KR102456225B1 - 로봇 손목 제어를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

길항 케이블을 통해 액추에이터에 의해 구동되는 엔드 이펙터를 갖는 수술 로봇 도구를 제어하기 위한 시스템이 개시된다. 제어 시스템은 위치 제어기 및 파지력 제어기를 포함할 수 있다. 위치 제어기는 엔드 이펙터의 위치를 제어하기 위해 입력 신호를 수신하고 엔드 이펙터를 이동시키기 위해 액추에이터를 구동하기 위한 제1 명령을 생성하도록 구성될 수 있다. 파지력 제어기는 엔드 이펙터의 턱에 의해 가해지는 힘을 제어하기 위해 다른 입력을 수신하고 제2 명령을 생성하도록 구성될 수 있다. 제1 명령 및 제2 명령은 결합되어 엔드 이펙터의 움직임을 구동하기 위해 액추에이터에 제공되는 복합 명령을 생성할 수 있다. 케이블 느슨함을 방지하기 위해 슬랙 제어기 의해 제3 전류 또는 위치 명령이 생성될 수 있다.

Description

로봇 손목 제어를 위한 시스템 및 방법

본 발명은 일반적으로 로봇 및 제어 시스템에 관한 것으로, 특히 로봇 수술 도구의 엔드 이펙터의 위치 및 파지력을 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

복강경 수술과 같은 최소 침습 수술(MIS)은 수술 절차 동안 조직 손상을 감소시키기 위한 기술을 포함한다. 예를 들어, 복강경 절차는 일반적으로 환자 에게 다수의 작은 절개(예를 들어, 복부 내에)를 생성하고, 절개를 통해 환자에게 하나 이상의 수술 도구(예를 들어, 엔드 이펙터 및 내시경)를 넣는 것을 포함한다. 그 후 내시경에 의해 제공된 시각화 보조와 함께, 도입된 수술 도구를 사용하여 수술 절차가 수행될 수 있다.

일반적으로, MIS는 환자 흉터 감소, 환자 통증 감소, 환자 회복 기간 단축, 및 환자 회복과 관련된 치료 비용 감소와 같은 여러 이점을 제공한다. 최근의 기술 개발은 원격 조작자의 명령에 기초하여 수술 도구를 조작하기 위한 하나 이상의 로봇 암을 포함하는 로봇 시스템으로 더 많은 MIS를 수행할 수 있게 한다. 로봇 암은 예를 들어 원위 단부에서 수술용 엔드 이펙터, 이미징 디바이스, 환자의 체강 및 기관 등에 대한 액세스를 제공하기 위한 캐뉼라와 같은 다양한 디바이스를 지지할 수 있다. 로봇 MIS 시스템에서, 로봇 암에 의해 지지되는 수술 기구에 대해 높은 위치 정확도를 확립하고 유지하는 것이 바람직할 수 있다.

로봇 암에 대해 지원되는 새로운 종류의 수술 기구는 유사한 디자인을 공유 할 수 있으며, 예를 들어, 도구는 로봇 손목 및 하나 이상의 턱(jaw)을 포함하는 엔드 이펙터, 및 엔드 이펙터를 도구 구동부의 액추에이터에 결합하기 위한 풀리 및 케이블 시스템을 가질 수 있고, 여기서 도구 구동부는 엔드 이펙터의 다축(multi-axial) 모션(예를 들어, 피치(pitch) 및 요(yaw))을 구동할 수 있다. 엔드 이펙터는 다른 수술 작업 중에서 파지(grasping), 절단, 봉합을 수행하기 위해 길항(antagonistic) 케이블을 통해 작동되는 하나 초과의 턱을 포함할 수 있다. 로봇 손목을 정밀하게 임의의 각도 위치로 이동시키면서 턱 사이의 파지력(grip force)을 제어하는 능력은 로봇 수술 기구의 유용성을 위한 기본 요구 사항이다. 현재 4-와이어(4-wire) 길항 로봇 손목으로 이를 달성할 수 있는 알려진 방법은 없다.

일반적으로, 일부 변형에서, 로봇 수술 동안 원위 단부에 엔드 이펙터를 갖는 로봇 수술 도구를 제어하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 엔드 이펙터는 로봇 손목 및 서로에 대해 피봇(pivot)하는 로봇 손목에 결합된 2개의 부재를 가질 수 있고, 각각의 부재는 인장될 때 힘을 부여하는 한 쌍의 길항 케이블을 통해 로봇식으로 조작된다. 시스템은 엔드 이펙터의 요구 상태에 대한 입력을 수신하고 요구 상태에 기초하여 엔드 이펙터의 각 부재에 대한 한 쌍의 길항 케이블의 변위를 계산한다. 다음으로, 시스템은 계산된 변위에 기초하여 로봇 손목 및 엔드 이펙터 부재를 구동하기 위한 제1 명령을 생성한다. 그 후, 시스템은 요구 상태가 2개의 개의 엔드 이펙터 부재 사이의 요구 파지력을 포함하는지 여부를 결정한다. 요구 파지력의 결정에 응답하여, 시스템은 요구 파지력과 2개의 엔드 이펙터 부재 사이의 현재 파지력에 기초하여 엔드 이펙터의 부재에 대한 한 쌍의 길항 케이블 중 적어도 하나를 인장하기 위한 제2 명령을 생성한다. 시스템은 또한 제1 명령 및 파지력 또는 제2 명령에 기초하여 요구 상태를 달성하기 위해 엔드 이펙터를 구동시킨다.

일부 변형에서, 요구 상태는 로봇 손목의 요구 피치 각도, 엔드 이펙터의 요구 요 각도 및 엔드 이펙터의 2개의 대향 부재 사이의 요구 턱 각도 중 적어도 하나를 포함하며, 여기서 요구 상태가 요구 파지력을 포함하는지 여부를 결정하는 단계는 요구 턱 각도를 임계값과 비교하는 단계를 포함한다. 임계값은 물체를 잡을 때 또는 물체를 잡지 않고 서로 접촉할 때 엔드 이펙터의 2개의 대향 부재 사이의 접촉 턱 각도이며, 접촉 턱 각도는 2개의 대향 부재 사이의 현재 파지력의 추정 및 현재 턱 각도의 추정에 기초하여 결정된다. 2개의 엔드 이펙터 부재 사이의 현재 파지력은 한 쌍의 길항 케이블상의 현재 인장력의 측정에 기초하여 추정된다.

일부 변형에서, 한 쌍의 길항 케이블 각각은 적어도 하나의 액추에이터에 의해 인장되고 변위를 계산하는 단계는 적어도 하나의 액추에이터의 현재 위치 및/또는 속도와 한 쌍의 길항 케이블에 대한 현재 인장력을 측정하는 단계; 및 측정에 기초하여 로봇 손목의 피치 각도, 엔드 이펙터의 요 각도, 엔드 이펙터의 2개의 대향 부재 사이의 턱 각도, 및 현재 파지력 중 적어도 하나의 현재 상태를 추정하는 단계를 포함한다. 시스템은 적어도 하나의 액추에이터를 구동하기 위해 제1 명령 및 제2 명령에 기초하여 복합 명령을 추가로 생성할 수 있다. 시스템은 또한 한 쌍의 길항 케이블상의 인장력을 모니터링하고 케이블의 느슨함을 방지하기 위해 한 쌍의 길항 케이블 각각에 대해 미리 결정된 최소 인장력을 유지할 수 있다.

일반적으로, 일부 변형에서, 수술 로봇 시스템은 원위 단부에 엔드 이펙터를 포함하고 로봇 수술 도구를 포함한다. 엔드 이펙터는 2개의 대향 턱을 포함하며, 각각의 엔드 이펙터는 액츄에이터에 의해 인장될 때 힘을 부여하는 한 쌍의 길항 케이블을 통해, 적어도 하나의 액츄에이터에 의해 조작된다. 시스템은 또한 로봇 수술 도구에 결합되는 하나 이상의 프로세서를 갖는 제어기를 포함한다. 시스템은 입력 모듈로부터 엔드 이펙터의 요구 상태를 달성하기 위한 명령을 수신한다. 도구의 요구 상태는 엔드 이펙터의 피치 각도 및 요 각도, 및 2개의 턱 사이의 턱 각도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이어서, 시스템은 피치 각도 및 요 각도에 기초하여 엔드 이펙터의 요구 위치, 및 턱 각도에 기초하여 2개의 턱 사이의 요구 파지력을 결정한다. 요구 위치 및 요구 파지력에 기초하여, 제어기는 요구 위치 및 요구 파지력을 달성하도록 적어도 하나의 액츄에이터를 구동시킨다.

일반적으로, 일부 변형에서, 예시적인 로봇 수술 도구 제어 시스템을 위한 시스템은 2개의 파지 부재를 갖는 엔드 이펙터를 구비한 수술 도구 -각각의 파지 부재는 개별적으로 인장될 때 각각의 파지 부재의 반대 피봇팅을 달성하도록 하는 한 쌍의 길항 케이블을 통해 로봇식으로 조작됨-를 포함한다. 도구 제어 시스템은 또한 하나 이상의 프로세서 및 프로세서에 결합된 입력을 포함한다. 시스템은 엔드 이펙터의 2개의 파지 부재 사이의 입력 턱 각도를 수신한다. 수신된 입력 턱 각도가 2개의 파지 부재 사이의 요구 파지력을 나타내는지 여부를 결정한다. 입력 턱 각도가 요구 파지력을 나타내는 것으로 결정되면, 시스템은 요구 파지력과 추정된 현재 파지력 사이의 차이에 기초하여 각각의 파지 부재에 대한 한 쌍의 길항 케이블 중 적어도 하나를 인장시키기 위한 명령을 생성한다. 이어서 적어도 하나의 한 쌍의 길항 케이블이 요구 파지력을 달성하도록 인장될 수 있다. 그렇지 않고 수신된 입력이 요구 턱 각도를 나타내는 것으로 결정되면, 시스템은 엔드 이펙터의 각각의 파지 부재에 대한 한 쌍의 길항 케이블의 변위를 결정하고, 결정된 변위에 기초하여 요구 턱 각도를 달성하도록 한 쌍의 길항 케이블을 통해 엔드 이펙터를 구동시킨다.

로봇 수술 도구의 위치 및 파지력을 제어하기 위한 시스템 및 방법의 다른 변형이 본 명세서에서 설명된다.

도 1은 본 기술의 양태에 따른, 수술 로봇 시스템을 갖는 예시적인 수술실 환경을 도시한 도면이다.
도 2는 본 기술의 양태에 따른, 로봇 암, 도구 구동부 및 로봇 수술 도구가 로딩된 캐뉼라의 하나의 예시적인 설계를 도시하는 개략도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 기술의 양태에 따른, 각각 인접된 로딩된 도구를 갖거나 갖지 않는 예시적인 도구 구동부를 도시하는 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 기술의 양태에 따른, 로봇 손목, 한 쌍의 대향 턱, 및 로봇 손목과 한 쌍의 턱을 도구 구동부의 액추에이터에 결합하기 위한 풀리 및 케이블 시스템을 갖는 예시적인 그래스퍼(grasper)의 엔드 이펙터를 도시하는 개략도이다.
도 5a 및 5b는 본 기술의 양태에 따른, 로봇 수술 도구의 엔드 이펙터의 위치 및 파지력을 제어하기 위한 예시적인 제어 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 6은 본 기술의 양태에 따른, 로봇 수술 도구 제어 시스템의 예시적인 입력 처리 모듈을 도시하는 블록도이다.
도 7은 본 기술의 양태에 따른, 로봇 수술 도구 제어 시스템의 예시적인 파지 제어기 모듈을 도시하는 블록도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 기술의 양태에 따른, 로봇 수술 도구의 엔드 이펙터의 위치 및 파지력을 제어하기 위한 예시적인 제어 시스템을 도시하는 상세한 블록도이다.
도 9는 본 기술의 양태에 따른, 2개의 대향 부재가 있는 엔드 이펙터를 갖는 로봇 수술 도구를 제어하기 위한, 예시적인 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 10은 본 기술의 양태에 따른, 2개의 대향 부재가 있는 엔드 이펙터를 갖는 로봇 수술 도구를 제어하기 위한, 다른 예시적인 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 11은 본 기술의 양태에 따른, 2개의 파지 부재가 있는 엔드 이펙터를 갖는 로봇 수술 도구를 제어하기 위한, 또 다른 예시적인 프로세스를 도시하는 흐름도이다.

본 발명의 다양한 양태 및 변형예가 본 명세서에 기술되고 첨부 도면에 도시되어 있다. 이하의 설명은 본 발명을 이들 실시예로 제한하려는 것이 아니라, 당업자가 본 발명을 제조하고 사용할 수 있도록 하기 위한 것이다.

개요

수술용 로봇 암의 엔드 이펙터의 각도 위치 및 파지력을 제어하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 로봇 손목 및 하나 이상의 턱을 포함하는 엔드 이펙터는 금속 케이블 또는 와이어를 통해 액추에이터에 결합될 수 있다. 와이어는 예를 들어, 하나의 와이어를 잡아 당기는 것이 와이어 쌍의 다른 와이어에 반대 힘을 부여하는 와이어 쌍으로 작동할 수 있으며, 그에 따라 로봇 손목은 길항 로봇 손목일 수 있다. 제어 알고리즘은 4개 와이어 상의 로드 셀의 힘 피드백뿐만 아니라, 액추에이터의 위치 및 속도 피드백을 사용할 수 있다. 액추에이터 제어기는 위치 플러스 전류 피드 포워드 모드에서 작동할 수 있다. 피드 포워드 전류는 파지력 제어기에 의해 제공될 수 있다. 파지력 제어기는 파지력을 결정하기 위해 4개 와이어의 힘을 사용할 수 있고, 파지력 제어기는 요구 파지력을 달성하기 위해 모터에 대한 추가 전류를 조정할 수 있다. 적용되는 수술용 로봇 기구에는 그 중에서도 그래스퍼(grasper), 포셉(forcep), 가위, 바늘 드라이버, 리트랙터(retractor), 플라이어(plier) 및 소작 기구(cautery instrument)가 포함된다.

도 1은 본 기술의 양태에 따른, 수술 로봇 시스템(100)을 갖는 예시적인 수술실 환경을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 수술 로봇 시스템(100)은 외과의사용 콘솔(120), 제어 타워(130), 및 수술 로봇 플랫폼(110)(예를 들어, 테이블 또는 베드 등)에 위치된 하나 이상의 수술 로봇 암(112)을 포함하며, 엔드 이펙터를 갖는 수술 도구는 수술 절차를 실행하기 위해 로봇 암(112)의 원위 단부(distal end)에 부착된다. 로봇 암(112)은 테이블 장착 시스템으로 도시되어 있지만, 다른 구성에서, 로봇 암은 카트, 천장 또는 측벽, 또는 다른 적절한 지지 표면에 장착될 수 있다.

일반적으로, 외과의사 또는 다른 조작자와 같은 사용자는 로봇 암(112) 및/또는 수술 기구를 원격으로 조작하기 위해(예를 들어, 원격 수술(tele-operation)) 사용자 콘솔(120)을 사용할 수 있다. 사용자 콘솔(120)은 도 1에 도시된 바와 같이 로봇 시스템(100)과 동일한 수술실에 위치될 수 있다. 다른 환경에서, 사용자 콘솔(120)은 인접한 또는 근처의 방에 위치하거나, 다른 건물, 도시 또는 국가 내의 멀리 떨어진 위치에서 원격 조작될 수 있다. 사용자 콘솔(120)은 좌석(122), 발 조작식 컨트롤(124), 하나 이상의 핸드 헬드 사용자 인터페이스 디바이스(126), 및 예를 들어 환자 내부의 수술 부위의 뷰를 디스플레이 하도록 구성된 적어도 하나의 사용자 디스플레이(128)를 포함할 수 있다. 예시적인 사용자 콘솔(120)에 도시된 바와 같이, 좌석(122)에 위치하고 사용자 디스플레이(128)를 보는 외과의사는 로봇 암(112) 및/또는 암의 원위 단부에 장착된 수술 기구를 원격으로 제어하기 위해 발 조작식 컨트롤(124) 및/또는 핸드 헬드 사용자 인터페이스 디바이스(126)를 조작할 수 있다.

일부 변형에서, 사용자는 또한 "베드 위"(OTB) 모드로 수술 로봇 시스템(100)을 작동시킬 수 있으며, 이 모드에서 사용자는 환자의 측면에 있고 동시에 사용자는(예를 들어, 핸드 헬드 사용자 인터페이스 디바이스(126)를 한 손에 들고) 로봇식 구동 도구/그에 부착된 엔드 이펙터 및 수동 복강경 도구를 동시에 조작한다. 예를 들어, 사용자의 왼손은 로봇 수술 구성 요소를 제어하기 위해 핸드 헬드 사용자 인터페이스 디바이스(126)를 조작할 수 있는 반면, 사용자의 오른손은 수동 복강경 도구를 조작할 수 있다. 따라서, 이러한 변형에서, 사용자는 로봇 보조 MIS 및 수동 복강경 수술 모두를 환자에게 수행할 수 있다.

예시적인 시술(procedure) 또는 수술 동안, 환자는 마취에 이르기 위해 멸균 상태로 준비되고 드레이프된다. 수술 부위로의 초기 접근은 수술 부위로의 접근을 용이하게 하기 위해 수납된(stawed) 형태 또는 빠져나와 있는(withdrawn) 형태의 로봇 시스템(100)에 의해 수동으로 수행될 수 있다. 접근이 완료되면, 로봇 시스템의 초기 포지셔닝 및/또는 준비가 수행될 수 있다. 시술 동안, 사용자 콘솔(120)의 외과의사는 수술을 수행하기 위해 다양한 엔드 이펙터 및/또는 이미징 시스템을 조작하기 위해 발 조작식 컨트롤(124) 및/또는 사용자 인터페이스 디바이스(126)를 이용할 수 있다. 멸균 가운을 입은 직원에 의한 수동 보조가 수술 테이블에서 제공될 수도 있으며, 직원은 조직의 당김(retracting) 또는 수동 위치 변경 또는 하나 이상의 로봇 암(112)을 포함하는 도구 교환을 포함하지만 이에 제한되지 않는 작업을 수행할 수 있다. 비멸균 인원이 외과의사를 보조하기 위해 사용자 콘솔(120)에 위치할 수 있다. 시술 또는 수술이 완료되면, 로봇 시스템(100) 및/또는 사용자 콘솔(120)은, 예를 들어 사용자 콘솔(120)을 통해, 로봇 시스템(100) 세척 및/또는 살균, 및/또는 전자적 또는 하드 카피의 건강 관리 기록 입력 또는 인쇄 출력을 포함하나 이에 제한되지 않는, 하나 이상의 수술 후 절차를 용이하게 하는 상태로 구성 또는 설정될 수 있다.

일부 양태들에서, 로봇 플랫폼(110)과 사용자 콘솔(120) 사이의 통신은 제어 타워(130)를 통해 이루어질 수 있으며, 여기서 제어 타워(130)는 사용자 콘솔(120)로부터의 사용자 명령을 로봇 제어 명령들로 변환하고 로봇 플랫폼(110)으로 전송할 수 있다. 제어 타워(130)는 또한 로봇 플랫폼(110)으로부터의 상태 및 피드백을 사용자 콘솔(120)로 다시 전송할 수 있다. 로봇 플랫폼(110), 사용자 콘솔(120) 및 제어 타워(130) 사이의 연결은 유선 및/또는 무선 연결을 통해 이루어질 수 있으며, 독자 방식(proprietary) 이거나 및/또는 다양한 데이터 통신 프로토콜 중 임의의 것을 사용하여 수행될 수 있다. 유선 연결은 선택적으로 수술실의 바닥 및/또는 벽 또는 천장에 설치될 수 있다. 수술 로봇 시스템(100)은 수술실 내의 디스플레이뿐만 아니라 인터넷 또는 다른 네트워크를 통해 액세스 가능한 원격 디스플레이를 포함하는 하나 이상의 디스플레이에 비디오 출력을 제공할 수 있다. 비디오 출력 또는 피드는 또한 프라이버시를 보장하기 위해 암호화될 수 있으며 비디오 출력의 전부 또는 일부는 서버 또는 전자 건강 관리 기록 시스템에 저장될 수 있다.

도 2는 본 기술의 양태에 따른, 로봇 암, 도구 구동부 및 로봇 수술 도구가 로딩된 캐뉼라의 하나의 예시적인 설계를 도시하는 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 예시적인 수술 로봇 암(112)은 복수의 링크(예를 들어, 링크(202)) 및 그 복수의 링크를 서로에 대해서 작동시키기 위한 복수의 작동식 조인트 모듈(예를 들어, 조인트(204))을 포함할 수 있다. 조인트 모듈은 피치(pitch) 조인트 또는 롤(roll) 조인트와 같은 다양한 유형을 포함할 수 있으며, 이는 인접 링크의 이동을 다른 링크에 대해 특정 축 주위로 실질적으로 제한할 수 있다. 로봇 암(112)의 원위 단부에 부착된 도구 구동부(210)가 도 2의 예시적인 설계에 또한 도시되어 있다. 도구 구동부(210)는 수술 기구(220)(예를 들어, 내시경, 스테이플러 등)를 수용 및 가이드하기 위해 그 단부에 결합된 캐뉼라(214)를 포함할 수 있다. 수술 기구(또는 "도구")(220)는 도구의 원위 단부에 엔드 이펙터(224)를 포함할 수 있다. 로봇 암(112)의 복수의 조인트 모듈은 도구 구동부(210)를 위치시키고 배향시키도록 작동될 수 있으며, 이는 로봇 수술을 위해 엔드 이펙터(224)를 작동시킨다.

도구 구동부 및 도구

도 3a 및 도 3b는 본 기술의 양태에 따른, 각각 인접된 로딩된 도구를 갖거나 갖지 않는 예시적인 도구 구동부를 도시하는 개략도이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 하나의 변형에서, 도구 구동부(210)는 종방향 트랙(312)을 갖는 긴 베이스(또는 "스테이지")(310) 및 종방향 트랙(312)과 슬라이딩 결합되는 도구 캐리지(320)를 포함할 수 있다. 스테이지(310)는 로봇 암의 관절이 공간 내에서 도구 구동부(210)를 위치 및/또는 배향시키도록 로봇 암의 원위 단부에 결합되도록 구성될 수 있다. 또한, 도구 캐리지(320)는 도구(220)의 도구 베이스(352)를 수용하도록 구성될 수 있고, 이는 엔드 이펙터(222)(미도시)가 원위 단부에 배치된, 도구 베이스(352)로부터 및 캐뉼라(214)를 통해 연장되는 도구 샤프트(354)를 포함할 수 있다.

추가로, 도구 캐리지(320)는 예컨대 작동식 구동부(actuated drive)에 의해 조작 및 제어되는 케이블 시스템 또는 와이어를 통해 엔드 이펙터의 일련의 관절 운동을 작동시킬 수 있다("케이블"과"와이어"라는 용어는 본 명세서 전체에서 상호 교환적으로 사용된다). 도구 캐리지(320)는 상이한 구성의 작동식 구동부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 회전축 구동부는 중공 회전자를 갖는 모터 및 중공 회전자 내에 적어도 부분적으로 배치된 유성 기어 변속기를 포함할 수 있다. 복수의 회전축 구동부는 임의의 적절한 방식으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도구 캐리지(320)는 캐리지의 폭을 감소시키고 도구 구동부의 컴팩트성을 증가시키기 위해 약간 엇갈리게 베이스를 따라 종방향으로 연장되는, 2열로 배치된 6개의 회전 구동부(322A-322F)를 포함할 수 있다. 도 3b에 명확하게 도시된 바와 같이, 회전 구동부(322A, 322B, 322C)는 일반적으로 제1 행으로 배치될 수 있는 반면, 회전 구동부(322D, 322E, 322F)는 일반적으로 제1 행으로부터 종방향으로 약간 오프셋된 제2 행으로 배치될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 본 기술의 양태에 따른, 로봇 손목, 한 쌍의 대향 턱, 및 로봇 손목과 한 쌍의 턱을 도구 구동부의 액추에이터에 결합하기 위한 풀리 및 케이블 시스템을 갖는 예시적인 그래스퍼(grasper)의 엔드 이펙터를 도시하는 개략도이다. 이하의 도구 모델 및 제어기 설계가 예시적인 수술 로봇 그래스퍼를 참조하여 설명되었지만, 위치 및 파지력 제어를 위해 제안된 제어 시스템은 로봇 손목을 통해 도구 샤프트에 결합된 엔드 이펙터를 포함하는 임의의 도구에 적합할 수 있으며, 이는 엔드 이펙터의 다축 모션(예를 들어, 피치 및 요)을 허용한다. 유사한 도구에는 그래스퍼, 그리퍼, 포셉, 바늘 드라이버, 리트랙터 및 소작 기구가 포함되지만 이에 국한되지는 않는다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 대향 턱(401A 및 401B)은 제1 축(410)을 따라 연장된 차축(412)을 통해 로봇 손목의 제1 요크(402)에 이동 가능하게 결합된다. 제1 요크(402)는 제2 축(420)을 따라 제2 연장된 차축(422)을 통해 로봇 손목의 제2 요크(403)에 이동 가능하게 결합될 수 있다. 한 쌍의 턱(401A, 401B)은 각각 연장된 차축(412)을 통해 풀리(415A, 415B)와 각각 결합되거나 일체로 형성될 수 있어서, 두 턱이 축(410)을 중심으로 회전할 수 있다. 풀리들(425A, 425B, 425C 및 425D)은 연장된 차축(422)에 연결되고 축(420)을 중심으로 회전한다. 풀리들(425A, 425B, 425C 및 425D)은 요크(402)의 일측에서 제1 풀리 세트(425B 및 425C) 및 요크(402)의 타측에서 제2 풀리 세트(425A 및 425D)로 배치된다. 풀리(425A 및 42C)는 외부 풀리이고 풀리(425B 및 425D)는 내부 풀리이다. 유사하게, 제3 풀리 세트(435A, 435B, 435C 및 435D)는 제3 연장 차축(432)에 결합되고 축(420)에 평행한 축(430) 주위를 회전한다.

그래스퍼(220)는 축(410) 주위에서 다양한 방식으로 턱(401A 및 401B) 중 하나 또는 둘 모두를 이동시키도록 작동될 수 있다. 예를 들어, 턱(401A, 401B)은 서로에 대해 개방 및 닫혀질 수 있다. 턱(401A 및 401B)은 또한 그래스퍼(220)의 요 운동을 제공하기 위해 한 쌍으로서 함께 회전하도록 작동될 수 있다. 또한, 제1 요크(402), 풀리(415A 및 415B), 및 턱(401A 및 401B)은 축(420)을 중심으로 회전하여 그래스퍼(220)의 피치 운동을 제공할 수 있다. 도구의 로봇 손목 및/또는 턱의 이러한 움직임은 4개의 독립적인 케이블(405A-405D)을 제어함으로써 달성될 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 케이블(405A)은 풀리(415A)의 일측으로부터 시작(또는 종결)될 수 있고 풀리(425A 및 435A)를 따라 라우팅 될 수 있으며, 케이블(405B)은 풀리(415A)의 타측에서 종결되고 풀리(425B 및 435B)를 통해 라우팅 되도록 구성된다. 유사하게, 다른 한 쌍의 케이블(405C 및 405D)이 턱(401B)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 케이블(405C)은 풀리(415B)의 일측으로부터 풀리(425C 및 435C)로 연장되고; 케이블(405D)은 풀리(425D 및 435D)를 통해 라우팅되고 풀리(415B)의 다른 측에서 종결된다. 제3 풀리 세트(435A, 435B, 435C 및 435D)는 케이블(405A-405D)이 제2 풀리 세트(425A-425D)에 부착되도록 유지하고 케이블이 풀리(425A-425D)에 대해 미끄러지거나 슬라이딩되는 것을 방지하는 방식으로 배열된다.

4개의 독립적인 케이블을 통해 그래스퍼(220)의 움직임을 제어하는 것은 몇 가지 장점을 갖는다. 한 가지 장점은 6개의 케이블 (또는 6 개의 케이블 단부를 갖는 3 개의 케이블 루프)을 사용하는 일반적인 시판 디자인과 비교하여 도구 베이스(352)에서 로봇 손목까지 연장되는 케이블 수를 줄이는 것이다. 적은 수의 케이블로 도구 크기와 손목 어셈블리의 복잡성을 줄일 수 있으며 최소 침습 수술 절차나 비수술 용도에 도움이 될 수 있다. 또한 2개 또는 3개의 케이블 루프 대신 4개의 독립적인 케이블을 배치하면 케이블의 사전 장력을 조정하지 않고도 각 케이블의 장력을 독립적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 또한 손목 관절의 가변 컴플라이언스(variable compliance)를 가능하게 하고 외부 하중에 대한 감도를 높일 수 있다. 또한 각 케이블의 장력을 독립적으로 재조정할 수 있어 도구 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 그래스퍼(220)는 하나 이상의 풀리(415A, 415B, 425A, 425B, 425C 및 425D)에 움직임을 부여함으로써 파지(예를 들어, 축(410)에 대해 독립적으로 회전하는 턱), 요(예를 들어, 축(410) 주위에서 함께 회전하는 턱) 및 피치(예를 들어, 축(420)을 중심으로 회전하는 턱)와 같은 다양한 방식으로 턱(401A 및 401B)을 이동시키도록 작동될 수 있으며, 따라서 제1 요크(402) 및/또는 턱(401A 및 401B) 중 하나 또는 둘 모두에 움직임을 부여할 수 있다. 케이블(405A-405D)은 2개의 길항 쌍으로 그룹화 될 수 있는데, 즉, 길항 쌍의 하나의 케이블이 작동 또는 인장될 때, 다른 케이블이 느슨해지면 턱이 한 방향으로 회전한다. 반면 다른 케이블에만 장력이 가해지면 턱이 반대 방향으로 회전한다.

예를 들어, 케이블(405A 및 405B)은 턱(401A)을 움직이기 위한 제1 길항 쌍이고, 케이블(405C 및 405D)은 턱(401B)을 제어하기 위한 제2 길항 쌍이다. 케이블(405B)이 느슨해진 상태에서 케이블(405A)이(예를 들어, 회전 구동부(322a-322f) 중 적어도 하나에 의해) 인장될 때, 턱(401A)은 (대향 턱(401B)쪽으로 이동하여) 닫힌다. 한편, 케이블(405B)이 인장되고 케이블(405A)이 느슨해지면, 턱(401A)이 (대향 턱(401B)으로부터 멀어지도록 이동하여) 개방된다. 유사하게, 인장될 때, 케이블(405C)은 (대향 턱(401A)을 향해 이동하여) 턱(401B)을 닫고 케이블(405D)은 (대향 턱(401A)으로부터 멀어져) 턱(401B)을 열고 다른 케이블은 느슨해진다. 다른 예로서, 턱(401A)과 턱(401B) 사이의 파지력은 (서로 접촉하는) 턱이 닫힌 후에 (케이블(405B)과 케이블(405D)이 느슨해진 동안) 케이블(405A)과 케이블(405C) 모두를 계속 인장함으로써 달성될 수 있다.

다른 쌍의 케이블이 느슨해지는 동안 길항 쌍의 케이블 둘 다 동시에 인장되는 경우, 풀리(415A) 또는 풀리(415B)는 회전하지 않는다. 대신에, 턱(401A 및 401B)과 함께 제1 요크(402)는 풀리(415A 및 415B)에 의해 축(420)을 중심으로 피치가 부여된다. 예를 들어, 한 쌍의 케이블(405A 및 405B)이 동시에 장력을 받는 동안 한 쌍의 케이블(405C 및 405D)이 느슨해지면, 턱이 (요크(402)와 함께) 종이의 평면 밖으로 튀어 나온다. 케이블(405C 및 405D) 모두가 동시에 인장되고 쌍(405A 및 405B)이 느슨하게 유지될 때, 턱은 종이의 평면 내로 피치된다.

도 4b는 본 기술의 양태에 따른, 그래스퍼(220)의 다양한 움직임에 대한 예시적인 각도 정의를 도시하는 개략도이다. 각도는 축(410 및 420)뿐만 아니라 제1 요크(402)의 축(452) 및 제2 요크(403)의 축(453)을 참조하여 정의된다. 예를 들어, 도 4b에 도시된 바와 같이, 축(452)과 축(453) 사이의 각도(

)는 축(420) 주위의 요크(402)의 회전 각도를 나타낼 수 있으며, 이는 또한 그래스퍼(220)의 피치 각도(

)로 정의될 수 있다(도 4a에서, 턱이 기준 위치에 머무르기 때문에, 즉 피치 운동이 없기 때문에 요크(402)의 축(452)이 요크(403)의 축(453) 위에 중첩된다). 또한, 각도(

) 및(

)는 각각의 턱(401A 및 401B)과 요크(402)의 축(452)(원점) 사이의 각도를 각각 나타낼 수 있다. 축(452)의 측면을 구별하기 위해, 각도(

) 및(

)는 다른 부호를 취할 수 있다. 예를 들어, 도 4b에 도시된 바와 같이, 각도(

)는 음수이고 각도(

)는 양수이다.

제어 작업을 수행하기 위해 관절 각도에 대해 일관된 좌표 프레임을 정의하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 두 개의 턱(401A 및 401B) 사이의 각도로서 턱 각도(

)를, 축(452)과 턱 각도를 이등분하는 선 사이의 각도로서 요 각도(

)를 더 정의할 수 있다. 따라서, 아래와 같다.

도 4b의 각도와 새롭게 정의된 각도 사이의 변환은 다음과 같다:

또한 풀리 기하학적 구조에 대해 다음과 같은 명명법을 설정할 수 있다.

a)

은 케이블(405A 및 405C)이 각각 존재하는 외부 풀리(425A 및 425C)의 반경이고;

b)

는 케이블(405B 및 405D)이 각각 존재하는 내부 풀리(425B 및 425D)의 반경이고(

은

와 같거나 같지 않을 수 있음);

c)

은 (도 4a에 도시된 바와 같이 차축(412) 및 풀리(415A)의 중심에 대해) 케이블(405A)이 존재하는 측의 풀리(415A)의 반경이고;

d)

는 (도 4a에 도시된 바와 같이 차축(412) 및 풀리(415A)의 중심에 대해) 케이블(405B)이 존재하는 측의 풀리(415A)의 반경이고;

e)

은 케이블(405C)이 존재하는 측의 풀리(415B)의 반경이고; 그리고

f)

는 케이블(405D)이 존재하는 측의 풀리(415B)의 반경이다.

상기 예시적인 대칭 설계,

,

및

(도 4a에 도시 됨)에서, 일부 다른 설계에서는

뿐만 아니라,

를 가질 수 있다.

케이블 장력(

)을 조인트 토크(

)와 관련시키는 기본 방정식은 다음과 같다.

여기서 행렬(B)는 다음 형식을 갖는다.

(

,

,

,

)는 각각 케이블 405A, 405B, 405C 및 405D의 케이블 장력에 해당한다.

식 (1)에서, (

)은 케이블에 의해 적용된 가상 조인트 토크의 벡터로, 이는 조인트가 마찰을 극복하고 외력에 대항하여 움직일 수 있게 한다. 벡터(

)에는 세 가지 성분이 있다:

여기서(

)은 피치 조인트 토크이고, (

) 및(

)은 각각 턱(401A) 및 턱(401B)의 조인트 토크이다.

이상적인 케이블 변위(케이블 탄성이 없다고 가정) 및 턱 각도와 관련된 운동학적 관계는 다음과 같다:

여기서(

)은 케이블(405A-405D)의 이상적인 변위를 포함하는 4 요소 벡터이고, (

)은 도 4b에 도시된 각도의 벡터이다:

케이블이 탄성체인 실제의 경우, 실제 및 이상적인 케이블 변위는 다음과 같이 관련 된다:

여기서

는 N/m 단위의 케이블 탄성 상수이다(모든 케이블이 유사하다고 가정).

제어 시스템 설계

로봇 수술 기구의 원위 엔드 이펙터의 각도 위치 및 파지력을 제어하기 위한 방법 및 시스템이 아래에 설명된다. 엔드 이펙터는 로봇 손목 및 한 쌍의 대향 부재(예를 들어, 턱 또는 발톱)를 포함할 수 있으며, 각각 2개의 길항 와이어에 의해 작동되는 개방 위치와 닫힌 위치 사이에서 이동 가능하다. 도 3 및 도 4에 도시되고 대응하는 섹션에서 설명된 바와 같이, 총 4개의 와이어가 각각 독립적인 액추에이터 또는 모터에 의해 구동될 수 있다. 요구 위치 및 파지력을 달성하기 위해, 제어 시스템은 액추에이터로부터의 위치 및 속도 피드백 및 4개의 와이어에서 측정된 힘 피드백을 포함하는 피드백 루프를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 액추에이터 제어기들은 위치 플러스 피드 포워드 전류 모드를 구동할 수 있다. 예를 들어, 위치 제어기는 위치 피드백에 기초하여 원위 엔드 이펙터를 공간 내에서 요구 각도 위치로 구동할 수 있고, 파지력 제어기는 대향 부재 사이의 요구 파지력을 달성하기 위해 4개 와이어상의 로드 셀에 의해 측정된 파지력에 기초하여 추가적인 피드 포워드 전류를 제공한다.

도 5a는 본 기술의 양태에 따른, 수술 도구를 제어하기 위한 고수준 제어 시스템을 도시하는 블록도이다. 제어 시스템은 입력(560), 제어기(562), 플랜트(564), 출력(568), 및 출력(568)과 제어기(562) 사이의 피드백 경로상의 센서 및 추정기(566)를 포함한다. 플랜트(564)는 도구 액추에이터 및 엔드 이펙터(예를 들어, 액추에이터 유닛(510) 및 도 5b의 케이블 및 손목 링크(512))를 포함할 수 있다. 제어기(562)는 메모리에 저장된 소프트웨어 명령에 의해 입력(560)에 응답하여 플랜트(564)의 움직임을 계산하도록 구성된 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있고, 이 입력은 수술 도구의 엔드 이펙터의 요구 움직임을 가리킬 수 있다. 따라서 제어기(562)에 의해 생성된 명령은 엔드 이펙터의 요구 이동을 용이하게 하기 위해 도구 액추에이터를 구동할 수 있다. 엔드 이펙터의 위치, 속도, 케이블 장력 및 파지력과 같은 출력(568)은 센서 및 추정기(566)에 의해 직접 측정 또는 추정될 수 있고 폐 루프 제어를 위해 제어기(562)로 피드백 될 수 있다.

도 5b는 본 기술의 양태에 따른, 로봇 수술 도구의 엔드 이펙터의 위치 및 파지력을 제어하기 위한 예시적인 제어 시스템(500)을 도시하는 블록도이다. 로봇 제어 시스템(500)은 입력 처리 유닛(502), 액추에이터 명령 생성기(504), 위치 제어기(506), 파지력 제어기(508), 하나 이상의 액추에이터 유닛(510) 및/또는 케이블 및 손목 링크(512), 슬랙 제어기(514), 위치 추정기(522) 및 파지력 추정기(524)를 포함한다. 도면에 도시된 것과 다른 추가적이거나 상이한 또는 더 적은 구성 요소가 사용될 수 있음에 유의한다. 구성 요소의 배치 및 유형의 변형은 또한 본 명세서에 기재된 청구 범위의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.

입력 처리 유닛(502) 및 액추에이터 명령 생성기(504)는 엔드 이펙터의 요구 각도 위치를 수신하고, 요구 각도 위치를(역 운동학 알고리즘을 통해) 대응하는 액추에이터 위치 명령 및/또는 파지력 명령으로 변환하며, 이는 위치 제어기(506) 및/또는 파지력 제어기(508)로 출력된다. 예를 들어, 입력 요구 각도 위치는 피치 각도(

), 요 각도(

) 및 턱 각도(

)를 포함할 수 있다. 요구 턱 각도 입력은 각도가 임계값 이상일 때 위치 제어 명령으로 취급될 수 있다. 임계값은 두 턱이 사이에 객체(들)와 동시에 접촉하는 각도에 해당한다. 파지할 물체가 없는 경우 턱이 서로 닿기 시작할 때 임계값은 0도이다. 임계값보다 작은 임의의 요구 턱 각도에 대해, 입력은 요구 파지력 명령으로 변환되고 파지력 제어기(508)로 전달될 수 있으며, 이는 요구 파지력을 달성하기 위해 위치 명령 외에 전류 명령을 생성할 수 있다.

도 6은 본 기술의 양태에 따른, 로봇 수술 도구 제어 시스템의 입력 처리 유닛(502) 및 액추에이터 명령 생성기(504)를 위한 예시적인 설계를 도시하는 블록도이다. 일부 구현들에서, 요구 피치 각도(

)(610) 및 요구 요 각도(

)(612)는 항상 엔드 이펙터의 요구 위치로 취급되고 입력으로서 액추에이터 명령 생성기(504)에 직접 전달된다. 반면에, 요구 턱 각도(

)(614)는 입력 처리 유닛(502)에 의해 임계값(

)(616)과 먼저 비교되어, 입력이 엔드 이펙터에 대한 요구 위치 또는 요구 힘 명령인지를 결정한다. 입력 처리 유닛(502)에 제공된 임계값(

)(616)는 미리 결정된 값일 수 있거나 또는 (예를 들어, 파지력 추정기(524)에 의해) 동적으로 결정될 수 있다. 임계값을 결정하는 방법에 대한 자세한 내용은 아래에 더 설명 될 것이다.

예를 들어, 요구 턱 각도(

)(614)가 입력 처리 유닛(502)에 의해 결정된 바와 같이 임계값(

)(616) 아래에 있다면, 요구 턱 각도(

)(614)는 파지력 명령으로 해석되고 각도 값은 요구 파지력(

)(622)으로 변환되어 파지력 제어기(508)로 출력된다. 요구 파지력은 요구 턱 각도(

)(614) 및/또는 임계값(

)(616)의 함수에 기초하여 결정될 수 있다. 함수는 선형 함수, 지수 함수, 2 차 함수 또는 기타 적절한 함수일 수 있다. 한편, 요구 턱 각도(

)(614)가 임계값(

)(616)를 초과하면, 이는 위치 명령으로 해석되고 요구 피치 각도(

)(610) 및 요구 턱 각도(

)(612)와 함께 위치 입력으로서 액추에이터 명령 생성기(504)에 전달된다.

이어서, 액추에이터 명령 생성기(504)는 역 운동학을 사용하여 위치 제어기(506)가 엔드 이펙터를 작동시키기 위한 위치 명령(

)(620)을 생성한다. 액추에이터 명령 생성기(504)는 또한 피드백에 기초하여 생성된 위치 명령(

)(620)을 조정하기 위해 (예를 들어, 케이블 탄성을 보완하기 위해) 피드백 각도 위치(

)(618)를(예를 들어, 위치 추정기(522)로부터) 수신할 수 있다.

이제 다시 도 5b를 참조한다. 위치 제어기(506)는 액추에이터 유닛(510)상의 위치 및/또는 속도 센서로부터 위치 피드백을 수신할 수 있다. 요구 액추에이터 위치를 달성하면 액추에이터와 로봇 손목 사이의 운동학적 관계로 인해 로봇 손목의 요구 위치로 이어질 수 있다. 따라서, 제로 정상 상태 타입의 제어기는 요구 파지력을 달성하기 어렵게 하면서 정확한 위치를 강제함으로써(그러므로 프로세스에서 전류 명령을 포화시키므로) 파지력 제어기와 "싸울(fight)"수 있기 때문에, 비-제로 정상 상태 에러 타입의 제어기가 위치 제어기(506)에 사용되는 것이 바람직하다. 바람직한 비-제로 정상 상태 에러 제어기의 예는 비례 플러스 미분(PD) 제어기를 포함한다. PD 제어기는 파지력 제어기가 요구 파지력을 생성하는 데 필요한 그래스퍼 턱의 준수를 허용한다. 그리하여 파지력 제어기(508)는 (위치 제어기(506)와 대조적으로) 파지력 제어 동안 턱 닫힘의 자유도의 준수를 지배하는 주요 요인일 수 있다.

액추에이터 유닛(510)은 탄성 케이블(또는 와이어)을 통해 로봇 손목에 결합되고, 케이블은 힘에 의해 길이가 변경될 수 있기 때문에, 액추에이터 위치와 손목 움직임 간의 순수한 운동학적 관계에 기초한 추정은 정확하지 않을 수 있다. 위치 추정기(522)는 추정 알고리즘에서의 케이블 탄성을 고려함으로써(예를 들어, 칼만 필터를 사용하여) 손목 관절 위치 및 속도의 보다 정확한 추정치를 액추에이터 명령 생성기(504) 및 파지력 추정기(524)에 제공할 수 있다. 추정된 위치 및 속도 정보는 손목의 정확한 위치 결정뿐만 아니라 마찰의 추정을 위해 사용될 수 있다.

일부 구현에서, 파지력 제어기(508)는 케이블 와이어 상의 로드 셀 또는 토크 센서에 의해 측정된 케이블 장력의 피드백을 취한다. 그 후, 파지력 추정기(524)에 의해 알고리즘이 사용되어 케이블상에서 측정된 장력값에 기초하여 턱 사이의 파지력을 추정할 수 있다. 파지력 제어기(508)는 추정된 값을 요구 파지력과 비교하고 요구 파지력을 달성하기 위해 추가적인 전류 명령을 생성할 수 있다. 또는, 힘/토크 감지 로드 셀의 측정 대신, 파지력 제어기(508)는 파지력 생성을 위한 추가적인 전류 명령을 생성하기 위해, 일부 추정 기술과 결합하여, 모터 전류를 피드백으로서 사용할 수 있다.

전술한 바와 같이, 엔드 이펙터는 4개의 독립적인 케이블을 통해 도구 구동부에 연결될 수 있으며, 이들 각각은 독립적인 모터에 의해 작동된다. 특히, 엔드 이펙터는 로봇 손목 및 한 쌍의 대향하는 턱 부재를 포함할 수 있으며, 각 턱은 개방 위치와 닫힘 위치 사이에서 이동 가능하다. 일부 구현들에서, 모터들은 전류에 의해 구동될 수 있다. 전류 명령은 두 부분을 포함할 수 있다: 구동 전류의 제1 부분은 조인트 각도 제어기(506)로부터 그리고 제2 부분은 파지력 제어기(508)로부터 온 것일 수 있다. 두 개의 전류 명령이 합산되어 액추에이터 유닛(510)으로 전송될 수 있다.

도 7은 본 기술의 양태에 따른, 로봇 수술 도구 제어 시스템의 예시적인 액추에이터 유닛(510) 및 그 입력/출력을 도시하는 블록도이다. 액추에이터 유닛은 각각 대응하는 액추에이터 또는 모터(704)를 구동하는 하나 이상의 저레벨 액추에이터 또는 모터 구동부(702)를 포함할 수 있다. 액추에이터 유닛에는 추가의 다른 구성 요소 또는 더 적은 구성 요소가 사용될 수 있음에 유의한다. 일부 구현들에서, 액추에이터 또는 모터(704)는 전류 구동 DC 모터다. 저레벨 액추에이터 또는 모터 구동부(702)는 위치 제어기(506)로부터의 요구 전류 명령(

)(710)과 파지력 제어기(508)로부터의 요구 전류 명령(

)(712)의 합인 입력 전류 명령(

)(714)을 수신한다. 액추에이터 또는 모터 구동부(702)는 액추에이터 또는 모터(704)를 구동할 수 있고, 이는 결국 출력 전류(

)(718)로 엔드 이펙터를 구동한다. 모터(704)의 상태, 예를 들어 전류(

)(718)는 모터 구동부(702)로 피드백 될 수 있다. 요구 전류 명령 (

)(710) 및 (

)(712)을 합산함으로써, 액추에이터 유닛(510)은 엔드 이펙터의 요구 움직임 및/또는 파지력을 달성하기 위해 하나 이상의 모터를 구동할 수 있다.

로봇 손목의 길항 특성으로 인해, 상이한 모터에 대한 요구 파지력 명령(

)(712)은 길항적일 수 있는데, 예를 들어 액추에이터를 닫는 데 양성적이고 액추에이터를 여는 데는 음성적일 수 있다. 추가 전류 명령이 2개의 닫힘 액추에이터에서 턱을 닫기 위해 기존의 전류 명령에 부가되고 2개의 개방 액추에이터로 턱을 개방하기 위해 전류 명령으로부터 감산되는 것이 바람직할 수 있다. 다른 구현에서, 추가 전류 명령은 닫힘 케이블을 제어하기 위해 2개의 닫힘 액추에이터로만 전송될 수 있으며, 그 결과 성능이 저하될 수 있다. 후자의 시나리오에서, 예를 들어 요구 턱 각도(

)(614)인, 입력 턱 각도가 파지력을 제어하기 위해 사용되는 임계값(

)(616)은 결정적일 수 있으며, 즉 임계값은 정확한 접촉 각도로 설정될 필요가 있다. 그렇지 않으면 파지력을 높이면서 턱이 가까워질수록 개방 케이블이 더 많은 저항력을 가질 수 있다. 케이블 힘 및 액추에이터의 포화로 인해 파지가 닫히지 않는 지점에 도달할 수 있다. 따라서, 마찰을 추정하고 접촉 각도를 추정하기 위해 별도의 추정기가 필요할 수 있고, 이를 통해 임계값이 결정되어 입력 처리 유닛(502)에 제공될 수 있다.

대안적으로, 파지력 제어기(508)는 요구 파지력을 생성하는데 필요한 추가 전류를 계산하기 위해 모델을 사용할 수 있다. 또한, 위치 제어기(506)에 의해 생성된 전류 명령에 대해 추가 및/또는 감산될 추가 전류 설정점을 생성하는 대신, 파지력 제어기(508)는 2개의 닫힘 케이블 위치 설정점에 추가되고 2개의 개방 케이블 위치 설정점에서 감산될 추가 위치 설정점을 제공할 수 있다(설정점은 단순히 요구 각도 위치와 같은 시스템의 필수 변수에 대한 요구값 또는 목표 값이다).

도 5b를 다시 참조하면, 슬랙 제어기(514)는 케이블의 장력이 절대로 0 미만(또는 느슨함을 보상하기 위해 미리 정해진 양의 값)으로 떨어지지 않도록 하는 작업을 수행할 수 있다. 케이블은 엔드 이펙터의 장력 전용 부재로, 마이너스 힘을 적용할 수 없다. 또한, 케이블이 느슨해지면 케이블 양단 간의 운동학적 관계가 더 이상 유지되지 않는다. 따라서 어떤 상황에서도 케이블의 장력이 0으로 떨어지는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 슬랙 제어기(514)는 케이블상의 로드 셀로부터의 힘 값을 모니터링하고 힘 값의 최소값을 미리 결정된 임계값과 비교할 수 있다. 모든 케이블에 걸친 최소 힘 값이 임계값 아래로 떨어지면, 슬랙 제어기(514)는 요구 최소 장력이 유지되도록 모든 액추에이터에 추가 위치 명령을 생성할 수 있다. 이러한 추가 위치 명령은 파지력을 변경하거나 손목에 원치 않는 움직임을 일으키지 않도록, 손목 케이블 시스템의 널 공간(null space)을 채워야(bin) 한다. 대안적으로, 추가 위치 명령 대신, 슬랙 제어기는 손목 케이블 시스템의 널 공간에 크기를 갖는 추가 전류를 액추에이터에 제공할 수 있다(동일한 액추에이터를 가정). 어느 경우든, 비례 플러스 적분(PI) 제어기와 같은 제로 정상 상태 타입 제어기는 슬랙 제어기(514)로서 배치되어 케이블에 요구 최소 힘을 유지시킬 수 있다.

다음의 단락들은 예시적인 제어 시스템에서 각 구성 요소의 입력, 출력 및 기능에 관한 보다 상세한 예시적인 제어 알고리즘을 설명한다. 제안된 방법론은 엔드 이펙터를 구동하는 액추에이터에 위치 플러스 피드 포워드 전류 제어를 사용하는 것에 의존할 수 있다. 위치 제어기는 케이블을 통해 공간 내에서 엔드 이펙터를 요구 위치 설정점으로 구동할 수 있는 한편, 2개의 엔드 이펙터 부재 사이에서 요구 파지력을 달성하기 위해 추가적인 피드 포워드 전류가 추가될 수 있다.

이제 도 8a를 참조하면, 본 기술의 양태에 따른, 로봇 수술 도구의 엔드 이펙터의 위치 및 파지력을 제어하기 위한 예시적인 제어 시스템(800A)을 도시하는 상세한 블록도가 도시되어 있다. 설명은 제어 시스템을 특정 구현으로 제한하려는 것이 아니라, 당업자가 본 발명을 제조하고 사용할 수 있게 하려는 것이다. 또한, 제어 시스템 및 방법은 더 많거나 적은 구성 요소를 포함할 수 있다. 이들 구성 요소 각각은 서로 사용될 수 있거나, 다양한 목적을 위해 개별적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 제어 시스템(500)과 유사하게, 제어 시스템(800A)은 입력 처리 유닛(502), 액추에이터 명령 생성기(504), 위치 제어기(506), 파지력 제어기(508), 슬랙 제어기(514), 위치 추정기(522), 파지력 추정기(524) 및 4개의 액추에이터 유닛(모터 및 구동부)(510)을 포함한다. 제어 시스템(800A)에서, 케이블(512A)과 손목 링크(512B)가 분리되고, 접촉 예측 유닛(526)이(도 5b에 도시된 바와 같이) 제어 시스템(500)에 추가된다.

제어 시스템(800A)은 요구 각도(801, 802 및 803)의 입력을 취할 수 있다. 3 개의 입력 각도 중에서, 요구 피치 각도(

)(801) 및 요구 턱 각도(

)(802)는 액추에이터 명령 생성기(504)로 직접 전달된다. 요구 턱 각도(

)(803)는 접촉 예측 유닛(526)에 의해 추정될 수 있는 임계값(

)(844)과 비교되도록 입력 처리 유닛(502)에 제공된다.

전술한 바와 같이, 엔드 이펙터의 입력 피치 각도(801)(도 4b에서 축(420)에 대한 회전) 및 요 각도(802)(도 4b에 도시된 바와 같이, 축(452)과 턱의 중간 점 사이의 각도)는 위치 제어기(506)에 의해 위치 모드에서 제어될 수 있다. 입력 턱 각도(두 턱 부재 사이의 각도)는 요구 턱 각도(803)가 임계값(844)보다 작은 지 또는 큰지에 따라 다르게 해석될 수 있다. 요구 턱 각도(803)가 입력 처리 유닛(502)에 의해 결정된 바와 같이 임계값(844) 아래에 있을 때, 파지력 제어기(508)에 대한 요구 파지력(

)(804)이 생성된다. 요구 파지력은 요구 턱 각도(803) 및/또는 임계값(844)의 함수에 따라 결정될 수 있다. 함수는 선형 함수, 지수 함수, 2 차 함수 또는 다른 함수일 수 있다. 요구 턱 각도(803)는 비교 결과에 관계없이 위치 명령의 일부로서 액추에이터 명령 생성기(504)로 전달될 수 있지만, 임계값(844)보다 큰 경우에만 위치 명령으로 취급된다.

임계값(844)은 턱의 2개의 부재가 서로 접촉하거나 그 사이에 있는 임의의 물체와 접촉하는 각도 값에 대응한다. 다시 말해서, 임계값에서 입력 턱 각도는 각도 위치 명령으로부터 파지력 명령으로 전환된다. 임계값(844)은 미리 결정된 값(예를 들어, 0도) 일 수 있다. 바람직하게는, 임계값은 파지된 물체와의 접촉이 처음 발생하는 실제 턱 각도를 추정함으로써 실시간으로 결정된다. 예를 들어, 임계값을 결정하기 위해, 접촉 예측 유닛(526)은 턱 각도 및 파지력 값의 추정에 기초하여 접촉이 발생하는 인스턴스를 검출 및/또는 예측할 수 있다. 그 후, 결정된 임계값은 입력 턱 각도를 해석하기 위해 입력 처리 유닛(502)으로 전달된다. 액추에이터 명령 생성기(504)의 출력은 4개의 케이블 변위를 생성하기 위해 위치 제어기(506)에 대한 변위 명령(

)(806)을 포함할 수 있고, 이는 4개의 액추에이터 유닛(또는 모터)(510)에 적용될 수 있다.

를 사용하여 요구 각도를 나타내면, 식 (2)를 사용하여 벡터를 관절 공간에서 요구 각도

로 변환할 수 있다:

여기서 첨자 "_d"는 해당 입력뿐만 아니라 변환된 파라미터에 대한 요구 값을 나타낸다. 파지력이 요구되는 경우, 턱 각도 입력은 요구 파지력(

)(804)으로 변환되어 파지력 제어기(508)로 전송될 수 있다.

액추에이터 명령 생성기(504)는 조인트 각도(

)(841)의 추정에 대한 위치 추정기(522)로부터의 피드백을 수신할 수 있다. 관절 각도의 1차 추정치는 식 (7)을 사용하여 액추에이터(모터) 위치(

)(831) 및 케이블 장력(

)(833)의 측정으로부터 측정될 수 있다:

여기서

는 N/m 단위로 케이블의 탄성 상수이고, 케이블 장력(

)(833)은 식 (3)에 정의되어 있고, (

)(831)은 액추에이터 유닛(510)에서의 위치 센서 측정의 벡터이다:

일부 구현에서, 제어 시스템(800A)은 요구 조인트 위치(피치 및 요)를 달성하기 위해 폐 루프 제어를 채택할 수 있다. 폐 루프 제어 방식에서, 액추에이터 명령 생성기(504)는 위치 추정기(522)로부터 각도 위치를 계속 모니터링하고 요구 조인트 각도가 달성될 때까지 그 위치 명령(

)(805)을 조정할 수 있다. 또는, 액추에이터 명령 생성기(504)는 개방 루프 제어를 수행하고 4개의 모터의 요구 변위를 얻기 위해 식 (5)에 기초한 역 운동학 기법을 사용할 수 있다:

여기서

및

은 각각 식 (4) 및 식 (10)에 정의된다. 케이블 탄성의 영향을 설명하기 위해, 식 (9)를 사용하여 4개의 모터의 요구 변위가 더 개선될 수 있다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 위치 설정점 또는 명령(

)(806)은 2개의 구성 요소의 합일 수 있다:

여기서 제1 구성 요소(

)(805)는 상술한 액추에이터 명령 생성기(504)에 의해 생성될 수 있고, 제2 구성 요소(

)는 슬랙 제어기(514)에 의해 제공될 수 있다.

제2 변위 명령(

)(854)은 케이블 장력(

)(833) 피드백(예를 들어, 4개의 케이블(512A)상의 로드 셀들로부터)에 기초하여 슬랙 제어기(514)에 의해 생성될 수 있다. 케이블 장력 피드백(

)(833) 중 최소 장력값(

)(851)은 먼저 "최소"유닛(514A)에 의해 결정된다:

다음으로, 슬랙 제어기는 추가 변위 명령(

)(852)을 생성하기 위해 최소값(

)(851)을 요구 최소 장력값(

)과 비교할 수 있다. 4개의 케이블 모두에서 요구 최소 장력을 유지하기 위해 제로 정상 상태 오류 유형 제어기를 채택할 수 있다. 이산 도메인(discrete domain)에서 이러한 제어기는 다음과 같은 형식을 취할 수 있다(상태 공간 또는 비선형과 같은 다른 형식도 가능):

여기서

는 입력(

)(851)에서 출력(

)(852)으로의 제어기 전달 함수이고, z는 z-변환 파라미터다. 또한, 파라미터

및

는

의 분자 및 분모에 있는 해당 다항식이 근을 단위 원 안에 엄밀히 두게 하고 z = +1에 근을 갖지 않게 하는 실수(real number)이다. 파라미터 m, n 및 p는 제어기 전달 함수

가 적절하도록 하는

및

와 같은 정수이다.

비례 플러스 적분(PI) 제어기는

의 특수한 경우이며 위에서 설명한대로 4개의 케이블에서 최소 장력을 조절하는 데 사용될 수 있으며 시간 도메인에서 다음과 같은 형식을 취할 수 있다:

여기서

와

는 각각 비례 및 적분 게인이다.

최소 장력을 유지하고 관절 각도 위치 또는 파지력을 방해하지 않도록 케이블의 장력을 조정하려면 위치 명령(

)(854)이 손목 케이블 시스템의 널 공간에 있어야한다. 이를 달성하기 위해, 스칼라 변위(

)(852)는 매트릭스(

)의 널 공간에 더 곱해질 수 있다. 따라서, 제2 변위 명령(

)(854)은 다음 형태를 취할 수 있다:

여기서 (

)(853)는 최소 장력을 갖는 케이블에 대응하는 요소가 단위값(즉, 1)되도록 널 공간 벡터를 스케일링하는 상수이다.

대안적으로, 슬랙 제어기(514)는 위치 제어기(506)에 제공되는 추가 위치 명령(

)(854) 대신, (손목 케이블 시스템의 널 공간에서 크기를 갖는) 액추에이터(510)를 직접 구동하기 위한 추가 전류를 포함하는 명령을 생성할 수 있다. 이러한 구현에서, 추가적인 전류 명령이 각각의(

) 구성(821-824)에 추가될 수 있다.

위치 제어기(506)는 운동학적 관계를 통해 손목의 요구 위치를 초래할 수 있는 요구 액추에이터 위치를 달성하기 위해 사용될 수 있다. 각각의 모터에 전송되는 전류 명령을 조절하기 위해, 위치 제어기(506)는 액추에이터의 위치 및/또는 속도 센서 또는 속도 추정치로부터의 피드백에 의존할 수 있다. 또한, 각각의 모터(510)는 위치 제어기(506)로부터 추가 또는 더 적은 전류와 결합된 자신의 전류 설정점 또는 명령을 수신할 수 있고, 이는 파지력 제어기(508)로부터의 스케일링 벡터(

)에서 각각의 값(

)(816-819)에 의존한다.

위치 제어기(506)는 위치 설정점 또는 명령(

)(806)뿐만 아니라, 위치(

) 및 속도(

)(832) 피드백에 기초하여 전류 명령(

)을 생성할 수 있다. 바람직하게는, 위치 제어기(506)는 전술한 바와 같이 비-제로 정상 상태 오류 제어기로 구현될 수 있다. 이산 도메인에서 이러한 제어기는 다음과 같은 형식을 취할 수 있다(상태 공간 또는 비선형과 같은 다른 형식도 가능):

여기서

는 입력 (

)(806)과 출력(

)(811-814) 사이의 제어기 전송 함수이고 z는 z-변형 파라미터다. 또한, 파라미터

및

는

의 분자 및 분모에 있는 해당 다항식이 근을 단위 원 안에 엄밀히 두게 하고 z = +1에 근을 갖지 않게 하는 실수다. 파라미터 m과 n은 제어기 전달 함수

가 적절하도록 하는(

)과 같은 정수이다.

비례 플러스 미분(PD) 제어기는 식 (19a)에서

의 특수한 경우이며 전류 명령(

)(811-814)을 생성하는데 사용될 수 있다. 따라서 식 (19b)와 같이 4개의 액추에이터에 대한 전류 명령의 첫 번째 구성 요소는 다음과 같이 생성될 수 있다(시간 도메인으로 표시):

여기서(

) 및(

)는 제어기 게인이며, (

)(831)은 식(12)에 정의된 액추에이터 위치의 4-튜플 벡터이고, (

)은 액추에이터 속도로 구성된 4-튜플 벡터이며, 이는 직접적인 속도 센서 측정값이거나 또는 위치 미분에서 추정할 수 있다.

파지력 제어기(508)는 위치 제어기(506)로부터의 전류 명령(

)과 결합될 수 있는 제2 전류(

)(815)를, 파지력을 달성하기 위해 각각의 액추에이터(510)에 대해서 생성할 수 있다. 제2 전류 명령(

)(815)은 파지력 추정기(524)에 의해 제공되는 파지력 피드백(

)(843)뿐만 아니라, 요구 파지력 입력(

)(804)에 기초하여 파지력 제어기(508)에 의해 생성될 수 있다.

L이 턱 회전 축에서 파지 하중 적용 점까지의 턱 길이를 정의한다고 가정하면 두 턱 부재 사이의 파지력은 다음 방정식을 사용하여 추정할 수 있다:

여기서 (

) 및 (

)은 식(1)의 두 턱 요소의 조인트 토크이다. 식 (3)의 조인트 토크로 대체하고 식 (4)를 사용하여 다음을 얻을 수 있다:

식 (21)은 케이블(512A)상의 로드 셀 또는 토크 센서를 사용하여 케이블 힘이 직접 측정되는 것으로 가정한다. 케이블 힘 값은 또한 고급 추정 알고리즘과 함께(예를 들어, 칼만 필터를 사용하여) 모터 전류 및 모터 상태, 예컨대(

)(832)를 사용하여 간접적으로 추정될 수 있다.

파지력 추정치(

)(843)가 얻어지면, 파지력 제어기(508)는 그 값을 요구 파지력 값(

)(804)과 비교하고 요구 파지력을 얻기 위해 제2 전류 명령(

)(815)을 생성할 수 있다. 파지력을 제어하기 위해 식 (16a)에 도시된 것과 유사한 제로 정상 상태 에러 타입 제어기가 채택될 수 있다. 이 경우

는 입력(

)(804)와 출력(

)(815) 사이의 제어기 전송 함수이다.

의 특수한 경우에는 비례 플러스 적분(PI) 제어기가 포함되는데, 이 제어기는 파지력을 조절하는 데 사용될 수 있으며 시간 도메인에서 다음과 같은 형식을 취할 수 있다:

여기서

및

는 각각 비례 및 적분 게인이다.

이와 같이, 스칼라 제2 전류 명령(

)(815)은 스케일링 된 전류 명령을 생성하기 위해 개별 이득 증폭기(816-819)를 통과할 수 있고, 이는 전류 명령(

)(811-814)에 각각 추가될 수 있다. 결합된 전류 명령(

)의 각각의 컴포넌트(

)(821-824)는 액추에이터 또는 모터(510)에 인가될 수 있다. 예를 들어, 제2 전류 명령(

)(815)은 턱을 닫는 2개의 액추에이터의 전류 명령에 추가될 수 있고 턱을 개방하는 2개의 액추에이터에 대한 전류 명령으로부터 감산될 수 있다. 구현에 따라 스케일링 벡터(

)에서 각 컴포넌트(

)(816-819)에 대해 다른 값이 선택될 수 있다. 다음 방정식은 4개의 모터에 대한 다양한 전류 명령 설정예를 보여 주고, 이로 인해 다양한 성능을 발휘할 수 있다:

일부 구현들에서, 파지력 제어 알고리즘은 케이블 장력 측정에 기반한 추정이 아닌, 요구 파지력을 생성하는데 필요한 추가 전류를 계산하기 위해 모델을 사용할 수 있다. 모델은 모터 위치 및 전류와 같은 알려진 파라미터에 기초하여 파지력을 나타낼 수 있다. 도 8b는 본 기술의 양태에 따른, 로봇 수술 도구의 엔드 이펙터의 위치 및 파지력을 제어하기 위한 대안적인 제어 시스템(800B)을 도시하는 상세한 블록도이다. 제어 시스템(800B)에서, 도 8a에 도시된 바와 같이 전류 명령에 추가 및 감산될 추가 전류 설정점(

)을 생성하는 대신, 파지력 제어기(508)는 도 8b에 도시된 (

)(807)과 같은 추가 위치 설정값을 생성하여, 2개의 닫힘 케이블 위치 설정값에 추가되고 2개의 개방 케이블 위치 설정값에서 감산될 수 있다 또는 반대로 될 수 있다. 따라서, 위치 제어기(506)로의 위치 입력 명령(

)(806)은 3 개의 구성 요소를 포함할 수 있다: 전술한 액추에이터 명령 생성기(504)에 의해 생성된 제1 구성 요소(

)(805), 슬랙 제어기(514)에 의해 제공되는 제2 구성 요소(

) 및 파지력 제어기(508)에 의해 계산된 제3 구성 요소(

)(807). 복합 위치 명령(

)(806)은 액추에이터 유닛(510)을 구동하기 위한 전류 명령(

)을 생성하기 위해 위치 제어기(506)에 제공된다.

도 9는 본 기술의 양태에 따른, 2개의 대향 부재를 갖는 엔드 이펙터를 갖는 로봇 수술 도구를 제어하기 위한 예시적인 프로세스(900)를 도시한 흐름도이다. 그러나, 수술 도구 제어 시스템에 의해 수행되는 프로세스(900)는 제어기의 동작에 대한 예시적인 설명만을 제공하고, 프로세스에 더 많거나 더 적은 단계가 포함될 수 있고/있거나 단계는 도 9에 도시된 블록의 순서와 다른 하나 이상의 순서로 발생할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

먼저, 수술 도구 제어 시스템은 로봇 수술 도구의 엔드 이펙터에 대한 요구 상태에 대한 입력을 수신하고, 엔드 이펙터는 원위 단부에 로봇 손목 및 서로에 대해 피봇(pivot)하는 로봇 손목에 결합된 2개의 부재를 갖는다(902). 요구 상태는 로봇 손목의 요구 피치 각도, 엔드 이펙터의 요구 요 각도 및 엔드 이펙터의 두 대향 부재 사이의 요구 턱 각도와 같은, 요구 각도를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 도구 제어 시스템(500)에서, 입력 처리 유닛(502)은 로봇 손목 및 엔드 이펙터 부재의 요구 각도 위치를 수신할 수 있다. 2개의 대향 부재 각각은 인장될 때 힘을 부여하는 한 쌍의 길항 케이블을 통해 로봇식으로 조작될 수 있다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 그래스퍼(220)의 엔드 이펙터는 한 쌍의 턱(401A 및 401B)을 포함하고, 케이블(405A 및 405B)은 턱(401A)을 조작하기 위한 제1 길항 쌍이다. 개별적으로 장력을 받으면, 케이블(405A)은 턱(401A)을 닫고 케이블(405B)은 턱(401A)을 개방한다.

도구 제어 시스템은 이어서 요구 상태에 기초하여 엔드 이펙터의 각 부재에 대한 한 쌍의 길항 케이블의 변위를 계산할 수 있다(904). 요구 턱 각도가 요구 파지력을 나타내는 경우, 변위는 요구 피치 및 요 각도에 응답하여 계산된다. 그렇지 않으면 변위 계산은 요구 피치, 요 및 턱 각도에 해당한다. 두 경우 모두, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 도구 제어 시스템의 위치 제어기(506)는 또한 적어도 하나의 액추에이터의 현재 위치 및/또는 속도의 측정에 기초하여 계산할 수 있다. 다음으로, 제어 시스템은 계산된 변위에 기초하여 로봇 손목 및 엔드 이펙터 부재를 구동하기 위한 제1 명령을 생성할 수 있다(906). 예를 들어, 도 8a 및 도 8b의 액추에이터 명령 생성기(504)는 요구 피치 및 요 각도(또한 요구 파지력 대신 요구 각도를 나타내는 경우 턱 각도)에 기초하여 변위 또는 위치 명령(

)을 생성할 수 있다. 제어 시스템은 또한 선택적으로 케이블 슬랙을 방지하기 위해 도 8a 및 8b의 슬랙 제어기(514)와 같은, 다른 피드백 제어 루프를 채택하여 한 쌍의 길항 케이블 상의 인장력을 모니터링하고 케이블상의 미리 결정된 최소 인장력을 유지한다. 슬랙 제어기(514)로부터의 출력(

)은 위치 설정점으로서 위치 제어기(506)에 제공하기 위해 위치 명령(

)과 합산될 수 있다.

수술 도구 제어 시스템은 요구 상태가 엔드 이펙터의 두 대향 부재 사이의 요구 파지력을 포함하는지 여부를 판단할 수 있다(908). 일부 구현들에서, 요구 상태가 요구 파지력을 포함하는지 여부를 결정하기 위해 요구 턱 각도를 임계값과 비교하는 것이 포함될 수 있다. 임계값은 물체를 잡을 때 또는 물체를 잡지 않고 서로 접촉 할 때(즉, 0도) 엔드 이펙터의 두 대향 부재 사이의 접촉 턱 각도일 수 있다. 예를 들어, 그래스퍼(220)가 물체를 잡고 있지 않을 때, 접촉 각도는 0도이다. 접촉 각도는 예를 들어 파지될 물체의 크기에 기초하여 미리 결정될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 접촉 각도는 예를 들어, 도 8a 및 도 8b에 도시된 접촉 예측 유닛(526)에 의해, 현재 턱 각도의 추정 및/또는 두 대향 부재 사이의 현재 파지력의 추정에 기초하여 예측되거나 동적으로 결정될 수 있다. 요구 턱 각도가 임계값보다 작은 경우, 요구 턱 각도는 엔드 이펙터의 2개의 대향 부재 사이의 요구 파지력의 크기 및 표시로 해석될 수 있다.

요구 상태가 요구 파지력을 포함한다는 결정에 응답하여(예를 들어, 요구 턱 각도가 임계값보다 작은 경우), 도구 제어 시스템은 요구 턱 각도로 표시된 요구 파지력 및 2개의 엔드 이펙터 부재 사이의 현재 파지력에 기초하여 엔드 이펙터의 부재에 대한 한 쌍의 길항 케이블 중 적어도 하나를 인장하기 위한 제2 명령을 생성할 수 있다(910). 전술한 바와 같이, 엔드 이펙터의 부재(예를 들어, 도 4a의 턱(401A))를 위한 한 쌍의 길항 케이블 각각(예를 들어, 도 4a의 케이블(405A 및 405B))은 도 3b에 도시된 회전 구동부(322A-322F)와 같은, 적어도 하나의 액추에이터에 의해 당겨지거나 인장될 수 있다. 제2 명령은, 예를 들어, 요구 파지력(804)과 파지력 추정기(524)로부터의 현재 파지력(843)의 추정값의 차이에 기초하여, 도 8a 및 8b에 도시된 파지력 제어기(508)에 의해 계산될 수 있고, 이는 한 쌍의 길항 케이블상의 현재 인장력(833)의 측정치뿐만 아니라 위치 추정기(522)로부터의 각속도(842)를 고려할 수 있다.

블록 912에서, 도구 제어 시스템은 제1 명령 및/또는 제2 명령에 기초하여 요구 상태를 달성하기 위해 엔드 이펙터를 구동시킨다. 도 8a에 도시된 일부 구현들에서, 도구 제어 시스템은 엔드 이펙터를 구동하기 위해 계산된 변위에 기초하여 적어도 하나의 액추에이터에 대한 제1 전류 명령(

)을 생성할 수 있다. 요구 턱 각도가 요구 파지력을 나타내는 것으로 결정되는 경우, 요구 파지력 및 추정된 현재 파지력에 기초하여 적어도 하나의 액추에이터에 대해 제2 구동 명령(

)이 생성된다. 액추에이터 유닛(510)으로의 실제 입력은, 예를 들어, 적어도 하나의 액추에이터를 구동하기 위한 제1 구동 명령 및 제2 구동 명령에 기초한 복합 명령일 수 있다. 복합 명령은 식 (23)-(26)에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 명령의 임의의 선형 조합일 수 있다. 도 8b에 도시된 바와 같은 일부 다른 구현에서, 파지력 제어기(508)는 추가 변위 또는 위치 명령(

)을 출력하고, 이는 복합 위치 명령(

)을 생성하기 위해 액추에이터 명령 생성기(504) 및 슬랙 제어기(514)로부터의 위치 설정점과 결합된다. 그 후, 복합 위치 명령은 액추에이터 유닛(510)을 구동하기 위한 전류 명령을 생성하기 위해 위치 제어기(506)에 입력될 수 있다.

도 10은 본 기술의 양태에 따른, 2개의 대향 부재를 갖는 엔드 이펙터를 갖는 로봇 수술 도구를 제어하기 위한 다른 예시적인 프로세스(1000)를 도시하는 흐름도이다. 이 예에서, 수술 로봇 시스템은 원위 단부에 엔드 이펙터를 갖는 로봇 수술 도구를 포함한다. 엔드 이펙터는 액추에이터에 의해 인장될 때 힘을 부여하는 한 쌍의 길항 케이블을 통해 적어도 하나의 액추에이터에 의해 각각 조작되는 2개의 대향 턱을 갖는다. 시스템은 또한 로봇 수술 도구에 연결된 하나 이상의 프로세서를 포함하는 제어기를 포함할 수 있다.

제어기는 로봇 수술 도구의 엔드 이펙터의 요구 상태를 달성하기 위해 입력 모듈로부터 입력을 수신할 수 있다(1002). 입력은 엔드 이펙터의 피치 각도 및 요 각도, 및 엔드 이펙터의 2개의 턱 사이의 턱 각도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그 다음, 제어기는 피치 각도 및 요 각도에 기초하여 엔드 이펙터의 요구 위치, 및 턱 각도에 기초하여 엔드 이펙터의 2개의 턱 사이의 요구 파지력을 결정한다(1004). 요구 위치 및 요구 파지력에 기초하여, 제어기는 엔드 이펙터의 요구 위치와 턱 사이의 요구 파지력을 포함하는, 도구의 요구 상태를 달성하기 위해 적어도 하나의 액추에이터를 구동할 수 있다(1006).

일부 구현들에서, 도구의 요구 상태를 달성하기 위해, 제어기는 적어도 하나의 액추에이터에 대한 제1 구동 명령을 생성하기 위한 적어도 하나의 액추에이터의 현재 위치뿐만 아니라, 한 쌍의 길항 케이블상의 현재 인장력을 측정할 수 있다. 제어기는 적어도 하나의 액추에이터에 대한 제2 구동 명령을 생성하기 위해 한 쌍의 길항 케이블상의 측정된 인장력에 기초하여 엔드 이펙터의 두 대향 부재 사이의 현재 파지력을 추가로 추정할 수 있다. 제1 및 제2 구동 명령은 도구를 요구 상태로 구동시키기 위해 결합될 수 있다.

도 11은 본 기술의 양태에 따른, 2개의 파지 부재를 갖는 엔드 이펙터를 갖는 로봇 수술 도구를 제어하기 위한 또 다른 예시적인 프로세스(1100)를 도시하는 흐름도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 예시적인 로봇 수술 도구 제어 시스템은 2개의 파지 부재를 갖는 엔드 이펙터를 갖는 수술 도구를 포함하며, 2개의 파지 부재 각각은 개별적으로 인장될 때 각각의 파지 부재의 반대 피봇을 만드는 한 쌍의 길항 케이블을 통해 로봇식으로 조작된다. 도구 제어 시스템은 또한 하나 이상의 프로세서 및 프로세서에 연결된 입력을 포함한다.

도구 제어 시스템은 엔드 이펙터의 2개의 파지 부재 사이의 입력 턱 각도를 수신할 수 있다(1102). 다음으로, 도구 제어 시스템은 수신된 입력 턱 각도가 두 파지 부재 사이의 요구 파지력을 나타내는지 여부를 결정할 수 있다(1104). 예를 들어, 요구 턱 각도가 임계값보다 작을 때 명령은 요구 파지력을 나타내며, 이는 엔드 이펙터가 물체를 잡을 때 두 파지 부재 사이의 접촉 각도일 수 있다. 일부 구현들에서, 접촉 각도는 2개의 파지 부재들 사이의 현재 파지력의 추정 및 현재 턱 각도의 추정에 기초하여 결정될 수 있다.

요구 턱 각도가 요구 힘을 나타낸다는 결정에 응답하여, 도구 제어 시스템은 요구 파지력과 현재 파지력의 추정치의 차이에 기초하여 각각의 파지 부재에 대한 한 쌍의 길항 케이블 중 적어도 하나를 인장하기 위한 명령을 생성할 수 있다(1106). 예를 들어, 입력 턱 각도는 입력 턱 각도가 임계값보다 작을 때 요구 파지력을 나타내며, 여기서 임계값은 엔드 이펙터가 물체를 잡을 때 두 파지 부재 사이의 접촉 턱 각도거나 잡지 않을 때는 0 도 이다. 접촉 각도는 2개의 파지 부재 사이의 현재 파지력의 추정 및 현재 턱 각도의 추정에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 구현들에서, 2개의 파지 부재들 사이의 현재 파지력은 한 쌍의 길항 케이블상의 현재 인장력의 측정에 기초하여 추정될 수 있다. 이어서, 한 쌍의 길항 케이블 중 적어도 하나는 요구 파지력을 달성하기 위해 인장될 수 있다(1108).

그렇지 않고 수신된 입력이 실제로 요구 턱 각도(예를 들어, 입력 턱 각도가 임계값을 초과함) 인 것으로 결정되면, 도구 제어 시스템은 엔드 이펙터의 각각의 파지 부재에 대한 한 쌍의 길항 케이블의 변위를 결정할 수 있으며(1110), 결정된 변위에 기초하여 요구 턱 각도를 달성하도록 한 쌍의 길항 케이블을 통해 엔드 이펙터를 구동한다(1112).

전술한 설명은 설명의 목적으로 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 명명법을 사용하였다. 그러나, 본 발명을 실시하기 위해 특정 세부 사항이 필요하지 않다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 특정 실시예에 대한 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공된다. 그것들은 개시된 정확한 형태로 본 발명을 빠짐없이 기술하거나 제한하려는 것이 아니며; 명백히, 상기 교시의 관점에서 많은 수정 및 변형이 가능하다. 실시예는 본 발명의 원리 및 그 실제 적용을 가장 잘 설명하기 위해 선택되고 설명되었고, 이에 의해 당업자는 본 발명 및 고려된 특정 용도에 적합한 다양한 변형을 갖는 다양한 실시 양태를 최대한 활용할 수 있다. 다음의 청구 범위 및 그 등가물이 본 발명의 범위를 정의하는 것으로 의도된다.

전술한 방법, 디바이스, 처리 및 논리는 많은 상이한 방식으로 그리고 하드웨어 및 소프트웨어의 많은 상이한 조합으로 구현될 수 있다. 제어기 및 추정기는 전자 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 구현의 전부 또는 일부는 중앙 처리 유닛(CPU), 마이크로 제어기 또는 마이크로 프로세서; 응용 특정 집적 회로(ASIC), 프로그래머블 로직 디바이스(PLC) 또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA); 또는 아날로그 회로 구성 요소, 디지털 회로 구성 요소 또는 둘 다를 포함하는 이산 논리 또는 다른 회로 구성 요소의 집합; 또는 이들의 임의의 조합과 같은 명령 프로세서를 지칭할 수 있다. 회로는 예를 들어 별개의 상호 연결된 하드웨어 구성 요소를 포함할 수 있고/있거나, 단일 집적 회로 다이(die) 상에 결합되거나, 다수의 집적 회로 다이 사이에 분산되거나, 또는 공통 패키지에서 다수의 집적 회로 다이의 MCM(Multiple Chip Module)으로 구현될 수 있다.

회로는 회로에 의해 실행될 명령을 더 포함하거나 액세스 할 수 있다. 명령은 플래시 메모리, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 소거 가능한 프로그램 가능 판독 전용 메모리(EPROM); 또는 CDROM(Compact Disc Read Only Memory), 하드 디스크 드라이브(HDD) 또는 기타 자기 또는 광 디스크와 같은 자기 또는 광 디스크; 또는 다른 기계 판독 가능 매체 내에 또는 그 위에 있는, 일시적 신호 이외의 유형의 저장 매체에 저장될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품과 같은 제품은 저장 매체 및 매체 내에 또는 매체 상에 저장된 명령을 포함할 수 있고, 디바이스의 회로에 의해 실행될 때의 명령은 디바이스로 하여금 위에서 설명되거나 도면에 도시된 임의의 처리를 구현하게 할 수 있다.

구현들은 선택적으로 여러 분산 처리 시스템을 포함한, 다수의 프로세서 및 메모리와 같은 다수의 시스템 구성 요소들 사이에 회로로서 분배될 수 있다. 파라미터, 데이터베이스 및 기타 데이터 구조는 개별적으로 저장 및 관리될 수 있고, 단일 메모리 또는 데이터베이스에 통합될 수 있고, 많은 다른 방식으로 논리적 및 물리적으로 구성될 수 있으며, 링크된 목록, 해시 테이블, 배열, 레코드, 객체 또는 암시적 저장 메커니즘과 같은 데이터 구조를 포함한 많은 다른 방식으로 구현될 수 있다. 프로그램은 단일 프로그램의 일부(예를 들어, 서브 루틴), 별도의 프로그램, 여러 메모리 및 프로세서에 분산되거나, 공유 라이브러리(예를 들어, 동적 링크 라이브러리(DLL))와 같은 라이브러리와 같이, 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 예를 들어, DLL은 회로에 의해 실행될 때 상술되거나 도면에 도시된 임의의 처리를 수행하는 명령을 저장할 수 있다.

또한, 본 명세서에서 논의된 다양한 제어기는 예를 들어, (마이크로)프로세서, 로직 게이트, 스위치, 응용 특정 집적 회로(ASIC), 프로그래머블 로직 제어기 및 임베디드 마이크로 제어기로 실행 가능한 컴퓨터 판독 가능 프로그램 코드(예를 들어, 펌웨어)를 저장하는 처리 회로, 마이크로 프로세서 또는 프로세서, 및 컴퓨터 판독 가능 매체의 형태를 취할 수 있다. 제어기는 하드웨어 및/또는 펌웨어로 구성되어 아래에 설명되고 흐름도에 도시된 다양한 기능을 수행할 수 있다. 또한, 제어기 내부에 있는 것으로 나타난 일부 구성 요소는 제어기 외부에 저장될 수 있으며 다른 구성 요소가 사용될 수 있다.

Claims (20)

1. 로봇 수술 동안 로봇 수술 도구를 제어하는 방법으로서,
   상기 로봇 수술 도구의 엔드 이펙터에 대한 요구 상태에 대한 입력을 수신하는 단계로서, 상기 엔드 이펙터는 로봇 손목 및 서로에 대해 피봇(pivot)하는 상기 로봇 손목에 결합된 2개의 엔드 이펙터 부재들을 가지며, 상기 각각의 엔드 이펙터 부재는 인장될 때 힘을 부여하는 길항 케이블(antagonistic cable)들의 쌍을 통해 로봇식으로 조작되는, 상기 수신하는 단계;
   상기 요구 상태에 기초하여 길항 케이블들의 각 쌍의 변위들을 하나 이상의 프로세서에 의해 계산하는 단계;
   상기 계산된 변위들에 기초하여 상기 로봇 손목 및 상기 엔드 이펙터 부재들을 구동하도록 위치 제어를 위한 제1 명령을 생성하는 단계;
   상기 요구 상태가 상기 2개의 엔드 이펙터 부재들 사이의 요구 파지력(grip force)을 포함하는지 여부를 결정하는 단계;
   상기 요구 파지력이라는 결정에 응답하여, 상기 요구 파지력 및 상기 2개의 엔드 이펙터 부재들 사이의 현재 파지력에 기초하여 길항 케이블들의 쌍 중 적어도 하나를 인장하도록 파지력 제어를 위한 제2 명령을 생성하는 단계로서, 상기 2개의 엔드 이펙트 부재들 사이의 상기 현재 파지력은 로드 셀들 또는 토크 센서들을 사용하여 길항 케이블들의 쌍들 상의 현재 인장력의 측정에 기초하여 추정되는, 상기 제2 명령을 생성하는 단계;
   위치 제어를 위한 상기 제1 명령에 파지력 제어를 위한 상기 제2 명령을 추가하여 복합 명령을 생성하는 단계; 및
   상기 복합 명령에 기초하여 상기 요구 상태를 달성하도록 상기 엔드 이펙터를 구동하는 단계로서, 상기 복합 명령은 상기 엔드 이펙터의 다양한 자유도에 대한 파지력 제어 및 위치 제어를 동시에 제공하는, 상기 구동하는 단계;를 포함하는 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 요구 상태는 상기 로봇 손목의 요구 피치(pitch) 각도, 상기 엔드 이펙터의 요구 요(yaw) 각도 및 상기 엔드 이펙터의 2개의 대향 부재들 사이의 요구 턱(jaw) 각도 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 요구 상태가 요구 파지력을 포함하는지 여부를 결정하는 단계는 상기 요구 턱 각도를 임계값과 비교하는 단계를 포함하는 방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 임계값은 물체를 잡을 때 또는 물체를 잡지 않고 서로 접촉할 때 상기 엔드 이펙터의 2개의 대향 부재들 사이의 접촉 턱 각도인 방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 접촉 턱 각도는 상기 엔드 이펙터의 2개의 대향 부재들 사이의 상기 현재 파지력의 추정 및 현재 턱 각도의 추정에 기초하여 결정되는 것인 방법.
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   길항 케이블들의 각각의 쌍은 적어도 하나의 액추에이터에 의해 인장되는 것인 방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 변위를 계산하는 단계는,
   상기 적어도 하나의 액추에이터의 현재 위치, 또는 현재 속도, 또는 현재 위치 및 현재 속도 모두와, 길항 케이블들의 각 쌍에 대한 현재 인장력을 측정하는 단계; 및
   상기 측정들에 기초하여 상기 로봇 손목의 피치 각도, 상기 엔드 이펙터의 요 각도, 상기 엔드 이펙터의 2개의 대향 부재들 사이의 턱 각도, 및 현재 파지력 중 적어도 하나의 현재 상태를 추정하는 단계를 포함하는 방법.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 복합 명령은 상기 적어도 하나의 액추에이터를 구동하는 방법.
10. 청구항 1에 있어서,
    길항 케이블들의 각 쌍의 인장력을 모니터링하는 단계; 및
    상기 케이블의 느슨함을 방지하기 위해 길항 케이블들의 각 쌍에 대해 미리 결정된 최소 인장력을 유지하는 단계를 더 포함하는 방법.
11. 수술 로봇 시스템으로서,
    원위 단부에 엔드 이펙터를 갖는 로봇 수술 도구로서, 상기 엔드 이펙터는 한 쌍의 액추에이터들, 및 상기 한 쌍의 액추에이터들에 의해 인장될 때 힘을 부여하는 길항 케이블들의 쌍에 의해 각각 조작되는 2개의 대향 턱들을 포함하는, 상기 로봇 수술 도구; 및,
    상기 로봇 수술 도구에 결합되는 하나 이상의 프로세서를 포함하는 제어기를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 엔드 이펙터의 요구 상태를 달성하기 위한 입력으로서, 상기 엔드 이펙터의 피치 각도 및 요 각도, 및 상기 2개의 턱 사이의 턱 각도 중 적어도 하나를 포함하는, 상기 입력을 입력 모듈로부터 수신하고;
    상기 한 쌍의 액추에이터들의 위치들 및 길항 케이블들의 쌍들 상의 인장력들을 측정하고;
    상기 피치 각도 및 요 각도에 기초하여 상기 엔드 이펙터의 요구 위치, 및 상기 턱 각도에 기초하여 상기 2개의 턱들 사이의 요구 파지력을 결정하고;
    상기 요구 위치와, 측정 위치들 및 인장력들에 기초하여 상기 한 쌍의 액추에이터들 각각을 위한 제1 구동 명령을 생성하고;
    길항 케이블의 쌍들 상의 측정된 인장력들에 기초하여 상기 2개의 대향 턱들 사이의 현재 파지력을 추정하고;
    상기 요구 파지력과 추정된 현재 파지력 사이의 차이에 기초하여 상기 한 쌍의 액추에이터들 각각에 대한 제2 구동 명령을 생성하고; 그리고,
    상기 제1 구동 명령 및 상기 제2 구동 명령에 기초한 복합 구동 명령을 사용하여 상기 요구 위치 및 요구 파지력을 달성하도록 상기 한 쌍의 액추에이터들을 구동시키도록 구성되는 시스템.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 로봇 수술 도구 제어 시스템으로서,
    2개의 파지 부재들을 갖는 수술 도구의 엔드 이펙터로서, 각각의 파지 부재는 개별적으로 인장될 때 상기 각각의 파지 부재의 반대 피봇팅을 달성하도록 하는 길항 케이블들의 쌍을 통해 로봇식으로 조작되는, 상기 엔드 이펙터;
    상기 엔드 이펙터의 2개의 파지 부재들 사이의 입력 턱 각도를 수신하는 입력; 및
    하나 이상의 프로세서;를 포함하며,
    상기 프로세서는,
    상기 수신된 입력 턱 각도가 상기 2개의 파지 부재들 사이의 요구 파지력을 나타내는지 여부를 결정하고;
    상기 요구 파지력이라는 결정에 응답하여, 상기 요구 파지력과 추정된 현재 파지력 사이의 차이에 기초하여 상기 각각의 파지 부재에 대한 길항 케이블들의 쌍 중 적어도 하나를 인장시키도록 파지력 제어를 위한 명령을 생성하고; 그리고
    상기 생성된 명령에 기초하여 상기 요구 파지력을 달성하도록 길항 케이블의 쌍 중 적어도 하나를 인장하도록 구성되고,
    상기 현재 파지력은 로드 셀들 또는 토크 센서들을 사용하여 길항 케이블들의 쌍들 상의 현재 인장력의 측정을 기초하여 추정되고,
    상기 생성된 명령은 상기 엔드 이펙터의 다양한 자유도에 대한 파지력 제어 및 위치 제어를 동시에 제공하는 시스템.
17. 청구항 16에 있어서,
    상기 입력은 상기 입력 턱 각도가 임계값보다 작을 때 요구 파지력을 나타내고, 상기 임계값은 상기 엔드 이펙터가 물체를 잡을 때 상기 2개의 파지 부재들의 접촉 턱 각도이거나 잡지 않을 때 0도인 시스템.
18. 청구항 17에 있어서,
    상기 접촉 턱 각도는 상기 2개의 파지 부재들 사이의 상기 현재 파지력의 추정 및 현재 턱 각도의 추정에 기초하여 결정되는 시스템.
19. 삭제
20. 청구항 16에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 수신된 입력이 요구 턱 각도를 나타내는 것으로 결정하는 것에 응답하여, 상기 엔드 이펙터의 각각의 파지 부재에 대한 길항 케이블들의 쌍의 변위를 결정하고; 그리고
    상기 결정된 변위에 기초하여 상기 요구 턱 각도를 달성하도록 길항 케이블들의 쌍을 통해 상기 엔드 이펙터를 구동하도록 추가로 구성되는 시스템.

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