KR102651324B1 - 햅틱 액추에이터들의 균일한 스케일링 - Google Patents

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Abstract

입력 디바이스; 제1 액추에이터 및 제2 액추에이터; 제1 액추에이터 및 제2 액추에이터를 제어하기 위한 컨트롤러를 포함하는 수술 시스템이 제공되고, 컨트롤러는 제1 명령받은 출력이 제1 액추에이터의 제1 미리 결정된 동작 범위 밖에 있게 될 때, 제1 액추에이터 및 제2 액추에이터 각각에 대한 제1 명령받은 출력 및 제2 명령받은 출력에 제1 스케일 인자를 적용하도록 구성되고, 제1 스케일 인자는 제1 명령받은 출력을 제1 미리 결정된 동작 범위 내에 있도록 조정한다.

Description

햅틱 액추에이터들의 균일한 스케일링
우선권 주장
본 출원은 2016년 1월 12일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/277,827호에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 이로써 그 내용 전체가 참고로 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 수술 시스템의 오퍼레이터에게 햅틱 피드백을 제공하는 시스템들 및 방법들에 관한 것으로, 더 상세하게는, 햅틱 피드백 액추에이터들이 성능 한계들에 도달할 때 사용자에 대한 직관적인 햅틱 프로파일을 유지하는 것에 관한 것이다.
원격 조작되는 수술 시스템들은 종종 의료 시술 동안 외과의사 정밀함을 향상시키고/시키거나 환자 외상을 줄이도록 의도된다. 그러한 시스템들에서, 외과의사는 입력 디바이스들(때때로 "마스터" 또는 "마스터 컨트롤러"라고 함)과 상호작용하여 모터와 같은 구동 메커니즘에 의해 작동되는 수술 기구들을 제어한다. 외과의사는 수술 기구들을 직접 조작하고 있지 않기 때문에, (예를 들어, 수술 기구들, 수술 시스템의 다른 요소들, 및/또는 수술 시스템에 의해 생성된 가상 또는 합성 요소들/피처들에서 느껴지는) 상호작용 힘들을 나타내거나 모사하는 햅틱 피드백을 입력 디바이스들에서 제공하는 것이 때때로 유익할 수 있다. 사용자에게 제공되는 힘 피드백은 센서로부터, 알고리즘으로부터, 사용자 인터페이스 큐(cue), 충돌 검출, 모델 상호작용 등으로부터의 피드백의 합일 수 있다는 점에 유의한다.
양호한 사용자 경험을 제공하기 위해, 외과의사는 이상적으로는 시스템 상태 및 구성 변화를 통해 끊김 없는 햅틱 경험(seamless haptic experience)을 경험할 것이다. 그러나, 이는 달성하기가 어려울 수 있는데, 예를 들어 햅틱 피드백을 제공하는 데 사용되는 액추에이터들은 상이한 성능 한계들을 갖거나 상이한 액추에이터들이 상이한 시간들에 그들의 성능 한계들에 도달한다. 그러한 경우들에서, 사용자에게 제공되는 햅틱 피드백은 인식된 사용자 경험(예를 들어, 수술 기구에서 감지되는 실제 힘 또는 상호작용 객체의 시각적 표현)과 적절히 정렬되지 않아, 혼란스러운 또는 비직관적인 사용자 경험을 야기할 수 있다.
예를 들어, 로봇 인터페이스들을 위한 소프트웨어에서는 모터 토크 한계들(즉, 포화 한계들)이 전형적으로 부과된다. 이러한 성능 한계들은 과열로부터 모터를 보호하는 것, 외과의사/환자에게 가해지는 힘을 제한하는 것, 및/또는 모터를 그의 이상적인 토크 동작 범위로 유지하는 것을 포함하여, 여러 가지 이유로 생성될 수 있다. 모터에서의 토크를 제한하는 것은 인터페이스(예를 들어, 입력 디바이스의 핸들 또는 기구의 팁)에서 비등방성 힘 포화(non-isotropic force saturation)를 가져올 수 있다. 이는 2개 이상의 모터를 수반하는 인터페이스에서 힘을 제공하려고 하고 있을 때, 하나의 모터가 모터 토크 한계에 의해 제한되면 힘 방향이 부정확할 수 있다는 것을 의미한다.
이는 입력 디바이스에서 사용자에게 힘(햅틱 피드백)을 렌더링할 때 특히 문제가 될 수 있다. 사용자는 주어진 방향으로 힘을 느끼고 있을 수 있지만, 사용자에게 가해지는 힘이 증가하고 사용자에게 힘을 렌더링하는 것과 연관된 모터들 중 임의의 모터에 대한 토크 한계에 도달함에 따라, 사용자에게 표시되는 힘의 방향은 회전하기 시작하고 이는 사용자에게 당황스러운 및/또는 혼란스러운 것일 수 있다.
따라서 수술 기구에서의 힘 환경과 일관된 햅틱 피드백을 보장하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
예상된 힘 방향들과 햅틱 힘 피드백 방향들 간의 불일치를 최소화하기 위해, 햅틱 피드백 액추에이터들의 출력들은 액추에이터들 중 하나 이상의 액추에이터가 미리 결정된 출력 임계치에 도달할 때마다 스케일링되고, 그에 의해 개개의 액추에이터들이 그들의 정확한 성능 범위 밖에서 동작하도록 달리 명령받게 될 때 적절한 햅틱 피드백 방향성을 유지한다. 그러한 스케일링은 전체 햅틱 피드백 크기를 변화시킬 수 있지만, 햅틱 피드백 방향이 적절하게 유지될 수 있게 한다.
일부 실시예들에서, 소프트웨어가 임의의 액추에이터의 출력을 제한하는 경우, 모니터링 프로세스는 액추에이터의 출력이 (소프트웨어-정의된 출력 한계에 또는 그 아래에 있는) 최대 임계치 출력을 초과할 때를 결정하고, 그 시점에서 총 출력(예를 들어, 힘 또는 토크)의 원하는 방향이 유지되도록 다른 액추에이터들 중 적어도 하나의 액추에이터의 출력을 하향 스케일링할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모니터링 프로세스는 추가적으로 또는 대안적으로 액추에이터의 출력이 최소 출력 임계치(그 아래에서 액추에이터 출력은 정확히 생성하기에는 너무 낮을 수 있음) 아래로 떨어질 때를 결정하고, 그 시점에서 총 출력(예를 들어, 힘 또는 토크)의 원하는 방향이 유지되도록 그의 출력 및 다른 액추에이터들 중 적어도 하나의 액추에이터의 출력을 상향 스케일링할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모든 액추에이터들은 하나가 그의 임계치 출력에 도달할 때 스케일링되는 반면, 다른 실시예들에서는, 동시에 활성인 액추에이터들만 스케일링된다. 일부 실시예들에서, 액추에이터들에 대한 출력 임계치들은 고정되어 있고, 다양한 다른 실시예들에서, 액추에이터들에 대한 출력 임계치들은 시간에 따라 또는 액추에이터 및/또는 시스템 상태에 기초하여 달라질 수 있다.
전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 둘 모두는 본질적으로 예시적이고 설명적인 것이며 본 개시의 범위를 제한함이 없이 본 개시의 이해를 제공하도록 의도된다는 것을 이해해야 한다. 그와 관련하여, 본 개시의 추가적인 양태들, 특징들, 및 이점들이 다음의 상세한 설명으로부터 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
본 개시의 양태들은 첨부 도면들과 함께 읽을 때 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 업계의 표준 관행에 따라, 다양한 특징들이 일정한 비율로 그려지지 않는다는 점을 강조한다. 실제로, 다양한 특징들의 치수들은 논의의 명료성을 위해 임의대로 증가되거나 감소될 수 있다. 또한, 본 개시는 다양한 예들에서 참조 번호들 및/또는 문자들을 반복할 수 있다. 이러한 반복은 단순성 및 명료성을 위한 것이고, 그 자체로 논의된 다양한 실시예들 및/또는 구성들 간의 관계를 지시하지는 않는다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 액추에이터 최대 출력들에 도달할 때 수술 시스템의 사용자에게 일관된 햅틱 피드백을 제공하는 방법을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 액추에이터 출력 최대치들이 무시되는 경우 대 어드레싱되는 경우의 예시적인 햅틱 힘 벡터 출력들을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 액추에이터 출력 최대 임계치들에 응답하여 햅틱 힘 피드백을 제공하는 예시적인 수술 시스템을 도시한다.
본 발명의 양태들에 대한 다음의 상세한 설명에서는, 개시된 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부 사항들이 설명된다. 그러나, 본 개시의 실시예들은 이러한 특정 세부 사항들 없이도 실시될 수 있다는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 다른 경우들에서 본 발명의 실시예들의 양태들을 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 잘 알려진 방법들, 절차들, 컴포넌트들, 및 회로들은 상세히 설명되지 않았다. 그리고, 불필요한 설명적인 반복을 피하기 위해, 하나의 예시적인 실시예에 따라 설명된 하나 이상의 컴포넌트 또는 액션은 다른 예시적인 실시예들로부터 적용 가능할 때 사용되거나 생략될 수 있다.
원하는(예를 들어, 수술 시스템에 의해 감지되거나 모델링된) 햅틱 힘 피드백 방향과 실제 햅틱 힘 피드백 방향 간의 불일치를 최소화하기 위해, 햅틱 피드백 액추에이터들의 출력들은 액추에이터들 중 하나 이상의 액추에이터의 명령받은 출력이 해당 액추에이터에 대한 미리 결정된 동작 범위 밖에 있을 때마다 스케일링된다. 미리 결정된 동작 범위는 액추에이터의 출력 한계 이하인 최대 출력 임계치, 및/또는 상기 액추에이터의 최소 정확한 출력 레벨 이상인 최소 출력 임계치에 의해 정의될 수 있다. 그러한 스케일링은 전체 햅틱 피드백 크기를 감소시킬 수 있지만, 햅틱 피드백 방향이 적절하게 유지될 수 있게 하는데, 이는 종종 햅틱 피드백의 더 중요한 양태이다.
도 1은 액추에이터 출력 한계들이 초과될 때 방향적으로 일관된 햅틱 피드백을 제공하기 위한 예시적인 방법을 도시한다. 햅틱 피드백 제공 단계 110에서, 사용자(예를 들어, 외과의사)가 입력 디바이스(들)(예를 들어, 레버(들), 그리퍼(들), 조이스틱(들), 또는 사용자 입력을 수신할 수 있는 임의의 다른 구조)를 통해 수술 기구(및/또는 수술 시스템의 다른 요소들, 예를 들어 로봇 암, 셋업 구조, 또는 붐 또는 카트와 같은 포지셔닝 요소)를 제어할 수 있게 하고, 그 후 원하는 햅틱 피드백 프로파일(실제 또는 가상/모델링된 상호작용의 물리적 경험을 적어도 부분적으로 재현하거나 나타내는 하나 이상의 햅틱 피드백 효과의 세트)에 기초하여 해당 입력 디바이스에 힘 피드백을 제공하는 수술 시스템. 햅틱 피드백 프로파일은 기구에서의 감지된 힘들(예를 들어, 조직 또는 다른 기구 상호작용들) 또는 로봇 암(예를 들어, 구조 또는 스태프와의 암 충돌), 사용자 가이던스(예를 들어, 사용자가 원하는 경로 또는 궤적을 따라 입력 디바이스(들)를 이동시키는 가이던스를 제공하는 햅틱 멈춤쇠, 펜스, 또는 다른 프로파일), 및 (예를 들어, 가상 핸들 또는 조종 휠을 사용자에게 제공하는) 사용자 인터페이스(UI) 요소들과 같은, 임의의 햅틱 모델 입력에 기초할 수 있다. 이 햅틱 피드백은 햅틱 피드백 프로파일의 직접 복제부터, 햅틱 피드백 프로파일의 스케일링, 햅틱 피드백 프로파일의 비선형 수정을 적용하는 것, 또는 임의의 다른 변환(예를 들어, 기구 상태/속도, 뷰잉 배율 등과 같은 하나 이상의 다른 인자들에 따라 달라지는 힘 스케일링)까지 무엇이든일 수 있다.
입력 디바이스에서 제공되는 실제 힘 피드백은 변화하는 힘 및 방향의 피드백을 제공하도록 협력하여 동작하는 2개 이상의 액추에이터(예를 들어, 모터, 드라이브, 또는 임의의 다른 원동력 요소)에 의해 생성된다. 예를 들어, 피치 및 요 능력들을 갖는 입력 디바이스는 피치 축을 중심으로 정반대 방향들로 힘들을 가하는 제1 액추에이터 쌍과, 요 축을 중심으로 정반대 방향들로 힘들을 가하는 제2 액추에이터 쌍에 결합될 수 있다. 이어서, 피치 및 요 액추에이터들 중 2개 이상을 동시에 사용하여 피치 및 요 축들로부터 오프셋된 힘 피드백을 제공할 수 있다.
고유의 성능 한계로 인해서인지 또는 동작 제약/효과(예를 들어, 열, 기계적 제한들)로 인해서인지 간에, 액추에이터들은 일반적으로 정확히 동일한 성능 특성들을 갖지 않기 때문에. 예를 들어, 햅틱 피드백 액추에이터들의 그룹 중 하나는 전형적으로 다른 것들에 앞서 그의 최대 출력 레벨에 도달할 것이다. 그 최대 출력 레벨을 넘어서는 임의의 명령받은 출력은 임의의 출력 증가를 야기하지 않을 것이고, 결과적으로 최대 출력 액추에이터를 수반하는 임의의 햅틱 피드백은 예상된 힘 피드백 방향에서 벗어날 가능성이 있다. 추가적으로, 액추에이터들은 출력들이 특정 레벨 아래로 감소함에 따라 더 잡음이 있는(덜 정밀한) 출력을 생성할 수 있을 것이며, 따라서 특정 레벨 아래의 햅틱 피드백도 예상된 힘 피드백 방향에서 벗어날 수 있다.
도 2a는 이 햅틱 오프셋의 예를 그래프로 도시하는 것으로, 여기서 제1 및 제2 액추에이터들(각각 "액추에이터 1" 및 "액추에이터 2")의 출력들이 그래프의 수평 및 수직 축들에 의해 각각 표현된다. 그래프의 축들 상에는 또한 제1 및 제2 액추에이터들에 대한 출력 한계들을 나타내는 제1 및 제2 액추에이터들에 대한 출력 한계들 OL1 및 OL2가 각각 표시되어 있다.
위에 언급된 바와 같이, 액추에이터들은 그들의 출력 한계들을 초과할 수 없는데, 그 출력 한계들은 정적이거나(예를 들어, 액추에이터들의 고유한 성능 특성들에 의해 정의됨) 또는 동적일 수 있다(예를 들어, 온도와 같은 액추에이터의 현재 파라미터, 또는 액추에이터를 기계적으로 바람직하지 않은 위치에 두는 피동 구조의 운동학적 구성과 같은 물리적 제한에 기초하여).
따라서 문제는 액추에이터의 명령받은 출력이 원하는(명령받은) 피드백 힘 FD에 의해 표시된 것과 같은 그의 출력 한계를 초과하면 발생한다. 원하는 피드백 힘 FD를 생성하기 위해, 액추에이터 1은 명령받은 출력 CO1을 수신하고, 액추에이터 2는 명령받은 출력 CO2를 수신한다. 명령받은 출력 CO1은 출력 한계 OL1보다 작으며, 따라서 액추에이터 1에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 명령받은 출력 CO2가 출력 한계 OL2보다 크기 때문에, 액추에이터 2의 실제 출력은 출력 레벨 OL2로 제한되어, 원하는 피드백 힘 FD보다 작고 또한 원하는 피드백 힘 FD로부터 오프셋되는 전체 피드백 힘 FO를 야기할 것이다. 햅틱 피드백의 크기의 약간의 가변성은 일반적으로 많은 어려움 없이 사용자에 의해 수용될 수 있지만, 힘 방향의 편차는 사용자를 상당히 오해하게 만들 수 있고 응답으로 사용자에 의한 부적절한 제어 액션을 야기할 수 있다.
도 1로 돌아가서, 이 힘 피드백 오프셋 문제를 완화하기 위해, 액추에이터 임계치 검출 단계 120에서, 해당 액추에이터에 대한 최대 출력 임계치를 초과하는 액추에이터에 대한 임의의 명령받은 출력이 식별된다. 일부 실시예들에서 액추에이터에 대한 최대 출력 임계치는 해당 액추에이터에 대한 출력 한계로 정의될 수 있지만, 다양한 다른 실시예들에서 최대 출력 임계치는 출력 한계 아래의 레벨로 설정되어, 액추에이터 한계의 접근법을 검출하고/하거나 임의의 출력 한계들에 도달하기 전에 스케일링 인자(아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같음)를 적용하기 위한 버퍼를 제공할 수 있다는 점에 유의한다. 또한, 위에 설명된 바와 같이, 햅틱 피드백 액추에이터들에 대한 최대 출력 임계치들은 정적 또는 동적일 수 있으며, 개별화되거나 액추에이터들에 걸쳐 공통일 수 있다는 점에 유의한다.
그 후, 글로벌 액추에이터 스케일링 단계 130에서, 공통 스케일링 인자가 액추에이터들에 대한 명령받은 출력에 적용된다. 스케일링 인자는 식별된 액추에이터(즉, 그의 출력 임계치보다 큰 명령받은 출력을 갖는 단계 120에서 식별된 액추에이터)의 출력을 그의 출력 한계보다 작게 유지하도록 선택된다. 스케일링 인자는 각 액추에이터에 대해 명령받은 출력에 적용되기 때문에, 전체 힘의 방향은 유지되고, 전체 크기가 감소된다. 일부 실시예들에서, 다수의 액추에이터가 그들의 출력 한계를 초과할 명령받은 출력들을 수신할 경우, 스케일링 인자는 그의 연관된 액추에이터의 출력 임계치를 최대량만큼 초과하는 명령받은 출력에 기초할 것이다 - 즉, 스케일링 인자는 "최악의" 출력 불일치에 기초할 것이다 - 는 점에 유의한다.
도 2b는 동일한 제1 및 제2 액추에이터 특성들(각각 출력 한계들 OL1 및 OL2) 및 원하는 피드백 힘 FD에 대한, 이 햅틱 스케일링의 예를 그래프로 도시한다. 그러나, 도 2a에 도시된 바와 같이 액추에이터 2와 연관된 출력 한계들이 전체 햅틱 힘을 원하는 힘 방향에서 벗어나게 하기보다는, 스케일링 인자가 명령받은 출력들 CO1 및 CO2에 적용되어 양쪽 모두를 조정된 명령받은 출력들 CO1' 및 CO2'에 각각 비례하여 감소시킨다. 스케일링 인자는 조정된 명령받은 출력 CO2'가 적어도 출력 한계 OL2까지 감소되도록 선택되지만, 다양한 다른 실시예들에서, 스케일링 인자는 조정된 명령받은 출력 CO2'가 출력 한계 OL2보다 약간의 증분만큼 작게 하도록 선택될 수 있다.
일부 실시예들에서, 액추에이터들 1 및 2는 추가적으로 또는 대안적으로 낮은 출력 레벨들에서 감소된 출력 정확도를 나타낼 수 있다. 그러한 실시예들에서는, 명령받은 출력들 CO1 및 CO2 중 어느 하나가 액추에이터 1 또는 액추에이터 2 각각에 대한 최소 출력 임계치보다 작을 경우 명령받은 출력들 CO1 및 CO2에 스케일링 인자가 적용될 수 있다. 이어서, 스케일링 인자는 조정된 명령받은 출력들 CO1' 및 CO2'를 출력 정확도가 저하되는 레벨 위로 증가시킬 것이다. 위에 설명된 바와 같이, 햅틱 피드백 액추에이터들에 대한 최소 출력 임계치들은 정적 또는 동적일 수 있으며, 개별화되거나 액추에이터들에 걸쳐 공통일 수 있다는 점에 유의한다.
아무튼, 스케일링 인자의 적용은 원래의 원하는 피드백 힘 FD와 방향적으로 정렬되는 전체 스케일링된 피드백 힘 FS를 야기한다. 위에 언급된 바와 같이, 힘 피드백의 방향 일관성이 유지되는 한 힘 크기의 변화에도 일관된 햅틱 경험이 제공될 수 있다.
도 1로 돌아가서, 다양한 실시예들에서, 단계 120에서 식별된 액추에이터에 대한 (스케일링되지 않은) 명령받은 출력이 임의적인 액추에이터 서브-임계치 검출 단계 140에서 해당 액추에이터에 대한 출력 임계치를 넘어가게 될(예를 들어, 최대 출력 임계치를 초과하거나 최소 출력 임계치 아래로 떨어질) 것이 검출되는 경우, 단계 130에서 모든 명령받은 출력들에 적용된 스케일링 인자는 임의적인 글로벌 액추에이터 디-스케일링 단계 150에서 제거된다(또는 1로 설정된다). 단계 110으로 돌아가서, 스케일링되지 않은 햅틱 피드백이 전진하여 제공된다.
이전에 언급된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 햅틱 피드백 액추에이터들에 대한 출력 임계치들은 동적일 수 있다 - 즉, 특정 값들은 액추에이터 동작 파라미터들, 입력 디바이스 운동학적 구성, 또는 다양한 다른 인자들에 따라 변할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 수술 시스템의 동작의 과정에 걸쳐, 단계 120에서 적용된 출력 임계치(들)는 상이한 값들을 가질 수 있다. 또한, 다양한 다른 실시예들에서, 수술 시스템의 동작의 과정에 걸쳐 상이한 액추에이터들이 단계 120을 트리거할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 1, 도 2a, 및 도 2b에 관하여 위에 설명된 바와 같이 사용자에게 일관된 햅틱 경험을 제공하기 위한 수단 및 입력 디바이스(330)에서 햅틱 피드백을 통합하는 수술 시스템(300)의 블록도를 도시한다. 수술 시스템(300)은 수술 작업을 수행하기 위한 기구(310)(예를 들어, 겸자(forceps), 커터(cutter), 견인기(retractor), 혈관 봉합기(vessel sealer), 니들 드라이버(needle driver), 카테터 등), 사용자(예를 들어, 외과의사)로부터 입력들을 수신하기 위한 입력 디바이스(330)(예를 들어, 레버(들), 그리퍼(들), 조이스틱(들), 또는 사용자 입력을 수신할 수 있는 임의의 다른 구조), 및 입력 디바이스(330)로부터 입력 명령을 수신하고, 그에 따라 조작 구조(313)를 통해 기구(310)의 액션들을 제어하고, 원하는 햅틱 피드백 프로파일에 따라 입력 디바이스(330)에 햅틱 피드백을 제공하도록 햅틱 피드백 작동 메커니즘(340)에 명령을 제공하기 위한 컨트롤러(320)를 포함한다. 다양한 실시예들에서, 조작 구조(313)는 로봇 암(들)/조작기(들), 셋업 구조(들), 및/또는 특히, 붐(들) 또는 카트(들)와 같은 포지셔닝 요소(들)를 포함한, 기구(310)의 거동을 조종, 포지셔닝, 작동, 또는 달리 제어하기 위한 임의의 수의 시스템 및 구조를 포함할 수 있다. 컨트롤러(320)는 본 명세서에서 설명된 액션들을 생성, 관리, 제어, 및 초래하기 위한 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 및 다른 양상들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 컨트롤러(320)는 기구(310), 입력 디바이스(330), 및/또는 별개의 제어 하드웨어(예를 들어, 독립형 처리 유닛 또는 컴퓨팅 플랫폼)와 통합될 수 있다.
예시적인 목적으로, 도 3a는 기구(310)의 샤프트(312)의 단부에 있는 엔드 이펙터(311)가 조직(390)의 일부를 잡는 것(예를 들어, 뒤당김(retraction))을 보여준다. 이는 엔드 이펙터(311)에서의 힘 FM을 야기하고, 이는 이상적으로는 입력 디바이스(330)에서 원하는 햅틱 피드백 프로파일 힘 FD로서 전달될 것이다. 실제 햅틱 피드백 전달은 조직(390)이 뒤당겨지고 있을 때 조직(390)에 의해 제공되는 저항의 "느낌"을 외과의사에게 제시하도록 햅틱 피드백 프로파일 힘 FD를 제공하려고 시도하는 다수의 액추에이터를 포함하는, 햅틱 피드백 작동 메커니즘(340)에 의해 가능하게 된다.
햅틱 피드백 프로파일 힘 FD은 예시적인 목적으로 기구(310)의 엔드 이펙터(311)에서 감지된 힘 FM으로부터 유도되는 것으로 묘사되고 있지만, 다양한 다른 실시예들에서, 힘 FM은 샤프트(312) 또는 조작 구조(313)의 임의의 다른 요소에서의 상호작용들(예를 들어, 구조들 또는 스태프와의 암 충돌들)과 같이, 입력 디바이스(330)에서의 대응하는 햅틱 피드백이 유익할 임의의 위치에서 감지될 수 있다.
다양한 다른 실시예들에서, 힘 FM은 가이던스 또는 사용자 인터페이스 피처들과 같은, 비-물리적 파라미터들에 따라 정의될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 수술 시스템(300)은 디스플레이(350)(예를 들어, 모니터(들), 헤드-인 뷰어(들), 프로젝션들, 비디오 안경/헬멧(들), 및/또는 임의의 다른 그래픽 프레젠테이션 요소)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 디스플레이(350)는 입력 디바이스(330)를 통해 상호작용될 수 있는 가상 또는 합성 요소(361)를 제시할 수 있다. 일부 실시예들에서, 합성 요소(361)는 수술 시스템(300)의 물리적 컴포넌트와 상호작용하기 위한 보충 인터페이스로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이, 합성 요소(361)는 수술 부위에서 기구(310)의 위치를 바꾸기 위해 입력 디바이스(330)를 사용하여 "잡혀서(grasped)" 드래그될(dragged around) 수 있는 가상 핸들 또는 노브일 수 있다. 다른 실시예들에서, 합성 요소(361)는 수술 시스템(300)을 제어하기 위한 다이얼, 토글, 레버, 또는 임의의 다른 구조와 같은, 순전히 가상의 상호작용 요소를 제공할 수 있다. 어쨌든, 합성 요소(361)와 상호작용하는 것과 연관된 모델 힘들 FM1(예를 들어, 둥근 노브를 잡는 것으로 생성된 방사상으로 밖으로 향하는 저항적 힘)에 기초하여 햅틱 피드백 프로파일을 생성함으로써, 컨트롤러(320)는 이어서 입력 디바이스(330)에서 적절한 햅틱 피드백 프로파일 힘 FD를 제공하려고 시도할 수 있다.
다양한 다른 실시예들에서, 수술 시스템(300)은 기구(310) 및/또는 입력 디바이스(330)의 이동에 관하여 사용자에게 가이던스를 제공할 수 있다. 예를 들어, 기구(310)의 원하는 움직임(예를 들어, 목표하는 또는 안전한 절개(dissection) 경로, 원하는 뒤당김 이동, 또는 임의의 다른 유익한 관절 운동(articulation))은 임의로 궤적(362)으로서 정의될 수 있다. 궤적(362)을 따라 기구(310)의 위치를 유지하는 것과 연관된 모델 힘들 FM2(예를 들어, 궤적(362)으로부터의 편차들에 따라 생성된 안쪽으로 향하는 힘들)에 기초하여 햅틱 피드백 프로파일을 생성함으로써, 컨트롤러(320)는 이어서 입력 디바이스(330)에서 적절한 햅틱 피드백 프로파일 힘 FD를 제공하려고 시도할 수 있다.
도 3b는 햅틱 피드백 힘의 성분들을 입력 디바이스(330)에 가하는 다수의 액추에이터(341)를 포함하는 작동 메커니즘(340)의 예시적인 블록도를 도시한다. 설명 목적으로 케이블들 또는 힘줄들을 통해 입력 디바이스(330)를 구동하는 4개의 액추에이터가 도시되어 있지만, 다양한 다른 실시예들에서, 작동 메커니즘(340)은 임의의 수 및 유형의 액추에이터들(예를 들어, 회전식 액추에이터, 선형 액추에이터, 유압식, 및/또는 압전, 진동촉각, 또는 유체 액추에이터) 및/또는 힘 전달 메커니즘들(예를 들어, 직접 구동, 링키지, 기어링 등)을 포함할 수 있다는 것에 유의한다.
다양한 액추에이터들(341)은 원하는 햅틱 피드백 프로파일 힘 FD를 생성하기 위한 노력으로 서로 결합하여 작동 출력들(예를 들어, 토크 또는 힘)을 제공한다. 그러나, 원하는 햅틱 피드백 프로파일 힘 FD가 그의 동작 범위 밖에 있는 액추에이터들(341) 중 하나로부터의 출력을 필요로 한다면, 수정 없이 액추에이터들(341)에 대해 명령받은 출력들을 사용하려고 시도하는 것은 크기 및 방향 둘 모두가 원하는 힘 FD와는 상이한 수정되지 않은 햅틱 피드백 힘 FO를 야기할 것이다(도 1 및 도 2a에 관하여 위에 설명된 바와 같음). 위에 설명된 바와 같이, 액추에이터의 동작 범위는 최대 출력 임계치(예를 들어, 액추에이터의 출력 한계 이하) 및/또는 최소 출력 임계치(예를 들어, 액추에이터의 신뢰할 만한 최소 출력 레벨 이상)에 의해 정의될 수 있다.
따라서, 컨트롤러(320)가 액추에이터들(341) 중 임의의 액추에이터에 대한 명령받은 출력이 해당 액추에이터의 정의된 출력 임계치를 넘어가게 될 것을 검출하는 경우(도 1의 단계 120에 관하여 위에 설명된 바와 같음), 그것은 모든 액추에이터들(341)에 대한 명령받은 출력들이 그들의 미리 결정된 동작 범위 내에 유지되도록 각 액추에이터(341)에 공급되는 명령받은 출력들에 공통 스케일링 인자를 적용한다(도 1의 단계 130에 관하여 위에 설명된 바와 같음). 이는 모든 액추에이터들(341)의 출력을 비례하여 변화시키는 효과를 가지며, 이는 차례로 원하는 피드백 힘 FD에 관하여 크기가 상이하지만, 원하는 피드백 힘 FD와 방향 정렬된 상태를 유지하는 스케일링된 햅틱 피드백 힘 FS를 야기한다(도 2b에 관하여 위에 설명된 바와 같음).
다양한 실시예들에서, 컨트롤러(320)가 스케일링되지 않은 명령받은 출력들이 액추에이터들(341) 중 임의의 액추에이터에 대해 정의된 출력 임계치들을 더 이상 넘어가지 않을 것임을 검출하는 경우, 스케일링 인자는 제거(또는 1로 설정)될 수 있고, 그에 의해 입력 디바이스(330)에서 스케일링되지 않은 햅틱 피드백의 복원을 허용할 수 있다(도 1의 단계 140 및 단계 150에 관하여 위에 설명된 바와 같음).
본 발명의 특정 예시적인 실시예들이 첨부 도면에서 설명되고 도시되었지만, 그러한 실시예들은 광범위한 발명에 대해 제한적인 것이 아니라 예시하는 것에 불과하고, 본 기술분야의 통상의 기술자들은 다양한 다른 수정들을 생각해낼 수 있으므로, 본 발명의 실시예들은 도시 및 설명된 특정 구성들 및 배열들로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다.

Claims (15)

  1. 수술 시스템으로서,
    입력 디바이스;
    상기 입력 디바이스에서 햅틱 피드백을 제공하기 위해 상기 입력 디바이스에 결합된 제1 액추에이터 및 제2 액추에이터; 및
    제1 명령받은 출력(commanded output)을 생성하도록 상기 제1 액추에이터에 제1 명령을 제공하고 제2 명령받은 출력을 생성하도록 상기 제2 액추에이터에 제2 명령을 제공하도록 구성된 컨트롤러
    를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 제1 명령받은 출력이 상기 제1 액추에이터의 제1 미리 결정된 동작 범위 밖에 있는 조건에서 상기 제1 명령받은 출력 및 상기 제2 명령받은 출력에 제1 스케일 인자를 적용하도록 구성되고, 상기 제1 스케일 인자는 상기 제1 명령받은 출력을 상기 제1 미리 결정된 동작 범위 내에 있도록 조정하는, 수술 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입력 디바이스에 결합된 제3 액추에이터를 추가로 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 햅틱 피드백을 제공하기 위해 상기 제3 액추에이터에 대한 제3 명령받은 출력에 상기 제1 스케일 인자를 적용하도록 추가로 구성되는, 수술 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 명령받은 출력이 상기 제1 미리 결정된 동작 범위 내에 있게 되는 조건에서 상기 제1 명령받은 출력 및 상기 제2 명령받은 출력으로부터 상기 제1 스케일 인자를 제거하도록 추가로 구성되는, 수술 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 미리 결정된 동작 범위는 상기 제1 액추에이터의 출력 한계 이하인 최대 출력 임계치를 포함하는, 수술 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 미리 결정된 동작 범위는 상기 제1 액추에이터의 신뢰할 만한 최소 출력 레벨 이상인 최소 출력 임계치를 포함하는, 수술 시스템.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 미리 결정된 동작 범위는 상기 입력 디바이스의 운동학적 구성에 적어도 부분적으로 기초하는, 수술 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 스케일 인자에 의해 스케일링된 상기 제1 명령받은 출력이 상기 제1 미리 결정된 동작 범위 밖에 있게 되는 조건에서 상기 제1 스케일 인자를 제2 스케일 인자로 변화시키도록 추가로 구성되고,
    상기 제2 스케일 인자는 상기 제1 명령받은 출력을 상기 제1 미리 결정된 동작 범위 내에 있도록 조정하는, 수술 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 스케일 인자에 의해 스케일링된 상기 제2 명령받은 출력이 상기 제2 액추에이터에 대한 제2 미리 결정된 동작 범위 밖에 있게 되는 조건에서 상기 제1 명령받은 출력 및 상기 제2 명령받은 출력에 제2 스케일 인자를 적용하도록 추가로 구성되고,
    상기 제2 명령받은 출력에 상기 제1 스케일 인자 및 상기 제2 스케일 인자를 적용하는 것은 상기 제2 명령받은 출력을 상기 제2 미리 결정된 동작 범위 내에 있도록 조정하는, 수술 시스템.
  9. 입력 디바이스, 및 상기 입력 디바이스에 결합된 제1 액추에이터 및 제2 액추에이터를 포함하는 수술 시스템을 동작시키는 방법으로서,
    제1 명령받은 출력을 생성하도록 상기 제1 액추에이터에 제1 명령을 제공하고 제2 명령받은 출력을 생성하도록 상기 제2 액추에이터에 제2 명령을 제공하는 단계;
    상기 제1 액추에이터에 대한 상기 제1 명령받은 출력이 상기 제1 액추에이터에 대한 제1 미리 결정된 동작 범위 밖에 있게 될 것을 검출하는 단계; 및
    상기 제1 명령받은 출력 및 상기 제2 액추에이터에 대한 상기 제2 명령받은 출력에 제1 스케일 인자를 적용함으로써 상기 입력 디바이스에서 햅틱 피드백을 제공하는 단계 - 상기 제1 스케일 인자는 상기 제1 명령받은 출력이 상기 제1 미리 결정된 동작 범위 내에 있게 함 -
    를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 입력 디바이스에 제3 액추에이터가 결합되고,
    상기 햅틱 피드백을 제공하는 단계는 상기 제3 액추에이터에 대한 제3 명령받은 출력에 상기 제1 스케일 인자를 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1 명령받은 출력이 상기 제1 미리 결정된 동작 범위 내에 있게 될 것을 검출하면 상기 제1 명령받은 출력 및 상기 제2 명령받은 출력으로부터 상기 제1 스케일 인자를 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제1 미리 결정된 동작 범위는 상기 제1 액추에이터의 출력 한계 이하인 최대 출력 임계치, 및 상기 제1 액추에이터의 신뢰할 만한 최소 출력 레벨 이상인 최소 출력 임계치 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 스케일 인자에 의해 스케일링된 상기 제1 명령받은 출력이 상기 제1 미리 결정된 동작 범위 밖에 있게 될 것을 검출하는 단계; 및
    상기 제1 스케일 인자를 제2 스케일 인자로 변화시키는 단계 - 상기 제2 스케일 인자는 상기 제1 명령받은 출력을 상기 제1 미리 결정된 동작 범위 내에 있도록 조정함 -
    를 추가로 포함하는, 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제1 스케일 인자에 의해 스케일링된 상기 제2 명령받은 출력이 상기 제2 액추에이터에 대한 제2 미리 결정된 동작 범위 밖에 있게 될 것을 검출하는 단계; 및
    상기 제1 명령받은 출력 및 상기 제2 명령받은 출력에 제2 스케일 인자를 적용하는 단계 - 상기 제1 스케일 인자 및 상기 제2 스케일 인자는 상기 제2 명령받은 출력을 상기 제2 미리 결정된 동작 범위 내에 있도록 조정함 -
    를 추가로 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 미리 결정된 동작 범위는 상기 제2 미리 결정된 동작 범위와는 상이한, 방법.
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