KR20090057984A - 중공형 해부학적 부유 기관 상에서의 수술을 위한 시스템, 디바이스 및 방법 - Google Patents

중공형 해부학적 부유 기관 상에서의 수술을 위한 시스템, 디바이스 및 방법 Download PDF

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Abstract

중공형 해부학적 부유 기관 상에서의 수술을 위한 시스템, 디바이스 및 방법이 본 명세서에 설명된다. 몇몇 실시예에서, 눈 수술용 원격 로봇식 미세수술 시스템은 원격 로봇식 마스터 및 슬레이브 하이브리드 로봇을 포함하고, 원격 로봇식 마스터는 전문 의료인에 의해 제어되는 적어도 2개의 마스터 슬레이브 인터페이스를 가지며, 슬레이브 하이브리드 로봇은 환자의 머리에 해제 가능하게 부착되는 프레임에 부착된 적어도 2개의 로봇 아암을 갖고, 적어도 2개의 로봇 아암은 각각 병렬형 로봇 및 직렬형 로봇을 가지며, 직렬형 로봇은 캐뉼러를 수납하는 튜브를 포함한다.
Figure P1020097005552
원격 로봇식 미세수술 시스템, 원격 로봇식 마스터, 슬레이브 하이브리드 로봇, 프레임, 로봇 아암, 병렬형 로봇, 직렬형 로봇, 캐뉼러, 튜브

Description

중공형 해부학적 부유 기관 상에서의 수술을 위한 시스템, 디바이스 및 방법{SYSTEMS, DEVICES, AND METHODS FOR SURGERY ON A HOLLOW ANATOMICALLY SUSPENDED ORGAN}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함되며 2006년 9월 19일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/845,688호 및 2007년 3월 30일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/920,848호의 이득을 청구한다.
중공형 해부학적 부유 기관(hollow anatomically suspended organ) 상에서의 수술을 위한 시스템, 디바이스 및 방법이 제공된다.
중공형 해부학적 부유 기관 상에서의 최소 침습성 수술[예를 들어, 안과 미세수술(ophthalmic microsurgery)]은 고유의 과제를 전문 의료인들에게 제시한다. 안과 미세수술에 초점을 맞추면, 이들 과제는, 눈이 그 내부에서 매우 정확하고 섬세한 수술 작업의 수행을 요하는 중공형의 가동 기관이라는 사실로부터 유래한다. 안과 수술 중에, 전문 의료인은 현미경을 사용하여 확장된 홍채를 통해 관찰함으로써 망막을 시각화한다. 전문 의료인에 의해 현재 사용되는 도구는 안내 기민성(intraocular dexterity)이 결여되어 있고 최소 자유도로 구속되어 있다. 따라 서, 복잡한 안과 수술을 수행하는 것이 매우 어려울 수 있다. 이 외에도, 전문 의료인은 또한 매우 높은 정밀도로 다수의 도구를 조작하면서 눈의 주위 영역에 대한 접근 및 시각화가 가능하도록 현미경 아래에서 눈을 돌릴 필요가 있을 수도 있다.
미세수술의 과제는 도구의 안내 기민성의 결여, 제한된 힘 피드백, 및 현미경을 사용하여 시각화할 때의 깊이 인식의 결여를 포함한다. 미세수술은 또한 다른 수술 분야에서는 일반적이지 않은 수준의 정확도 및 양손 기민성을 요구한다(예를 들어, 5 내지 10 미크론의 위치설정 정확도가 요구될 수 있음). 어렵고 정밀한 이러한 양손 작업은 로봇식 지원에 대한 잠재적인 이득 및 필요성을 나타내고 있다.
몇몇 실시예에서, 눈 수술용 원격 로봇식 미세수술 시스템은 원격 로봇식 마스터 및 슬레이브 하이브리드 로봇을 갖고, 원격 로봇식 마스터는 전문 의료인에 의해 제어되는 적어도 2개의 마스터 슬레이브 인터페이스를 가지며, 슬레이브 하이브리드 로봇은 환자의 머리에 해제 가능하게 부착 가능한 프레임에 부착된 적어도 2개의 로봇 아암을 갖고, 적어도 2개의 로봇 아암은 각각 병렬형 로봇 및 직렬형 로봇을 갖는다.
몇몇 실시예에서, 눈 수술용 원격 로봇식 미세수술 시스템은, 프레임, 제1 로봇 아암, 제2 로봇 아암, 및 원격 로봇식 마스터를 갖고, 프레임은 환자의 머리에 해제 가능하게 부착되며, 제1 로봇 아암 및 제2 로봇 아암은 각각 병렬형 로봇 및 직렬형 로봇을 갖고, 원격 로봇식 마스터는 전문 의료인에 의해 제어되는 마스터 슬레이브 인터페이스를 가지며, 직렬형 로봇은 튜브 및 캐뉼러를 갖는다.
몇몇 실시예에서, 중공형 해부학적 부유 기관 상의 수술용 원격 로봇식 미세수술 시스템은 원격 로봇식 마스터 및 슬레이브 하이브리드 로봇을 갖고, 원격 로봇식 마스터는 전문 의료인에 의해 제어되는 적어도 하나의 마스터 슬레이브 인터페이스를 가지며, 슬레이브 하이브리드 로봇은 환자에 해제 가능하게 부착 가능한 프레임에 부착된 적어도 하나의 로봇 아암을 갖고, 적어도 하나의 로봇 아암은 병렬형 로봇 및 직렬형 로봇을 갖는다.
몇몇 실시예에서, 중공 해부학적 부유 기관 상의 수술용 슬레이브 하이브리드 로봇은 환자에 해제 가능하게 부착될 수 있는 프레임 및 프레임에 해제 가능하게 부착된 적어도 하나의 로봇 아암을 갖고, 적어도 하나의 로봇 아암은 병렬형 로봇 및 직렬형 로봇을 가지며, 직렬형 로봇은 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러를 전달하기 위한 튜브를 갖고, 튜브 및 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러 중 적어도 하나는 그 종축을 중심으로 회전할 수 있으며, 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러는 튜브로부터 연장될 때 만곡될 수 있다.
개시된 본 발명의 요지의 이러한 목적과 다른 목적 및 장점은 유사한 도면 부호가 전체에 걸쳐 유사한 부분을 나타내고 있는 첨부 도면과 함께 취한 이하의 상세한 설명을 고려하면 명백해질 것이다.
도 1a는 개시된 본 발명의 요지의 몇몇 실시예에 따른 원격 로봇식 미세수술 시스템을 사용하기 위한 방법을 예시적으로 도시하고 있는 도면.
도 1b는 개시된 본 발명의 요지의 몇몇 실시예에 따른 눈 상에서의 일반적인 원격 로봇식 미세수술용 수술 셋업을 예시적으로 도시하고 있는 도면.
도 2는 개시된 본 발명의 요지의 몇몇 실시예에 따라 환자의 머리 위에 배치된 슬레이브 하이브리드 로봇을 예시적으로 도시하고 있는 도면.
도 3은 개시된 본 발명의 요지의 몇몇 실시예에 따른 원격 로봇식 마스터 및 슬레이브 하이브리드 로봇을 포함하는 눈 수술용 원격 로봇식 미세수술 시스템을 예시적으로 도시하고 있는 도면.
도 4a는 개시된 본 발명의 요지의 몇몇 실시예에 따른 직렬형 로봇 및 병렬형 로봇을 도시하고 있는 슬레이브 하이브리드 로봇을 예시적으로 도시하고 있는 도면.
도 4b 및 도 4c는 개시된 본 발명의 요지의 몇몇 실시예에 따라 직렬형 로봇에 포함된 직렬형 커넥터를 예시적으로 도시하고 있는 도면.
도 5는 개시된 본 발명의 요지의 몇몇 실시예에 따라 직렬형 로봇에 포함된 직렬형 관절 연결기(articulator)를 예시적으로 도시하고 있는 도면.
도 6a 및 도 6b는 개시된 본 발명의 요지의 몇몇 실시예에 따라 캐뉼러를 전달하기 위한 튜브를 예시적으로 도시하고 있는 도면.
도 7은 개시된 본 발명의 요지의 몇몇 실시예에 따른 병렬형 로봇의 레그를 도시하고 있는 도면으로서, 슬레이브 하이브리드 로봇을 예시적으로 도시하고 있는 도면.
도 8 및 도 9는 개시된 본 발명의 요지의 몇몇 실시예에 따른 i번째 슬레이 브 하이브리드 로봇 및 눈을 예시적으로 도시하고 있는 도면.
도 10a 및 도 10b는 개시된 본 발명의 요지의 몇몇 실시예에 따른 i번째 슬레이브 하이브리드 로봇 및 기관을 예시적으로 도시하고 있는 도면.
개시된 본 발명의 요지에 따르면, 중공형 해부학적 부유 기관 상의 수술을 위한 시스템, 디바이스 및 방법이 개시된다.
몇몇 실시예에서, 원격 로봇식 미세수술 시스템은 적어도 2개의 로봇 아암(각각의 로봇 아암은 병렬형 로봇에 부착된 직렬형 로봇을 가짐)을 갖는 슬레이브 하이브리드 로봇과, 적어도 2개의 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스(예를 들어, 조이스틱)를 갖는 원격 로봇식 마스터를 가질 수 있다. 또한, 각각의 로봇 아암용 직렬형 로봇은, 튜브 내에 있을 때 실질적으로 직선형인 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러를 수납하는 튜브를 가질 수 있다. 각각의 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스를 사용하여, 사용자는 각각의 로봇 아암용 병렬형 로봇 및 직렬형 로봇을 제어함으로써 적어도 2개의 로봇 아암의 이동을 제어할 수 있다. 즉, 사용자는 마스터 슬레이브 인터페이스에 의해 각각의 아암에 대한 직렬형 로봇 및 병렬형 로봇의 조합된 움직임을 제어할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 눈 상에서의 일반적인 원격 로봇식 미세수술용 수술 셋업이 도시되어 있다. 몇몇 실시예에서, 일반적인 눈 수술용 수술 셋업(100)은 수술용 베드(110), 수술용 현미경(120), 슬레이브 하이브리드 로봇(125) 및 원격 로봇식 마스터(도시 생략)를 포함한다. 환자는 환자의 머리(115)를 도시되어 있는 바 와 같이 위치시킨 상태로 수술용 베드(110) 상에 눕는다. 눈 수술 중에, 수술용 베드(110) 위에 위치한 환자는 환자의 머리에 해제 가능하게 부착된 프레임(130)과, 프레임(130)에 해제 가능하게 부착된 슬레이브 하이브리드 로봇을 갖는다. 또한, 전문 의료인은 수술용 현미경(120)을 통해 환자의 눈을 관찰할 수 있고, 슬레이브 하이브리드 로봇(125)과 통신하는 원격 로봇식 마스터에 의해 약물 전달, 흡기, 광 전달, 및 마이크로그립퍼(microgripper), 피크(pick) 및 마이크로 나이프 중 적어도 하나의 전달을 제어할 수 있다.
도 1a를 참조하면, 원격 로봇식 미세수술 시스템을 사용하기 위한 방법이 예시적으로 도시되어 있다. 초기 셋업(도 1a의 101)에서, 슬레이브 하이브리드 로봇은 기관 위에 배치될 수 있다(예를 들어, 환자의 머리에 연결된 프레임에 부착됨). 예를 들어, 제1 로봇 아암(제1 병렬형 로봇 및 제1 직렬형 로봇을 가짐) 및 제2 로봇 아암(제2 병렬형 로봇 및 제2 직렬형 로봇을 가짐)을 갖는 슬레이브 하이브리드 로봇은 기관에 진입하기 위해 요구되는 이동량을 최소화하는 위치에 2개의 아암을 위치시킬 수 있다. 기관 진입을 위해(도 1a의 102), 제1 로봇 아암을 제어하기 위한 제1 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스를 사용하여, 사용자는 제1 병렬형 로봇을 이동시킴으로써, 제1 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러를 수납하고 있는 제1 튜브를 환자의 기관 내에 삽입할 수 있다. 유사하게, 제2 로봇 아암을 제어하기 위한 제2 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스를 사용하여, 사용자는 제2 병렬형 로봇을 이동시킴으로써 제2 튜브를 환자의 기관 내에 삽입할 수 있다.
기관의 내부에서, 사용자는 기관 조작(도 1a의 105) 및 기관 내의 수술(도 1a의 104)과 같은 수술 작업(도 1a의 103)을 수행할 수 있다. 기관 조작(도 1a의 105) 및 기관 내의 수술(도 1a의 104)은 연속적으로 실행될 수 있거나(예를 들어, 기관 내의 수술 후에 기관 조작, 기관 조작 후에 기관 내의 수술 등을 행함), 또는 병행하여 실행될 수 있다(예를 들어, 실질적으로 동시에 기관 내의 수술 및 기관 조작을 행함).
예를 들어, 기관 내의 수술(도 1a의 104) 및 기관 조작(도 1a의 105)을 연속적으로 수행하는 것을 이하에서 설명한다. 기관 내의 수술(도 1a의 104)을 수행하기 위해, 제1 로봇 아암을 제어하기 위한 제1 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스를 사용함으로써, 사용자는 제1 직렬형 로봇을 제어하여 제1 튜브의 외부로 제1 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러를 연장시킬 수 있고, 제1 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러는 제1 튜브를 나올 때 만곡된다. 이러한 만곡은 이하에 설명되는 바와 같이 직렬형 로봇에 대한 1 자유도를 나타낸다. 또한, 제1 로봇 아암을 제어하기 위한 제1 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스를 사용함으로써, 사용자는 제1 직렬형 로봇을 사용하여 제1 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러 및 제1 튜브를 이들의 종축을 중심으로 회전시킬 수 있다(이에 따라, NiTi 캐뉼러는 기관 내부에 배치됨). 종축을 중심으로 한 이러한 회전은 직렬형 로봇에 대한 제2 자유도를 나타낸다. 유사하게, 제2 로봇 아암을 제어하기 위한 제2 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스를 사용함으로써, 사용자는 제2 직렬형 로봇을 사용하여 제2 튜브의 외부로 제2 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러를 이동시킬 수 있다. 제2 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러는 제2 튜브를 나올 때 만곡된다. 또한, 유사하게, 사용자는 제2 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러 및 제2 튜브 중 적어도 하나를 이들의 종축을 중심으로 회전시킬 수 있다. 몇몇 경우에는, 튜브의 외부로 제2 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러를 전달할 필요가 없다. 예를 들어, 제2 튜브는 광을 기관 내로 전달하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 예를 들어, 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러는 튜브의 외부로 전달되어 매립된 광섬유를 통해 제어된 광을 전달할 수 있다. 더욱이, 예를 들어, 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러는 의사에게 측면 조망을 제공함으로써 도구와 망막 사이의 거리를 시각화하는 것과 같은 용례를 위한 제어 가능한 안내 시각화를 위해 광섬유 다발의 제어된 전달을 제공할 수 있다.
또한, 기관 내에서의 수술(도 1a의 104)을 수행하기 위해, 사용자는 약물 전달, 흡기, 광 전달, 및 마이크로그립퍼, 피크 및 마이크로 나이프 중 적어도 하나의 기관 내로의 전달을 위해 제1 NiTi 캐뉼러 및 제2 NiTi 캐뉼러 그리고 제1 튜브 및 제2 튜브 중 적어도 하나를 이용할 수 있다. 사용자는 2개의 튜브가 환자의 기관 내에 있는 상태로 기관을 조작하고 위치설정할 수 있다(도 1a의 105). 예를 들어, 제1 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스 및 제2 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스 모두를 사용하여, 사용자는 2개의 병렬형 로봇을 함께 이동시키고(이에 따라, 기관 내에서 튜브가 이동됨) 기관을 조작할 수 있다. 또한, 기관을 조작한 후에, 사용자는 기관 내의 부가적인 수술(도 1a의 104)을 수행할 수 있다.
기관에서 빠져나오기 위해(도 1a의 106), 즉 기관으로부터 수술 기구를 제거하기 위해, 사용자는 제1 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스를 사용하여 제1 로봇 아암을 제어한다. 사용자는 제1 직렬형 로봇을 사용하여 제1 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러를 제1 튜브 내로 철수시킬 수 있다. 예컨대, 제2 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러가 전달되어 있는 경우, 사용자는 직렬형 로봇을 사용하여 제2 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러를 제2 튜브 내로 유사하게 철수시킬 수 있다. 제1 로봇 아암 및 제2 로봇 아암을 각각 제어하기 위한 제1 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스 및 제2 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스 모두를 사용하여, 사용자는 제1 병렬형 로봇 및 제2 병렬형 로봇 모두를 이동시켜 기관으로부터 제1 튜브 및 제2 튜브 모두를 철수시킬 수 있다. 응급의 경우, 직렬형 로봇은, 이들을 병렬형 로봇에 연결하는 신속 클램핑 메커니즘을 해제하고 이어서 2개의 병렬형 로봇과 프레임을 제거함으로써 눈으로부터 제거될 수 있다.
개시된 본 발명의 요지는 신체 내의 임의의 중공형 해부학적 부유 기관 상에서의 수술을 위해 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 개시된 본 발명의 요지는 눈, 심장, 간, 신장, 방광, 또는 적합한 것으로 간주되는 임의의 다른 실질적인 중공형 해부학적 부유 기관 상에 사용될 수 있다. 본 명세서에 제시되어 있는 본 발명의 요지를 쉽게 이해하기 위해, 이하의 설명은 눈 상에서의 원격 로봇식 미세수술에 초점을 맞춘다.
도 2를 참조하면, 환자의 머리 위에 배치된 슬레이브 하이브리드 로봇(125)이 도시되어 있다. 몇몇 실시예에서, 슬레이브 하이브리드 로봇(125)은 프레임(210)에 부착될 수 있고, 이 프레임은 이어서 환자의 머리(215)에 부착된다. 또한, 슬레이브 하이브리드 로봇(125)은 프레임(210)에 부착될 수 있는 제1 로봇 아 암(220) 및 제2 로봇 아암(225)을 포함하고, 현미경/시야 원추(viewcone)(230)를 더 포함할 수 있다. 더욱이, 몇몇 실시예에서, 제1 로봇 아암(220) 및 제2 로봇 아암(225)은 병렬형 로봇(235)[예를 들어, 스튜어트 플랫폼(Stewart platform), 스튜어트/고흐(Gough) 플랫폼, 델타 로봇 등] 및 직렬형 로봇(240)(예를 들어, 조인트와 연결된 다수의 강성 링크로 이루어진 로봇)을 포함할 수 있다. 제1 로봇 아암 및 제2 로봇 아암의 일부 부분은 프레임에 영구적으로 부착될 수 있는 반면, 다른 부분은 프레임에 해제 가능하게 부착될 수 있다. 또한, 직렬형 로봇은 병렬형 로봇에 해제 가능하게 부착될 수 있다. 예를 들어, 병렬형 로봇 및 직렬형 로봇을 포함하는 로봇 아암에 있어서, 병렬형 로봇은 프레임에 영구적으로 부착될 수 있고, 직렬형 로봇은 병렬형 로봇에 해제 가능하게 부착될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 직렬형 로봇은 예를 들어 잠글 수 있는 조정형 조(jaw)에 의해 병렬형 로봇에 해제 가능하게 부착될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 슬레이브 하이브리드 로봇은 프레임에 해제 가능하게 부착된 적어도 2개의 로봇 아암을 포함한다. 예를 들어, 로봇 아암은 잠글 수 있는 조정형 링크, 마찰 끼워맞춤, 클램프 끼워맞춤, 나사 끼워맞춤, 또는 적합한 것으로 간주되는 임의의 다른 기계적 방법 및 장치에 의해 프레임에 부착될 수 있다. 또한, 로봇 아암은 프레임에 영구적으로 부착될 수 있다. 예를 들어, 로봇 아암은 용접, 접착제 또는 적합한 것으로 간주되는 임의의 다른 메커니즘에 의해 부착될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제1 로봇 아암(220) 및 제2 로봇 아암(225)은 시스템의 초 기 셋업에서의 위치(예를 들어, 수술 시작시의 위치)로 조정될 수 있다. 이는, 예를 들어 로봇 아암을 눈과 정렬하기 위해 수행될 수 있다. 또한, 제1 로봇 아암(220) 및 제2 로봇 아암(225)은 직렬형 로봇 및 병렬형 로봇을 가질 수 있는데, 직렬형 로봇 또는 병렬형 로봇 중 단지 하나만이 시스템의 초기 셋업에서의 위치로 조정될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 프레임(210)은 바이트 플레이트(bite plate)(245)(예를 들어, 환자가 물고 있으며 환자의 구강 내에 배치되는 물품) 및 수술용 스트랩(250)에 의해 환자의 머리에 부착될 수 있다. 프레임(210)은, 부착될 때 환자에 대한 최소한의 외상을 발생시키도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 프레임(210)은 관상 스트랩(coronal strap)(예를 들어, 환자의 머리 둘레에 배치되는 스트랩) 및 고정용 바이트 플레이트(예를 들어, 바이트 플레이트가 상악 치아 상에 고정되어 있는 환자의 구강 상에 고정될 수 있는 바이트 플레이트)에 의해 환자의 머리에 부착될 수 있다. 환자의 머리에 프레임을 부착하기 위한 임의의 메커니즘이 사용될 수 있다. 예를 들어, 프레임은 바이트 플레이트, 수술용 스트랩 또는 텐션 스크류(tension screw)에 의해 환자의 머리에 부착될 수 있다. 또한, 프레임(210)은 환자의 두개골 내에 직접 나사 결합될 수 있다.
또한, 바이트 플레이트(245)는 공기 및 흡기 통로(도시 생략)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 긴급시에, 제1 로봇 아암(220) 및 제2 로봇 아암(225)은 프레임으로부터 해제될 수 있고, 환자는 바이트 플레이트 억세스 내의 튜브(도시 생략)를 통해 공기 및 흡기를 수용할 수 있다.
프레임(210)은, 중공형 중심부를 갖고 실질적으로 원형 형상으로 구성된 실질적으로 단일체형(monolithic) 재료를 사용하여 제조될 수 있다. 또한, 프레임(210)의 형상은 환자의 얼굴의 곡률에 적합하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 프레임(210)은 실질적으로 라운드형, 타원형, 또는 적합한 것으로 간주되는 임의의 다른 형상일 수 있다. 프레임 재료는 완전히 고압 멸균되도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 프레임 재료는 금속, 플라스틱, 혼합물, 또는 고압 멸균에 적합한 것으로 간주되는 임의의 다른 재료를 포함할 수 있다. 더욱이, 프레임(210)은 완전히 고압 멸균되도록 선택된 것은 아닌 재료를 포함할 수 있다. 즉, 프레임은 1회용일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제1 로봇 아암(220) 및 제2 로봇 아암(225)은 하이브리드 로봇을 포함한다. 하이브리드 로봇은, 각각의 로봇 아암 상에서 사용을 위해 조합된 하나가 넘는 로봇의 임의의 조합을 가리킴을 이해해야 한다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 제1 로봇 아암(220) 및 제2 로봇 아암(225)은 2 자유도 직렬형 로봇(예를 들어, 안내 기민성 로봇)에 부착된 6 자유도의 병렬형 로봇(예를 들어, 스튜어트 플랫폼, 스튜어트/고흐 플랫폼, 델타 로봇 등)을 포함하는데, 이들은 조합될 때 시스템 내에 16 자유도를 생성한다. 하이브리드 로봇은 임의의 수의 자유도를 갖는 병렬형 로봇을 포함할 수 있다. 또한, 2 자유도 직렬형 로봇(예를 들어, 안내 기민성 로봇)은 안내 기민성을 제공할 수 있는 반면, 병렬형 로봇은 눈 내부의 임의의 수술 도구 및 눈의 전체적인 고정밀 위치설정을 제공할 수 있다. 더욱이, 하이브리드 로봇은 직렬형 로봇, 병렬형 로봇, 스네이크 로봇, 메카나트로닉 로 봇(mechanatronic robot), 또는 적합한 것으로 간주되는 임의의 다른 로봇을 포함할 수 있다.
제1 로봇 아암(220) 및 제2 로봇 아암(225)은 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 제1 로봇 아암(220) 및 제2 로봇 아암(225) 모두는 병렬형 로봇 및 직렬형 로봇을 포함할 수 있다. 또한, 제1 로봇 아암(220) 및 제2 로봇 아암(225)은 실질적으로 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 로봇 아암(220)은 제2 직렬형 로봇에 부착된 제1 병렬형 로봇을 포함할 수 있는 반면, 제2 로봇 아암(225)은 제2 병렬형 로봇에 부착된 제1 병렬형 로봇을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 슬레이브 하이브리드 로봇(125)은 단지 2개의 로봇 아암만을 포함한다. 2개의 로봇 아암을 사용하는 것은 사용자의 양손 기민성을 증가시킨다. 예를 들어, 2개의 로봇 아암은 2개의 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스(예를 들어, 각각의 손과 접촉하는 하나의 제어기)를 사용하여 전문 의료인에 의해 제어될 수 있다. 또한, 2개가 넘는 로봇 아암이 슬레이브 하이브리드 로봇(125)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 4개의 로봇 아암이 슬레이브 하이브리드 로봇(125)에 사용될 수 있다. 임의의 적합한 수의 로봇 아암이 슬레이브 하이브리드 로봇(125)에 사용될 수 있다.
로봇 아암은 향후 수술에서 재사용되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 로봇 아암(220) 및 제2 로봇 아암(225)은 고압 멸균기 내에 배치되도록 설계될 수 있다. 또한, 제1 로봇 아암(220) 및 제2 로봇 아암(225)은 1회용으로 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 로봇 아암(220) 및 제2 로봇 아암(225)은 폐기 가능한 1회 용 제품으로서 설계될 수 있다. 더욱이, 로봇 아암의 부품들은 1회용으로 설계될 수 있는 반면, 다른 부품들은 향후 수술에 사용되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 로봇 아암(220) 및 제2 로봇 아암(225)은 1회용 캐뉼러와, 재사용 가능한 병렬형 로봇을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 슬레이브 하이브리드 로봇은 각각의 전기 부품에 대해 24 볼트 및 0.8 암페어 미만을 사용하도록 설계될 수 있다. 24 볼트 및 0.8 암페어 미만을 사용하는 것은 환자에 대한 안전 문제를 최소화할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 병렬형 로봇 및 직렬형 로봇 모두는 무균 덮개(sterile draping)를 허용하고, 병렬형 로봇 및 직렬형 로봇을 지지하는 프레임은 고압 멸균되도록 설계될 수 있다.
도 3을 참조하면, 몇몇 실시예에서, 눈 수술용 원격 로봇식 미세수술 시스템(300)은 원격 로봇식 마스터(305) 및 슬레이브 하이브리드 로봇(325)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 원격 로봇식 마스터(305)는 제어기(310) 및 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스(315)(예를 들어, 2개의 힘 피드백 조이스틱)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 제어기(310)는 기민성 최적화기, 힘 피드백 시스템 및 떨림 필터링 시스템 중 적어도 하나를 포함한다.
힘 피드백 시스템은 로봇 아암에 의해 인가된 힘(예를 들어, 눈 내의 캐뉼러 상의 힘)의 크기를 전문 의료인(325)에게 알려주기 위한 디스플레이(320)를 포함할 수 있다. 또한, 힘 피드백 시스템은 전문 의료인이 로봇 아암 상의 힘을 증가시킴에 따라 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스(315) 상에 저항을 제공하는 것 을 포함할 수 있다. 더욱이, 로봇 아암들 중 적어도 하나는 수술 중에 아암 상의 힘 또는 토크의 크기를 측정하기 위한 힘 센서 및 토크 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 로봇 아암들 중 적어도 하나는 힘 피드백을 위한 6-축 힘 센서를 포함할 수 있다. 이들 센서는 전문 의료인에게 힘 피드백을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 환자에게 손상을 입히지 않도록 하기 위해 로봇 아암 상의 힘을 측정할 수 있다.
떨림 감소 시스템이 로봇식 마스터(305)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 떨림 감소는 운동 명령을 전달하기 전에 원격 로봇식 마스터측에서 의사의 떨림을 필터링함으로써 성취될 수 있다. 예를 들어, 마스터 슬레이브 인터페이스(예를 들어, 조이스틱)의 움직임은 슬레이브 하이브리드 로봇의 PID(비례, 적분 및 미분) 제어기를 위한 설정점으로서 제어기에 의해 필터링되어 전달될 수 있다. 이 예에서, 마스터 조이스틱의 2개의 경사각이 x 및 y 방향에서의 축방향 병진과 관련될 수 있다. 마스터 슬레이브 인터페이스(예를 들어, 조이스틱)의 방향은 x-y 평면 내의 슬레이브의 이동 방향과 관련될 수 있는 반면, 마스터 슬레이브 인터페이스(예를 들어, 조이스틱)의 경사 크기는 x-y 평면 내의 로봇식 슬레이브의 이동 속도의 크기와 관련될 수 있다. 다른 실시예에서, 사용자는 직렬형 로봇에 포함된 튜브(이하에 설명됨)에 직접 힘을 인가함으로써 슬레이브 하이브리드 로봇을 제어할 수 있다. 또한, 직렬형 로봇은, 사용자가 인가하는 힘을 판독하고 의사의 손의 떨림을 필터링하면서 이러한 명령을 운동 명령으로 변환하는 신호를 제어기(310)에 전달할 수 있는 6-축 힘 및 모멘트 센서를 통해 병렬형 로봇에 연결될 수 있다. 떨림 감소를 위한 임의의 적합한 방법이 원격 로봇식 마스터(305)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 떨림 감소를 위한 임의의 적합한 협동성 조작 방법이 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 기민성 최적화기는 사용자의 기민성을 증가시키기 위한 임의의 메커니즘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기민성 최적화기는 눈 내로의 진입을 위해 미리 계획된 경로를 이용할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 기민성 최적화기는 미리 계획된 경로를 사용하여 눈 내부로 튜브를 전달한다.
원격 로봇식 마스터 및 슬레이브 하이브리드 로봇은 고속 전용 이더넷 접속을 통해 통신할 수 있다. 적합한 것으로 간주되는 원격 로봇식 마스터와 슬레이브 하이브리드 로봇 사이의 임의의 통신 메커니즘이 사용될 수 있다. 또한, 전문 의료인 및 원격 로봇식 마스터는 슬레이브 하이브리드 로봇 및 환자와는 실질적으로 상이한 위치에 있을 수 있다.
도 4a를 참조하면, 몇몇 실시예에서, 슬레이브 하이브리드 로봇은 직렬형 로봇(405) 및 병렬형 로봇(410)을 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 직렬형 로봇(405)은 플랫폼(415)(예를 들어, 병렬형 로봇의 플랫폼)과 직렬형 관절 연결기(407)를 연결하기 위한 직렬형 커넥터(406)를 포함할 수 있다. 임의의 기계적 연결이 병렬형 로봇의 플랫폼과 직렬형 관절 연결기(407)를 연결하기 위해 사용될 수 있다. 플랫폼(415)은 기부(425)에 부착된 레그(420)에 연결될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 직렬형 커넥터(406)를 포함하는 직렬형 로봇(405)이 예시적으로 도시되어 있다. 직렬형 커넥터는 직렬형 커넥터의 더 명료한 도시를 위해 확대될 수 있다. 도 4c를 참조하면, 직렬형 커넥터(406)를 위한 가능한 구성의 더 명료한 도시를 위해 직렬형 커넥터(406)의 분해도가 도시되어 있다. 직렬형 커넥터(406)를 위한 임의의 적합한 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 직렬형 커넥터(406)는 직렬형 관절 연결기(407)(도 4a)를 병렬형 로봇(410)(도 4a)과 연결할 수 있다. 도 4c를 참조하면, 플랫폼(415)(예를 들어, 병렬형 로봇 이동 플랫폼)은 제1 전기 모터(435) 및 제2 전기 모터(437)를 지지할 수 있는 중공 아암(430)을 지지할 수 있다. 제1 전기 모터(435) 및 제2 전기 모터(437)는 백래시 방지 베벨 기어(445)를 작동시키는 제1 와이어 드라이브 및 백래시 방지 베벨 기어(447)를 작동시키는 제2 와이어 드라이브를 통해 제1 캡스턴(capstan)(440) 및 제2 캡스턴(443)을 작동시킬 수 있고, 이 백래시 방지 베벨 기어들은 제3 베벨 기어(465)가 그 축을 중심으로 상이하게 작동되도록 하고 지지 브래킷(455)을 기울일 수 있다. 제1 전기 모터(435) 및 제2 전기 모터(437)를 상이하게 구동시킴으로써, 브래킷(455)의 경사 및 캐뉼러의 축을 중심으로 한 고속 클램프(460)의 회전이 제어될 수 있다.
도 4c를 더 참조하면, 고속 클램프(460)를 위한 가능한 구성의 더 명료한 도시를 위해 고속 클램프(460)의 분해도가 도시되어 있다. 직렬형 커넥터(406)에 포함된 고속 클램프(460)는 고속 클램프(460)를 통해 삽입된 기구를 클램핑하는 데 사용될 수 있다. 고속 클램프(460)를 위한 임의의 적합한 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 고속 클램프(460)는 콜릿 하우징(collet housing)(450), 연결 나사(470) 및 가요성 콜릿(475)을 포함할 수 있다. 연결 나사(470)는 콜릿 하우징(450)을 제3 베벨 기어(465)에 연결할 수 있다. 콜릿 하우징(450)은 테이퍼진 보어를 가질 수 있어, 가요성 콜릿(475)이 콜릿 하우징(450) 내의 정합 나사산 내로 나사 결합될 때 가요성 팁[가요성 콜릿(475) 내에 포함됨]이 테이퍼진 보어의 축을 따라 축방향으로 구동될 수 있게 되고, 이에 따라 가요성 콜릿(475)의 직경이 감소된다. 이는, 예를 들어 고속 클램프(460)를 통해 삽입되는 기구를 클램핑하기 위해 수행될 수 있다. 기구를 클램핑하기 위한 임의의 다른 적합한 메커니즘이 사용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 몇몇 실시예에서, 직렬형 로봇은 튜브(505) 및 캐뉼러(520) 중 적어도 하나를 눈 내부로 전달하기 위한 직렬형 관절 연결기(407)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 예를 들어 직렬형 로봇 관절 연결기(407)는 튜브(505) 및 캐뉼러(520) 중 적어도 하나의 전달을 제어하기 위한 서보 모터(510) 및 고정밀 볼 스크류(515)를 포함한다. 고정밀 볼 스크류(515)에 결합된 서보 모터(510)는 튜브(505)에 대해 캐뉼러(520)의 위치를 제어하기 위해 사용될 수 있는 시스템의 자유도를 추가할 수 있다. 예를 들어, 서보 모터(510)는 회전시에 너트(도시 생략)를 축방향으로 구동하는 중공형 리드 스크류(도시 생략)에 결합될 수 있다. 또한, 예를 들어, 캐뉼러(520)는 너트에 연결될 수 있고 서보 모터(510)가 리드 스크류(도시 생략)를 회전시킬 때 상하로 이동할 수 있다. 튜브(505) 및 캐뉼러(520)의 전달을 제어하기 위한 임의의 적합한 메커니즘이 사용될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 튜브(505)는 캐뉼러(520)를 수납한다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 몇몇 실시예에서, 캐뉼러(520)는 튜브(505)를 통해 눈 내부로 전달될 수 있다. 도 6a는 튜브(505) 내에 수납되는 동안 직선형 자세에 있는 캐뉼러(520)를 예시적으로 도시하고 있다. 도 6b는 캐뉼러(520)가 튜브(505)를 나올 때 만곡된 자세에 있는(이에 따라, 캐뉼러가 그 사전 만곡된 형상을 취한다고 가정함) 캐뉼러(520)를 예시적으로 도시하고 있다. 캐뉼러(520)의 사전 만곡된 형상은 임의의 형상 기억 합금(예를 들어, NiTi)을 사용하고 형상을 설정함으로써 형성될 수 있으므로 캐뉼러는 소정의 온도(예를 들어, 체온, 실온 등)에서 만곡된 자세를 취하게 된다. 또한, 캐뉼러(520)는 특정의 사전 만곡된 형상을 갖는 것으로서 설명되어 있지만, 적합한 것으로 간주되는 임의의 형상(예를 들어, s자형, 곡선형 등)이 사용될 수 있다. 튜브(505)는 근위 단부(610) 및 원위 단부(615)를 포함할 수 있다. 또한, 캐뉼러(520)는 튜브(505)의 원위 단부(615)를 빠져나올 수 있다. 몇몇 실시예에서, 캐뉼러(520)는 튜브(505)를 빠져나올 때 만곡되는 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러를 포함할 수 있다. 튜브(505) 및 캐뉼러(520)는 플라스틱(예를 들어, 테플론, 나일론 등), 금속(예를 들어, 스테인레스강, NiTi 등) 또는 임의의 다른 적합한 재료와 같이 다양하고 적합한 재료로 구성될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 튜브(505) 및 캐뉼러(520) 중 적어도 하나는 종축(620)을 중심으로 회전할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 캐뉼러(520) 또는 튜브(505)는 약물 전달, 흡입, 광 전달 중 적어도 하나를 위해 그리고 마이크로그립퍼, 피크 및 마이크로 나이프 중 적어도 하나를 전달하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 눈 상에서의 원격 로봇식 미세수술 중에, 전문 의료인은 튜브(505)로부터 눈의 안와(orbit) 내로 캐뉼러(520)를 연장시킬 수 있다. 안와 내에 있는 동안, 전문 의료인은 캐뉼러(520)를 통해 마이크로 나이프를 전달하여 망막 상의 조직을 제거할 수 있다.
또한, 몇몇 실시예에서, 캐뉼러(520)는 고정밀 기민성 조작을 제공하기 위한 무백래시(backlash-free) 초탄성 NiTi 캐뉼러를 포함할 수 있다. 무백래시 초탄성 NiTi 캐뉼러를 사용하는 것은 캐뉼러의 원하지 않는 이동(예를 들어, 백래시)을 제거함으로써 눈의 안와 내로의 전달의 제어를 향상시킨다. 또한, 튜브(505)를 나올 때의 캐뉼러(520)의 만곡은 눈 수술을 위한 위치설정 능력을 증가시킬 수 있다.
몇몇 실시예에서, 슬레이브 하이브리드 로봇은 눈을 조작하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 튜브(505) 및 캐뉼러(520) 중 적어도 하나는 눈에 힘을 인가하여 눈의 위치를 이동시킨다. 몇몇 실시예에서, 눈을 조작하기 위해 눈 내부의 캐뉼러(520)에 의해 힘이 인가될 수 있다. 튜브(505) 및 캐뉼러(520) 중 적어도 하나에 의해 눈에 가해지는 힘은, 튜브 및 캐뉼러 중 적어도 하나의 위치를 제어하는 병렬형 로봇을 이동함으로써 발생될 수 있다.
도 7을 참조하면, 병렬형 로봇은 복수의 독립 작동식 레그(705)를 포함할 수 있다. 독립 작동식 레그의 길이가 변경됨에 따라, 플랫폼(415)의 위치 및 배향이 변경된다. 레그(705)는 유니버설 조인트(710), 고정밀 볼 스크류(715), 백래시 방지 기어 쌍(720) 및 볼 조인트(725)를 포함할 수 있다. 병렬형 로봇은 임의의 수의 레그(705)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 병렬형 로봇은 3개 내지 6개의 레그를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 단일화된 동역학 모델로써 슬레이브 하이브리드 로봇의 2개의 로봇 아암의 조인트 속도(예를 들어, 병렬형 로봇 및 직렬형 로봇의 이동부가 병진하고 회전하는 속도)와 눈 내부의 수술 도구 및 눈의 비틀림 사이의 관계를 설명한다. 비틀림은 선속도 및 각속도의 6개 차원의 벡터에 관련된다는 것을 이해할 것이며, 이때 선속도가 각속도에 우선한다. 비틀림은 이하에 설명되는 엔드 이펙터(end effector)(도 9의 920)의 움직임을 나타내기 위해 필요할 수 있다. 또한, 이러한 정의는, (그 벡터 표시에서) 각속도가 선속도에 우선하는 표준 명명법과는 상이할 수 있다.
도 8을 참조하면, 눈 및 i번째 하이브리드 로봇이 도시되어 있다. 눈 시스템은 엔드 이펙터(예를 들어, 사전 만곡된 캐뉼러 또는 사전 만곡된 캐뉼러를 통해 전달된 물품과 같이 눈의 환경과 상호 작용하도록 설계된 로봇 아암의 단부에서의 디바이스) 및 눈 좌표 프레임의 더 명료한 도시를 위해 확대될 수 있다(도 9). 좌표계는 시스템 동역학의 유도를 지원하도록 정의될 수 있다. 예를 들어, 이하에 설명되는 좌표계는 시스템 동역학의 유도를 지원하도록 정의될 수 있다. 전역 좌표계(world coordinate system){W}(좌표
Figure 112009016352987-PCT00001
를 가짐)는, 환자가 반듯이 누운 상태에서 환자의 이마에 있는 임의의 미리 결정된 위치에 중심 설정될 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00002
축은 수직으로 향하고
Figure 112009016352987-PCT00003
축은 위쪽으로 향한다(예를 들어, 정수리점과 두개골의 대후두공의 중심점에 의해 형성된 라인에 평행한 라인을 따라 신체의 중심으로부터 볼 때 환자의 머리의 방향으로 향함). i번째 하이브리드 로봇(좌표
Figure 112009016352987-PCT00004
Figure 112009016352987-PCT00005
를 가짐)의 병렬형 로봇 기부 좌표계{Bi}는 점(bi)(즉, 플랫폼 기부의 중심)에 위치할 수 있어,
Figure 112009016352987-PCT00006
축이 병렬형 로봇 기부의 플랫폼 기부에 수직으로 놓이고
Figure 112009016352987-PCT00007
축이
Figure 112009016352987-PCT00008
에 평행하게 놓이게 된다. i번째 하이브리드 로봇의 이동 플랫폼 좌표계{Pi}(좌표
Figure 112009016352987-PCT00009
를 가짐)는 점(pi)에서 이동 플랫폼의 중심에 놓여서, 병렬형 플랫폼이 홈 배치(home configuration)에 놓일 때 축들이 {Bi}에 평행하게 놓이게 된다. i번째 하이브리드의 병렬형 연장 아암 좌표계{Qi}(좌표
Figure 112009016352987-PCT00010
를 가짐)는 점(qi)에서 아암의 원위 단부에 부착될 수 있고,
Figure 112009016352987-PCT00011
는 벡터 방향
Figure 112009016352987-PCT00012
에서 로봇의 삽입 니들의 방향을 따라 놓이며,
Figure 112009016352987-PCT00013
는 눈 수술(예를 들어, 유리체 절제 과정)의 셋업 중에 고정된다. i번째 하이브리드 로봇의 직렬형 로봇 기부 좌표계{Ni}(좌표
Figure 112009016352987-PCT00014
를 가짐)는,
Figure 112009016352987-PCT00015
축이 또한 벡터
Figure 112009016352987-PCT00016
의 삽입 니들 길이를 따라 향하고
Figure 112009016352987-PCT00017
축은
Figure 112009016352987-PCT00018
를 중심으로 각도(
Figure 112009016352987-PCT00019
)로
Figure 112009016352987-PCT00020
로부터 회전된 상태로 점(ni)에 놓인다. 엔드 이펙터 좌표계{Gi}(좌표
Figure 112009016352987-PCT00021
Figure 112009016352987-PCT00022
를 가짐)는
Figure 112009016352987-PCT00023
축이 엔드 이펙터 그립퍼(920)의 방향을 향하고
Figure 112009016352987-PCT00024
가
Figure 112009016352987-PCT00025
축에 평행할 수 있는 상태로 점(gi)에 놓인다. 눈 좌표계{E}(좌표
Figure 112009016352987-PCT00026
를 가짐)는 눈이 로봇에 의해 작동되지 않을 때 축들이 {W}에 평행한 상태로 눈의 중심점(e)에 놓인다.
사용된 표기법이 이하에 정의된다.
i=1, 2는 2개의 아암 중 하나를 칭하는 지수이다.
{A}는 단위 벡터 및 그 원점의 위치로서 점(a)과 관련될 때 {
Figure 112009016352987-PCT00027
}를 갖 는 임의의 오른손 좌표계를 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00028
는 프레임 {C}에 표현된 프레임 {B}에 대한 프레임 {A}의 상대 선속도 및 각속도를 칭한다. 달리 구체적으로 지시되지 않으면, 모든 벡터는 {W}에 표현된다.
Figure 112009016352987-PCT00029
는 프레임 {A}의 절대 선속도 및 각속도를 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00030
는 프레임 {A}에 대한 이동 프레임 {B}의 회전 행렬을 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00031
는 각도(α)만큼 단위 벡터(
Figure 112009016352987-PCT00032
)에 대한 회전 행렬을 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00033
는 b의 반대칭 외적(skew symmetric cross product)[즉, 그 음의 전치 행렬과 동일하도록(A=-At) 이루어진 정방 행렬, 여기서 첨자 t는 전치 연산자를 칭함]을 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00034
는 i번째 병렬형 로봇 플랫폼의 조인트 속도를 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00035
는 직렬형 로봇의 조인트 속도를 칭한다. 제1 성분은 직렬형 로봇 튜브의 축에 대한 회전 속도일 수 있고, 제2 성분은 사전 만곡된 캐뉼러의 만곡 각속도일 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00036
는 일반 좌표계{A}의 비틀림을 칭한다. 예를 들어, 도 9a를 참조하면, {Qi}는 그 3개의 좌표축
Figure 112009016352987-PCT00037
에 의해 규정된 좌표계를 표현한다.
Figure 112009016352987-PCT00038
는 i번째 병렬형 로봇의 이동 플랫폼의 비틀림을 칭하고, 여기서 i=1, 2이다.
Figure 112009016352987-PCT00039
는 스네이크의 i번째 삽입 니들 단부/기부의 비틀림(예를 들어, NiTi 캐뉼러의 길이)을 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00040
는 단지 눈의 각속도만을 표현한다(3×1 열 벡터). 이는 눈의 움직임의 중심의 병진 운동이 해부학적 구속에 기인하여 무시될 수 있는 것으로 가정되기 때문에 다른 표기법에 대해 예외이다.
Figure 112009016352987-PCT00041
는 프레임 {A}에서 표현된 점(a)으로부터 점(b)까지의 벡터를 칭한다.
r은 사전 만곡된 캐뉼러의 만곡 반경을 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00042
는 비틀림 변형 연산자를 칭한다. 이 연산자는 벡터
Figure 112009016352987-PCT00043
에 의해 지시된 좌표계의 원점의 병진의 함수로서 정의될 수 있다. W는 대각선 원소가 3×3 단위 행렬
Figure 112009016352987-PCT00044
이고 우측 상부 3×3 블록이 외적 행렬이며 좌측 하부 3×3 블록이 모두 0인 6×6 상삼각 행렬(upper triangular matrix)일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 시스템의 동역학 모델링은 눈의 절개점 및 눈의 제한된 자유도에 기인하는 동역학적 구속요건을 포함한다. 이하에서는, 눈과 2개의 아암을 갖춘 로봇의 동역학을 설명하는 동시에 망막 상의 목표점에 대한 직렬형 로봇 엔드 이펙터의 상대 동역학이 설명된다.
이동 플랫폼 프레임{Pi}을 조인트 속도(
Figure 112009016352987-PCT00045
)와 관련시키는 병렬형 로봇 플랫폼의 야코비안(Jacobian)은 이하의 수식으로 제공될 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00046
i번째 하이브리드 로봇의 동역학 체인에서 다음 단계를 {Qi}로 전개하면, 선속도 및 각속도는 이동 플랫폼의 상대 속도에 대해 표현될 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00047
Figure 112009016352987-PCT00048
수학식 2 및 수학식 3을 행렬 형태로 기록하는 것은 조정 가능하고 잠글 수 있는 링크의 원위 단부의 비틀림을 초래한다.
Figure 112009016352987-PCT00049
여기서,
Figure 112009016352987-PCT00050
는 비틀림 변형 행렬일 수 있다.
프레임 {Ni}의 동역학적 관계는 선속도와 각속도를 조합함으로써 {Qi}와 유사하게 관련될 수 있다. 선속도 및 각속도는,
Figure 112009016352987-PCT00051
Figure 112009016352987-PCT00052
이다.
수학식 5 및 수학식 6을 행렬 형태로 표현하면,
Figure 112009016352987-PCT00053
이 되고, 여기서
Figure 112009016352987-PCT00054
이다.
하이브리드 로봇에서 최종 직렬형 프레임으로 계속하면, 선속도 및 각속도는 이하와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00055
Figure 112009016352987-PCT00056
수학식 8 및 수학식 9를 행렬 형태로 표현하면,
Figure 112009016352987-PCT00057
이 되고, 여기서
Figure 112009016352987-PCT00058
이다.
i번째 하이브리드 로봇식 시스템의 조인트 파라미터의 함수로서 로봇 엔드 이펙터의 프레임의 동역학 {Gi}를 표현하기 위해, 앞서 전개된 일련의 관계들을 조합할 수 있다. 프레임 {Gi} 및 {Ni}의 비틀림 사이의 관계로부터 시작하고 {Ni}와 {Qi} 사이의 관계를 대입하면,
Figure 112009016352987-PCT00059
가 된다.
또한, 행렬 Ci를
Figure 112009016352987-PCT00060
항에 재도입함으로써, 하이브리드 시스템의 직렬 조인트는 이하와 같이 파라미터화될 수 있는데,
Figure 112009016352987-PCT00061
여기서,
Figure 112009016352987-PCT00062
는 직렬형 로봇 캐뉼러의 축에 대한 회전 속도를 포함하는 직렬형 로봇의 야코비안 및 사전 만곡된 캐뉼러의 만곡을 표현한다.
{Qi}와 {Pi} 사이의 관계 및 스튜어트 야코비안식(수학식 1)의 역행렬을 대입하고 항을 단축시키면 i번째 하이브리드 로봇을 위한 최종 야코비안을 얻게 되는데,
Figure 112009016352987-PCT00063
여기서,
Figure 112009016352987-PCT00064
이다.
눈은 안와 및 근육조직의 기하학적 형상에 의해 구형 움직임으로 구속된 강체로서 모델링될 수 있다. 롤-피치-요각(Roll-Pitch-Yaw angles)(α, β, γ)이 눈의 배향을 표현하도록 선택될 수 있으므로 회전 행렬(
Figure 112009016352987-PCT00065
)은 {W}에 대해 눈 프레임 {E}를
Figure 112009016352987-PCT00066
로서 특정하고, 여기서
Figure 112009016352987-PCT00067
및
Figure 112009016352987-PCT00068
이다.
눈의 각속도는 이하의 식에 의해 파라미터화될 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00069
눈에 대한 엔드 이펙터의 동역학이 또한 모델링될 수 있다. 예를 들어, 개별적으로 특징화된 i번째 하이브리드 로봇식 시스템 및 눈의 동역학에 의해, 식은 눈 및 i번째 하이브리드 로봇의 동역학적 구조를 정의하도록 수학식을 조합할 수 있다. 이 관계는 눈에 대한 엔드 이펙터의 원하는 속도 및 눈의 원하는 각속도에 기초하여 로봇 조인트 파라미터의 표현을 가능하게 할 수 있다. 이 관계를 성취하기 위해, 망막 표면 상의 임의의 목표점(ti)이 선택될 수 있다. 눈의 각속도는 점(ti)에서의 속도를 알려주는데,
Figure 112009016352987-PCT00070
여기서, 엔드 이펙터
Figure 112009016352987-PCT00071
이다.
목표점(ti)에 대한 로봇의 엔드 이펙터 프레임의 선속도는 이하와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00072
수학식 13 및 수학식 15를 수학식 16에 대입하면 로봇 조인트 속도 및 원하는 눈 속도의 함수로서 엔드 이펙터의 선속도가 산출된다.
Figure 112009016352987-PCT00073
유사하게, 눈 프레임에 대한 로봇의 엔드 이펙터 프레임의 각속도는 이하와 같이 나타낼 수 있거나,
Figure 112009016352987-PCT00074
또는 수학식 13 및 수학식 15를 수학식 18에 대입하면,
Figure 112009016352987-PCT00075
가 되고, 선속도(수학식 17) 및 각속도(수학식 19)를 더 조합하는 것은 점(ti)에 대한 엔드 이펙터의 비틀림을 산출하는데,
Figure 112009016352987-PCT00076
여기서,
Figure 112009016352987-PCT00077
이다.
몇몇 실시예에서, 눈 내부의 하이브리드 로봇의 기계적 구조(예를 들어, 유리질 캐비티)는
Figure 112009016352987-PCT00078
축에 대한 독립적인 회전이 성취될 수 없기 때문에 단지 5 자유도만을 허용한다. 이 회전은 제3 w-v-w 오일러각(Euler angle)(φi)에 의해 용이하게 표현될 수 있다. 제1 각(φi)은
Figure 112009016352987-PCT00079
평면 상의
Figure 112009016352987-PCT00080
축의 투영과
Figure 112009016352987-PCT00081
사이의 회전을 표현하고, 제2 각(θi)은
Figure 112009016352987-PCT00082
와
Figure 112009016352987-PCT00083
사이의 회전을 표현한다는 것을 주목해야 한다.
시스템은 경로 계획 및 경로 제어를 이용할 수 있다. 예를 들어, 경로 계획 및 경로 제어는 원격 로봇식 마스터 제어기가 슬레이브 하이브리드 로봇을 위한 이동의 일부를 자동으로 수행하게 함으로써 수술을 용이하게 하는 데 사용될 수 있다. 경로 계획 및 경로 제어의 목적을 위해, 따라서 시스템의 비틀림은 w-v-w 오 일러각으로 파라미터화될 수 있고, 축퇴 행렬(degenerate matrix)(Ki)에 의해 제거된 제3 오일러각은 이하와 같이 정의된다.
Figure 112009016352987-PCT00084
이 새로운 파라미터화를 엔드 이펙터 비틀림에 대입하면 하이브리드 시스템의 조인트 파라미터와 성취 가능한 독립적인 속도 사이의 관계를 얻게 된다.
Figure 112009016352987-PCT00085
로봇식 시스템은, 하이브리드 로봇이 삽입점을 인열함으로서 구조를 손상하지 않고 눈을 제어하기 위해 조화를 이루어 이동하도록(예를 들어, 실질적으로 함께 이동함) 구속될 수 있다. 이 움직임은 상기 삽입점에서 눈 표면에서의 속도와 동일한 속도에 삽입 니들을 따른 임의의 속도를 더한 것에 의해서만 삽입점에서 각각의 삽입 아암이 이동하도록 허용함으로써 성취될 수 있다. 이 조합된 움직임은 구조에 손상을 주지 않고 삽입 니들을 삽입점에 구속한다.
전술한 구속의 전개를 지원하기 위해, 점(mi)은 눈의 공막 표면 상의 삽입점에 정의될 수 있고, mi'는 mi와 순간적으로 일치하는 삽입 니들 상의 점으로서 정의될 수 있다. 전술한 구속에 부합하기 위해, mi'의 속도는 니들축에 수직인 평면에서 점(mi)의 속도와 동일해야 한다.
Figure 112009016352987-PCT00086
이 방향에서의 내적(dot product)을 취하면,
Figure 112009016352987-PCT00087
및
Figure 112009016352987-PCT00088
는 2개의 독립적인 구속식을 산출한다.
Figure 112009016352987-PCT00089
Figure 112009016352987-PCT00090
이들 구속은 점(mi 및 mi')의 속도를 로봇 좌표계에 관련시킴으로써 조인트각으로 표현될 수 있다. 점(m)의 속도는 이하와 같이 프레임 {Qi}의 속도와 관련될 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00091
프레임 {Qi}의 비틀림을 치환함으로써, 상기 수학식은
Figure 112009016352987-PCT00092
이 되고, 여기서
Figure 112009016352987-PCT00093
이다.
수학식 4 및 수학식 1을 대입하고 하이브리드 조인트 파라미터로
Figure 112009016352987-PCT00094
를 쓰면
Figure 112009016352987-PCT00095
를 얻게 되며, 여기서
Figure 112009016352987-PCT00096
이다.
삽입점(mi)의 속도에 대한 표현은, 점(ti)의 속도의 유도와 유사하게 원하는 눈 속도에 관련될 수 있으므로,
Figure 112009016352987-PCT00097
를 얻게 되며, 여기서
Figure 112009016352987-PCT00098
이다.
수학식 28 및 수학식 29를 수학식 24 및 수학식 25에 대입하면 눈-로봇 시스템의 강체 움직임을 위해 제공되는 최종 구속식을 얻게 된다.
Figure 112009016352987-PCT00099
Figure 112009016352987-PCT00100
지수 1 및 2에 대해 하이브리드 시스템의 비틀림과 이들 구속요건들을 조합하면, 하이브리드 로봇식 조인트 파라미터를 원하는 엔드 이펙터 비틀림 및 원하는 눈 속도에 관련시키는 전체 눈-로봇식 시스템의 원하는 표현을 얻게 되는데,
Figure 112009016352987-PCT00101
여기서,
Figure 112009016352987-PCT00102
이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 기관 및 i번째 하이브리드 로봇 아암이 도시되어 있다. 기관은, 엔드 이펙터 및 기관 좌표계의 더 명료한 도시를 위해 확대되어 있다(도 10a). 도 10b는 엔드 이펙터의 확대도를 예시적으로 도시하고 있다. 이하의 좌표계는 시스템 동역학의 유도를 지원하기 위해 정의된다. 전역 좌표계{W}(좌표
Figure 112009016352987-PCT00103
를 가짐)는 환자가 반듯이 누운 상태에서 환자의 이마 내의 임의의 미리 결정된 위치에 중심 설정될 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00104
축은 수직으로 향하고
Figure 112009016352987-PCT00105
축은 위쪽으로 향한다. i번째 하이브리드 로봇의 병렬형 로봇 기부 좌표계{Bi}(좌표
Figure 112009016352987-PCT00106
Figure 112009016352987-PCT00107
를 가짐)는 점(bi)(즉, 플랫폼 기부의 중심)에 위치될 수 있어,
Figure 112009016352987-PCT00108
축이 병렬형 로봇 플랫폼의 기부에 수직으로 놓이고
Figure 112009016352987-PCT00109
축이
Figure 112009016352987-PCT00110
에 평행하게 놓이게 된다. i번째 하이브리드 로봇의 이동 플랫폼 좌표계 {Pi}(좌표
Figure 112009016352987-PCT00111
를 가짐)는 점(pi)에서 이동 플랫폼의 중심에 놓여서, 병렬형 로봇 플랫폼이 홈 배치(예를 들어, 초기 셋업 위치)에 놓일 때 축들이 {Bi}에 평행하게 놓이게 된다. i번째 하이 브리드의 병렬형 로봇 연장 아암 좌표계{Qi}(좌표
Figure 112009016352987-PCT00112
를 가짐)는 점(qi)에서 아암의 원위 단부에 적용될 수 있고,
Figure 112009016352987-PCT00113
는 로봇의 삽입 니들의 방향(
Figure 112009016352987-PCT00114
)을 따라 놓이며,
Figure 112009016352987-PCT00115
는 셋업 절차 중에 고정된다. i번째 하이브리드 로봇의 직렬형 로봇(예를 들어, 안내 기민성 로봇) 기부 좌표계{Ni}(좌표
Figure 112009016352987-PCT00116
를 가짐)는,
Figure 112009016352987-PCT00117
축이 또한 삽입 니들 길이(
Figure 112009016352987-PCT00118
)를 따라 향하고
Figure 112009016352987-PCT00119
축이
Figure 112009016352987-PCT00120
을 중심으로 각도(
Figure 112009016352987-PCT00121
)로
Figure 112009016352987-PCT00122
로부터 회전된 상태로 점(ni)에 놓인다. 엔드 이펙터 좌표계{Gi}(좌표
Figure 112009016352987-PCT00123
Figure 112009016352987-PCT00124
를 가짐)는
Figure 112009016352987-PCT00125
축이 엔드 이펙터 그립퍼의 방향을 향하고
Figure 112009016352987-PCT00126
축이
Figure 112009016352987-PCT00127
축에 평행할 수 있는 상태로 점(gi)에 놓인다. 기관 좌표계 {O}(좌표
Figure 112009016352987-PCT00128
Figure 112009016352987-PCT00129
를 가짐)는 기관이 로봇에 의해 작동될 수 없을 때 축들이 {W}에 평행한 상태로 기관의 회전 중심(o)에 놓인다.
사용된 부가의 표기법은 이하에 정의된다.
i는 각각의 로봇 아암을 식별하는 지수를 칭한다. 또한, 구속되지 않은 기관에 대해 i=1, 2, 3이고, 눈에 대해 i=1, 2이다.
{A}는 그 관련된 단위 벡터로서 {
Figure 112009016352987-PCT00130
} 및 그 원점의 위치로서 점(a)을 갖는 오른손 좌표계를 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00131
는 프레임 {C}에 표현된 프레임 {B}에 대한 프레임 {A}의 상대 선속도 및 각속도를 칭한다. 달리 구체적으로 지시되지 않으면, 이하에 나타낸 모든 벡터는 {W}에 표현될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
Figure 112009016352987-PCT00132
는 프레임 {A}의 절대 선속도 및 각속도를 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00133
는 프레임 {A}에 대한 이동 프레임 {B}의 회전 행렬을 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00134
는 각도(α)만큼 단위 벡터(
Figure 112009016352987-PCT00135
)를 중심으로 한 회전 행렬을 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00136
는 벡터 b의 반대칭 외적 행렬을 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00137
는 i번째 병렬형 로봇 플랫폼의 활성 조인트 속도를 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00138
는 i번째 직렬형 로봇(예를 들어, 안내 기민성 로봇)의 조인트 속도를 칭한다. 제1 성분은 직렬형 로봇(예를 들어, 안내 기민성 로봇) 튜브의 축에 대한 회전 속도일 수 있고, 제2 성분은 사전 성형된 캐뉼러의 만곡 각속도일 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00139
는 i번째 병렬형 로봇 이동 플랫폼 및 기관의 프레임 {A}의 비틀림을 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00140
는 프레임 {A}에 표현된 점(a)으로부터 점(b)까지의 벡터를 칭한다.
Ls는 직렬형 로봇(예를 들어, 안내 기민성 로봇)의 사전 만곡된 캐뉼러의 만곡 반경을 칭한다.
Figure 112009016352987-PCT00141
는 비틀림 변형 연산자를 칭한다. 이 연산자는 벡터
Figure 112009016352987-PCT00142
에 의해 지시된 좌표계의 원점의 병진의 함수로서 정의될 수 있다. W는 대각선 원소가 3×3 단위 행렬
Figure 112009016352987-PCT00143
이고 우측 상부 3×3 블록이 외적 행렬이며 좌측 하부 3×3 블록이 모두 0인 6×6 상삼각 행렬일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 시스템의 동역학 모델링은 중공형 기관 상의 절개점의 동역학적 구속요건을 포함할 수 있다. 이하에, 기관과 3중-아암 로봇의 동역학을 설명하는 동시에 기관 상의 목표점에 대한 직렬형 로봇(예를 들어, 안내 기민성 로봇) 엔드 이펙터의 상대 동역학을 설명한다.
이동 플랫폼 프레임(
Figure 112009016352987-PCT00144
)의 비틀림을 조인트 파라미터(
Figure 112009016352987-PCT00145
)와 관련시키는 병렬형 로봇 플랫폼의 야코비안은 이하의 수학식 33으로 제공될 수 있다. 또한, 하나의 로봇 아암에 대한 전체 하이브리드 야코비안 행렬을 수학식 34와 같이 얻게 된다.
Figure 112009016352987-PCT00146
Figure 112009016352987-PCT00147
몇몇 실시예에서, 모델링은 기관의 탄성 및 주위 해부학 구조를 고려함으로써 성취될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 이하의 분석은 기관 탄성을 포함하지 않는다. 더욱이, 이하의 파라미터화를 사용하여 기관의 움직임을 서술하는 데 6차 원 비틀림 벡터를 사용할 수 있는데,
Figure 112009016352987-PCT00148
여기서, x, y, z, α, β, γ는 기관의 선형 위치 및 롤-피치-요각일 수 있고,
Figure 112009016352987-PCT00149
및
Figure 112009016352987-PCT00150
는 각각 기관의 선속도 및 각속도에 대응한다.
몇몇 실시예에서, 기관에 대한 직렬형 로봇(예를 들어, 안내 기민성 로봇) 엔드 이펙터의 동역학이 모델링될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 모델은 기관에 대한 엔드 이펙터의 원하는 속도 및 기관 자체의 원하는 속도를 표현할 수 있고, 기관의 내부면 상의 임의의 목표점(ti)이 선택될 수 있다. 목표점에 대한 엔드 이펙터 프레임의 선속도 및 각속도는 이하와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00151
Figure 112009016352987-PCT00152
또한, 수학식 36 및 수학식 37을 조합하면 점(ti)에 대한 엔드 이펙터의 비틀림을 얻게 되는데,
Figure 112009016352987-PCT00153
여기서,
Figure 112009016352987-PCT00154
이다.
기관 강 내의 하이브리드 로봇의 기계적 구조는, 직렬형 로봇(예를 들어, 안내 기민성 로봇)의 2 자유도에 기인하여
Figure 112009016352987-PCT00155
를 중심으로 한 직렬형 로봇(예를 들어, 안내 기민성 로봇) 엔드 이펙터의 독립적인 회전이 성취될 수 없기 때문에 단지 5 자유도만을 허용할 수 있다. 이 회전은 제3 w-v-w 오일러각(φi)에 의해 표현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 경로 계획 및 경로 제어의 목적을 위해, 시스템의 비틀림은 이하에 정의된 바와 같은 축퇴 행렬(Ki)의 사용을 통해 제3 오일러각을 제거하면서 w-v-w 오일러각을 사용하여 파라미터화될 수 있다. 전술한 파라미터화를 엔드 이펙터 비틀림에 대입하면, 수학식 38은 하이브리드 시스템의 조인트 파라미터와 성취 가능한 독립적인 속도 사이의 관계, 즉 수학식 40을 얻는다.
Figure 112009016352987-PCT00156
Figure 112009016352987-PCT00157
몇몇 실시예에서, 로봇식 시스템은, 하이브리드 아암이 동시에 이동하여 삽입점을 인열하지 않고 기관을 제어하도록 구속될 수 있다. 예를 들어, 로봇식 시스템은 다수의(na) 하이브리드 로봇 아암이 동시에 이동하여 삽입점을 인열하지 않 고 기관을 제어하도록 구속될 수 있다. 기관 상의 i번째 절개점은 점 mi(i=1, 2, 3…na)에 의해 표현될 수 있다. i번째 로봇 아암의 직렬형 로봇(예를 들어, 안내 기민성 로봇) 캐뉼러 상에 있고 mi와 순간적으로 일치할 수 있는 대응점은 m'i(i=1, 2, 3…na)에 의해 표현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 해부학적 구조에 대한 손상을 방지하기 위해, 등식 구속요건(equality constraint)이 i번째 직렬형 로봇(예를 들어, 안내 기민성 로봇) 캐뉼러의 종축에 수직인 평면 상의 mi 및 m'i의 선속도의 투영 사이에 부여되어야 한다. 이들 조건은 이하에 상세히 유도된 바와 같이 수학식 41 및 수학식 42에 제공될 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00158
Figure 112009016352987-PCT00159
수학식 41 및 수학식 42는 절개점을 통해 기관에 삽입된 na개의 로봇 아암에 의해 구속될 기관에 대한 조건을 제공하는 2na개의 스칼라식을 구성할 수 있다. 기관이 로봇 아암에 의해 완전히 구속되게 하기 위해, 수학식 41 및 수학식 42는 그 주위 해부학적 구조에 의해 구속된 바와 같이 기관 비틀림(
Figure 112009016352987-PCT00160
)의 차원과 동일한 랭크(rank)를 가져야 한다. 또한, 기관이 자유 부유 기관이면, 이때는 랭크가 6이어 야 하고, 따라서 기관을 효율적으로 안정화하기 위해 최소 3개의 로봇 아암이 필요할 수 있다. 더욱이, 기관이 병진으로부터 구속되면(예를 들어, 눈에 대해), 요구되는 랭크는 3일 수 있고, 따라서 최소수의 아암은 (예를 들어, 2중-아암 안과 수술 시스템에 대해) 2개일 수 있다.
이하에 유도된 바와 같은 구속식을 i=1, 2, 3에 대해 하이브리드 로봇 아암의 비틀림(
Figure 112009016352987-PCT00161
)과 조합하면, 각각의 하이브리드 로봇 아암의 조인트 파라미터를 원하는 엔드 이펙터 비틀림 및 기관 비틀림에 관련시키는 전체 기관-로봇식 시스템의 원하는 표현을 얻는다.
Figure 112009016352987-PCT00162
손가락(예를 들어, 기관 내에 전달된 파지기)과 유효 하중(payload)(예를 들어, 기관) 사이의 접촉을 고려하여, 차동 동역학 관계가 모델링될 수 있다. 또한, 다중-아암 조작이 모델링될 수 있는데, 여기서 로봇 아암과 기관 사이의 상대 위치가 항상 변경될 수 있다. 또한, 입력 조인트 속도(
Figure 112009016352987-PCT00163
), 출력 기관 운동 속도(
Figure 112009016352987-PCT00164
)와 상대 운동 속도(
Figure 112009016352987-PCT00165
)를 분리함으로써, 수학식 43 즉 동역학적 관계가 모델링될 수 있다.
로봇 야코비안 행렬의 특징을 검사함으로써 로봇 동정역학적(kinetostatic) 성능을 평가할 수 있다. 또한, 야코비안의 특이치(singular value)를 계산할 때 야코비안의 정규화가 필요할 수 있다. 이러한 특이치는 야코비안의 개별 셀의 단위에 따라 좌우될 수 있다. 야코비안의 단위의 이질성은 그 엔드 이펙터 비틀림의 단위의 이질성 및 조인트 공간의 단위의 이질성[예를 들어, 모든 조인트가 선형 또는 각형(angular)과 같이 동일한 유형을 갖지는 않는 경우]으로부터 기인할 수 있다. 야코비안 행렬의 정규화는, 정규화를 위해 야코비안을 곱함으로써 작업 공간 변수 및 조인트의 범위에 대응하는 스케일링 행렬(scaling matrix)을 필요로 한다. 또한, 길이의 단위를 갖는 야코비안의 부분을 정규화하기 위해 특징 길이를 사용하고 정규화된 야코비안의 최소 특이치 및 최대 특이치의 비로서 정의된 동역학적 조정 지수를 사용하여, 성능을 평가할 수 있다. 더욱이, 야코비안 스케일링 행렬은 변형된 비틀림의 단위를 균일화할 수 있는 엔드 이펙터 비틀림의 물리적으로 의미 있는 변형을 사용함으로써 발견될 수 있다. 설계자는 야코비안의 조건 지수의 계산에 앞서 야코비안의 스케일링/정규화 팩터(factor)를 결정해야 할 필요가 있을 수 있다. 사용된 방법론은 각각의 로봇 아암의 직렬 부분 및 병렬 부분에 대한 개별 특징 길이의 사용에 따라 좌우된다.
수학식 44 내지 수학식 46은 수학식 43의 개별 벡터 및 부분 행렬의 단위를 지정한다. 벡터 또는 행렬의 단위를 나타내기 위해 각괄호(bracket)를 사용할 수 있는데, [m] 및 [s]는 각각 미터 및 초를 나타낸다. 야코비안 행렬(Jl 및 Jo)은 균 일한 단위를 갖지 않고, 로봇 아암이 직렬 부분 및 병렬 부분의 모두를 포함할 수 있기 때문에 이들 모두를 정규화를 위해 단일 특징 길이를 사용하는 것은 가능하지 않다. 또한, 상이한 용례를 위한 로봇식 시스템의 성능의 평가는 이들의 모든 원소의 단위를 일치되게 하는 Jl 및 Jo를 동시에 정규화하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 이는 각각의 행렬 블록을 병렬형 로봇 또는 직렬형 로봇(예를 들어, 안내 기민성 로봇) 또는 기관의 동역학에 관련시키면서 수학식 43에서 각각의 부분 행렬의 물리적인 의미 및 이들 행렬의 단위의 검사를 통해 성취될 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00166
Figure 112009016352987-PCT00167
Figure 112009016352987-PCT00168
야코비안 행렬(Jo)이 회전 기관 및 엔드 이펙터의 속도를 특징화할 때, 야코비안 행렬은 특징 길이로서 목표점에서 기관의 반경을 사용하여 균질화될 수 있다. 이는 기관의 각속도의 결과로서 점(ti)에 선속도를 부여하는 순간 회전 중심에 대해 측정된 바와 같은 반경일 수 있다. 수학식 43의 KiHi(i=1, 2, 3)에 의해 제공된 Jo 의 우측 상부의 9개의 성분은 [m]의 단위를 갖는다. 따라서, 목표점에서 기관의 반경으로 이들을 나누면 Lr은 이들의 단위를 일치하게 할 수 있다. 동일한 처리가 또한 각각의 행렬 블록 GiPi(i=1, 2, 3)의 최우측 6개의 성분에 수행될 수 있고, 여기서 마찬가지로 Lr에 의해 이들을 나눈다.
야코비안 행렬(Jl)은 병렬형 로봇 및 직렬형 로봇 모두의 기하학적 형상을 표현할 수 있다. 또한, 이는 병렬형 로봇의 연결 링크의 길이(
Figure 112009016352987-PCT00169
)인 Lp 및 직렬형 로봇의 내부 만곡 튜브의 만곡 반경인 Ls 양자를 특징 길이로 사용하여 수행될 수 있다. 몇몇 경우에, Lp에는 [1/m]의 단위를 갖는
Figure 112009016352987-PCT00170
내의 이들 성분이 곱해진다. 또한, [m]의 단위를 갖는
Figure 112009016352987-PCT00171
내의 성분은 Ls로 나눠질 수 있다. 이는 무차원일 수 있는 정규화된 입력 야코비안(Jl)을 초래할 수 있다. 더욱이, 이동 플랫폼의 반경이 정규화를 위해 사용될 수 있다. Lp는 이동 플랫폼의 단위 각속도로부터 기인하는 점(qi)에서의 선속도의 스케일링 팩터(scaling factor)일 수 있다. 유사하게, 직렬형 로봇의 원형 만곡 캐뉼러는 가상 회전 조인트로서 모델링될 수 있고, 만곡 반경(Ls)은 직렬형 로봇에 관련되는
Figure 112009016352987-PCT00172
의 성분을 정규화하기 위해 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 눈은 단지 그 중심 둘레의 회전 움직임만을 허용하는 구속 된 기관으로서 모델링될 수 있다. 이는 수학식 47에 지시되어 있는 바와 같이 3차원 벡터로서 기관의 비틀림의 간단한 모델을 생성하는 데 사용될 수 있다. 망막 상의 목표점(ti)에 대한 로봇 아암 엔드 이펙터의 상대 선속도 및 각속도는 수학식 48 및 수학식 49에 의해 제공되고, 이 수학식들을 조합하여 각각의 아암의 엔드 이펙터와 목표점 사이의 상대 비틀림을 산출할 수 있으며(수학식 50), 여기서
Figure 112009016352987-PCT00173
이고, 수학식 40의 직렬형 로봇 엔드 이펙터의 5차원 구속된 비틀림은 수학식 51로 단순화된다. 또한, 눈과 함께 전체 시스템을 위한 전체 야코비안 식은 수학식 52로 단순화된다.
Figure 112009016352987-PCT00174
Figure 112009016352987-PCT00175
Figure 112009016352987-PCT00176
Figure 112009016352987-PCT00177
Figure 112009016352987-PCT00178
Figure 112009016352987-PCT00179
몇몇 실시예에서, 적어도 4개의 작동 모드가 수술을 위해 로봇식 시스템에 의해 수행될 수 있는데, 기관내 조작 및 기관의 안정화, 구속된 기관내 움직임을 갖는 기관 조작(예를 들어, 눈 내부의 목표점에 대해 눈 내부에 디바이스의 상대 위치를 유지하는 동안의 눈의 조작), 구속되지 않은 기관내 움직임을 갖는 기관 조작(예를 들어, 눈 내부의 디바이스와 눈 사이의 상대 움직임에 무관한 눈 조작) 및 동시의 기관 조작과 기관내 수술이다.
또한, 전술한 4개의 모드 각각은 기민성 평가를 제공하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 기관 안정화를 수반하는 기관내 수술은, 이 시스템이 얼마나 양호하게 그 2개의 아암 중 하나에 의해 눈 내부에서 지정된 수술 작업을 수행할 수 있는지의 척도인 안내 기민성을 검사하는 데 사용될 수 있다. 또한, 예를 들어 구속된 기관내 움직임을 수반하는 기관 조작은, 절개점에서 동역학적 구속을 고려하고 망막에 대한 그립퍼의 0 속도를 유지하는 동안, 2개의 아암이 얼마나 양호하게 눈의 회전 위치를 일괄적으로 조작할 수 있는지의 척도인 안와 기민성을 평가하는 데 사용될 수 있다. 더욱이, 예를 들어 구속되지 않은 기관내 움직임을 수반하는 기관 조작은 망막에 대한 그립퍼의 0 속도의 구속 없이 안와 기민성을 평가하는 데 사용될 수 있다. 더욱이, 예를 들어, 동시의 기관 조작 및 기관내 수술은 동시에 눈을 회전시키고 안내 수술 작업을 실행하면서 안내 기민성 및 안와 기민성을 측정하는 데 사용될 수 있다.
이하의 분석에서 2개의 로봇 아암은 안구의 측면에 놓여진다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 2개의 절개점은 각도 [π/3, π/3]t 및 [π/3, π]t에 의해 지정될 수 있다. 전술한 4개의 수술 작업의 모드는 모두 이 셋업에 기초할 수 있다.
행렬 M 및 N을 사용하여 수학식 52를 고쳐쓰면, 수학식 53이 얻어질 수 있는데 여기서
Figure 112009016352987-PCT00180
이고,
Figure 112009016352987-PCT00181
이다.
Figure 112009016352987-PCT00182
이라 하면, 수학식 53은 수학식 54로 단순화되고 그 물리적인 의미는 눈의 각속도가 0이라는 것일 수 있다. 수학식 54는 눈을 구속하는 동안의 안내 조작의 수학적 모델을 표현한다.
유사하게,
Figure 112009016352987-PCT00183
이라 하면, 수학식 53은 수학식 55로 단순화될 수 있다. 물리적으로, 이는 눈에 대한 직렬형 로봇 엔드 이펙터의 상대 속도가 0이 되도록 지정함으로써 수학식 55가 안와 조작의 수학적 모델을 표현한다는 것을 나타낸다.
Figure 112009016352987-PCT00184
Figure 112009016352987-PCT00185
Figure 112009016352987-PCT00186
기관 안정화를 수반하는 기관내 수술을 위해, 2개의 모듈형 구조를 고려할 수 있다. 제1 구조에서, 로봇 아암은 원위 기민성을 갖지 않는 표준형 안과 기구(예를 들어, 그 자신의 종축을 중심으로 회전할 수 있는 직선형 캐뉼러)를 사용할 수 있다. 이는 7 자유도 로봇 아암을 초래한다. 7 자유도 로봇 아암을 위한 야코비안 행렬은 수학식 56 및 수학식 57에서와 같이
Figure 112009016352987-PCT00187
일 수 있다. 제2 구조에서, 로봇 아암은 직렬형 로봇을 채용하고, 따라서 동역학적 모델은 수학식 34에 의해 표현될 수 있다. 안내 기민성 평가는 이들 구조 모두(예를 들어, 직렬형 로봇을 갖거나 갖지 않음)에서 시스템의 성능을 비교하는 데 사용될 수 있다.
전체 야코비안을 정규화하기 위한 다수의 특징 길이를 사용하는 방법이 성능 평가의 목적을 위해 사용될 수 있다. 기관 안정화를 수반하는 기관내 수술을 위해, 병진 및 회전 기민성을 각각 평가하는 것은
Figure 112009016352987-PCT00188
및
Figure 112009016352987-PCT00189
의 상부 및 하부의 3개의 행을 조사함으로써 성취될 수 있다. 수학식 56 및 수학식 58은 7 자유도 및 8 자유도 로봇의 병진 움직임을 위한 정규화된 서브-야코비안을 제공할 수 있는 반면, 수학식 57 및 수학식 59는 7 자유도 및 8 자유도 로봇의 회전 움직임을 위한 정규화된 서브-야코비안을 제공할 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00190
Figure 112009016352987-PCT00191
Figure 112009016352987-PCT00192
Figure 112009016352987-PCT00193
구속된 기관내 움직임을 수반하는 기관 조작은, 안구를 회전시키기 위해 2개의 아암을 동시에 사용할 때 안와 기민성을 평가하는 데 사용될 수 있다. 평가는 망막의 주연 영역의 시야를 얻기 위해 현미경 아래에서 눈을 굴릴 필요가 있는 전문 의료인의 필요를 충족하도록 구성될 수 있다.
2개의 아암은 망막 상의 목표점에 접근하도록 미리 결정될 수 있다. 목표점에 대한 로봇 엔드 이펙터의 상대 위치 및 배향은 일정하게 유지된다. 망막 상의 목표점은 [5π/6, 0]t로 선택될 수 있고, 눈 내부에 규정되고 좌표계 {E}에 부착될 수 있다. 프레임 {E}는 기관 좌표계 {O}와 유사하게 정의될 수 있고, {W}에 대한 눈의 상대 회전을 표현할 수 있다. 이는 조작 중에 목표점이 눈과 함께 회전할 수 있도록 한다.
유도의 정확성을 검증하기 위해, y-축을 중심으로 10°/sec인 눈의 원하는 회전 속도를 지정할 수 있고, 입력 조인트 작동 속도가 야코비안 행렬의 역행렬을 통해 계산될 수 있다. 목표점에 엔드 이펙터를 고정함으로써 눈을 회전시키기 위해, 2개의 직렬형 로봇(예를 들어, 안내 기민성 로봇) 및 안구는 그 사이에 어떠한 상대 움직임도 허용하지 않는 강체를 형성한다. 직렬형 로봇 조인트의 속도는 0인 것으로 예측될 수 있다.
구속되지 않은 안내 움직임을 수반하는 기관 조작에 대해,
Figure 112009016352987-PCT00194
에 인가된 어떠한 구속도 없을 수 있다. 따라서, 선택된 목표점(ti)에 대해 점(gi)의 속도를 제한할 필요가 없을 수 있다. 또한, 수학식 51을 수학식 53에 대입하면,
Figure 112009016352987-PCT00195
이 되고, 여기서
Figure 112009016352987-PCT00196
이고,
Figure 112009016352987-PCT00197
이고,
Figure 112009016352987-PCT00198
이다.
동시의 기관 조작 및 안내 수술을 위해, 2개의 아암은 안구를 조작하도록 조 화를 이룬다. 게다가, 하나의 아암은 또한 지정된 경로를 따라 눈의 내부에서 작동한다. 이 조합된 움직임을 이용하여 로봇의 전체 기민성을 평가할 수 있다. 눈이 10°만큼 y-축 둘레로 회전될 수 있다고 가정하면, 로봇식 시스템의 하나의 아암은 독립적으로 망막을 스캔할 수 있는데, 이는 전술한 아암과 눈 사이에 지정된 상대 움직임이 있을 수 있다는 것을 의미한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 눈에 대한 위치 및 배향이 고정된 채로 포트 [π/3, π]t를 통해 삽입된 아암이 유지된다고 가정하면, 포트 [π/3, π/3]t를 통해 삽입된 아암은 이전의 아암과 조화되어 y-축을 중심으로 10°만큼 눈을 회전시킬 수 있지만, 이는 또한 60°만큼 θ=5π/6으로 위도원(latitude circle)을 따라 망막을 스캔한다.
병렬형 로봇 플랫폼 중심으로부터 프레임 {Qi}까지의 선속도 및 각속도를 변환하면,
Figure 112009016352987-PCT00199
Figure 112009016352987-PCT00200
이 된다.
또한, 수학식 62 및 수학식 63을 행렬 형태로 쓰면 연결 링크의 원위 단부(qi)의 비틀림을 초래하는데,
Figure 112009016352987-PCT00201
여기서,
Figure 112009016352987-PCT00202
는 비틀림 변형 행렬일 수 있다.
또한,
Figure 112009016352987-PCT00203
및
Figure 112009016352987-PCT00204
이면 병렬형 로봇 플랫폼에 의해 영향을 받는 점(gi)의 비틀림이 계산될 수 있다. 직렬형 로봇의 2개의 일련의 자유도를 통합함으로써, 점(gi)의 비틀림이 얻어질 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00205
직렬형 로봇의 야코비안(
Figure 112009016352987-PCT00206
)은 이하와 같이 산출되고,
Figure 112009016352987-PCT00207
여기서,
Figure 112009016352987-PCT00208
는 직렬형 로봇 튜브의 축에 대한 회전 속도 및 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러의 만곡을 포함할 수 있다. 점(gi)의 비틀림 및 하나의 아암의 8개의 입력 모두를 관련시키는 하이브리드 야코비안 행렬은 수학식 34로서 얻어질 수 있고, 여기서
Figure 112009016352987-PCT00209
이고,
Figure 112009016352987-PCT00210
이다.
또한, 원하는 i번째 엔드 이펙터 속도의 5×1 오일러각 파라미터화(
Figure 112009016352987-PCT00211
)는 축퇴 행렬 Ki에 의해 i번째 로봇 엔드 이펙터의 일반적인 비틀림(
Figure 112009016352987-PCT00212
)에 관련될 수 있다. 행렬은 오일러각 속도에 데카르트 각속도(Cartesian angular velocity)를 관련시키는 관계를 사용하여 유도될 수 있는데,
Figure 112009016352987-PCT00213
여기서,
Figure 112009016352987-PCT00214
이다.
상기 관계에 의해, 시스템의 일반적인 비틀림(
Figure 112009016352987-PCT00215
)은 6×1 오일러각 비틀림(
Figure 112009016352987-PCT00216
)에 이하와 같이 관련될 수 있는데,
Figure 112009016352987-PCT00217
여기서,
Figure 112009016352987-PCT00218
이다.
전술한 경로 계획식에 사용된 5×1 오일러 파라미터화는 5×6 축퇴 행렬을 6×1 오일러각 비틀림에 적용함으로써 이하와 같이 유도될 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00219
이러한 일반화된 비틀림과 6×1 오일러각 비틀림 사이의 관계를 치환하면 행렬 Ki는 다음과 같고,
Figure 112009016352987-PCT00220
여기서,
Figure 112009016352987-PCT00221
이다.
전술한 바와 같이, 각각의 삽입 아암이 이 점에서의 기관 표면의 속도와 동일한 속도에 삽입 니들을 따른 임의의 속도를 더한 것에 의해서만 삽입점에서 이동하는 구속요건이 이하와 같이 유도될 수 있다. 이 구속요건의 전개를 지원하기 위해, 점(mi)은 기관의 표면 상의 삽입점에서 정의될 수 있고, m'i는 mi와 순간적으로 일치하는 삽입 니들 상의 점으로서 정의될 수 있다. m'i의 속도는 니들 축에 수직인 평면에서 점(mi)의 속도와 동일해야 한다.
Figure 112009016352987-PCT00222
방향
Figure 112009016352987-PCT00223
및
Figure 112009016352987-PCT00224
에서의 내적을 취하면 2개의 독립적인 구속식이 얻어진다.
Figure 112009016352987-PCT00225
Figure 112009016352987-PCT00226
이들 구속요건은 점(mi 및 m'i)의 속도를 로봇 및 기관 좌표계와 관련시킴으로써 조인트각 및 기관 속도의 항으로 표현될 수 있다. 점(m'i)의 속도는 이하와 같이 프레임 {Qi}의 속도와 관련될 수 있다.
Figure 112009016352987-PCT00227
프레임 {Qi}의 비틀림을 치환함으로써, 수학식 74는
Figure 112009016352987-PCT00228
가 되고, 여기서
Figure 112009016352987-PCT00229
이다.
또한, 수학식 64 및 수학식 33을 대입하고 하이브리드 조인트 파라미터(
Figure 112009016352987-PCT00230
)의 항으로 나타내면,
Figure 112009016352987-PCT00231
을 얻게 되며, 여기서
Figure 112009016352987-PCT00232
이다.
삽입점(m)의 속도에 대한 표현은 원하는 기관 속도에 관련될 수 있으므로,
Figure 112009016352987-PCT00233
을 얻게 되고, 여기서
Figure 112009016352987-PCT00234
이다.
또한, 수학식 76 및 수학식 77을 수학식 72 및 수학식 73에 치환하면 기관-로봇 시스템의 강체 움직임에 대해 제공되는 구속식을 얻는다.
Figure 112009016352987-PCT00235
Figure 112009016352987-PCT00236
벡터
Figure 112009016352987-PCT00237
및
Figure 112009016352987-PCT00238
는
Figure 112009016352987-PCT00239
로서 행렬 형태로 주어질 수 있고, 행렬 Pi는
Figure 112009016352987-PCT00240
을 나타내는 데 사용될 수 있다.
이상에 제시된 사상의 다른 실시예, 확장예 및 변형예는 이해 가능하며, 본 명세서를 검토할 때 당 기술 분야의 숙련자의 이해 범위 내에 있을 것이다. 따라서, 다양한 형태로 개시된 본 발명의 요지의 범주는 앞서 제시된 예에 의해 제한되어서는 안 된다. 개시된 본 발명의 요지의 개별 양태 및 개시된 본 발명의 요지의 전체는 본 발명의 개시내용의 범주 내에 있는 이러한 설계 변형 및 미래의 개발을 허용하는 것으로 간주되어야 한다. 개시된 본 발명의 요지는 단지 후속 청구범위에 의해서만 제한될 수 있다.

Claims (24)

  1. 눈 수술용 원격 로봇식 미세수술 시스템으로서,
    원격 로봇식 마스터 및 슬레이브 하이브리드 로봇을 포함하고,
    상기 원격 로봇식 마스터는 적어도 2개의 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스를 가지며,
    상기 슬레이브 하이브리드 로봇은 환자의 머리에 해제 가능하게 부착 가능한 프레임에 부착된 적어도 2개의 로봇 아암을 갖고,
    상기 적어도 2개의 로봇 아암은 각각 병렬형 로봇에 연결된 직렬형 로봇을 갖는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 병렬형 로봇은 6 자유도를 갖고, 상기 직렬형 로봇은 2 자유도를 갖는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 직렬형 로봇은 그 종축을 중심으로 한 1 회전 자유도 및 엔드 이펙터를 만곡시키는 1 자유도를 포함하는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는 캐뉼러 및 튜브를 포함하는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 캐뉼러는, 튜브의 외부로 이동할 때 1 자유도로 만곡하는 NiTi 캐뉼러인 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 캐뉼러는 눈의 내부의 조작을 제공하기 위한 무백래시(backlash-free) 초탄성 NiTi 캐뉼러인 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 NiTi 캐뉼러는 약물 전달, 흡입, 광 전달 중 적어도 하나와, 마이크로 그립퍼, 피크 및 마이크로 나이프 중 적어도 하나의 전달을 위한 구조적 디자인을 갖는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 직렬형 로봇은 상기 로봇 아암이 각각 실질적으로 함께 이동하는 동안 눈을 조작하고 안정화시키는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 슬레이브 하이브리드 로봇은 도구 교체, 눈 내부의 제어 가능한 시각화, 제어 가능한 광원, 약물 전달 및 흡입 중 적어도 하나를 갖는 구조적 구성을 갖는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 원격 로봇식 미세수술 시스템은 안내 기민성, 눈 내부의 2중 아암 기민성 조작, 힘 피드백, 제어 가능한 조명, 흡입 및 약물 전달, 그리 고 눈의 안정화 및 조작 중 적어도 하나를 위한 구조를 포함하는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 프레임은 고정용 바이트 플레이트 및 관상 스트랩 중 적어도 하나에 의해 해제 가능하게 부착되는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 직렬형 로봇은 상기 병렬형 로봇에 해제 가능하게 부착되는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 적어도 2개의 로봇 아암은 눈을 안정화하고 조작하는 것 중 적어도 하나를 위해 배치되는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 적어도 2개의 로봇 아암은 상기 시스템의 초기 셋업에서의 위치로 조정하기 위한 조정 가능한 구조를 포함하는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  15. 눈 수술용 원격 로봇식 미세수술 시스템으로서,
    프레임, 제1 로봇 아암, 제2 로봇 아암 및 원격 로봇식 마스터를 포함하고,
    상기 프레임은 피수술체에 해제 가능하게 부착될 수 있고,
    상기 제1 로봇 아암 및 상기 제2 로봇 아암은 각각 병렬형 로봇 및 직렬형 로봇을 포함하고,
    상기 원격 로봇식 마스터는 마스터 슬레이브 사용자 제어형 인터페이스를 포함하며,
    상기 직렬형 로봇은 튜브 및 캐뉼러를 포함하는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 튜브 및 캐뉼러 중 적어도 하나는 눈을 안정화하고, 위치설정하고, 조작하는 것 중 적어도 하나를 위해 눈 상에 힘을 가하는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 캐뉼러는 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러를 포함하고, 상기 캐뉼러는 상기 튜브로부터 연장되는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 캐뉼러는 약물 전달, 흡입, 광 전달 중 적어도 하나를 위해, 그리고 마이크로그립퍼, 피크 및 마이크로 나이프 중 적어도 하나를 전달하기 위해 구성되는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 상기 튜브 및 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러 중 적어도 하나는 이들의 종축을 중심으로 회전하는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  20. 중공형 해부학적 부유 기관 상에서의 수술을 위한 원격 로봇식 미세수술 시스템으로서,
    원격 로봇식 마스터 및 슬레이브 하이브리드 로봇을 포함하고,
    상기 원격 로봇식 마스터는 적어도 하나의 사용자 제어형 마스터 슬레이브 인터페이스를 포함하며,
    상기 슬레이브 하이브리드 로봇은 환자에 해제 가능하게 부착 가능한 프레임에 부착된 적어도 하나의 로봇 아암을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 로봇 아암은 병렬형 로봇 및 직렬형 로봇을 포함하는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 병렬형 로봇은 6 자유도를 갖는 로봇을 포함하고, 상기 직렬형 로봇은 2 자유도를 갖는 로봇을 포함하는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 튜브와, 상기 튜브의 외부로 이동할 때 1 자유도로 만곡되는 NiTi 캐뉼러를 더 포함하는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 튜브 및 캐뉼러 중 적어도 하나는 이들의 종축을 중심으로 회전하는 것인 원격 로봇식 미세수술 시스템.
  24. 중공형 해부학적 부유 기관 상에서의 수술을 위한 슬레이브 하이브리드 로봇으로서,
    환자에 해제 가능하게 부착될 수 있고, 적어도 하나의 로봇 아암이 해제 가능하게 부착되는 프레임을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 로봇 아암은 병렬형 로봇 및 직렬형 로봇을 포함하며,
    상기 직렬형 로봇은 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러를 전달하기 위한 튜브를 포함하고,
    상기 튜브 및 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러 중 적어도 하나는 이들의 종축을 중심으로 회전할 수 있으며,
    상기 사전 만곡된 NiTi 캐뉼러는 상기 튜브로부터 연장될 때 만곡되는 것인 슬레이브 하이브리드 로봇.
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