KR102491731B1

KR102491731B1 - 링 토폴로지의 통신 네트워크를 갖춘 로봇 수술 시스템 및 그 사용을 위한 방법

Info

Publication number: KR102491731B1
Application number: KR1020207007286A
Authority: KR
Inventors: 클라우스 알. 지엣로우; 필립 엘. 그레이브스; 치옹 우; 로스 케이. 위드릭
Original assignee: 버브 서지컬 인크.
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2023-01-27
Also published as: CN111093910B; KR20200054967A; EP3684561A1; US20200383737A1; US11419690B2; AU2018334393A1; US20190083186A1; WO2019055125A1; CA3073226A1; MA50184A; CN111093910A; EP3684561A4; US10779901B2

Abstract

제어기와 하나 이상의 로봇 암의 노드 사이에서 정보를 전달하기 위한 링 네트워크를 갖는 로봇 수술 시스템이 개시된다. 로봇 암의 노드와 동기 및 비동기 정보가 통신될 수 있는 통신 프로토콜이 설명된다. 네트워크와 함께 사용될 수 있는 물리 계층의 다양한 양상이 또한 개시된다.

Description

링 토폴로지의 통신 네트워크를 갖춘 로봇 수술 시스템 및 그 사용을 위한 방법

본 발명은 로봇 수술 시스템 및 방법에 관한 것이다.

로봇 수술 시스템을 통해 의료 전문가는 다양한 진단 및/또는 치료 절차를 수행하면서 더 정확하고, 자동화된 및/또는 덜 침습적인 접근 방식을 달성할 수 있다. 이러한 기술은 안과학 및 마취학에서 정형외과 및 인터벤션 영상의학 (intervention radiology)에 이르기까지 다양한 의료 전문 분야에 광범위하게 적용할 수 있다. 일부 로봇 수술 시스템에는 흉터를 줄이고 회복 시간을 단축할 수 있는 최소 침습 수술을 수행하기 위한 정교한 로봇 기술과 시각화 기술이 통합되어 있다. 최소 침습 수술의 한 예는 복강경 수술이며, 이는 일반적으로 환자에게 다수의 작은 절개(예를 들어, 복부 내에)를 생성하고, 절개를 통해 환자에게 하나 이상의 도구 및 적어도 하나의 카메라를 넣는 것을 포함한다. 이후 수술 절차는 카메라에서 제공하는 시각화 보조 장치와 함께 삽입된 도구를 사용하여 수행된다. 삽입된 기구 중 적어도 하나는 사용자(예를 들어, 외과의사)에 의해 원격 작동되는 하나 이상의 로봇 암에 부착될 수 있다.
(특허문헌 1) US 2010-0145521 A1
(특허문헌 2) US 2008-0144526 A1

도 1은 실시예의 로봇 수술 시스템의 수술실 배치를 도시한 도면이다.
도 2는 실시예의 로봇 암을 도시한 도면이다.
도 3은 실시예의 로봇 수술 시스템의 통신 네트워크를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 실시예의 다중 노드 메시지를 도시한 도면이다.
도 6A, 6B 및 6C는 실시예의 온 더 플라이(on-the-fly) 노드 메시지 교환을 도시한 도면이다.
도 7은 실시예의 통신 프로토콜을 도시한 도면이다.
도 8은 실시예의 로봇 수술 시스템에서 동기 정보 및 비동기 정보가 통신되는 방법을 도시한 도면이다.
도 9는 실시예의 로봇 수술 시스템의 네트워크 상의 노드 내외로의 통신을 도시하는 블록도이다.
도 10은 실시예의 로봇 수술 시스템의 통신 네트워크를 도시한 도면이다.
도 11은 실시예의 로봇 수술 시스템의 네트워크 구성 요소의 송신기를 도시한 도면이다.
도 12는 실시예의 로봇 수술 시스템의 네트워크 구성 요소의 수신기를 도시한 도면이다.
도 13은 임의의 실시예의 비가역 등화 노드-분리 가능한 링 와이어링 토폴로지의 도면이다.

도입(Introduction)

다음의 실시예는 제어기와 하나 이상의 로봇 암의 노드 사이에서 정보를 전달하기 위한 링 네트워크를 갖는 로봇 수술 시스템을 설명한다. 로봇 암의 노드와 동기 및 비동기 정보가 통신될 수 있는 통신 프로토콜이 설명된다. 네트워크와 함께 사용될 수 있는 물리 계층의 다양한 양상이 또한 개시된다. 실시예를 살피기 전에, 다음 섹션은 로봇 수술 시스템 및 로봇 암의 예를 제공한다.

로봇 수술 시스템의 예

이제 도면을 참조하면, 도 1은 본 기술의 양태에 따른 수술 로봇 시스템(100)을 갖는 예시적인 수술실 환경을 도시한 도면이다. 이는 단지 예시의 목적을 위한 일례일 뿐이며 다른 구성 및 구성 요소가 사용될 수 있음에 유의해야 한다. 따라서, 여기에 제시된 세부 사항 중 어느 것도 명시적으로 언급되지 않는 한 청구 범위로 해석 되어선 안된다.

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 사용자 콘솔(120)을 사용하여 로봇 암(112) 및/또는 수술 기구를 원격으로 조작할 수 있다(예를 들어, 원격 수술(tele-operation)). 사용자 콘솔(120)은 도 1에 도시된 바와 같이 로봇 시스템(100)과 동일한 수술실에 위치 될 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 장치(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 장치(126)를 조작할 수 있다.

일부 변형에서, 사용자는 또한 "베드 위"(OTB) 모드에서 수술 로봇 시스템(100)을 작동시킬 수 있으며, 이 모드에서 사용자는 환자의 측면에 있고 동시에 사용자는 (예를 들어, 핸드 헬드 사용자 인터페이스 장치(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 장치(126)를 조작할 수 있는 반면, 사용자의 오른손은 수동 복강경 도구를 조작할 수 있다. 따라서, 이러한 변형에서, 사용자는 로봇 보조 최소 침습 수술(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 장치(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. 비 멸균 직원이 또한 외과의사를 보조하기 위해 사용자 콘솔(120)에 존재할 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 인터넷 또는 다른 네트워크를 통해 액세스 가능한 원격 디스플레이뿐만 아니라 수술실 내의 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, 수술 도구가 장착된 로봇 암, 도구 구동부 및 캐뉼라의 하나의 예시적인 설계를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 예시적인 수술 로봇 암(112)은 복수의 링크 및 그 복수의 링크를 서로에 대해서 작동시키기 위한 복수의 작동식 조인트 모듈을 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. 또한, 도 2의 예시적인 설계에 도시된 바와 같이, 도구 구동부(210)는 로봇 암(112)의 원위 단부에 부착될 수 있다. 도구 구동부(210)는 베이스 또는 스테이지(212) 및 수술 기구(220)(예를 들어, 내시경, 스테이플러 등)를 수용 및 가이드하기 위해 도구 구동부(210)의 단부에 결합된 캐뉼라(214)를 포함할 수 있다. 수술 기구(또는 도구)(220)는 로봇 손목(222) 및 도구의 원위 단부에 하나 이상의 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 로봇 손목(222) 및 하나 이상의 엔드 이펙터(224)를 작동시킨다.

로봇 암(112)은 또한 인접한 링크들 사이에 복수의 노드를 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "노드"는 일반적으로 로봇 수술 시스템의 제어기와 통신하는 구성 요소를 지칭할 수 있다. 본 명세서에서 때때로 "조인트 모듈(joint module)"로 지칭될 "노드"는 로봇 암의 하나의 링크를 다른 것에 대해 작동시키기 위해 사용될 수 있다(예를 들어, 모터를 사용하여 일련의 풀리 및 풀리를 연결하는 일련의 밴드를 이동시켜 4바 연결 운동을 가능하게 함). 외부 제어기로부터의 명령에 응답하여(아래에서 더 상세하게 설명됨), 노드는 로봇 암의 다양한 링크를 관절로 연결하여 수술 절차를 위해 암을 조작하는 데 사용될 수 있다.

노드의 예로는 단일 모터(예를 들어, 서보 모터, 피벗 링크 모터, 조인트 모터 및 공구 구동 모터), 이중 모터(예를 들어, 개별 모터 출력을 결합하기 위한 차동 기어 드라이브 사용), 무선 도구 인터페이스(예를 들어, 도구 무선 보드), 힘/토크 센서(예를 들어, 암 링크/세그먼트 사이에서 로봇 암에 적용되는 힘 및 토크 다방향성 중 적어도 하나를 특징짓는 신호를 검출하고 제공하는 인코더), 입력/출력 보드, 전력 및/또는 통신 링크를 모니터링하는 구성 요소, 또는 데이터를 수신/전송할 수 있는 기타 구성 요소 중 하나 이상을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 노드는 또한 회로 보드상에 모터 제어기/드라이버, 신호 프로세서 및/또는 통신 전자 기기와 같은 다양한 전자 기기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다. 아래에서 보다 상세하게 논의되는 바와 같이, 노드는 외부 제어기와 통신하기 위해 링 네트워크로 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 로봇 암의 도구의 제어는 무선 도구 인터페이스를 통해 수행되어, 안전상의 이유로 도구와 로봇의 다른 구성 요소 사이에 전기적 절연을 제공한다.

로봇 수술 시스템의 통신 네트워크 예

도면으로 돌아가면, 도 3은 실시예의 로봇 수술 시스템의 통신 네트워크를 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 로봇 수술 시스템은 복수의 로봇 암(ARM 1 - ARM n)과 통신하는 베이스 제어기(304)(때로는 "제2 제어기" 라고도 함)와 통신하는 마스터 제어기(302)(때로는 "로봇 제어기" 또는 "데이터 마스터" 또는 간단히 "제어기" 라고 함)를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "통신하다(in communication with)"라는 문구는 직접 통신하거나 하나 이상의 구성 요소를 통해 간접적으로 통신하는 것을 의미할 수 있으며, 이는 여기에 도시되거나 설명되지 않을 수 있다. 예를 들어, 마스터 제어기(302) 및 베이스 제어기(304)로부터의 신호는 암 링크의 내부 체적 및 로봇 암의 조인트 모듈 내에 번들로 연결된 유선 연결(예를 들어, 와이어 하네스)을 통해 노드에 전달될 수 있다. 또한, 도 3은 복수의 로봇 암을 도시하지만, 로봇 수술 시스템은 단일 로봇 암만을 가질 수 있으며, 이 경우 베이스 제어기(304)는 사용되지 않을 수 있다는 것에 유의해야 한다. 일부 실시예에서 베이스 제어기(304)는 로봇 수술 시스템이 복수의 로봇 암을 갖는 경우에도 사용되지 않는다. 일 실시예에서, 베이스 제어기(304)는 환자 테이블 또는 베드 내에 또는 그 근처에 위치하고(이러한 상황에서, 베이스 제어기(304)는 테이블 어댑터 제어기("TAC")라고 지칭될 수 있다), 마스터 제어기(302)는 환자 베드와 별개의 통신 타워에 위치된다.

임의의 제어기는 임의의 적절한 방식으로 구현될 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 제어기는 (마이크로)프로세서, 로직 게이트, 스위치, 주문형 반도체(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. 보다 일반적으로, 제어기(또는 모듈)는 다양한 동작을 수행하도록 구성된 "회로"를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "회로"는 중앙 처리 장치(CPU), 마이크로 제어기 또는 마이크로 프로세서; 또는 주문형 반도체(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 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. 따라서, "회로"는 실행을 위한 명령어를 저장 또는 액세스 할 수 있거나 하드웨어로만 그 기능을 구현할 수 있다.

마스터 제어기(302)는 로봇 암을 조작하기 위해 사용자 콘솔(100)(도 1)로부터 명령을 수신하고 이들 명령을 로봇 암에 전송할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이 실시예에서, 각각의 로봇 암의 노드는 링 네트워크로 배치된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 링 네트워크는 각 노드가 2 개의 다른 노드에 연결되어 각 노드를 통해 신호에 대한 단일 연속 경로를 형성하는 네트워크 토폴로지를 의미한다. 데이터는 노드에서 노드로 이동하며 그 과정에서 각 노드는 모든 패킷을 처리한다. 특히 로봇 암의 원위 단부에 있는 노드의 경우 전파 지연이 밸런싱될 수 있다. 도 3은 각각의 로봇 암이 동일한 수의 노드를 갖는 것을 도시하지만, 다른 실시예에서, 적어도 하나의 로봇 암은 시스템의 다른 로봇 암과 다른 수의 노드를 갖는다. 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 링 네트워크는 로봇 암 네트워크를 통해 실시간 및 비동기 정보 모두를 통신하는데 사용될 수 있다.

마스터 제어기(302)는 복수의 패킷을 포함하는 다중 노드 메시지를 사용하여 특정 로봇 암의 복수의 노드와 통신하도록 구성되며, 각각의 패킷은 로봇 암의 상이한 노드와 연관된다. 암 다중 노드 메시지는 해당 암의 모든 노드에 대한 데이터를 포함할 수 있다는 점에서 "다중 노드(multi-node)"이다. 패킷은 임의의 적절한 방식으로 노드와 연관될 수 있다. 예를 들어, 각각의 패킷은 로봇 암의 다른 노드(예를 들어, 노드의 식별자를 사용하여)로 어드레싱 될 수 있고/있거나 노드는 메시지의 특정 패킷 위치와 연관될 수 있다. 물론, 이것은 단지 예시일 뿐이며, 다른 연관도 사용될 수 있다.

다중 노드 메시지의 각 패킷은 임의의 적절한 방식으로 포맷될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 다중 노드 메시지의 패킷은 헤더, 데이터 페이로드 및 순환 중복 검사(CRC) 필드를 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 다른 실시예에서, 패킷은 16 비트 패킷 프레이밍 상수, 16 비트 헤더, 사이 클릭 데이터(명령 또는 피드백) 비사이클릭, 및 비동기 데이터를 포함하는 고정 크기(예를 들어, 128 비트 또는 224 비트) 데이터 페이로드, 및 16 비트 CRC 필드(예를 들어, CCITT)를 포함한다. 패킷 프레이밍 상수는 패킷의 시작을 확인하는 데 사용될 수 있다. 페이로드 데이터 유형은 데이터 페이로드의 형식을 결정하는 데 사용될 수 있다(예를 들어, 모터 명령, 모터 피드백, 디지털 입력, 디지털 출력 및 힘 피드백). 채널 ID는 노드가 패킷이 해당 노드로 전달되도록 의도된 것임을 확인하기 위해 노드에서 사용할 수 있다(일 실시예에서, 모든 로봇 암에 걸친 모든 노드는 고유한 채널 ID를 갖는다). 시퀀스 필드는 노드가 패킷이 새로운 것인지 아닌지를 결정하는 것을 돕는다. 마스터 제어기(302)는 새로운 패킷을 전송할 때마다 시퀀스 번호를 증가시킨다. 마스터 제어기(302)가 인터럽트되면, 노드는 동일한 시퀀스 번호를 두 번 관측하고 그것이 중복 패킷임을 알 수 있다. CRC 필드는 전체 패킷을 커버할 수 있다. 일 실시예에서, 프레임 당 80개의 패킷이 있으며, 각 프레임은 동일한 크기이다. 물론 이것은 하나의 예일 뿐이며 다른 구성을 사용할 수 있다.

하나의 로봇 암만이 사용된다면, 마스터 제어기(302)는 다중 노드 메시지를 그 암에 직접 전송할 수 있다. 다수의 로봇 암이 사용되는 경우, 마스터 제어기(302)는 모든 암에 대한 모든 다중 노드 메시지를 단일 메시지로 함께 베이스 제어기(304)에 전송할 수 있다. 베이스 제어기(304)는 단일 메시지로부터 각각의 개별 다중 노드 메시지를 분리해 내고 각각의 로봇 암에 연관된 개별 다중 노드 메시지를 전송할 수 있다. 예를 들어, 베이스 제어기(304)는 전체 결합 메시지에서 메시지의 오프셋에 기초하여 메시지를 서로 다른 로봇 암에 라우팅 할 수 있다.

다중 노드 메시지가 링을 통과하고 베이스 제어기(304)로 리턴한 후, 베이스 제어기(304)는 수신된 개별 다중 노드 메시지를 단일의 리턴된 병합된 메시지로 결합하고, 단일의 리턴된 병합된 메시지를 마스터 제어기(302)에 전송할 수 있다. 베이스 제어기(304)는 다른 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 마스터 제어기(302)가 시스템에 연결되지 않은 경우(예를 들어, 간호사가 환자를 드레이프하기 전에 로봇 암을 밖으로 움직일 수 있도록 허용) 베이스 제어기(304)는 로봇 암을 이동시키는 데 사용될 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 다중 노드 메시지는 특정 암의 노드와 통신하는 데 사용된다. 다중 노드 메시지는 k 개의 박스카가 있는 열차와 유사하며, 암의 각 노드에는 박스카가 할당되고, 승객(데이터 페이로드)은 지정된 박스카를 승하차한다(즉, 전 양방 방식(full-duplex)). 마스터 제어기(302)는 사이클 당 하나 이상의 다중 노드 메시지를 스케줄링 할 수 있고, 각 메시지의 타이밍은 분산 된 디지털 샘플링 시스템의 최적 제어를 위해 최적화 될 수 있다.

도 6A, 6B 및 6C는 이러한 통신 흐름을 도시한다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 노드는 다중 노드 메시지를 처리하고 노드와 링 네트워크 간의 물리적 인터페이스인 필드-프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, FPGA 및 노드 제어기는 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI) 버스를 통해 통신한다. 도면을 단순화하기 위해 도시되지 않았으나, 노드는 노드 제어기에 연결된 모터 또는 센서와 같은 하나 이상의 추가 구성 요소를 가질 수 있다.

동작 중에, FPGA는 다중 노드 메시지를 디코딩하고, 동기 토큰을 찾고, 메시지에서 어떤 패킷이 그 노드와 연관되어 있는지를 결정한다. 그런 다음 메시지 패킷에서 데이터를 교환할 수 있다. 예를 들어, 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, FPGA는 메시지를 수신한 후, 특정 패킷이 자신의 노드와 연관되어 있다고 FPGA가 판단할 때까지 메시지 패킷을 통과시킨다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 그 때, FPGA는 패킷으로부터 노드 제어기의 메모리로 데이터를 복사하고 노드 제어기의 메모리에 저장된 다른 데이터로 교환할 수 있다. 교환되는 데이터는 노드 제어기에서 미리 준비할 수 있으므로, 적절한 패킷이 도착하면 바로 전송할 수 있다. 이 실시예에서, SPI 버스는 자동 교환을 수행하는 프로토콜을 사용하고, FPGA는 데이터를 패킷 밖으로 또는 패킷으로 이동시키는 데 있어서의 동기화 문제를 해결하기 위해 약간의 지연을 가진 프로그래밍일 수 있다. 이로 인한 실질 효과는 각 노드가 다른 노드와 동시에 패킷을 수신하고 응답하기 때문에 각 노드에 의해 유발되는 대기 시간이 거의 없다는 것이다(즉, 각 노드는 전체 다중 노드 메시지를 수신하지 않고 응답을 보낸다).

일 실시예에서, 기본적으로, 다중 노드 메시지의 모든 메시지는 변경되지 않은 임의의 노드를 통과한다. 노드는 프레임 동기 토큰과 프로그래밍된 메시지 길이에 관련하여 프로그래밍된 시작값에 기초하여 특정 메시지만 추출하고 대체하도록 프로그래밍되어 있다. 이것은 열차 내에서 특정 철도 차량(또는 프레임당 2개의 교환이 있기 때문에 오히려 2개)에 노드가 할당되는 것과 유사하다. 노드가 n 개인 경우 2n 개의 차량이 있고 노드 x에 차량 x 및 x + n이 할당된다. 일 실시예에서, 각각의 노드는 할당된 시간에 데이터를 교환해야 하고, 그렇게 하는 것을 실패하면 시스템 결함이다(다른 구현이 가능). 사용 가능한 새 데이터가 없어도 노드는 올바른 형식의 응답 패킷을 생성해야 할 수 있다. 언급한 바와 같이, 프레임당 2개의 데이터 교환이 있으며, 각각 동기식 명령/비동기식 응답 및 비동기식 명령/동기식 응답을 전달한다. 데이터 교환은 전적으로 동기 토큰에 대한 메시지의 위치에 기초한다. 메시지 자체에 대한 해석은 메시지 사이의 시간 동안 프로세서 내부에서 이루어진다. 마찬가지로, 모든 응답은 전송 시간 슬롯이 도착하기 전에 노드에 의해 준비된다. 노드는 이를 위해 필요한 타이밍을 충족시킬 수 있는지 확인해야 한다.

로봇 암의 노드와 동기 및 비동기 정보를 통신하는 예

일 실시예에서, 마스터 제어기(302)와 로봇 암의 노드 사이에서 통신될 정보는 일반적으로 "동기 정보" 또는 "비동기 정보"로 분류될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "동기 정보"는 수신시 또는 특정 시간 프레임 내에서(실시간으로) 처리되도록 의도된 정보를 지칭하는 반면, "비동기 정보"는 저장 및 나중에 처리될 수 있는 정보(특정 시간 프레임 내에 처리될 필요가 없음)를 의미한다. 따라서 동기 정보와 비교하여 비동기 정보가 수신될 때와 처리될 때 사이에 약간의 대기 시간이 있을 수 있다. 예를 들어, 외과의사는 로봇 암이 움직임을 지시한 후 즉시 움직일 것을 기대하기 때문에 모터를 작동시키는 명령은 동기 정보로 분류될 수 있다. 따라서 특정 시간 프레임 내에 명령을 수행해야 한다. 대조적으로, 우선 순위가 낮은 유지 보수 기능을 수행하는 명령은 명령이 엄격한 시간 프레임에서 수행될 필요가 없고 노드가 시간을 낼 수 있을 때마다 수행될 수 있기 때문에 비동기로 분류될 수 있다.

일 실시예에서, 마스터 제어기(302)와 로봇 암의 노드 사이의 전송 타이밍은 전달되는 정보가 동기 정보인지 비동기 정보인지에 관계없이 동일하다. 따라서, 동기 정보와 비동기 정보는 이 실시예에서 동일한 전송 동시성을 갖기 때문에, "동기" 및 "비동기"는 전송 레벨의 타이밍 요구 사항이 아니라 프로토콜 레벨의 정보 유형(즉, 명령을 실시간으로 처리해야 하는지 여부)을 지칭한다. 일 실시예에서, 타이밍과 관련하여 비동기와 동기의 유일한 차이점은 프레임 내 배치로 인해 동기가 지연이 약간 더 낮다는 것이다.

임의의 적절한 유형의 동기 정보 및 비동기 정보가 사용될 수 있고 명령(때로는 "요청"으로 지칭됨) 및 명령에 대한 응답의 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 동기 명령은 노드에 전송되는 명령으로서, 그 노드에 의해 처리/실행될 때 로봇 암의 링크를 특정 위치로 이동시키거나 특정 토크를 가하기 위해 모터를 작동시키는 명령(즉, 실시간 모터 제어 명령)일 수 있다. 노드로부터 동기 명령에 대한 응답은 그 명령에 대한 피드백일 수 있다(예를 들어, 요청된 움직임이 실제로 발생했는지 확인하기 위해 노드의 힘/토크 센서로부터의 판독). 비동기 명령은 노드로부터의 정보를 요청하기 위해(예를 들어, 로봇 암에 연결된 수술 도구의 식별(identification) 및 교정 및 운동학적 매개 변수에 대한 정보), 감독/하우스 키핑 기능 수행을 요청하기 위해(예를 들어, 노드의 온도 및 전압 측정), 또는 노드의 매개변수 중 하나에 대한 변경을 요청하기 위해 노드로 전송되는 명령일 수 있다.

전술한 바와 같이, 일 실시예에서, 마스터 제어기(302)와 로봇 암의 노드 사이의 전송 타이밍은 전달되는 정보가 동기 정보인지 비동기 정보인지에 관계없이 동일하다. 다음의 단락들은 실시간 네트워크상에서 동기 정보 또는 비동기 정보를 스케쥴링 하는데 사용될 수 있는 실시예의 프로토콜을 설명한다. 이 실시간 프로토콜은 예를 들어, 마스터 제어기(302)와 로봇 암의 노드의 분산 모터 제어기 사이의 데이터 전송 및 데이터 시퀀스를 규정하는데 사용될 수 있다. 이러한 프로토콜을 사용하면 가볍고 결정성 있는 통신 시스템을 로봇 플랫폼에 긴밀하게 통합하여 강력하고 지속 가능한 설계를 제공할 수 있다.

일반적으로, 본 실시예의 통신 프로토콜은 정적으로 할당된 대역폭 및 상이한 유형의 동기 및 비동기 정보 사이에서 대역폭을 공유하기 위한 간단한 스케줄을 사용하여 동기 및 비동기 정보의 실시간 등시성 데이터 통신을 제공한다. 일 실시예에서, 통신 프로토콜은 마스터 제어기(302)와 로봇 암의 복수의 노드 사이의 강력하고 등시적인 실시간 데이터 전송을 지원하기 위해 일정한 사이클 시간을 사용한다. (본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 사이클은 마스터 제어기(302)가 하나 이상의 다중 노드 메시지를 링 네트워크에 전송할 때부터 그 메시지를 링 네트워크로부터 수신할 때까지의 시간을 지칭할 수 있다.) 임의의 적합한 사이클 시간이 사용될 수 있지만, 일 실시예에서, 사이클 시간은 최소 레이턴시(latency) 및 최소 지터로(jitter) 모션 제어 업데이트 속도를 제공할 수 있는 고주파수(예를 들어, 4 kHz)에 있다. 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 일 실시예에서, 데이터 패킷의 페이로드는 동기 명령(예를 들어, 모터 제어 명령), 비동기 명령, 동기 명령에 대한 응답(예를 들어, 센서 피드백) 및 비동기 명령에 대한 응답 사이에서 번갈아 나타난다. 이 실시예에서, 데이터의 각 카테고리는 전체 대역폭의 고정된 부분을 수신하고 다른 카테고리의 데이터와 동일한 우선 순위로 제공된다.

전술한 바와 같이, 일 실시예에서, 통신을 위한 강력한 데드 라인(hard deadline)으로 등시성 실시간 데이터 전송을 지원하기 위해 사이클 시간은 일정하고(명목상 250 마이크로 초), 2개의 데이터 프레임이 각 사이클마다 교환된다. 이는 도 7에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 특정 사이클에서, 마스터 제어기(302)와 로봇 암의 노드 사이에 2 개의 데이터 프레임이 전송되고 있다. 동시에, 마스터 제어기(302)는 다음 명령 사이클에서 어떤 명령을 발행할지를 결정하기 위해 로봇 제어 알고리즘을 실행하고 있다. 예를 들어, 제1 통신 사이클에서, 왼쪽에서 오른쪽으로의 도 7의 중심선을 보면, 마스터 제어기(302)는 프레임 B를 수신하는데, 이는 이 예에서는 모든 암에서 모터 제어기로 오는 센서 데이터를 포함한다(즉, 이전에 노드가 수신한 동기 명령에 대한 응답). 제2 통신 사이클에서, 마스터 제어기(302)는 그 센서 데이터를 사용하여 다음 통신 사이클에서 노드에 전송할 명령을 결정한다. 예를 들어, 센서 피드백이 로봇 암이 의도된 위치에 있지 않다는 것을 나타내면, 마스터 제어기(302)는 해당 노드의 위치를 수정하기 위해 다른 모터 명령이 필요한지 결정할 수 있다. 제 3 통신 사이클에서, 마스터 제어기(302)는 이전 사이클에서 로봇 제어 알고리즘에서 결정된 명령을 포함하는 프레임 A를 노드로 전송한다. 따라서 이 통신 프로토콜은 파이프 라이닝(pipelining) 및 스테이징(staging)을 사용한다. 이와 같이, 동작은 시간이 겹치며 피드백이 수신될 때부터 새로운 명령이 전송될 때까지 일정 시간의 대기 시간이 있다.

이제 도 8을 참조하면, 도 8은 사이클의 두 프레임이 마스터 제어기(302)(이 예에서는 "로봇 제어기"라고 함)와 노드(이 예에서의 모터 제어기)사이의 동기 정보를 통신하는 데 어떻게 사용될 수 있는지를 보여준다. 도 8에 도시된 바와 같이, 사이클의 한 부분(프레임 A) 동안, 동기 명령(예를 들어, 모터 명령)은 마스터/로봇 제어기(102)로부터 각 노드(예를 들어, 모터 제어기)로 전송되고 이전 사이클에서 수신된 비동기 명령에 대한 응답은 각 노드로부터 마스터/로봇 제어기(302)로 전송된다. 사이클의 다른 부분(프레임 B) 동안, 이전 사이클에서 수신된 동기 명령에 대한 응답(예를 들어, 모터 제어 명령에 대한 모터 피드백)이 각 노드로부터 마스터/로봇 제어기(302)로 전송되고, 비동기 명령들이 마스터/로봇 제어기(302)로부터 각각의 노드로 전송된다. 따라서, 모든 프레임에서, 비동기 정보는 동기 정보와 인터리빙(interleave)된다. 즉, 각 프레임에 대해 대역폭의 절반은 비동기 정보로 사용되고 나머지 절반은 동기 정보로 사용된다.

전술한 바와 같이, 동기 정보가 실시간으로 처리되는 동안, 비동기 정보(명령 또는 응답)가 저장되고 나중에 처리될 수 있다. 비동기 정보가 실시간으로 소비되지 않을 수 있으므로, 도 8은 마스터/로봇 제어기(402) 및 노드(예를 들어 모터 제어기)가 전송 또는 처리될 비동기 명령(요청) 및 응답을 대기시키기 위한 적어도 하나의 메모리를 가질 수 있음을 도시한다. 이러한 방식으로 대기열은 비동기 도메인에서 발생하는 것과 실시간 네트워크에서 발생하는 것 사이에 버퍼를 만든다. 예를 들어, 마스터/로봇 제어기(402)는 비동기 하우스 키핑 명령을 생성하고 이를 노드로 전송할 기회가 있을 때까지 비동기 요청 대기열에 저장할 수 있다. 마찬가지로, 노드는 비동기 하우스 키핑 명령을 대기열에 저장하고 노드가 기회가 있을 때 이를 처리할 수 있다. 노드와 마스터/로봇 제어기(302)의 동일한 대기열 프로세스는 노드가 마스터/로봇 제어기(302)에 비동기식 응답을 전송할 때 발생할 수 있다. 그러나 도 8의 단일 상자로 도시되듯이, 동기 명령/응답은 실시간으로 전송 및 실행된다(즉, 나중에 전송 및 실행하기 위해 저장되지 않음).

도 7 및 도 8을 다시 참조하면, 일 실시예에서, 로봇 제어 알고리즘은 다음 사이클(N+1)의 다음 동기 명령이 무엇이여야 하는지 (사이클 N에서) 결정하므로 로봇 제어 알고리즘이 최신 정보를 갖도록 동기 피드백은 가능한 한 사이클(사이클 N-1)에서 늦게 발생한다. 또한, 일 실시예에서, 동기 명령은 해당 노드에 도달하여 가능한 빨리 실행될 수 있도록 동기 명령은 가능한 빨리 사이클 N + 1에서 전송된다.

로봇 수술 시스템의 통신 네트워크의 물리 계층의 예

네트워크에서 임의의 적절한 물리 계층이 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 베이스 제어기(304)와 로봇 암의 노드 사이의 통신은 추가적인 저속 양방향(bi-directional) 공통 모드 통신 능력을 갖는 의사(pseudo)-저전압 차동 시그널링(LVDS)을 갖는 트위스트-페어(twisted-pair) 구리 케이블을 사용한다. 단일 케이블을 사용하여 모든 노드를 베이스 제어기(304)에 연결하는 대신, 가장 긴 케이블 길이를 최소화하기 위해, 각 구성 요소 사이에 짧은 케이블을 사용할 수 있다. 이러한 특정은 도 9에 다이어그램으로 표시된다.

마스터 제어기(302)와 베이스 제어기(304) 사이의 통신은 전기 절연 및 낮은 전자기 간섭을 달성하기 위해 광섬유 링크를 사용할 수 있다. 일례의 구현에서, 1000BASE-SX 이더넷과 호환되는 광섬유 링크가 사용된다. 그러나 이 링크는 이더넷 패킷을 전달하지 않고 1.25Gbps 원시 비트 전송률을 가진 오로라(Aurora) 인터페이스를 사용한다. 이 구현은 다른 유형의 솔루션에 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제어기 영역 네트워크(CAN)는 특정 요구 사항(예를 들어, 1M 비트/초, 400Hz 사이클 속도)에 비해 너무 느릴 수 있고, 이더넷은 실시간 통신에 적합하지 않으며 너무 크고 무겁고, 및 제어 자동화 기술(EtherCAT)용 이더넷은, 강력한 실시간 애플리케이션을 지원하지만, 일부 애플리케이션에 대해 너무 크고 비용이 많이 드는 솔루션일 수 있다.

상술한 바와 같이, 가장 긴 케이블 길이를 최소화하기 위해, 단일 케이블을 사용하여 모든 노드를 베이스 제어기(304)에 연결하는 대신, 짧은 케이블을 각 구성 요소 사이에 사용할 수 있다. 다음 단락에서는 노드 간 길이를 균등화하고 개별 노드를 쉽게 교체할 수 있으며 (선택적으로)역 접속을 허용하지 않는 링 토폴로지에 대해 설명한다.

실시간 제어를 위해서는 높은 속도의 버스가 바람직하다. 그러나 기계적으로 선형 방식인 링 토폴로지는 일반적으로 노드 간 짧은 홉(hop)과 긴 리턴 경로를 가지므로, 버스의 최대 속도가 줄어든다. 긴 리턴은 또한 노이즈에 더 민감하다. 각 노드에 두 개의 커넥터를 갖는 것은 또한 전송 케이블과 수신 케이블을 반대로 연결하는 것을 초래하는데, 이는 이상적이지 않다. 노드 스킵(node-skipping) 구성의 일반적인 와이어링은 각 노드에서 종료되지 않은 와이어를 가지고 있으며, 노드를 교체하려면 두 개의 인접 노드를 분리해야 한다.

각 노드 간의 거리를 동일하게 하면 버스 속도가 높아지고 노이즈가 분산된다. 각 노드에는 두 개의 가시적인 통신 케이블이 있으므로, 각 노드가 연결되는 위치를 아는 것이 제조 및 문제 해결 관점에서 유리하다. 노드 스킵 구성의 일반적인 와이어링은 각 노드에서 종료되지 않은 와이어를 가질 수 있다. 노드를 교체하려면 인접한 두 노드를 분해해야 한다. 통과단(pass-through)에서의 종료가 이 문제를 해결한다.

도 13을 참조하면, 일 실시예에서, 각각의 노드는 통과 케이블 커넥터 및 활성 케이블 커넥터를 가지며, 이는 노드 스킵 구성을 제공하는데 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 일 실시예에서, 각각의 노드는 크로스오버(핀 1은 핀 4에, 핀 2는 핀 3에 연결됨, 등)로 연결된 2 개의 고유한 커넥터 케이블을 갖는다. 일 구현에서, 하나의 케이블은 4 핀 대 4 핀이고 다른 하나는 5 핀 대 5 핀이다. 이 두 가지 다른 커넥터를 사용하면 연결이 반대로 되지 않는다. 4 핀 케이블은 통과단을 연결하여 인접한 노드에서 신호를 수신한다. 5 핀은 인접한 노드의 통과단에 연결된다. 통과단은 각 노드에 대해 로컬이다. 따라서 각 노드는 통과 케이블 커넥터와 활성 케이블 커넥터를 포함하며, 이를 통해 케이블은 노드 스킵 구성을 제공하기 위해 통과 지점 케이블 커넥터 및 활성 케이블 커넥터에 연결될 수 있다. 이는 도 13에 도시되어 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 화살표(1300)는 링의 증가하는 노드 번호 부분을 나타내고, 화살표(1310)는 노드 3으로부터의 송신, 노드 4의 통과 및 노드 5에 의한 수신을 나타낸다. 화살표(1320)은 링의 감소하는 노드 번호 부분을 나타내며 여기서 노드 4로부터의 송신 신호는 노드 3을 통과하고 노드 2에 의해 수신된다. 이는 노드의 절반은 나가는 과정에 활성이며, 나머지 절반은 돌아오는 과정에 활성인 "아웃 앤드 백(out and back)"으로 생각할 수 있다.

루프백(loopback)은 마지막 노드에서 로컬이거나 마지막 노드의 외부 루프백 케이블을 통해 가능하다. 일 실시예에서, 마지막 노드는 선형 레이아웃에서 물리적으로 마지막 노드일 뿐이며; 실제로 데이터 플로우 레이아웃에서 n/2 노드이다. 첫 번째 노드 또는 "마스터"는 루프백 없이 송수신 할 수 있다.

또한, 일 실시예에서, 베이스 제어기(304)는 노드와의 통신을 위한 타이밍 마스터이다. 이것은 실시예의 링 네트워크의 다른 도면인 도 10과 관련하여 논의될 것이다. 위에서 논의된 바와 같이, 베이스 제어기(304)는 단일 메시지로부터 각각의 개별 다중 노드 메시지로 분리할 수 있고, 각각의 로봇 암에 연관된 개별 다중 노드 메시지를 동시에 전송할 수 있다. 이 실시예에서, 기본 제어기(304)는 노드로의 통신 타이밍을 담당하고, 이로 인해 동시 통신이 이루어 진다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이,

와

사이에서, 각각의 다중 노드 메시지의 제1 바이트는 동시에 각 목적지 암으로 전송된다. 유사하게, 반대 방향으로, 암으로부터의 리턴된 메시지는 마스터 병합된 메시지에 동시에 집합된다.

일 실시예에서, 다양한 다중 노드 암 메시지를 분리하는 것 외에, 베이스 제어기(304)는 통신의 타이밍 및 스케줄링을 담당한다. 베이스 제어기(304)는 4KHz 프레임을 생성할 수 있고 언제 로봇 암과 메시지를 주고 받을지 알기 때문에 (예를 들어, 메시지가 동시에 노드에서 전송/수신된다) "타이밍 마스터(timing master)"이다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 하나의 사이클(T)에서

슬롯(또는 "단위 간격(UI)")이 있을 수 있다. 4KHz사이클 시간에는 15,000 단위 간격(

+

)이 있을 수 있다(60Mbps UI 속도로 가정). 베이스 제어기(304)는 사이클 당 얼마나 많은 유닛 간격이 전송되는지를 정확히 알 수 있고, 네트워크상의 통신이 등시성 통신이기 때문에, 베이스 제어기(304)는 클록을 네트워크상의 노드들과 통신할 수 있고, 따라서 노드는 로컬 클록을 마스터 클록에 고정시킬 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 노드는 마스터 클록으로 재생성될 수 있는 위상 동기 루프(PLL)를 갖는다. 이러한 방식으로, 네트워크의 모든 노드는 (예를 들어, 이 예에서는 250us 프레임 기간에 대하여 정수비(integer fraction) 관계를 설정함으로써) 동시에 실행될 수 있으며, 따라서 서로에 대해 원더(wander)되지 않는다. 다른 예에서, PWM은 40kHz에서 실행되며, 즉 250us 프레임 속도보다 10 배 더 빠르다.

도 11 및 12는 베이스 제어기(304)와 로봇 암의 노드 사이의 물리적 네트워크 상에서 통신하는데 사용될 수 있는 송신기 및 수신기의 도면이다. 이것은 단지 하나의 예일 뿐이며, 다른 구성이 사용될 수 있음에 유의해야 한다. 도 11에서 송신기를 먼저 살피면, 본 실시예의 송신기는 발신 신호가 LVDS와 호환 가능하지만 종래의 LVDS 송신기에 의해 전송되지 않는다는 점에서 "의사(pseudo)-LVDS" 송신기이다. 여기에는 몇 가지 이유가 있다. 예를 들어, LVDS는 공통 모드에서 일반적으로 약 1.25 볼트이며 0과 1을 전송하기 위해 수백 밀리볼트를 올리거나 내린다. 이 실시예의 송신기는 외부 저항 분배기를 통해 동일한 신호 레벨링을 생성한다. 하나의 입력을 하이로 구동하고 다른 입력을 로우로 구동하면 LVDS 호환 신호가 발생한다. 두 입력을 모두 하이 또는 로우로 구동하면 각각 3.3V 및 0V의 공통 모드에서의 출력이 로우가 되며 이는 추가 정보(예를 들어, 전력 공급 시퀀싱 및 링 네트워크를 초기화하기 위한 2차 저속 통신 채널)를 인코딩하는데 사용할 수 있다. 이 의사-LVDS 송신기를 사용하는 또 다른 이유는 백-터미네이션(back-terminated) 전송 라인을 제공하는 것이므로 라인에 노이즈가 있으면 지연 시간이 절반으로 줄어들고 앞뒤로 왕복할 필요가 없다. 구체적으로, 이 실시예에서, 3.3V LVCMOS 출력은 저항 네트워크를 통해 배선되어 백-터미네이션 된 100 옴(Ohm) 차동 드라이브를 차폐된 꼬임 쌍내로 생성한다. 역방향 통신의 경우 드라이버가 비활성화되고 공통 모드 라인 전압을 감지하기 위한 입력으로 사용된다.

이제 도 12의 수신기로 돌아가서, 이 실시예의 수신기는 고속 인터페이스를 위한 고 공통 모드 범위 LVDS 수신기 및 히스테리시스를 갖는 저역 통과 필터링 된 공통 모드 전압 검출기를 포함한다. 또한 수신기는 업스트림 통신을 위해 공통 모드 전압을 (CM TALK를 통해) 구동할 수 있다. 암 모터 노드에는 전원 공급 후 노드를 켜기 위해 공통 모드 전압을 감지하는 회로가 추가로 포함된다. 이것은 암 내부의 돌입 전류를 스태거(stagger)하는 데 사용된다. 전원이 켜지면 인에이블이 래치되고 노드는 계속 켜져있다. 보다 구체적으로, 이 실시예에서의 수신기는 높은 공통 모드 제거 능력을 갖는 LVDS 수신기를 가지며, 이는 큰 공통 모드 전압의 존재 하에서 작은 차동 신호를 구별할 수 있음을 의미한다. 이 실시예의 수신기의 상부 섹션은 잡음 스파이크(예를 들어, 모터가 작동하고 전원 공급이 부분적으로 중단된 경우) 및 노드 사이에서 접지 기준이 스윙되는 상황을 처리할 수 있다. 이 실시예의 수신기는 공통 모드의 존재시 저전압 차이를 여전히 확실하게 검출할 수 있는 공통 모드 제거 능력을 갖는다.

이 실시예의 수신기의 하부 섹션은 공통 모드 신호를 구별할 수 있다. 따라서 송신기가 두 입력 신호를 모두 하이 또는 로우로 구동하는 경우 수신기의 하단 부분은 노이즈 억제를 위해 많은 양의 히스테리시스가 있는 컴퍼레이터를 사용하여 감지할 수 있다. 전력 분배 네트워크를 유지하기 어려울 수 있는 큰 돌입 전류를 방지하기 위해 이 컴퍼레이터 상부에 노드에 순차적으로 전원을 공급하는 다이오드가 있다. 특히, 일 실시예는 안전상의 이유로 각 암에 대한 전력을 절연시킨다. 따라서 암에 전원이 공급되면 전압이 존재하지만 노드의 개별 레귤레이터는 링 네트워크에서 공통 모드 0이 구동되므로 실제로 전원이 켜지지 않는다(따라서 EN 12V의 전압이 로우). 암의 베이스에 있는 노드는 먼저 공통 모드 하이로 구동된 다음, 해당 다이오드를 통과하여 다음 노드의 레귤레이터를 켠다. 일 실시예는 약 5밀리초의 자동 지연을 사용하는데, 지연은 출력 드라이버가 하이가 되기 전에 모든 돌입 전류가 가라앉을 수 있기 때문이다. 이러한 방식으로 노드를 통한 전력을 리플링(rippling)하면 노드의 전원공급에 시간차를 줄 수 있고 더 긴 시간에 돌입 전류가 분배되어 이를 더 작아지게 한다. 이 실시예의 수신기는 또한 수신기와 송신기와의 토크(talk) 능력을 제공하기 위해 CM 토크 신호를 갖는다. 따라서 송신기를 끄고 디버깅 및 진단 목적을 위해 입력으로 전환할 수 있다.

전술한 바와 같이, 일 실시예에서 베이스 제어기(304)와 노드 사이의 통신은 트위스트-페어 구리 케이블을 사용하는 의사-LVDS를 통해 이루어지지만, 마스터 제어기(302)와 베이스 제어기(304) 사이의 통신은 광섬유 케이블을 사용할 수 있다. 일 실시예에서, 마스터 제어기(302)는 광섬유 케이블과 통신하기 위한 PCIE 카드를 갖는 컴퓨터를 갖는다. 마스터 제어기(302)는 베이스 제어기(304)로부터 타이밍 신호를 수신하고 로봇 암의 노드로의 분배를 위해 동기 및 비동기 명령을 베이스 제어기(304)에 전송하는 역할을 한다.

도 7 및 도 8을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 일 실시예에서, 로봇 제어 알고리즘은 다음 사이클의 다음 동기 명령이 무엇이여야 하는지 결정하므로 로봇 제어 알고리즘이 최신 정보를 갖도록 동기 피드백은 가능한 한 사이클에서 늦게 발생한다. 또한, 일 실시예에서, 동기 명령은 가능한 빨리 한 사이클에서 전송되므로, 동기 명령은 그 노드에 도달하여 가능한 빨리 실행될 수 있다. 즉, 이 실시예는 마스터 제어기(302) - 베이스 제어기(204) 통신과 관련하여 베이스 제어기(304)- 암 통신을 위상 시프팅함으로써 마스터 제어기(302)가 노드로부터 피드백을 수신할 때와 새로운 실시간 명령을 노드로 송신할 때 사이의 대기를 최소화하려고 시도한다. 마스터 제어기(302)는 이 타이밍을 담당할 수 있다. 마스터 제어기(302) 내부의 이러한 전송은 PCIE를 통해 이루어지므로, 매우 빠르며 250 마이크로초 사이클 시간의 작은 섹션만을 차지한다. 데이터가 광섬유를 통해 전송되면 PCIE보다 전송 속도가 빠르지 않지만 데이터를 인터리빙하고 적절한 순서로 배치하여 데이터를 원활하게 스트리밍 할 수 있다. 이러한 방식으로, 베이스 제어기(304)는 사이클 시간의 비교적 중요한 부분을 차지할 수 있는 패킷을 정렬할 책임을 가질 필요가 없다.

마지막으로, 위에서 논의된 프로토콜이 통신 링크의 모든 대역폭을 차지할 필요는 없다는 점에 유의해야 한다. 이것은 링 네트워크 통신의 갭 동안 추가적인 프로토콜(예를 들어, 시스템의 초기화 및 상태 점검에 사용되는 2 차("노드 관리") 프로토콜)을 실행할 수 있게 한다.

결론

전술한 상세한 설명은 본 발명의 정의가 아닌 본 발명이 취할 수 있는 선택된 형태의 예시로서 이해되도록 의도된다. 오직 모든 등가물을 포함하여 다음의 청구 범위는 청구된 발명의 범위를 정의하도록 의도되는 것이다. 마지막으로, 본 명세서에 설명된 임의의 바람직한 실시예의 임의의 측면은 단독으로 또는 상호 조합하여 사용될 수 있음에 유의해야 한다.

Claims

로봇 수술 시스템으로서,
각각이 링 네트워크로 배치된 복수의 노드들을 포함하는, 복수의 로봇 암들;
제1 제어기; 및
상기 각각의 로봇 암의 링 네트워크들 및 상기 제1 제어기와 통신하는 제2 제어기를 포함하고;
상기 제1 제어기는 복수의 개별 다중 노드 메시지들을 포함하는 단일 메시지를 상기 제2 제어기로 전송하도록 구성되고, 상기 개별 다중 노드 메시지 각각은 상이한 로봇 암과 연관되고 복수의 패킷들을 포함하며, 상기 패킷 각각은 상기 로봇 암의 상이한 노드와 연관되고;
상기 제2 제어기는 상기 각각의 개별 다중 노드 메시지를 상기 단일 메시지로부터 분리하고 상기 각각의 로봇 암에 그에 연관된 개별 다중 노드 메시지들을 전송하도록 구성되고, 상기 제2 제어기는 상기 각각의 로봇 암의 링 네트워크로부터 상기 개별 다중 노드 메시지들을 수신하고, 상기 수신된 개별 다중 노드 메시지들을 병합된 메시지로 결합하고, 상기 병합된 메시지를 상기 제1 제어기로 전송하도록 추가로 구성되고, 그리고
특정 로봇 암에 대해, 상기 특정 암과 연관된 개별 다중 노드 메시지가 상기 특정 암의 모든 노드들로 전송되고, 상기 특정 암의 각각의 노드는 상기 특정 암의 모든 노드들과 연관된 패킷들을 수신하지만 그 노드와 연관된 패킷에서만 작동하도록 구성되는, 로봇 수술 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 제어기는 상기 로봇 수술 시스템을 위한 타이밍 마스터(timing master)인 로봇 수술 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 제어기는 광섬유 링크를 사용하여 상기 제2 제어기와 통신하도록 구성되는 로봇 수술 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 제어기는 저전압 차동 신호를 사용하여 상기 복수의 로봇 암들과 통신하도록 구성되는 로봇 수술 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 각각의 로봇 암은 상기 로봇 암의 노드들을 서로 연결하는 복수의 케이블들을 포함하고, 상기 각각의 노드는 통과(pass-through) 케이블 커넥터들 및 활성 케이블 커넥터들을 포함하고, 상기 복수의 케이블들은 노드 스킵(node-skipping) 구성을 제공하기 위해 상기 통과 케이블 커넥터들 및 상기 활성 케이블 커넥터들에 연결되는 로봇 수술 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 제어기는 저전압 차동 신호를 전송하기 위해 제1 공통 모드 전압을 사용하도록 구성되고 인코딩된 부가 정보를 전송하기 위해 제2 공통 모드 전압을 사용하도록 추가로 구성되는 송신기를 포함하는 로봇 수술 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 송신기는 백-터미네이션(back-terminated) 전송 라인을 제공하도록 추가로 구성되는 로봇 수술 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 노드들은 노드 제어기, 단일 모터, 이중 모터, 무선 도구 인터페이스, 힘/토크 센서, 및 입/출력 보드 중 하나 이상을 갖는 적어도 하나의 노드를 포함하는, 로봇 수술 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 제어기는 환자 테이블에 통합되고, 상기 제1 제어기는 상기 환자 테이블로부터 떨어져 위치된 로봇 수술 시스템.
로봇 수술 시스템에서 통신하는 방법으로서,
상기 방법은,
제1 제어기, 제2 제어기 및 복수의 로봇 암들을 포함하는 상기 로봇 수술 시스템에서,
상기 제1 제어기로, 복수의 개별 다중 노드 메시지들 - 상기 각각의 개별 다중 노드 메시지는 상이한 로봇 암과 연관되고 복수의 패킷들을 포함하고, 상기 패킷 각각은 상기 로봇 암의 상이한 노드와 연관됨 - 을 포함하는 단일 메시지를 상기 제2 제어기에 전송하는 단계;
상기 제2 제어기로,
상기 단일 메시지로부터 상기 각각의 개별 다중 노드 메시지를 분리하고 상기 각각의 로봇 암에 그와 연관된 개별 다중 노드 메시지를 전송하는 단계;
상기 각각의 로봇 암의 링 네트워크로로부터 상기 개별 다중 노드 메시지들을 수신하는 단계;
상기 수신된 개별 다중 노드 메시지들을 병합된 메시지로 결합하는 단계; 및
상기 병합된 메시지를 상기 제1 제어기로 전송하는 단계;를 수행하는 단계를 포함하고,
특정 로봇 암에 대해, 상기 특정 암과 연관된 개별 다중 노드 메시지가 상기 특정 암의 모든 노드들로 전송되고, 상기 특정 암의 각각의 노드는 상기 특정 암의 모든 노드들과 연관된 패킷들을 수신하지만 그 노드와 연관된 패킷에서만 작동하도록 구성되는 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 제2 제어기는 상기 로봇 수술 시스템을 위한 타이밍 마스터인 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 제1 제어기는 광섬유 링크를 사용하여 상기 제2 제어기와 통신하도록 구성되는 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 제2 제어기는 저전압 차동 신호를 사용하여 상기 복수의 로봇 암들과 통신하도록 구성되는 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 각각의 로봇 암은 상기 로봇 암의 노드들을 서로 연결하는 복수의 케이블들을 포함하고, 상기 각각의 노드는 통과 케이블 커넥터들 및 활성 케이블 커넥터들을 포함하고, 상기 복수의 케이블들은 노드 스킵 구성을 제공하기 위해 상기 통과 케이블 커넥터들 및 상기 활성 케이블 커넥터들에 연결되는 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 제2 제어기는 저전압 차동 신호를 전송하기 위해 제1 공통 모드 전압을 사용하도록 구성되고 인코딩된 부가 정보를 전송하기 위해 제2 공통 모드 전압을 사용하도록 추가로 구성되는 송신기를 포함하는 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 송신기는 백-터미네이션 전송 라인을 제공하도록 추가로 구성되는 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 제2 제어기는 환자 테이블에 통합되고, 상기 제1 제어기는 상기 환자 테이블로부터 떨어져 위치된 방법.
로봇 수술 시스템으로서,
각각이 링 네트워크로 배치된 복수의 노드들을 포함하는, 복수의 로봇 암들;
마스터 제어기;
베이스 제어기; 및
상기 베이스 제어기를 통해 상기 마스터 제어기와 상기 로봇 암들의 노드들 사이의 통신을 조정하는 수단을 포함하고,
특정 로봇 암에 대해, 상기 특정 암과 연관된 개별 다중 노드 메시지가 상기 특정 암의 모든 노드들로 전송되고, 상기 특정 암의 각각의 노드는 상기 특정 암의 모든 노드들과 연관된 패킷들을 수신하지만 그 노드와 연관된 패킷에서만 작동하도록 구성되는 로봇 수술 시스템.
제 18 항에 있어서,
상기 복수의 노드들은 노드 제어기, 단일 모터, 이중 모터, 무선 도구 인터페이스, 힘/토크 센서, 및 입/출력 보드 중 하나 이상을 갖는 적어도 하나의 노드를 포함하는, 로봇 수술 시스템.
제 18 항에 있어서,
상기 베이스 제어기는 환자 테이블에 통합되고, 상기 마스터 제어기는 상기 환자 테이블로부터 떨어져 위치된 로봇 수술 시스템.