇 어셈블리"란 용어는 툴이 그것에 장착되지 않는 매니퓰레이터도 포함할 것이다. "툴(tool)"이란 용어는 통상적인 즉 산업 로봇 툴과 특수화된 로봇 수술 기구의 모두를 포함하며, 후자의 구조는 종종 조직(tissue)의 조작, 조직의 치료, 조직의 촬영 등에 적합한 엔드 이펙터를 포함한다. 툴/매니퓰레이터 인터페이스는 종종 툴의 신속한 제거 및 대체 툴에 의한 교체를 가능하게 해주는 신속 분리 툴 홀더 또는 커플링이 될 것이다. 매니퓰레이터 어셈블리는 종종 로봇 수술 과정 중의 적어도 일부분 동안 공간 내에 고정되어 있게 되는 베이스를 가질 것이며, 매니퓰레이터 어셈블리는 베이스와 툴의 엔드 이펙터 간에 다수의 자유도를 구비할 것이다. 엔드 이펙터의 작동(그립 장치의 조(jaw)의 개방 또는 폐쇄, 전자 수술 패들(paddle)의 통전 등)은 종종 이러한 매니퓰레이터 어셈블리의 자유도로부터 독립적이고 추가적인 것일 것이다.

엔드 이펙터는 일반적으로 2개 내지 6개의 자유도를 가지고 작업 공간 내에서 이동할 것이다. 여기에 사용되는 것으로서, "포지션(position)"이라는 용어는 위치(location)와 배향(orientation)을 모두 포함한다. 따라서, 엔드 이펙터(예를 들어)의 포지션의 변화는 제1 위치로부터 제2 위치로의 엔드 이펙터의 이동, 제1 배향으로부터 제2 배향으로의 엔드 이펙터의 회전 또는 양자의 조합을 포함할 수 있다. 최소 침습 로봇 수술을 위해 사용될 때, 매니퓰레이터 어셈블리의 운동은 샤프트나 툴 또는 기구의 중간 부분의 운동이 최소 침습 수술 액세스 부위나 다른 개구부를 통한 안전한 운동으로 제한되도록 시스템의 프로세서에 의해 제어될 수 있다. 그와 같은 운동에는 예컨대 개구부 부위를 통한 수술 작업 공간 내로의 샤프트의 축선방향 삽입, 샤프트 축선을 중심으로 하는 샤프트의 회전 및 액세스 부위에 인접한 피벗점을 중심으로 한 샤프트의 피벗운동이 포함될 수 있다.

여기에 설명되는 예시의 매니퓰레이터 어셈블리들 중의 다수는 수술 부위 내에서 엔드 이펙터를 포지셔닝시키고 이동시키는 데 필요한 것보다 더 많은 자유도를 가진다. 예컨대, 최소 침습 개구부를 통해 내부 수술 부위에 6개의 자유도를 가지고 포지셔닝될 수 있는 수술용 엔드 이펙터가 몇몇의 실시형태에 있어서는 9개의 자유도(6개의 엔드 이펙터 자유도(위치를 위한 3개의 자유도, 배향을 위한 3개의 자유도) + 액세스 부위 제약에 순응하기 위한 3개의 자유도)를 가질 수 있으며, 종종 10개 이상의 자유도도 가질 것이다. 주어진 엔드 이펙터 포지션을 위해 필요한 것보다 더 많은 자유도를 갖는 높은 구성가능성의 매니퓰레이터 어셈블리는 작업 공간 내에서의 엔드 이펙터 포지션을 위한 일정 범위의 조인트 상태들을 가능하게 해주기에 충분한 자유도를 가지거나 제공하는 것으로서 설명될 수 있다. 예컨대, 주어진 엔드 이펙터 포지션을 위해, 매니퓰레이터 어셈블리는 일정 범위의 선택적인 매니퓰레이터 링키지 포지션들 중의 어느 하나를 차지할 수 있다(그리고 일정 범위의 선택적인 매니퓰레이터 링키지 포지션들 사이에서 구동될 수 있다). 마찬가지로, 주어진 엔드 이펙터 속도 벡터를 위해, 매니퓰레이터 어셈블리는 자코비안(Jacobian)의 영공간(null-space) 내에서의 매니퓰레이터 어셈블리의 여러 가지 조인트를 위한 일정 범위의 여러 가지 조인트 운동 속력들을 가진다.

본 발명은 광범위한 운동이 요망되고, 다른 로봇 링키지, 수술 요원 및 장비 등의 존재로 인해 제한된 전용 공간만이 가용한 수술(및 기타) 용례에 특히 적합화된 로봇 링키지 구조를 제공한다. 이러한 큰 범위의 운동과 각각의 로봇 링키지에 필요한 공간의 감소는 로봇 지지 구조물의 위치와 수술 또는 다른 작업 공간 사이에 더 큰 유연성도 제공할 수 있어, 셋업을 조장(facilitating)하고 셋업의 속도를 높여준다.

조인트 등의 "상태(state)"라는 용어는 여기에서 종종 조인트와 연계된 제어 변수와 관련되어 있다. 예컨대, 각도 조인트(angular joint)의 상태는 각도 조인트의 운동의 범위 내에서의 각도 조인트에 의해 한정되는 각도 및/또는 각도 조인트의 각속도와 관련될 수 있다. 마찬가지로, 축선방향 또는 프리즈메틱 조인트(prismatic joint)는 프리즈메틱 조인트의 축선방향 포지션 및/또는 축선방향 속도와 관련될 수 있다. 여기에 설명되는 다수의 컨트롤러는 속도 컨트롤러를 포함하며, 종종 일부 포지션 제어 양태를 가지기도 한다. 대안적인 실시형태는 주로 또는 전적으로 포지션 컨트롤러, 가속도 컨트롤러 등에 의존한다. 그와 같은 장치들에 사용될 수 있는 제어 시스템의 다수의 양태들이 미국 특허 제6,699,177호에 더 상세하게 설명되어 있으며, 그 전체 개시사항이 여기에 참조된다. 따라서, 설명되는 운동들이 연계된 연산들에 기초하고 있는 한, 여기에 설명되는 조인트들의 운동들의 연산들과 엔드 이펙터의 운동들은 포지션 제어 알고리즘, 속도 제어 알고리즘, 양자의 조합 등을 사용하여 수행될 수 있다.

많은 실시형태들에 있어서, 예시의 매니퓰레이터 암의 툴은 최소 침습 개구부에 인접한 피벗점을 중심으로 피벗운동한다. 일부 실시형태에 있어서, 시스템은 그 전체 개시내용이 여기에 참조되는 미국 특허 제6,786,896호에 개시된 원격 중심 기구학과 같은 하드웨어 원격 중심(hardware remote center)을 활용할 수 있을 것이다. 그와 같은 시스템은 매니퓰레이터에 의해 지지되는 기구의 샤프트가 원격 중심점을 중심으로 피벗운동하도록 링키지들의 운동을 구속하는 이중 평행사변형 링키지를 활용할 수 있을 것이다. 대안적인 기계적으로 구속되는 원격 중심 링키지 시스템들이 공지되어 있으며, 미래에 발전될 수 있을 것이다. 놀랍게도, 본 발명의 다양한 양태들과 관련한 작업은 원격 중심 링키지 시스템이 높은 구성가능성의 기구학적 구조로부터 이익을 얻을 수 있다는 것을 나타낸다. 특히, 수술 로봇 시스템이 최소 침습 수술 엑세스 부위에서 또는 그 근방에서 교차하는 2개의 축선을 중심으로 한 피벗운동을 가능하게 해주는 링키지를 가질 때, 구형 피벗운동(spherical pivotal motion)이 환자 내에서의 소정의 운동 범위의 전체를 아우를 수 있지만, 여전히 피할 수 있는 결점들(불량하게 컨디셔닝됨(poorly conditioned), 환자 외부에서의 암 대 암(arm-to-arm) 또는 암 대 환자(arm-to-patient)의 접촉 가능성이 높음 등)에 의해 어려움을 겪을 수 있다. 언뜻, 액세스 부위에서 또는 그 근방에서의 피벗운동에 역시 기계적으로 구속되는 하나 이상의 추가적인 자유도를 부가하는 것이 운동의 범위에 있어서 개선을 거의 제공하지 못하거나 경미한 개선만을 제공하는 것으로 보일 수 있다. 놀랍게도, 이러한 조인트는 전체 시스템이 충돌 방지 자세로 구성되는 것 또는 충돌 방지 자세로 구동되는 것을 가능하게 해주는 것에 의한, 다른 수술 과정들을 위해 운동의 범위를 더 확장시키는 것 등에 의한 중대한 장점들을 제공할 수 있다. 몇몇의 실시형태에 있어서, 시스템은 그 전체 개시내용이 여기에 참조되는 미국 특허 8,004,229호에 설명되어 있는 바와 같이, 원격 중심을 성취하는 데 소프트웨어를 활용할 수 있을 것이다. 소프트웨어 원격 중심(software remote center)을 가진 시스템에 있어서, 프로세서는 기계적 제약에 반하여, 결정된 피벗점을 중심으로 기구 샤프트의 중간 부분을 피벗운동시키도록 조인트의 운동을 연산한다. 소프트웨어 피벗점을 연산하는 능력을 가짐으로써, 시스템의 순응성 또는 경직성으로 특징지워지는 여러 가지 모드가 선택적으로 구현될 수 있다. 더 구체적으로는, 일정 범위의 피벗점/중심(예컨대, 이동가능한 피벗점, 수동형 피벗점, 고정형/강성 피벗점, 연성 피벗점 등)에 걸친 여러 가지 모드가 원하는 대로 구현될 수 있다.

다중의 높은 구성가능성의 매니퓰레이터들을 가진 로봇 수술 시스템의 많은 장점들에도 불구하고, 매니퓰레이터들이 여유 자유도를 가지고서 베이스와 기구 사이에 상대적으로 많은 개수의 조인트 및 링크를 구비하기 때문에, 원위 엔드 이펙터 및/또는 원격 중심의 소정의 운동을 성취하기 위한 복수의 조인트의 명령된 운동이 바람직하지 않은 조인트 속도, 하나 이상의 조인트와 연계된 과도한 운동 에너지를 발생시키거나, 소정의 운동 선택을 충족시키지 못하는 운동을 발생시킬 수 있다. 바람직하지 않은 조인트 속도의 예로는 바람직하지 않은 조인트 상태들의 조합, 하나 이상의 조인트의 과도한 조인트 속도 또는 불균형적인 조인트 상태들이 포함될 수 있다. 본 발명은 명령된 엔드 이펙터 운동 중에 하나 이상의 조인트를 위한 조인트 상태들의 조합과 같은 소정의 운동 또는 본 명세서에 설명되는 여타의 운동을 제공한다.

하나의 양태에 있어서, 회피 운동, 명령된 재구성, 소정의 매니퓰레이터 자세 또는 조인트 거동(behavior)과 같은 여러 가지 다른 목적들과 관련하여 연산된 영공간 운동(calculated null-space movement)이 연산된 조인트 속도들에 오버레이(overlay)되어, 여러 가지 다른 목적들을 성취하는 것과 동시적인 명령된 엔드 이펙터 운동을 성취한다. 이는 다중 목적에 따르거나 또는 다중 목적이 상충(confliction)할 때 적어도 다중 목적 간의 소정의 관계 및/또는 거동에 따르는 영공간 운동을 제공하도록 다중 목적과 연계된 영공간 운동들을 통합시키는 영공간 매니저 시스템(null-space manager system)을 이용함으로써 성취된다.

어떤 양태에 있어서, 매니퓰레이터 시스템은 그 각각이 목적이 하나밖에 없고, 각각의 목적 함수에 몇몇의 유용한 속성들을 할당하고, 개개의 목적 함수의 출력을 영공간 매니저로 전송하는 양상을 띠는 독립적 소프트웨어 엔티티(entity)로서 각각의 영공간 목적 함수(null-space objective function)를 결정하도록 구성된다. 영공간 매니저는 일반적으로 거기에 기재된 방법들을 실행시키는 것에 의해 목적들을 관리하기 위한 프로그래밍가능한 명령어를 기록한 시스템의 프로세서를 포함한다. 영공간 매니저는 여기에 설명되는 방법들 및 접근법들 중의 어느 것에 따라 여러 가지 목적들과 연계된 영공간 운동들을 관리하기 위한 하나 이상의 모드를 구비할 수 있다. 다음으로, 영공간 목적들의 속성들이 매니저에 의해 다수의 입력들을 통합된 영공간 명령으로 조합시키는 데 이용되며, 그런 다음 통합된 영공간 명령은 영직교 공간 명령과 조합되어 매니퓰레이터의 조인트 컨트롤러로 전송될 수 있다. 매니저는 각각의 속성들에 기초하여 다중 영공간 목적을 통합시키는 데, 가중치 부여(weighting), 스케일링(scaling), 포화 레벨(saturation level), 목적들 간의 우선순위(priority), 마스터 속도 제한(master velocity limiting) 및 포화 제한 적분기 알고리즘(saturated limited integrator algorithm) 또는 여러 가지 다른 피처들을 포함할 수 있는 여러 가지 상이한 접근법 또는 알고리즘을 이용할 수 있다. 하나의 양태에 있어서, 영공간 계수들이 한 세트의 영공간 기저 벡터(null-space basis vector)들을 위한 멀티플라이어(multiplier)들일 수 있다.

그와 같은 회피 운동들의 예가 "영공간을 이용한 매니퓰레이터 암 대 환자 충돌 회피(Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space)" 라는 명칭으로 2012년 6월 1일자로 제출된 미국 가특허출원 제61/654,755호; 및 "영공간을 이용하여 매니퓰레이터 암들 사이의 충돌을 회피시키기 위한 시스템 및 방법(System and Methods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space)" 라는 명칭으로 2012년 6월 1일자로 제출된 미국 가특허출원 제61/654,773호에 개시되어 있으며, 그 전체 개시내용이 여기에 참조된다. 명령된 재구성을 이용하는 영공간 목적들의 예가 "영공간을 이용한 수술 매니퓰레이터의 명령된 재구성(Commanded Reconfiguration of a Surgical Manipulator Using the Null-Space)" 이라는 명칭으로 2012년 6월 1일자로 제출된 미국 가특허출원 61/654,764호에 개시되어 있으며, 그 전체 개시내용이 여기에 참조된다.

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

이제 동일한 도면부호가 여러 도면에 걸쳐 동일한 부분을 나타내고 있는 도면을 참조하면, 도 1a는 수술대(14) 위에 누워 있는 환자(12)에 대해 최소 침습 진단 또는 수술 과정을 수행하기 위해 사용되는 다수의 실시형태에 따른 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 과정 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 1b는 로봇 수술 시스템(50)(도 1a의 MIRS 시스템(10)과 같은)을 다이어그램으로 도시하고 있다. 전술한 바와 같이, 외과의 콘솔(52)(도 1a의 외과의 콘솔(16)과 같은)은 최소 침습 수술 과정 중에 환자측 카트(수술 로봇)(54)(도 1a의 환자측 카트(22)와 같은)를 제어하도록 외과의에 의해 사용될 수 있다. 환자측 카트(54)는 수술 부위의 영상을 촬영하고, 촬영된 영상을 전자장치 카트(56)(도 1a의 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 오버레이할 수 있다. 환자측 카트(54)는 촬영된 영상들을 전자장치 카트(56) 외부에서 처리하기 위해 출력할 수 있다. 예컨대, 환자측 카트(54)는 프로세서(58)로 촬영된 영상을 출력할 수 있으며, 촬영된 영상을 처리하기 위해 사용될 수 있다. 영상들은 또한 전자장치 카트(56)와 프로세서(58)의 조합에 의해 처리될 수도 있으며, 촬영된 영상들을 공동적으로, 순차적으로 그리고/또는 공동과 순차의 조합으로 처리하도록 함께 결합될 수 있다. 하나 이상의 별개의 디스플레이(60)가 또한 수술 부위의 영상이나 다른 관련 영상과 같은 영상의 현지 및/또는 원격 표시를 위해 프로세서(58) 및/또는 전자장치 카트(56)와 결합될 수도 있다.

도 2는 외과의 콘솔(16)의 사시도이다. 외과의 콘솔(16)은 외과의(18)에게 깊이 지각을 가능하게 해주는 수술 부위의 통합 입체 뷰를 제공하는 좌안 디스플레이(32) 및 우안 디스플레이(34)를 구비하고 있다. 콘솔(16)은 또한 환자측 카트(22)(도 1a 도시)가 하나 이상의 툴을 조작하게 만드는 하나 이상의 입력 제어 장치(36)를 구비하고 있다. 입력 제어 장치(36)는 외과의에게 원격 현장감 또는 외과의가 툴(26)을 직접 제어한다는 강한 느낌을 가지도록 입력 제어 장치(36)가 툴(26)과 일체라는 지각을 제공하기 위해 연계된 툴(26)(도 1a 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 얼라인먼트(alignment)를 포함할 수 있고, 입체 내시경의 입체 작동 거리를 조절하는 것을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 영상 처리는 광학 수차와 같은 촬영 장치의 촬영 오차를 보정하기 위한 선결정된 카메라 보정 파라미터의 이용을 포함할 수 있다.

도 4는 각각이 원위 단부에서 수술 기구 또는 툴(26)을 지지하는 복수의 매니퓰레이터 암을 가진 환자측 카트(22)를 도시하고 있다. 도시된 환자측 카트(22)는 수술 툴(26)이나 수술 부위의 영상의 촬영을 위해 사용되는 입체 내시경과 같은 촬영 장치(28)를 지지하도록 사용될 수 있는 4개의 매니퓰레이터 암(100)을 포함하고 있다. 조작은 다수의 로봇 조인트를 갖는 로봇 매니퓰레이터 암(100)에 의해 제공된다. 촬영 장치(28) 및 수술 툴(26)은 절개부의 크기를 최소화하기 위해 운동학적 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 위치될 때는 수술 툴(26)의 원위 단부의 영상을 포함할 수 있다.

수술 툴(26)에 관해서는, 여러 가지 형태의 다양한 선택적인 로봇 수술 툴 또는 기구 및 여러 가지 엔드 이펙터가 사용될 수 있으며, 매니퓰레이터들 중의 적어도 몇몇의 기구는 수술 과정 중에 제거되어 교체된다. 드베키 포셉(DeBakey Forcep), 마이크로포셉(microforcep), 포츠 시저스(Potts scissors) 및 클립 어플라이어(clip applier)를 포함하는 이러한 엔드 이펙터들 중의 몇몇은 한쌍의 엔드 이펙터 조(jaw)를 형성하도록 서로에 대해 피벗운동하는 제1 및 제2 엔드 이펙터 요소를 구비한다. 스칼펠(scalpel) 및 전기소작 프로브를 포함하는 다른 엔드 이펙터는 단일의 엔드 이펙터 요소를 가진다. 엔드 이펙터 조를 가진 기구에 대해서는, 조는 흔히 핸들의 그립 부재들을 압착함으로써 작동될 것이다. 단일 요소형 엔드 이펙터 기구도 예컨대 전기소작 프로브를 통전시키는 등을 위해 그립 부재들을 파지함으로써 작동될 수 있다.

기구(26)의 기다란 샤프트는 엔드 이펙터 및 샤프트의 원위 단부가 최소 침습 개구부를 통해, 흔히 복벽 등을 통해 수술 작업 부위 내로 원위방향으로 삽입되는 것을 가능하게 해준다. 수술 작업 부위는 공기취입될 수 있고, 환자 내에서의 엔드 이펙터의 운동은 종종 적어도 부분적으로 샤프트가 최소 침습 개구부를 통과하는 위치를 중심으로 기구(26)를 피벗운동시키는 것에 의해 실행될 것이다. 다시 말해, 매니퓰레이터(100)는 샤프트가 엔드 이펙터의 소정의 운동을 제공하는 것을 도와주기 위해 최소 침습 개구부 위치를 통해 연장되도록 환자 외부에서 기구의 근위 하우징을 이동시킬 것이다. 따라서, 매니퓰레이터(100)는 종종 수술 과정 중에 환자 외부에서 상당히 큰 운동을 거치게 될 것이다.

본 발명의 다수의 실시형태에 따른 예시의 매니퓰레이터 암이 도 5a-12c를 참조하여 이해될 수 있다. 전술된 바와 같이, 매니퓰레이터 암은 대체로 원위 기구 또는 수술 툴을 지지하고, 베이스에 대해 상대적인 기구의 운동을 실행시킨다. 여러 가지 엔드 이펙터를 갖는 다수의 상이한 기구가 수술 과정 중에 각각의 매니퓰레이터 상에 순차적으로 장착되기 때문에(일반적으로 수술 보조원의 도움으로), 원위 기구 홀더는 장착된 기구 또는 툴의 신속한 제거 및 교체를 허용하는 것이 바람직할 것이다. 도 4를 참조하여 이해될 수 있는 바와 같이, 매니퓰레이터들은 환자측 카트의 베이스에 근위측에서 장착된다. 일반적으로, 매니퓰레이터 암은 복수의 링키지 및 베이스와 원위 기구 홀더 사이에 연장된 연계된 조인트들을 포함하고 있다. 하나의 양태에 있어서, 예시의 매니퓰레이터는 매니퓰레이터 암의 조인트들이 주어진 엔드 이펙터 포지션을 위한 일정 범위의 여러 가지 구성들로 구동될 수 있도록 여유 자유도를 갖는 복수의 조인트를 구비하고 있다. 이는 여기에 개시되는 매니퓰레이터 암의 실시형태들 중의 어느 것에도 해당될 수 있다.

어떤 실시형태들에 있어서, 예컨대 도 5a에 도시된 바와 같이, 예시의 매니퓰레이터 암은 근위 레볼루트 조인트(proximal revolute joint)(Jl)를 구비하고 있고, 근위 레볼루트 조인트(J1)는 제1 조인트 축선을 중심으로 회전하여 그것의 원위측의 매니퓰레이터 암을 조인트 축선을 중심으로 회전시키다. 몇몇의 실시형태에 있어서는, 레볼루트 조인트(J1)는 베이스에 직접 장착되는 한편, 다른 실시형태들에 있어서는, 조인트(J1)는 하나 이상의 이동가능한 링키지 또는 조인트에 장착될 수 있다. 매니퓰레이터의 조인트들은 조합하여 매니퓰레이터 암의 조인트들이 주어진 엔드 이펙터 포지션을 위한 일정 범위의 여러 가지 구성들로 구동될 수 있도록 하는 여유 자유도를 가진다. 예컨대, 도 5a-5d의 매니퓰레이터 암은, 기구 홀더(510) 내에 지지된 원위 부재(511)가 특정 상태를 유지하고 있는 동안에, 여러 가지 구성으로 기동될 수 있고, 엔드 이펙터의 주어진 포지션 또는 속도를 구비할 수 있다. 원위 부재(511)는 일반적으로 툴 샤프트(512)가 그것을 통해 연장되게 해주는 캐뉼라이며, 기구 홀더(510)는 일반적으로 기구가 캐뉼라(511)를 통해 최소 침습 개구부를 통과하여 환자의 신체 내로 연장되기 전에 기구가 부착되게 되는 캐리지(스파(spar) 상에서 이동하는 벽돌 모양 구조물)이다.

도 5a-5d의 매니퓰레이터 암(500)의 개개의 링크들을 도 5a-5d에 도시된 바와 같이 링크들을 연결하는 조인트들의 회전 축선들과 함께 설명하면, 제1 링크(504)는 그것의 조인트 축선을 중심으로 피벗운동하는 피벗 조인트(J2)로부터 원위방향으로 연장되어 있고, 그것의 조인트 축선을 중심으로 회전하는 레볼루트 조인트(J1)에 연결되어 있다. 다수의 나머지 조인트들은 도 5a에 도시된 바와 같이 그것들의 연계된 회전 축선들에 의해 식별될 수 있다. 예컨대, 도시된 바와 같이, 제1 링크(504)의 원위 단부는 그것의 피벗 축선을 중심으로 피벗운동하는 피벗 조인트(J3)에서 제2 링크(506)의 근위 단부에 연결되어 있고, 제3 링크(508)의 근위 단부는 그것의 축선을 중심으로 피벗운동하는 피벗 조인트(J4)에서 제2 링크(506)의 원위 단부에 연결되어 있다. 제3 링크(508)의 원위 단부는 피벗 조인트(J5)에서 기구 홀더(510)에 연결되어 있다. 일반적으로, 조인트들(J2, J3, J4, J5)의 각각의 피벗 축선들은 실질적으로 평행하고, 링키지들은 도 5d에 도시된 바와 같이 서로 나란히 포지셔닝되었을 때 "겹쳐 있는" 것처럼 보여져, 매니퓰레이터 암의 감소된 폭(W)을 제공하고, 매니퓰레이터의 기동 중의 환자 클리어런스(patient clearance)를 향상시킨다. 어떤 실시형태들에 있어서는, 기구 홀더도 최소 침습 개구부를 통한 기구(306)의 축선방향 운동을 조장(facilitating)하고, 그것을 통해 기구가 슬라이드 가능하게 삽입되는 캐뉼라에 대한 기구 홀더의 부착을 조장하는 프리즈메틱 조인트(J6)와 같은 추가적인 조인트를 구비한다.

그것을 통해 툴(512)이 연장되는 원위 부재 또는 캐뉼라(511)는 기구 홀더(510)의 원위측에서 추가적인 자유도를 구비할 수 있다. 기구의 자유도 작동은 흔히 매니퓰레이터의 모터에 의해 구동될 것이며, 대안적인 실시형태들은 기구 상에 위치되는 것으로 여기에 개시된 하나 이상의 조인트가 그 대신에 신속 분리가능 기구 홀더/기구 인터페이스 상에 위치되도록 하거나, 반대로 하나 이상의 조인트가 신속 분리가능 기구 홀더/기구 인터페이스가 아닌 기구 상에 위치되도록 하여, 신속 분리가능 기구 홀더/기구 인터페이스에서 기구를 지지 매니퓰레이터 구조부로부터 분리할 수 있다. 몇몇의 실시형태에 있어서, 캐뉼라(511)는 툴 팁의 삽입 지점 즉 대체로 최소 침습 개구부 부위에 배치되는 피벗점(PP) 근방 또는 근위측에 회전 조인트(J7)(도시 안됨)를 구비한다. 기구의 원위 리스트(wrist)가 기구 리스트에 위치한 하나 이상의 조인트의 기구 조인트 축선을 중심으로 한 수술 툴(512)의 엔드 이펙터의 피벗운동을 가능하게 해준다. 엔드 이펙터 조(jaw) 요소들 간의 각도가 엔드 이펙터 위치 및 배향에 대해 독립적으로 제어될 수 있다.

예시의 매니퓰레이터 어셈블리의 운동 범위는 도 6a-6c를 참조하는 것에 의해 이해될 수 있다. 수술 과정 중에, 예시의 매니퓰레이터 암은 수술 작업 공간 내의 특정 환자 조직에 액세스하기 위해 필요한 대로 도 6a에 도시된 바와 같이 피치 포워드 구성(pitch forward configruation)으로 또는 도 6b에 도시된 바와 같이 피치 백 구성(pitch back configuration)으로 기동될 수 있다. 하나의 대표적인 매니퓰레이터 어셈블리는 축선을 중심으로 적어도 ±60도, 바람직하게는 약 ±75도 만큼 피치 포워드 및 피치 백 운동할 수 있고, 또한 축선을 중심으로 ±80도 만큼 요운동할 수 있는 엔드 이펙터를 구비한다. 이러한 양태가 어셈블리에 엔드 이펙터의 증가된 기동성을 가능하게 해주지만, 특히 매니퓰레이터 암이 도 6a 및 6b에서와 같이 완전 피치 포워드 구성에 있거나 완전 피치 백 구성에 있을 때는 엔드 이펙터의 운동이 제한될 수 있는 구성들이 존재할 수 있다. 하나의 실시형태에 있어서, 매니퓰레이터 암은 각각 외부 피치 조인트에 대한 (+/-75도) 및 외부 요 조인트에 대한 (+/-300도)의 운동의 범위(ROM; Range of Motion)를 가진다. 몇몇의 실시형태에 있어서, ROM은 외부 피치가 (+/-90도)보다 더 큰 ROM을 제공하도록 증가될 수 있으며, 이 경우 대체로 삽입 한계와 관련된 내부 구형부(inner sphere)가 남겠지만, 조인트 운동이 제한되거나 불가능한 콘 오브 스페이스(cone of sapce)는 완전히 사라지게 될 수 있을 것이다. 여러 가지 실시형태가 증가되거나 감소된 ROM을 가지도록 구성될 수 있으며, 전술한 ROM은 설명을 목적으로 제공되는 것이며, 본 발명은 여기 개시되는 ROM에 한정되지 않는다는 것이 이해될 것이다.

도 6c는 도 5a-5b의 예시의 매니퓰레이터의 툴 팁의 전체 운동의 범위 및 작업 공간을 그래프로 나타낸 도면이다. 작업 공간이 반구체로서 도시되어 있지만, 조인트(J1)와 같은 매니퓰레이터의 하나 이상의 레볼루트 조인트의 운동의 범위 및 구성에 따라 구체로 나타내질 수도 있다. 도시된 바와 같이, 도 6c의 반구체는 중심의 작은 구형 보이드(spherical void)와 함께 2개의 원추형 보이드(conical void)를 포함하고 있다. 이들 보이드는 툴 팁의 운동이 기계적 제약으로 인해 불가능하거나 엔드 이펙터의 운동을 어렵게 또는 느리게 만드는 극도로 높은 조인트 속도로 인해 실행불가능할 수 있는 영역을 나타낸다. 이런 이유로, 원추형 보이드는 "콘 오브 사일런스(cone of silence)"라 불려진다. 몇몇의 실시형태에 있어서, 매니퓰레이터 암은 원추 내의 한 지점에서 특이점(singularity)에 도달할 수 있다. 콘 오브 사일런스 내 또는 그 근방에서의 매니퓰레이터의 운동은 손상될 수 있기 때문에, 매니퓰레이터의 링키지들과 조인트들을 재구성하기 위해서는 매니퓰레이터의 하나 이상의 링크를 수동식으로 이동시키지 않고서는 매니퓰레이터 암을 콘 오브 사일런스에서 벗어나도록 이동시키는 것이 어려울 수 있으며, 이는 대안의 작업 모드를 필요로 하여 수술 과정을 지연시킬 수 있다.

이러한 원추형 부분 내로의 또는 그 근방에서의 기구 샤프트의 운동은 일반적으로 매니퓰레이터 내의 원위 링키지들 사이의 각도가 상대적으로 작을 때 발생한다. 따라서, 그와 같은 구성들은 링키지들 사이의 각도를 증가시키도록(링키지들이 서로에 대해 더 직교에 가까운 포지션으로 이동되도록) 매니퓰레이터의 운동을 비등방성적으로 증폭시키는 것과 같은 여러 가지 영공간 목적들에 의해 회피될 수 있다. 예컨대, 도 6a 및 6b에 도시된 구성들에 있어서, 최원위 링크와 기구 홀더 사이의 각도(a)가 상대적으로 작게 될 때, 매니퓰레이터의 운동은 더 어려워질 수 있다. 여러 실시형태들에 있어서의 나머지 조인트들에 있어서의 조인트 운동의 범위에 따라, 어떤 링키지들 사이의 각도가 감소할 때, 매니퓰레이터의 운동이 억제될 수 있으며, 경우에 따라서는 매니퓰레이터 암이 더 이상 운동의 여유가 없을 수도 있다. 기구 샤프트가 이러한 원추형 부분에 근접하고 있거나 링키지들 사이의 각도가 상대적으로 작게 되어 있는 매니퓰레이터 구성을 매니퓰레이터 암의 기동성 및 조작성이 제한되도록 "불량하게 컨디셔닝되었다(poorly conditioned)"고 한다. 매니퓰레이터는 조작성 및 운동의 범위를 유지하도록 "양호하게 컨디셔닝되는(well-conditioned)" 것이 바람직하다. 하나의 양태에 있어서, 본 발명은 수술 과정 중의 엔드 이펙터의 운동 중에도 매니퓰레이터를 원하는 대로 재구성하는 명령을 입력하는 것에 의해 사용자가 전술한 원추형 부분에서의 기구 샤프트의 운동을 회피하게 만드는 것을 가능하게 해준다. 이러한 양태는 매니퓰레이터가 어떤 이유에서든지 "불량하게 컨디셔닝되는" 경우에 특히 유용하다.

전술한 매니퓰레이터의 실시형태들이 본 발명에 사용될 수 있지만, 몇몇의 실시형태는 역시 매니퓰레이터 암의 조작성 및 컨디셔닝을 향상시키는 데 사용될 수 있는 추가적인 조인트를 구비할 수 있다. 예컨대, 예시의 매니퓰레이터는 도 5a의 매니퓰레이터 암 및 그것의 연계된 콘 오브 사일런스를 레볼루트 조인트의 축선을 중심으로 회전시켜 콘 오브 사일런스를 감소시키거나 제거하는 데 이용될 수 있는 레볼루트 조인트 및/또는 링키지를 조인트(J1)의 근위측에 구비할 수 있다. 또 다른 실시형태에 있어서, 예시의 매니퓰레이터는 또한 조인트(J5)에 대해 실질적으로 수직인 축선을 중심으로 기구 홀더를 피벗운동시킴으로써 툴 팁을 오프셋시켜 콘 오브 사일런스를 더 감소시키고 수술 툴의 운동의 범위를 향상시키는 원위 피벗 조인트를 구비할 수 있다. 또 다른 실시형태에 있어서, 조인트(J1)와 같은 매니퓰레이터 암의 근위 조인트는 베이스 상에 이동가능하게 장착되어, 필요에 따라 콘 오브 사일런스를 이동 또는 전이시키고 매니퓰레이터 툴 팁의 운동의 범위를 향상시킬 수 있다. 이러한 추가적인 조인트의 사용 및 장점은 여기에 설명되는 예시의 매니퓰레이터 암들 중의 어느 것에서 각각이 서로 독립적으로 사용되거나 조합적으로 사용될 수 있는 이러한 조인트의 예를 도시하고 있는 도 7a-12c를 참조함으로써 이해될 수 있다.

도 7a-7b는 예시의 매니퓰레이터 암과 함께 사용하기 위한 추가적인 여유 조인트(여유 조인트)(매니퓰레이터 암의 근위 부분을 베이스에 연결시키는 제1 조인트)를 도시하고 있다. 제1 조인트는 근위 레볼루트 조인트(J1)이며, 이 근위 레볼루트 조인트(J1)는 조인트(J1)의 조인트 축선을 중심으로 매니퓰레이터 암을 회전시킨다. 근위 레볼루트 조인트(J1)는 조인트(J1')를 근위 레볼루트 조인트(J1')로부터 소정의 거리 또는 각도 만큼 오프셋시키는 링크(501)를 구비한다. 링크(501)는 도 7a에 도시된 바와 같은 만곡형 링키지 또는 도 7b에 도시된 바와 같은 선형 또는 각도진 링키0075지일 수 있다. 일반적으로, 조인트(J1')의 조인트 축선은 도 7a에 도시된 바와 같이 원격 중심(RC) 또는 툴 팁의 삽입 지점과 얼라이닝(aligning)된다. 하나의 예시의 실시형태에 있어서, 조인트(J1')의 조인트 축선은, 매니퓰레이터 암의 다른 레볼루트 조인트 축선과 마찬가지로, 체벽(body wall)에서의 이동을 방지하도록 원격 중심을 통과하고, 그에 따라 수술 중에 운동될 수 있다. 조인트(J1')의 축선은 암의 후방부의 포지션 및 배향을 변화시키는 데 사용될 수 있도록 암의 근위 부분에 커플링된다. 대체로, 이와 같은 여유 축선들은 기구 팁이 외과의의 명령을 추종하는 동시에 다른 암 또는 환자 인체 구조부와의 충돌을 회피하는 것을 가능하게 해준다. 하나의 양태에 있어서, 근위 레볼루트 조인트(J1')는 플로어에 대한 매니퓰레이터의 장착 각도를 변화시키기 위해 단독으로 사용된다. 이 각도는 1) 환자 인체 외부 구조부와 충돌을 방지하고, 2) 신체 내부의 인체 구조부에 도달하기 위해 중요하다. 일반적으로, 근위 레볼루트 조인트(J1')에 부착된 매니퓰레이터의 근위 링크와 근위 레볼루트 조인트의 축선 사이의 각도(a)는 약 15도이다.

도 7b는 예시의 매니퓰레이터 암에 있어서의 근위 레볼루트 조인트(J1') 및 그것의 연계된 조인트 축선과 콘 오브 사일런스 사이의 관계를 도시하고 있다. 근위 레볼루트 조인트(J1')의 조인트 축선은 콘 오브 사일런스를 통과할 수 있거나 완전히 콘 오브 사일런스 외부에 있을 수 있다. 근위 레볼루트 조인트(J1')의 축선을 중심으로 매니퓰레이터 암을 회전시킴으로써, 콘 오브 사일런스는 감소될 수 있거나(조인트(J1') 축선이 콘 오브 사일런스를 통과하게 되는 실시형태에서), 효과적으로 제거될 수 있다(근위 레볼루트 조인트 축선이 완전히 콘 오브 사일런스 외부에서 연장되어 있는 실시형태에서). 링크(501)의 거리 및 각도가 콘 오브 사일런스에 대한 조인트(J1') 축선의 포지션을 결정한다.

도 8은 예시의 매니퓰레이터 암과 함께 사용하기 위한 또 다른 형태의 여유 조인트인, 매니퓰레이터 암의 원위 링크(508)에 기구 홀더(510)를 연결시키는 원위 레볼루트 조인트(J7)를 도시하고 있다. 원위 레볼루트 조인트(J7)는 시스템이 일반적으로 원격 중심 또는 삽입 지점을 통과하는 조인트 축선을 중심으로 기구 홀더(510)를 비틀림운동시키는 것을 가능하게 해준다. 이상적으로는, 이 레볼루트 조인트는 암의 원위측에 위치되고, 그에 따라 삽입 축선의 배향을 이동시키는 데 특히 적합하다. 이 여유 축선의 추가는 매니퓰레이터가 임의의 단일의 기구 팁 포지션을 위해 다중의 포지션들을 취하는 것을 가능하게 해준다. 대체로, 이와 같은 여유 축선들은 기구 팁이 외과의의 명령을 추종하는 동시에 다른 암 또는 환자 인체 구조부와의 충돌을 회피하는 것을 가능하게 해준다. 원위 레볼루트 조인트(J7)는 삽입 축선을 요 축선에 더 근접하게 이동시키는 능력을 가지고 있기 때문에, 운동의 암 피치 백 범위를 증가시키는 것이 가능하다. 원위 레볼루트 조인트(J7)의 축선, J1'의 요 축선 및 툴 팁의 삽입 축선 사이의 관계가 도 9에 도시되어 있다. 도 10a-10c는 조인트(J7)의 순차적인 운동과 그것이 어떻게 툴 팁의 삽입 축선을 좌우로 전이시키는 지를 도시하고 있다.

원위 레볼루트 조인트(J7)의 또 다른 장점은 환자와 기구 홀더 또는 매니퓰레이터 암의 원위 링키지 사이의 충돌을 회피하기 위해 환자를 비켜 놓아야만 하는 삽입 지점 근위측의 매니퓰레이터 암의 원위 부분의 가동 공간(swept volume; 휩쓸고 지나가게 되는 공간)인 환자 클리어런스 원추역(patient clearance cone)을 감소시킬 수 있다는 점이다. 도 11a는 원위 레볼루트 조인트가 0도로 유지되고 있는 동안에 매니퓰레이터 암의 근위 부분의 환자 클리어런스 원추역을 도시하고 있다. 도 11b는 원위 레볼루트 조인트가 축선을 중심으로 90도의 각도 변위를 가진 것으로 도시되어 있는 동안에 매니퓰레이터 암의 근위 부분의 감소된 환자 클리어런스 원추역을 도시하고 있다. 따라서, 삽입 지점 근방에 최소의 환자 클리어런스를 가지는 수술 과정에 있어서, 본 발명에 따른 조인트(J7)의 사용은 원격 중심 위치 또는 엔드 이펙터의 포지션을 원하는 대로 유지하면서 추가적인 클리어런스를 제공할 수 있다.

도 12a-12c는 예시의 매니퓰레이터 암과 함께 사용하기 위한 또 다른 형태의 여유 조인트인, 매니퓰레이터 암을 이동시키거나 축선을 중심으로 회전시키는 근위 조인트를 도시하고 있다. 다수의 실시형태에 있어서, 이 근위 이동가능 조인트는 매니퓰레이터 암의 운동의 범위를 전이시키거나 회전시킴으로써 콘 오브 사일런스를 감소 또는 제거시켜, 매니퓰레이터 암의 더 양호한 컨디셔닝 및 개선된 기동성을 제공하도록 일정 경로를 따라, 조인트(J1 또는 J1')와 같이, 매니퓰레이터의 근위 조인트를 이동시킨다. 이 근위 이동가능 조인트는 도 12a-12c의 조인트(J1")에서 보여지는 바와 같은 원형 경로를 구비할 수 있거나, 반원형 또는 아치형 경로를 구비할 수 있다. 대체로, 이 조인트는 캐뉼라(511)를 통해 연장된 툴(512)의 샤프트가 그것을 중심으로 피벗운동하게 되는 원격 중심(RC)과 교차하는 이동가능 조인트의 축선을 중심으로 매니퓰레이터 암을 회전시킨다. 여러 가지 다른 실시형태에서는 조인트(J1")의 축선이 경사지거나 수평방향일 수 있겠지만, 도시된 실시형태에서는 이 조인트(J1")의 축선은 수직방향 축선이다.

몇몇의 실시형태에 있어서, 매니퓰레이터 암(500)은 근위 또는 원위 레볼루트 조인트, 근위 이동가능 조인트 및 평행사변형 형태의 원위 링키지 중의 어느 하나 또는 전부를 구비할 수 있다. 이러한 피처(feature)들 중의 어느 하나 또는 전부의 사용은 링키지들 사이의 각도를 증가시킴으로써 매니퓰레이터의 조작성 및 운동을 향상시키는 것에 의해 더 양호한 "컨디셔닝된" 매니퓰레이터 어셈블리를 제공하도록 추가적인 여유 자유도를 제공하고, 본 발명에 따른 재구성을 조장(facilitating)한다. 이러한 예시의 매니퓰레이터의 증가된 유연성은 또한 조인트 한계, 특이점 등을 회피하도록 매니퓰레이터 링키지의 기구학적 특성을 최적화하는 데 사용될 수 있다.

하나의 예시의 실시형태에 있어서, 매니퓰레이터의 조인트 운동들은 시스템의 모터를 이용하여 컨트롤러에 의해 하나 이상의 조인트를 구동시킴으로써 제어되며, 조인트는 컨트롤러의 프로세서에 의해 연산된 좌표화된 조인트 운동에 따라 구동된다. 수학적으로, 컨트롤러는 그 중의 몇몇이 조인트의 구성 또는 속도에 대응하는 요소들을 가질 수 있는 벡터 및/또는 행렬을 이용하는 조인트 명령들의 적어도 몇 가지 연산을 수행할 수 있다. 프로세서에 유효한 선택적인 조인트 구성들의 범위는 조인트 공간으로서 개념화될 수 있다. 이 조인트 공간은 예컨대 매니퓰레이터가 가지는 자유도 만큼 많은 차원을 가질 수 있으며, 매니퓰레이터의 하나의 특정 구성은 조인트 공간 내에서의 하나의 특정 지점을 나타낼 수 있으며, 각각의 좌표가 매니퓰레이터의 연계된 조인트의 조인트 상태에 대응된다.

하나의 예시의 실시형태에 있어서, 시스템은 여기에서 카테시안 공간(Cartesian space)으로서 나타내지는 작업 공간 내에서의 피처(feature)의 명령된 포지션 및 속도가 입력인 컨트롤러를 포함한다. 상기 피처는 제어 입력을 사용하여 관절운동될 제어 프레임으로서 사용될 수 있는 매니퓰레이터 상의 또는 매니퓰레이터 외부의 임의의 피처일 수 있다. 여기 설명되는 많은 예에서 사용되는 매니퓰레이터 상의 피처의 하나의 예는 툴 팁이 될 것이다. 매니퓰레이터 상의 피처의 또 다른 예는 핀 또는 채색 문양과 같이 툴 팁 상에 존재하지 않으면서 매니퓰레이터의 일부분인 물리적 피처가 될 것이다. 매니퓰레이터 외부의 피처의 한 예는 툴 팁으로부터 정확히 일정 거리 및 각도 만큼 떨어져 있는 빈 공간 내의 기준점이 될 것이다. 매니퓰레이터 외부의 피처의 또 다른 예는 매니퓰레이터에 대한 그것의 포지션이 설정될 수 있는 타겟 조직이 될 것이다. 이러한 모든 경우에 있어서, 엔드 이펙터는 제어 입력을 사용하여 관절운동될 가상의 제어 프레임과 연계된다. 하지만, 이하에서는, "엔드 이펙터(엔드 이펙터)"와 "툴 팁(tool tip)"은 같은 의미로 사용된다. 대체로, 소정의 카테시안 공간 엔드 이펙터 포지션을 등가의 조인트 공간 포지션에 매핑시키는 닫힌 형태 관계(closed form relationship)는 존재하지 않지만, 대체로 카테시안 공간 엔드 이펙터 속도와 조인트 공간 속도 사이에는 닫힌 형태 관계가 존재한다. 기구학적 자코비안은 조인트 공간 포지션 요소들에 대한 엔드 이펙터의 카테시안 공간 포지션 요소들의 편도함수들의 행렬이다. 이런 방식으로, 기구학적 자코비안은 엔드 이펙터와 조인트들 사이의 기구학적 관계성을 포착한다. 다시 말해, 기구학적 자코비안은 엔드 이펙터에 대한 조인트 운동의 효과를 포착한다. 기구학적 자코비안(J)은 아래의 관계를 이용하여 조인트 공간 속도(dq/dt)를 카테시안 공간 엔드 이펙터 속도(dx/dt)에 매핑시키는 데 사용될 수 있다.

dx/dt=Jdq/dt

따라서, 입력 포지션과 출력 포지션 사이에 닫힌 형태 매핑이 존재하지 않을 때에도, 자코비안 기반 컨트롤러에서 명령된 사용자 입력으로부터 매니퓰레이터의 운동을 구현하는 것과 같이(다양한 다른 구현예가 사용될 수 있다), 속도들의 매핑이 반복적으로(iteratively) 이용될 수 있다. 많은 실시형태들이 자코비안 기반 컨트롤러를 구비하지만, 몇몇의 구현예들은 여기에 설명되는 피처들 중의 어느 하나를 제공하기 위해 매니퓰레이터 암의 자코비안에 액세스하도록 구성될 수 있는 다양한 컨트롤러를 사용할 수 있을 것이다.

그와 같은 하나의 구현예를 아래에 간략히 설명한다. 명령된 조인트 포지션이 자코비안(J)을 연산하는 데 사용된다. 매 시간 간격(Δt) 동안, 카테시안 공간 속도(dx/dt)가 소정의 이동(dx_des/dt)을 수행하고 소정의 카테시안 공간 포지션으로부터 형성된 편차(Δx)를 보정하기 위해 연산된다. 이 카테시안 공간 속도는 다음으로 자코비안의 의사역행렬(J^#)을 이용하여 조인트 공간 속도(dq/dt)로 변환된다. 그 결과로서 생긴 조인트 공간 명령 속도는 다음으로 조인트 공간 명령 포지션(q)을 생성하기 위해 적분된다. 이러한 관계들이 아래에 열거된다.

dx/dt=dx_des/dt+kΔx (1)

dq/dt=J^# dx/dt (2)

q_i=q_i-1+dq/dtΔt (3)

자코비안(J)의 의사역행렬은 소정의 툴 팁 운동(및 경우에 따라서는 피벗 툴 운동의 원격 중심)을 조인트 속도 공간(joint velocity space)으로 직접적으로 매핑시킨다. 사용되는 매니퓰레이터가 툴 팁 자유도보다 더 많은 유효 조인트 축선들을 가질 경우(6개까지)(그리고, 툴 운동의 원격 중심이 사용되고 있을 때에는, 매니퓰레이터는 원격 중심의 위치와 관련한 3개의 자유도를 위한 추가적인 3개의 조인트 축선을 가져야 한다), 매니퓰레이터는 여유도가 있다고 한다. 여유도가 있는 매니퓰레이터의 자코비안은 적어도 하나의 차원을 가진 "영공간"을 포함한다. 본 명세서에서, 자코비안의 영공간(N(J))은 순간적으로(instaneously) 어떠한 툴 팁 운동도(그리고 원격 중심이 사용될 때는 어떠한 피벗점 위치의 운동도) 취득하지 못하는 조인트 속도들의 공간이고; "영운동(null-motion)"은 어떠한 툴 팁 및/또는 원격 중심의 위치의 순간 운동도 발생시키지 못하는 조인트 포지션들의 콤비네이션(combination), 궤적 또는 경로이다. 매니퓰레이터의 소정의 재구성(여기에 설명되는 임의의 재구성을 포함)을 취득하기 위해 연산된 영공간 속도들을 매니퓰레이터의 제어 시스템 내에 편입 즉 도입하면, 상기 방정식 (2)는 다음과 같이 변한다.

dq/dt=dq_perp/dt+dq_null/dt (4)

dq_perp/dt=J^# dx/dt (5)

dq_null/dt=(1-J^#J)z=V_nV_n ^Tz=V_nα (6)

선택적으로, 어떤 양태에 있어서, 포텐셜 함수 그래디언트(potential function gradient)를 편입하여, 카테시안 공간 엔드 이펙터 속도에 적용되는 증가된 자코비안(augmented Jacobian)이 이용될 수 있다. 자코비안의 증가(augmentation)는 원하는 바의 조인트 속도들을 연산한다. 자코비안을 이용하여 조인트 운동을 연산한다고 할 때, 그 연산은 증가된 자코비안 해석방법을 포함할 수 있다는 것으로 이해되어야 한다. 증가된 자코비안 해석방법에 따르면, 열 벡터가 이용될 수 있는 것으로 이해되지만, 다음의 방정식들이 이용될 수 있다.

dx/dt=J*dq/dt

y=h(q)

dy/dt=∂h/∂q*dq/dt

[dx/dt^T dy/dt^T]^T=[J^T ∂h/∂q^T]^T*dq/dt

d(x;y)/dt=[J;h']*dq/dt

dq/dt=[J;h']^# d(x;y)/dt

하나의 예에서, 포텐셜 필드 함수(potential field function)의 복잡계 네트워크(complex network) y=h(q)를 설정한다. dy/dt=∂h/∂q*dq/dt. dy/dt, ∂h/∂q 및 dq/dt는 포텐셜 필드에 기초하여 원하는 대로 지시될 수 있으며, 증가된 방정식은 엔드 이펙터의 구동 및 조인트 공간 내에서의 경로의 추적의 양자의 조합된 소정의 결과를 생성할 것이다.

방정식 (4)에 따른 조인트 속도는 2개의 성분: 제1 성분인 영직교공간(null-perpendicular-space) 성분, 즉 소정의 툴 팁 운동(그리고 원격 중심이 사용될 때는, 소정의 원격 중심 운동)을 발생시키는 "퓨레스트(purest)" 조인트 속도(최단 벡터 길이); 및 제2 성분인 영공간 성분을 가진다. 방정식 (2), (4) 및 (5)는 영공간 성분 없이 동일한 방정식이 얻어지는 것을 보여준다. 방정식 (6)은 좌변에 영공간 성분을 위한 통상적인 형식으로 시작하여, 가장 오른쪽 우변에 예시의 시스템에 사용되는 형식을 나타내고 있으며, 여기서 V_n은 영공간을 위한 정규직교 기저 벡터(orthonormal basis vector)들의 집합이고, α는 그러한 기저 백터들을 혼합하기 위한 계수이다. 몇몇의 실시형태에 있어서, α는 영공간 내에서의 운동을 원하는 대로 형성 또는 제어하기 위한, 노브(knob)나 다른 제어 수단의 사용 등에 의한, 제어 파라미터, 변수 또는 설정에 의해 결정된다.

도 13a-13b는 예시의 매니퓰레이터 암의 자코비안의 영공간과 자코비안의 영직교공간 사이의 관계를 그래프로 도시하고 있다. 도 13a는 수평방향 축선을 따르는 영공간과 수직방향 축선을 따르는 영직교공간을 도시하고 있으며, 2개의 축선은 서로 직교하고 있다. 대각선 벡터는 상기 방정식 (4)로 표현되는 영공간 내의 속도 벡터와 영직교공간 내의 속도 벡터의 합을 나타낸다.

도 13b는 영공간과 "영운동 다양체"로 도시된 4차원 조인트 공간 내에서의 영운동 다양체(null-motion manifold) 사이의 관계를 그래프로 도시하고 있다. 각각의 화살표(q1, q2, q3, q4)는 주 조인트 축선(principal joint axis)을 나타낸다. 폐곡선은 동일한 엔드 이펙터 포지션을 순간적으로 취득하는 조인트 공간 포지션들의 집합인 영운동 다양체를 나타낸다. 곡선 상에 주어진 점(A)에 대해, 영공간은 엔드 이펙터의 어떠한 운동도 순간적으로 발생시키지 않는 조인트 속도들의 공간이기 때문에, 영공간은 점(A)에서의 영운동 다양체의 접선에 평행하다.

도 14a-14d는 본 발명의 실시형태들에 따라 영공간 매니저(null-space manager)에 의해 다중 목적을 통합시키는 여러 가지 접근법들을 그래프로 도시하고 있다. 도 14a는 다중 목적의 가중 합산(weighted summing)에 관한 것이고; 도 14b는 다중 목적의 포화 한계(saturation limit)에 관한 것이고; 도 14c는 영공간 내에서의 다중 목적의 우선순위(priority)에 관한 것이며; 도 14d는 조인트 공간의 벽들 또는 경계들과 관련한 다중 목적의 관리(management)에 관한 것이다. 어떤 양태에 있어서, 영공간 매니저는 각각의 영공간 목적 함수를 위한 영공간 계수(α)들을 결정하고, 각각의 목적을 위한 이하의 속성들(또는 그 조합들) 중의 어느 것을 이용하여 영공간 계수들을 통합시키는 것에 의해 다중 영공간 목적을 관리하는 데 사용된다.

(a) 가중치 부여(weighting): 이 속성은 다중 피처 또는 목적의 조정 혼합(scaled blending)을 가능하게 해주는 가중 합산 패러다임(weighted summing paradigm)에 사용된다. 예를 들어, 사용자가 확대된 피치 백 목적을 위한 영공간 사용량의 증폭이 암 대 암 충돌 회피 목적을 위한 영공간 사용량의 2배가 되기를 원하는 경우에는, 전자의 가중치가 후자의 가중치의 2배로 설정될 것이다. 그 한 예가 제1 목적을 위한 영공간 계수 벡터 α₁과 제2 목적을 위한 영공간 계수 벡터 α₂를 예시하고 있는 도 14a에 도시되어 있다. 제2 목적이 제1 목적의 2배로 가중되는 영공간 운동을 결정하기 위해서는, 제2 목적의 영공간 계수 벡터는 제1 목적의 영공간 계수 벡터 α₁과 합산되기 전에 2가 곱해져, 영공간 운동을 연산하는 데 사용될 때 그 결과의 합 α_Σ는 제2 목적을 제1 목적의 2배로 증폭시킨 영공간 계수를 나타낸다. 이러한 가중치 부여는 여러 가지 다른 속성들을 포함하는 여러 가지 다른 관리 접근법에 적용될 수 있을 것임을 이해할 것이다. 이는 기저 벡터의 계수보다는 영공간 벡터에 직접적으로 적용되는 가중치를 포함한다.

(b) 포화 레벨(saturation level): 이 속성은 서로 상충(confliction)하거나 서로 상쇄시킬 수 있는 다중 영공간 목적 간의 관리를 가능하게 해준다. 위에서 알 수 있는 바와 같이, 목적 함수의 개수는 영공간의 차원보다 더 클 수 있다. 이런 경우(및 때로 차원적으로 덜 엄격한 경우에도), 다중 목적 함수는 정반대되는 영공간 출력들을 발생시킬 수 있다. 이러한 양태의 한 예가 정반대인 영공간 계수 벡터들인 α_1u 및 α_2u를 보여주고 있는 도 14b에 도시되어 있다. 이러한 목적 함수들이 아무런 개입 없이 합산되면, 그 결과값은 어느 목적 함수에 대해서도 아무런 유익한 작용도 낳지 못하는 0이 될 것이다. 포화 한계를 사용함으로써, 최고 포화 한계를 갖는 목적 함수가 더 낮은 한계를 간는 목적 함수를 압도할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 임상적 이유로 암 대 환자 충돌 회피가 언제나 암 대 암 충돌 회피 함수에 우선하는 것을 원할 수 있다. 그러한 경우, 영공간 매니저는 암 대 환자 회피가 타이브레이커(tiebreaker)를 차지하는 것을 가능하게 해줄 것이며, 그에 응답하여 직접적인 상충이 있을 때는, 매니퓰레이터가 환자의 신체 표면을 침범하기 전에 이웃한 매니퓰레이터로 자체 구동하게 될 것이다.

도 14b는 상술한 포화 속성을 예시하는 영공간 내에서의 영공간 계수들의 개략도이다. 원래의 불포화 벡터들인 α_1u 및 α_2u가 같은 크기이면서 반대 방향으로 출발할 수 있지만, 포화 후 α₁이 α₂보다 더 짧도록 그들의 포화 한계들이 상이할 수 있다. 이 예에서는, 다중 계수들이 합산되어 조합된 출력에 도달할 때, 그들의 포화 레벨들은 α₂가 α₁을 압도하는 것을 가능하게 해준다. 따라서, 매니퓰레이터 대 매니퓰레이터 충돌 회피와 같은 2차적인 목적이 환자 대 매니퓰레이터 충돌 회피와 같은 1차적인 목적을 상쇄시키지 않아야 하는 것이 소망된다면, 적합한 포화 레벨들은 1차적인 목적이 1차적인 목적과 상충하거나 1차적인 목적을 상쇄시키는 2차적인 목적을 압도하도록 목적들을 조합시킬 때 적용될 수 있다.

(c) 우선순위(priority): 이 접근법은 논리적 또는 이산형 분지 개념(logical or discrete branching concept)보다 연속 공간 수학 개념을 이용한다. 예를 들어, 하나의 특정 목적 함수가 영공간의 무제한 사용을 가지는 허용하고, 다른 목적 함수들도 영공간을 사용하게 되지만 전자의 목적의 사용을 간섭하지 않는 요건을 가정해 보자. 우선순위의 개념은 전체 영공간에 대한 전자의 목적 액세스를 허용하지만 후자의 목적 액세스는 영공간 중의 남은 미사용 직교 부분만을 허용하는 예에 적용될 수 있다. 이 접근법은, 전자의 목적이 근본적으로 선형이고, 영공간 내에서의 직교적 외란(orthogonal disturbance)이 그것에 아무런 영향도 미치지 않는다면, 후자의 목적이 전자의 사용을 침범하지 않을 때 유익하다. 이 접근법은 도 14c의 예에 도시된 바와 같이 실행될 수 있다. 이 예에서, 최우선순위로 작동하는 목적 함수들은 상기 (a) 및 (b)의 가중치 부여 기법 및 포화 기법 중의 하나 또는 양자 모두를 이용하는 등에 의해 그들의 출력을 조합시킬 수 있다. 그 결과로서의 출력 벡터가 다음으로 영공간 내로 매핑된다. 영공간이 1보다 큰 차원을 가지는 경우에는, 최우선순위에 있는 이 출력 벡터와 직교하는 영공간의 부분공간이 차우선순위로 가용하다. 차우선순위의 모든 목적 함수들의 포화 가중 합이 다음으로 남아 있는 영공간의 부분공간에 투영된다. 이 과정은 모든 목적 함수 우선순위 레벨들이 해소되거나 모든 영공간 차원들이 소모될 때까지 계속될 수 있다. 또 다른 양태에 있어서, 이 접근법은 조인트 잠금이나 조인트 모션 상쇄를 가능하게 해주는 데에도 사용될 수 있다.

도 14c는 상술한 우선순위 속성을 예시하는 영공간 내의 계수 벡터들의 개략도를 도시하고 있다. 여기서, 비수정 α_p10이 최우선순위를 가지고, 그에 따라 전체 영공간에 대한 무제한 액세스를 가진다. 이 예에서, 수정후 형태인 α_p10은 α_p10와 동일한 한편, α_p20은 낮은 우선순위에 있다. 그러므로, α_p20은 높은 우선순위의 α_p1에 의해 사용되지 않은 영공간의 부분(예컨대, α_p1과 직교하는 부분)에 대해서만 액세스를 가진다. 이는 낮은 우선순위의 목적이 최우선 순위와 간섭되지 않는 범위까지만 실행되는 것을 가능하게 해주기 위해 α_p20을 그것을 얻기 위한 부분에 투영시킴으로써 성취된다.

(d) 마스터 속도 제한을 위한 플래그(flag for master velocity limiting): 여러 가지 영공간 목적 함수들이 부분적으로 자율 제어적(autonomous)이도록 구성될 수 있다. 효율성 및 사용성의 이유로, 일부 자율 제어 기능을 허용하는 것이 여러 가지 적용처에서 유용하다. 하지만, 안전성의 이유로, 외과의에게 자율 제어 운동을 감독하고 해제하는 능력을 허용하는 것이 바람직할 수 있다. 이런 능력을 허용하는 한 가지 방법은 특정 영공간 목적 함수들의 출력의 크기를 마스터 속도에 비례하도록 제한하는 것이다. 이런 방식으로, 자율 제어 운동이 바람직하지 않은 경우, 외과의는 간단하게 마스터를 이동시키는 중지시킬 수 잇고, 자율 제어 운동은 중지된다. 하지만, 적어도 일부의 목적 함수들은 마스터 속도 제한이 그들에 적용될 경우 정확하게 기능하지 않을 수 있다. 그러므로, 이 속성은 영공간 매니저에게 주어진 목적 함수에 마스터 속도 제한이 적용될 수 있는지의 여부를 알려준다. 따라서, 어떤 목적들은 제한이 적합한 목적들에만 마스터 속도 제한이 적용되도록 영공간 매니저에서 플래깅(flagging)될 수 있다.

(e) 포화 제한 적분기(SLI) 알고리즘을 위한 플래그(flag for saturated limited integrator(SLI) algorithm): 포화 제한 적분기 알고리즘은 조인트 속도 한계 또는 조인트 포지션 한계(예컨대, 하드 스톱hard-stop))를 위반함이 없이 명령된 조인트 속도들을 명령된 조인트 포지션들로 적분한다. 후술하는 것들과 같은 일부 변경들이 2가지 이상의 영공간 거동(behavior)을 허용하기 위해 특정 실시형태들에 이루어질 수 있다. 이 속성은 매니저가 다중 목적 함수들로부터 통합된 영공간 출력들을 2개 이상의 버킷(bucket) 내로 조합(collating)시키는 것을 가능하게 해주며, 2개 이상의 버킷의 각각은 이하의 예들과 같은 2가지 이상의 거동의 각각과 연계된다.

거동 1: SLI 알고리즘은 운동 프로파일(motion profile)을 조인트 속도 한계 및 조인트 포지션 한계 내에 맞추기 위해 입력 조인트 속도 명령들을 수정하는 권한을 가진다. 하지만, 영공간 속도 명령들이 영공간 내에 남겨지게 하기 위해서는, SLI 알고리즘은 방향을 제외한 속도 크기만을 제한해야만 한다. 예를 들어, 툴 팁 자세의 외란을 회피하기 위해, 속도 벡터는 방향 변경을 포함할 수 있다. 이 거동은 다른 것들보다 큰 특정 영공간 목적 출력에 유용할 수 있으며, 통합이 바람직한 영공간 목적들에 따라 선택적으로 사용될 수 있다. 거동 1의 양태들이 도 14d에 도시되어 있다.

거동 2: 거동 1과 관련한 한 가지 단점은 그것이 예컨대 매니퓰레이터가 조인트 한계 벽에 대항하여 벽을 따라 슬라이딩하도록 명령될 때 발생할 수 있는 흔히 "스티키 월(sticky wall)"이라고 불려지는 현상을 초래할 수 있다는 점이다(도 14d 참조). 그와 같은 이동을 위해, 거동 1을 적용하면, 방향을 변경시킬 수 없을 것이며, 단지 임의의 슬라이딩 명령에 대해 길이를 0으로 단축시킬 것이다(예컨대, 벽을 향한 성분을 가지는 임의의 운동). 그러므로, 어떠한 슬라이딩도 허용되지 않을 것이며, 조인트 한계가 스티키 월처럼 거동할 것이다. 특정 알고리즘들은 자유도별(DOF-by-DOF) 기준으로 속도 제한을 실행함으로써 이 문제를 회피할 수 있다. 그와 같은 경우, 조인트 한계와 관련된 DOF만이 0으로 설정되는 한편, 나머지 DOF들은 영향을 받지 않을 것이다. 그 결과는 툴 팁 운동을 명령할 때의 소정의 거동인 조인트 한계를 따른 슬라이딩 명령일 것이다. 특정 실시형태들에 있어서, 조인트 속도 제한은 벡터화된 방식으로 적용될 수 있는 한편, 조인트 포지션 제한은 자유도별(DOF-by-DOF) 방식으로 적용된다.

도 14d는 상술한 SLI 개념을 예시하는 한계들(예컨대, 경계들에 의해 그려지는 하드 스톱들(hard-stops))을 갖는 조인트 공간의 개략도를 도시하고 있다. 우상부의 점선 화살표는 조인트 한계들을 침범하는 불포화 화살표를 나타내며, 따라서 포화되어야만 한다. 그 위의 짧은 화살표는 거동 1(예컨대, 어떠한 방향 변경도 없이 크기 변경만이 있는)을 예시한다. 이 경우, 어떠한 슬라이딩도 발생하지 않는다. 점선 화살표 아래의 삼각형은 거동 2를 나타낸다. 이 경우, 벽을 지시하는 불포화 화살표(점선 화살표)의 성분(수평방향)만이 포화되는 한편, 수직방향 성분은 그대로 남겨진다. 그 결과 조인트 한계 벽을 따른 슬라이딩을 허용한다. 이는 방향 변경에 상당하기 때문에, 여러 가지 영공간 이동에는 적합하지 않을 수 있다.

(f) 그 밖의 속성들: 이러한 일반적인 개념들에 따르지만, 현 시점에서 사용되지 않거나 당업자에 의해 추정될 수 있는 그 밖의 속성들이 다중 목적 함수를 다르게 특정 방식으로 영공간을 통해 처리하도록 이용될 수 있을 것이다. 또한, 상기 속성들의 여러 가지 조합들이 소정의 목적들 및/또는 연계된 영공간 운동들에 기초하여 여러 가지 방식으로 사용되고 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 15는 전술한 방정식들과 관련하여 환자측 카트 조인트 상태를 제어하기 위한 일반적 알고리즘을 구현하기 위해 필요한 단순 블록도를 도시하고 있다. 도 15의 방법에 의하면, 시스템은: 매니퓰레이터 암의 정기구학(forward kinematics)을 연산하고; 다음으로 방정식 (1)을 이용하여 dx/dt를 연산하고; 방정식 (5)를 이용하여 dq_perp/dt를 연산하고; 다음으로 방정식 (6)을 이용하여 dq_perp/dt 및 자코비안에 의존할 수 있는 z로부터 dq_null/dt를 연산한다. 연산된 dq_perp/dt 및 dq_null/dt로부터, 시스템은 다음으로 각각 방정식 (4) 및 방정식 (3)을 이용하여 dq/dt 및 q를 연산함으로써, 컨트롤러가 소정의 엔드 이펙터의 상태 및/또는 원격 중심의 위치를 유지하면서 매니퓰레이터의 소정의 재구성을 실행시킬 수 있게 해주는 운동을 제공한다.

도 16-17은 본 발명의 양태들에 따른 예시의 방법들의 플로우 차트들을 도시하고 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, 매니퓰레이터 시스템에 의해 실행되는 하나의 예시의 방법은: 소정의 엔드 이펙터 운동을 실행시키기 위한 조작 명령을 수취하는 단계; 제1 목적을 위한 제1 세트의 조인트들의 조인트 운동을 연산하는 단계; 제2 목적에 따라 영공간 내에서의 제2 세트의 조인트들의 조인트 운동을 연산하는 단계; 제1 세트의 조인트들 및 제2 세트의 조인트들의 연산된 영공간 조인트 운동들의 각각의 속성을 이용하여 제1 목적과 제2 목적을 통합시키는 영공간 명령을 결정하는 단계; 및 제1 목적과 제2 목적의 조합을 성취하기 위한 소정의 운동을 실행시키기 위해 상기 영공간 명령에 따라 조인트들을 구동시키는 단계를 포함할 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 매니퓰레이터 시스템의 하나의 예시의 방법은: 소정의 엔드 이펙터 운동으로 엔드 이펙터를 이동시키기 위한 조작 명령을 수취하는 단계; 각각이 상이한 영공간 목적에 대응되는 다중 영공간 계수를 결정하는 단계; 그들의 각각의 목적에 따라 다중 영공간 계수의 각각의 속성을 결정하는 단계; 그들의 연계된 속성들을 이용하여 상기 다중 영공간 계수를 단일의 영공간 계수로 통합시키는 단계; 및 영공간 목적들의 소정의 조합을 성취하기 위해 상기 단일의 영공간 계수에 기초하여 연산된 조인트 운동에 따라 조인트들을 구동시키는 단계를 포함할 수 있다.

예시의 실시형태들을 명확한 이해를 위해 어느 정도 상세하게 예시의 방법으로 설명하였지만, 여러 가지 개조, 수정 및 변경이 있을 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부의 청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims

프로세서에서 구현되고, 매니퓰레이터 암을 이동시키기 위한 방법으로서, 매니퓰레이터 암은 이동가능한 원위 부분, 베이스에 연결되는 근위 부분, 및 원위 부분과 베이스 사이의 복수의 조인트를 포함하고, 복수의 조인트는 원위 부분의 주어진 상태를 위한 복수의 조인트의 일정 범위의 여러 가지 조인트 상태들을 가능하게 해주기에 충분한 자유도를 가지고, 방법은:
복수의 목적 중의 제1 목적에 따라 복수의 조인트의 제1 운동의 제1 입력 조인트 속도를 연산하는 프로세서로서, 복수의 목적은 매니퓰레이터 암의 자코비안의 영공간 내의 운동들을 위한 것이고, 제1 운동은 영공간 내에 속하는, 프로세서;
복수의 목적 중의 제2 목적에 따라 복수의 조인트의 제2 운동의 제2 입력 조인트 속도를 연산하는 프로세서로서, 제2 운동은 영공간 내에 속하는, 프로세서;
포화 제한 적분기에 의해, 복수의 조인트의 조인트 한계 내에 맞추기 위해 상기 제1 및 제2 입력 조인트 속도의 조합의 속도 크기를 수정하는 단계, 또는
포화 제한 적분기에 의해 자유도별 기준으로, 복수의 조인트의 조인트 한계 내에 맞추기 위해 상기 제1 및 제2 입력 조인트 속도의 조합의 속도 제한을 실행하는 단계
에 의해 크기를 제한하는 동안 복수의 조인트의 조합된 운동을 결정하는 프로세서; 및
복수의 조인트의 조합된 운동을 실행시키도록 복수의 조인트를 구동시키는 프로세서
를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 크기를 제한하는 동안 복수의 조인트의 조합된 운동을 결정하는 프로세서는, 포화 제한 적분기에 의해, 복수의 조인트의 조인트 한계 내에 맞추기 위해 상기 제1 및 제2 입력 조인트 속도의 조합의 속도 크기를 수정하는 프로세서를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 크기를 제한하는 동안 복수의 조인트의 조합된 운동을 결정하는 프로세서는, 포화 제한 적분기에 의해 자유도별 기준으로, 복수의 조인트의 조인트 한계 내에 맞추기 위해 상기 제1 및 제2 입력 조인트 속도의 조합의 속도 제한을 실행하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 크기를 제한하는 동안 복수의 조인트의 조합된 운동을 결정하는 상기 프로세서는, 상기 속도 크기를 수정하는 단계 및 상기 속도 제한을 실행하는 단계를 선택적으로 사용하는, 방법.
제1항에 있어서, 조합된 운동을 결정하는 프로세서는 추가로,
마스터 속도와 관련하여 적어도 하나의 운동을 제한하는 프로세서를 포함하고, 마스터 속도는 원위 부분을 이동시키기 위한 명령된 운동과 연계되고, 적어도 하나의 운동은 제1 운동, 제2 운동 및 조합된 운동으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 방법.
시스템으로서,
이동가능한 원위 부분, 베이스에 연결된 근위 부분, 및 원위 부분과 베이스 사이의 복수의 조인트를 포함하는 매니퓰레이터 암으로서, 복수의 조인트는 원위 부분의 주어진 상태를 위한 복수의 조인트의 일정 범위의 여러 가지 조인트 상태들을 가능하게 해주기에 충분한 자유도를 가지는 매니퓰레이터 암; 및
매니퓰레이터 암에 연결되는 프로세서를 포함하고,
프로세서는:
복수의 목적 중의 제1 목적에 따라 복수의 조인트의 제1 운동의 제1 입력 조인트 속도를 연산하는 단계로서, 복수의 목적은 매니퓰레이터 암의 자코비안의 영공간 내에서의 운동들을 위한 것이고, 제1 운동은 영공간 내에 속하는, 복수의 조인트의 제1 운동의 제1 입력 조인트 속도를 연산하는 단계;
복수의 목적 중의 제2 목적에 따라 복수의 조인트의 제2 운동의 제2 입력 조인트 속도를 연산하는 단계로서, 제2 운동은 영공간 내에 속하는, 복수의 조인트의 제2 운동의 제2 입력 조인트 속도를 연산하는 단계;
복수의 조인트의 조인트 한계 내에 맞추기 위해 상기 제1 및 제2 입력 조인트 속도의 조합의 속도 크기를 수정하는 단계, 또는
자유도별 기준으로, 복수의 조인트의 조인트 한계 내에 맞추기 위해 상기 제1 및 제2 입력 조인트 속도의 조합의 속도 제한을 실행하는 단계
에 의해 크기를 제한하는 동안 복수의 조인트의 조합된 운동을 결정하는 단계; 및
복수의 조인트의 조합된 운동을 실행시키도록 복수의 조인트를 구동시키는 단계
를 포함하는 작업을 실행하도록 구성되는, 시스템.
제6항에 있어서, 복수의 조인트의 조인트 한계는 조인트 속도 한계 또는 조인트 포지션 한계를 포함하는, 시스템.
제6항에 있어서, 크기를 제한하는 동안 복수의 조인트의 조합된 운동을 결정하는 단계는, 복수의 조인트의 조인트 한계 내에 맞추기 위해 상기 제1 및 제2 입력 조인트 속도의 조합의 속도 크기를 수정하는 단계를 포함하는, 시스템.
제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 입력 조인트 속도의 조합의 속도 크기를 수정하는 것은 매니퓰레이터 암에 의해 지지되는 툴의 툴 팁 자세의 외란을 회피하는, 시스템.
제6항에 있어서, 크기를 제한하는 동안 복수의 조인트의 조합된 운동을 결정하는 단계는, 자유도별 기준으로, 복수의 조인트의 조인트 한계 내에 맞추기 위해 상기 제1 및 제2 입력 조인트 속도의 조합의 속도 제한을 실행하는 단계를 포함하는, 시스템.
제6항에 있어서, 크기를 제한하는 동안 복수의 조인트의 조합된 운동을 결정하는 단계는, 상기 속도 크기를 수정하는 단계 및 상기 속도 제한을 실행하는 단계를 선택적으로 사용하는, 시스템.
제6항에 있어서, 조합된 운동을 결정하는 단계는 추가로,
마스터 속도와 관련하여 적어도 하나의 운동을 제한하는 프로세서를 포함하고, 마스터 속도는 원위 부분을 이동시키기 위한 명령된 운동과 연계되고, 적어도 하나의 운동은 제1 운동, 제2 운동 및 조합된 운동으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 시스템.
제12항에 있어서, 마스터 속도와 관련하여 적어도 하나의 운동을 제한하는 것은,
마스터 속도와 관련하여 제1 운동을 제1 목적에 기초하여 제한할 것인지를 결정하는 단계; 및
마스터 속도와 관련하여 제2 운동을 제2 목적에 기초하여 제한할 것인지를 결정하는 단계
를 포함하는, 시스템.
제12항에 있어서, 마스터 속도와 관련하여 적어도 하나의 운동을 제한하는 것은, 마스터 속도를 제공하는 마스터 제어 입력 장치가 이동하지 않을 때 복수의 조인트의 어떠한 운동도 야기하지 않는, 시스템.
제6항에 있어서, 제1 목적은 제1 속성과 연계되고, 제2 목적은 제2 속성과 연계되며, 조합된 운동을 결정하는 단계는 제1 및 제2 속성을 사용하여 제1 운동과 제2 운동을 조합하는 단계를 추가로 포함하는, 시스템.
제15항에 있어서,
제1 속성은 제1 목적에 대한 제1 가중치(weight)를 포함하고, 제2 속성은 제2 목적에 대한 제2 가중치를 포함하고, 제1 및 제2 속성을 사용하여 제1 운동과 제2 운동을 조합하는 단계는 제1 및 제2 가중치를 사용하여 제1 운동과 제2 운동의 가중 조합(weighted combination)을 연산하는 단계를 포함하고,
제1 속성은 포화 값을 포함하고, 제1 및 제2 속성을 사용하여 제1 운동과 제2 운동을 조합하는 단계는 포화 값을 적용하여 제1 운동을 제한하는 단계를 포함하는, 시스템.
제15항에 있어서,
제1 속성은 제1 목적에 대한 제1 우선순위(priority)를 포함하고, 제2 속성은 제2 목적에 대한 제2 우선순위를 포함하고,
제1 및 제2 속성을 사용하여 제1 운동과 제2 운동을 조합하는 단계는,
제1 우선순위가 제2 우선순위보다 더 높은 것에 응답하여, 제2 운동보다 더 높은 영공간으로의 우선순위 액세스를 제1 운동에 제공하는 단계; 및
제2 우선순위가 제1 우선순위보다 더 높은 것에 응답하여, 제1 운동보다 더 높은 영공간으로의 우선순위 액세스를 제2 운동에 제공하는 단계
를 포함하는, 시스템.
제6항에 있어서, 작업은 추가로,
조작 명령을 수신하여 원위 부분을 이동시키는 것;
복수의 조인트의 원위 부분 운동을 연산하여 원위 부분을 이동시키는 것;
복수의 조인트를 구동하여, 복수의 조인트의 조합된 운동과의 조합으로 복수의 조인트의 원위 부분 운동을 실행하는 것
을 포함하는, 시스템.
프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서가 매니퓰레이터 암을 이동시키기 위한 작업을 수행하게 만드는 명령어를 저장하는 프로세서 판독가능 기록 장치로서, 매니퓰레이터 암은 이동가능한 원위 부분, 베이스에 연결되는 근위 부분, 및 원위 부분과 베이스 사이의 복수의 조인트를 포함하고, 복수의 조인트는 원위 부분의 주어진 상태를 위한 복수의 조인트의 일정 범위의 여러 가지 조인트 상태들을 가능하게 해주기에 충분한 자유도를 가지고, 작업은:
복수의 목적 중의 제1 목적에 따라 복수의 조인트의 제1 운동의 제1 입력 조인트 속도를 연산하는 단계로서, 복수의 목적은 매니퓰레이터 암의 자코비안의 영공간 내에서의 운동들을 위한 것이고, 제1 운동은 영공간 내에 속하는, 복수의 조인트의 제1 운동의 제1 입력 조인트 속도를 연산하는 단계;
복수의 목적 중의 제2 목적에 따라 복수의 조인트의 제2 운동의 제2 입력 조인트 속도를 연산하는 단계로서, 제2 운동은 영공간 내에 속하는, 복수의 조인트의 제2 운동의 제2 입력 조인트 속도를 연산하는 단계;
복수의 조인트의 조인트 한계 내에 맞추기 위해 상기 제1 및 제2 입력 조인트 속도의 조합의 속도 크기를 수정하는 단계, 또는
자유도별 기준으로, 복수의 조인트의 조인트 한계 내에 맞추기 위해 상기 제1 및 제2 입력 조인트 속도의 조합의 속도 제한을 실행하는 단계
에 의해 크기를 제한하는 동안 복수의 조인트의 조합된 운동을 결정하는 단계; 및
복수의 조인트의 조합된 운동을 실행시키도록 복수의 조인트를 구동시키는 단계
를 포함하는, 기록 장치.
제19항에 있어서, 조합된 운동을 결정하는 단계는 추가로,
마스터 속도와 관련하여 적어도 하나의 운동을 제한하는 단계를 포함하고, 마스터 속도는 원위 부분을 이동시키기 위한 명령된 운동과 연계되고, 적어도 하나의 운동은 제1 운동, 제2 운동 및 조합된 운동으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 기록 장치.