KR20090095662A - 공간 내에 조절가능한 포지티브 스톱을 제공하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

공간 내에 조절가능한 포지티브 스톱을 제공하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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KR20090095662A
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Abstract

본 발명은 공간 내 말단 작동체의 이동을 제한하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 일 실시예로서, 상기 장치는 기계적인 위치 결정장치와, 제1 및 제2 스톱을 포함한다. 상기 제1 및 제2 스톱은 상기 기계적인 위치 결정장치의 이동을 제한하여, 소정의 움직임 범위를 벗어나 말단 작동체를 조작하려는 사용자의 능력을 제한하도록 구동 장치에 의해 제어될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 스톱은 소정의 움직임 범위 내에서 말단 작동체의 이동을 허용하도록 구동 장치에 의해 제어될 수 있다.
기계적인 위치 결정장치, 말단 작동체, 가동 연결 조인트, 구동 장치, 회전형 조인트

Description

공간 내에 조절가능한 포지티브 스톱을 제공하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROVIDING AN ADJUSTABLE POSITIVE STOP IN SPACE}
일반적으로, 본 발명은 로봇 분야, 더 구체적으로는 햅틱 로봇 분야에 관한 것이다.
햅틱 인터페이스는 사용자로 하여금 가상 또는 햅틱 환경에서 촉감을 경험할 수 있게 한다. 그러한 인터페이스는 가상 현실 게임이나 가상 이미지를 얻는 작업을 수행하는데 적용된다. 사용자의 업무 수행을 보조하기 위해 햅틱 인터페이스를 사용하는 한 분야로는 컴퓨터 활용 수술이 있다.
컴퓨터 활용 수술에 있어서, 햅틱 인터페이스는 의사에게 햅틱 유도를 제공하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 절단 도구 등의 수술 기구가 햅틱 인터페이스에 연결될 수 있다. 햅틱 인터페이스는, 예컨대 로봇 팔 등의 로봇 장치의 일부일 수 있다. 의사(surgeon)가 실제 공간에서 수술 기구를 움직일 때(예컨대, 뼈나 다른 해부학적 구조를 절단하기 위해), 의사는 햅틱 인터페이스를 통해 제한을 받게되어, 수술 기구의 조작 능력이 제한된다. 예컨대, 의사의 수술 기구 조작 능력은, 의사가 정해진 절단 부분 내에서만 수술 기구를 움직일 수 있도록 제한된다. 그 제한은, 예컨대 실제 공간에서의 수술 기구와 정해진 절단 부분 간에 요구된 관 계를 기초로 하여 이루어질 수 있다. 이 실제 공간의 관계는, 가상 환경에서는 가상 공간에서의 가상 기구와 햅틱 대상물 간의 관계로 나타내어질 수 있으며, 가상 기구는 물리적인 수술 기구에 대응하고, 햅틱 대상물은 정해진 절단 부분에 대응한다. 수술 시, 의사는 수술 기구를 조작하는 한편, 수술 기구는 햅틱 인터페이스의 단부에 부착된다. 햅틱 인터페이스를 통하여 의사에게 제한 피드백(constraint feedback)이 제공되어, 의사가 가상 기구와 햅틱 대상물 사이에 바람직한 관계를 유지하는데 충분한 힘을 갖도록 한다.
예를 들면, 햅틱 대상물은 해부학적 구조 또는 뼈의 해부학으로 절단될 형상을 위한 가상의 보호 바운더리일 수 있다. 이 가상의 보호 바운더리는 환자의 해부학적 구조에 일치(또는 상호 관련)되고, 가상 기구는 실제 수술 기구에 일치(또는 상호 관련)된다. 햅틱 인터페이스를 통해 의사로 하여금 가상 환경과 상호작용할 수 있도록 하기 위해, 햅틱 렌더링 알고리즘(haptic rendering algorithm)이 사용된다. 햅틱 렌더링은 가상 대상물과 사용자 간의 상호작용에 응답하여 힘을 계산하고 적용하는 프로세스이다. 햅틱 렌더링 알고리즘을 사용하면, 가상 기구가 가상 바운더리에 접근함에 따라 의사가 받는 힘이 증가하도록, 햅틱 인터페이스가 구성될 수 있다. 이와 같이 증가하는 힘은 피가공물(대상이 되는 해부학적 구조 또는 기타 다른 바운더리)의 금지된 부분 부근에 있는 의사에게 경고를 제공하기 때문에, 의사는 해부학적 구조에 원치않은 구멍을 내어 손상을 입히지 않도록(예컨대, 드릴 비트가 뼈 안으로 너무 깊이 들어가지 않도록) 주의하여 진행하게 된다. 만일, 의사가 가상 바운더리를 벗어나 기구를 움직이려 한다면, 햅틱 인터페이스는 이러한 움직임을 방지하기 위해 힘을 증가시킨다. 이와 같이, 가상 바운더리는 피가공물의 원하는 부분 내에 수술 기구를 유지하기 위한 햅틱 스톱(haptic stop)으로써의 기능을 한다.
그러나, 햅틱 스톱을 이용한 움직임 방지는 통상, 어드미턴스(admittance) 또는 임피던스(impedance) 기반의 시스템에 의해 이루어진다. 어드미턴스 장치는 사용자에 의해 가해진 힘을 감지하고, 장치의 위치(예컨대, 수술 기구의 위치)를 변경시킴으로써 응답한다. 어드미턴스 장치가 견고한 바운더리를 제공할 수 있지만, 이들 장치는 힘센서를 필요로 하고, 사용자가 자유 공간을 통해 장치를 움직일 때, 사용자에게 일반적으로 무거운 느낌을 준다. 반대로, 임피던스 장치는 장치의 위치(예컨대, 수술 기구의 위치)를 감지하고, 역구동 가능한 햅틱 인터페이스 시스템의 작동기에 제한된 동력을 가함으로써 장치에 힘을 가함에 의하여 응답한다. 임피던스 장치는 통상, 자유 공간을 통하여 움직여질 때에는 사용자가 비교적 가벼운 느낌이 들도록 하고, 공간 내에서 움직일 때에 사용자가 비교적 가벼운 움직임을 갖고 또한 실제 대상물과의 상호 작용 힘을 느끼기를 원하는 특정의 어플리케이션에 바람직하다. 그러나, 작동기의 출력은 한계가 있고, 임피던스 장치는 어드미턴스 장치에 의해 발생된 것 만큼 견고하게 바운더리를 발생시킬 수 없다. 따라서, 의사가 작동기에 의해 부과된 제한을 넘어서서, 가상 바운더리 또는 햅틱 스톱을 벗어나 수술 기구를 움직이게 하는 것이 가능할 수도 있다. 이로 인하여, 수술 중인 조직에 예상치 못한 손상이 발생될 수 있다.
따라서, 햅틱 장치의 사용자가 햅틱 장치의 조작 동안 움직임의 유연성을 느 낄 수 있도록 하면서, 햅틱 장치의 사용자에 의한 잘못된 움직임을 방지하기에 충분한 햅틱 제한 힘을 제공할 수 있는, 조절가능한 포지티브 스톱을 구비한 햅틱 장치가 필요하다.
본 발명의 일 예시적인 실시예는 기계적인 위치 결정장치, 제1 스톱 및 제2 스톱을 포함하는 장치에 관한 것이다. 제1 및 제2 스톱은 기계적인 위치 결정장치의 이동을 제한하여, 소정의 움직임 범위를 벗어난 말단 작동체를 조작하려는 사용자의 능력을 제한하도록 구동 장치에 의해 제어될 수 있다. 제1 및 제2 스톱은 또한, 소정의 움직임 범위 내에서 말단 작동체의 이동을 허용하도록, 구동 장치에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 공간 내 말단 작동체의 이동을 제한하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 방법은, 말단 작동체가 공간 내의 소정의 위치로부터 소정의 제1 값보다 큰 간격으로 떨어져 위치될 때, 연결 조인트를 자유롭게 움직이게 할 수 있는 단계를 포함한다. 또한, 본 방법은, 말단 작동체가 공간 내의 소정의 위치로부터, 소정의 제1 값 이하이면서, 소정의 제2 값보다 큰 간격으로 떨어져 위치될 때, 연결 조인트를 제1 및 제2 스톱에 의해 정해진 소정의 움직임 범위 내에서 자유롭게 움직이게 할 수 있는 단계를 포함한다. 또한, 본 방법은, 말단 작동체가 공간 내의 소정의 위치로부터, 소정의 제2 값과 대략 같거나 작은 간격으로 떨어져 위치될 때, 제1 및 제2 스톱 중 하나에 의해 연결 조인트가 특정 방향으로 움직이는 것을 제한하는 단계를 포함한다. 연결 조인트의 제한은 공간 내의 말단 작동체의 이동을 제한한다.
본 발명은, 특히 첨부된 청구항에서 규정된다. 상술한 본 발명의 예시적인 실시예의 장점은 추가 장점들과 함께, 첨부 도면에 관련된 다음 실시예를 참조함으로써, 더 잘 이해될 수 있다. 도면과 관련하여, 유사 참조 부호는 전체적으로 다른 도면 전반에 걸쳐 동일한 부품을 나타낸다. 도면은 반드시 비례적이지는 않는 대신에, 전반적으로 본 발명의 예시적인 실시예의 원리를 나타내는데 중점을 두고 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 포지티브 스톱 햅틱 시스템(positive stop haptic system)의 개략적인 다이어그램이다.
도 2a 내지 도 2c는 가상 공간 내에 움직이는 햅틱 상호작용점(haptic interaction point)의 다양한 상태 하에 있는 도 1의 포지티브 스톱을 나타내는 다이어그램이다.
도 3은 도 1의 본 발명의 일 실시예의 또 다른 개략적인 다이어그램이다.
도 3a는 독립적인 원위 및 근위 포지티브 스톱을 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예의 개략적인 다이어그램이다.
도 3b는 마이크로 및 매크로 단위의 정밀 구동 장치(micro and macro resolution drive mechanisms)를 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예의 개략적인 다이어그램이다.
도 3c는 1개의 기계적인 위치 결정장치(mechanical positioner) 및 모양이 상이한 복수의 포지티브 스톱을 나타내는 본 발명의 또 다른 실시예의 개략적인 다이어그램이다.
도 4는 말단 작동체(end-effector)를 제한하기 위해 배치되는 도 1의 복수의 포지티브 스톱 햅틱 시스템의 일 실시예의 개략적인 다이어그램이다.
도 5는 말단 작동체를 제한하기 위해 배치되는 도 1의 복수의 포지티브 스톱 햅틱 시스템의 또 다른 실시예의 개략적인 다이어그램이다.
도 6은 회전 운동을 이용하는 본 발명의 일 실시예의 포지티브 스톱 햅틱 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 수술용 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 8은 해부학적 구조 추적 장치(anatomy tracker)의 사시도이다.
일반적으로, 다양한 용도로, 도구 또는 기구를 사용할 때, 도구의 움직임 가능한 범위를 제한하는 것은 바람직하다. 도구 움직임을 제한함으로써, 예컨대 도구 사용자가 피가공물(workpiece)을 너무 깊이 절삭하지 못하도록 함으로써, 피가공물에 대한 손상을 방지할 수 있다. 사용자가 수술, 제조, 또는 그외 다른 어플리케이션 등의 특정 과정에서 로봇 장치에 연결된 도구를 조작할 때, 물리적 스톱(physical stops)을 사용하면, 도구 움직임에 대한 제한이 실행될 수 있다.
일부, 본 명에서에 기술된 본 발명의 예시적인 실시예는, 소정의 움직임 범위 내에 도구의 움직임을 제한할 수 있는 다양한 물리적 스톱(stops) 및 컨트롤(controls)을 사용하는 로봇 장치를 포함한다. 이러한 도구 움직임의 제한은, 로봇 장치의 다양한 연결기(linkages) 및 부재의 운동을 제어함으로써 이루지므로, 움직임 또는 거리의 특정 범위에 대해, 로봇 장치의 부품은 자유롭게 움직일 수 있는 반면에, 다른 소정의 움직임 또는 거리의 범위에 대해, 상기 로봇 장치의 부품의 움직임은 속도면에서 제한을 받거나, 완전히 정지된다. 이처럼, 물리적 스톱은 사용자가 피가공물의 원하는 부분으로 도구를 움직이게 할 수 있고, 피가공물의 금지된 부분 안에서 도구를 조작하려는 능력을 제한하도록, 제어될 수 있다. 기계 연결기와 조인트가 결합된 작동기 및 추적 장치를 사용함으로써, 그러한 시스템이 가능해질 수 있다.
또한, 본 발명의 예시적인 실시예는 물리적 스톱의 실시간 또는 동적인 위치결정을 가능하게 하거나, 움직이는 대상물에 대하여 제한할 수 있다. 다시 말해, 가공가능한 블록 또는 환자의 관골 등의 움직임 가능한 피가공물에 대하여, 본 명세서에 기술된 예시적인 시스템은 피가공물의 이동에 따라 물리적 스톱을 조절함으로써, 피가공물의 이동에 응답할 수 있다. 이 시스템에 의해, 외과 의사나 작업자는, 환자나 피가공물의 이동에 상관없이, 환자에 대한 수술이나 물리적 스톱과 안전하게 결합된 피가공물에 대한 작업을 수행할 수 있다.
예를 들면, 햅틱 장치에 대한 의학적 용도로서, 햅틱 렌더링 프로세스(haptic rendering process)에 의해 형성된 가상 환경은 의료 기구의 가상 재현과 상호작용하는 가상(또는 햅틱) 대상물(예컨대, 유도 철심, 임플란트 치아모형, 보호용 바운더리(protective boundaries) 등)을 포함한다. 실제 의료 기구의 움직임이 가상 의료 기구의 움직임에 대응되도록, 가상 의료 기구는 실제 의료 기구에 연결(또는 일치)된다. 마찬가지로, 실제 인체의 움직임이 햅틱 대상물의 움직임에 대응되도록, 가상 대상물은 환자의 실제 인체에 연결(또는 일치)된다. 가상 환경과 실제 환경이 서로 일치되거나 결합되기 때문에, 사용자의 의료 기구 조작은 의료 기구의 가상 대상물과 가상 재현 간의 상호작용에 따라 제한되며, 이는 통상 햅틱 상호작용점(haptic interaction point, HIP)이라고 하는 가상 공간의 점을 이용한다. HIP는 의료 기구, 예컨대 수술용 절삭 도구나 드릴 비트의 팁에 대한 실제적인 점에 대응하는 가상 공간의 점이다. HIP가 가상 공간을 통해 움직임에 따라, 햅틱 렌더링 알고리즘은, 가상 대상물의 바운더리가 피가공물의 허용성(예컨대, 피가공물의 원하는 부분 또는 피가공물의 소정의 움직임 범위)을 정하고, 상기 가상 대상물의 바운더리 내에 HIP가 유지되는 관계 등의 HIP와 가상 대상물 간의 바람직한 관계에 근거한 힘을 계산한다. 상기 바람직한 관계를 유지하기 위하여, 햅틱 장치의 작동기는 상기 계산된 힘을 발생시키고, 이러한 힘을 햅틱 인터페이스가 사용자에게 전동한다. 이에 따라, 외과 의사가 실제 기구를 움직이면, 외과 의사는 HIP가 가상 공간에서 받는 힘을 느낄 수 있다. 이러한 식으로, 의료 기구의 움직임은, 예컨대 가상 대상물에 의해 형성된 절삭 바운더리 내에 의료 기구를 유지하여, 의료 기구가 피가공물의 금지된 부분으로 가지 않도록, 제한될 수 있다. 이처럼, 사용자는 피가공물의 소정의 움직임 범위 내에서 도구를 움직이도록 할 수 있지만, 사용자가 소정의 움직임 범위를 벗어나 도구를 조작할 수 있는 능력은 제한된다.
따라서, HIP의 운동은 제한되어, 외과 의사가 실제 의료 기구의 위치를 옮길 수 있는 거리를 제한한다. 예컨대, 가상 대상물은, 지정 경로를 따라 움직이도록 HIP를 제한하는 가상 유도 철심일 수 있다. 경로로부터의 경로 이탈에 의해, HIP가 경로로부터 이탈할 수 있는 능력을 막거나 적어도 줄이는 힘이 발생된다. 이러한 힘은 햅틱 인터페이스를 통하여 외과 의사에게 전달되어, 기구가 소정의 위치로 옮겨질 때 해부학적 구조를 보호하기 위하여, 실제 공간의 안내 경로를 따라 실제 기구를 안내한다. 또 다른 예로서는, 가상 대상물은, 관절 교체 수술 동안 환자의 뼈에 이식될 가상 임플란트 모델일 수 있다. 예컨대, 내용 전부가 본 명세서에 참조로서 원용되고 있는, 미국 특허출원번호 제11/357,197호 및 2006년 2월 21일 출원된 미국 특허공개번호 제2006/0142657호에 기술된 바와 같이, 가상 임플란트 모델은, 실제 임플란트가 설치될 수 있도록, 환자의 실제 뼈에 결합(또는 일치)되어, 제거될 뼈 부분을 형성한다. 가상 환경에서, HIP는 임플란트 모델에 의해 형성된 절삭 바운더리(예컨대, 피가공물의 원하는 부분) 내에 유지되도록 제한된다. HIP가 상기 바운더리를 벗어나서, 피가공물의 금지된 부분으로 움직이려 한다면, 햅틱 인터페이스를 통해 외과 의사에게 힘이 전달되어, 실제 기구의 절삭 바운더리를 벗어날 가능성이 있는 외과 의사의 능력을 막거나 적어도 줄인다.
가상 공간에서 HIP가 소정의 점을 지나 진행되지 못하도록 하기 위해, HIP에 가해지는 힘이 실질적으로 매우 커지지만, 종래의 햅틱 장치에서는 이 "매우 큰" 힘이 작동기에 의해 가해지며, 실제로는 매우 큰 힘보다 적은 힘이 햅틱 인터페이스를 통해 사용자에게 가해진다. 결과적으로, 사용자는, 의도적이건 의도하지 않건 간에, 안내 경로를 이탈하거나 햅틱 바운더리를 벗어나도록, 제한 힘을 넘어설 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 운동가능한 포지티브 스톱이 제공된다. 상기 운동가능한 포지티브 스톱의 일 장점으로, 포지티브 스톱은, 의사가 도구를 움직일 때, 움직임의 유연성을 유지하도록 하면서, 도구 움직임을 제한하기에 충분할 만큼 견고하게 제한할 수 있다는 점이다. 도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 포지티브 스톱 햅틱 시스템(10)의 일 실시예를 나타낸다. 포지티브 스톱 햅틱 시스템(10)은 구동 장치(50), 기계적인 위치 결정장치(30), 가동 연결 조인트(26), 비구동 또는 수동형 연결 조인트(34), 근위 포지티브 스톱(18), 및 원위 포지티브 스톱(22)을 포함한다. 가동 연결 조인트(26) 및 수동형 연결 조인트(34)는 프리즈메틱 조인트 조립체(prismatic joint assembly)를 형성하고, 이 프리즈메틱 조인트 조립체는 상기 가동 연결 조인트(26)와 상기 수동형 연결 조인트(34) 사이에 상대 직선 운동을 가능케 한다.
구동 장치(50)는 가동 연결 조인트(26)의 일 단부에 위치되고, 근위 및 원위 포지티브 스톱(18, 22)은 가동 연결 조인트(26)의 타 단부에 위치된다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 근위 및 원위 포지티브 스톱(18, 22) 간의 간격은 2δ이고, 상기 두 포지티브 스톱(18, 22) 사이의 중간 지점 간격은 δ이다. 기계적인 위치 결정장치(30)는 수동형 연결 조인트(34)의 일 단부에 배치되고, 근위 포지티브 스톱(18)과 원위 포지티브 스톱(22) 사이에 위치된다. 수동형 연결 조인트(34)의 타 단부는 말단 작동체(도시되지 않음)에 연결된다. 말단 작동체는, 예를 들면 의료 기구, 도구, 또는 기타 다른 링크일 수 있다.
작동함에 있어서, 수동형 연결 조인트(34)에 연결된 말단 작동체가 사용자(예컨대, 뼈의 성형 수술을 진행하는 외과 의사)에 의해 작동될 때, 기계적인 위치 결정장치(30)는 근위 포지티브 스톱(18)과 원위 포지티브 스톱(22) 사이에서 움직인다. 가동 연결 조인트(26)가 구동 장치(50)에 의해 적절한 위치에 고정될 때, 근위 및 원위 포지티브 스톱(18, 22) 또한 적절한 위치에 고정되어, 기계적인 위치 결정장치(30)가 상기 두 포지티브 스톱(18, 22)을 벗어나 움직이는 것을 방지할 것이다. 이와 같이, 상기 두 포지티브 스톱(18, 22)은 기계적인 위치 결정장치(30)(결국, 말단 작동체)에 대한 소정의 움직임 범위를 형성하여, 소정의 움직임 범위 내에서 말단 작동체의 운동을 허용하고, 소정의 움직임 범위를 벗어나 말단 작동체를 움직일 수 있는 사용자의 능력을 제한하는 기능을 한다. 필요한 경우에는, 구동 장치(50)가 가동되어, 가동 연결 조인트(26)를 작동시킬 수 있으며, 그 결과, 구동 장치(50) 방향으로 또는 그로부터 멀어지는 방향으로 상기 두 포지티브 스톱(18, 22)이 움직이게 된다. 이와 같이, 구동 장치는 소정의 움직임 범위의 공간 내의 위치를 조절하는 등의 소정의 움직임 범위를 조절하기 위해 상기 두 포지티브 스톱(18, 22)을 조절하도록 제어할 수 있다. 말단 작동체의 자유 운동을 가능하게 하기 위해서, 상기 두 포지티브 스톱(18, 22)은, 기계적인 위치 결정장치(30)가 근위 포지티브 스톱(18)이나 원위 포지티브 스톱(22)에 접하지 않도록 기계적인 위치 결정장치(30)가 움직일 때, 움직이도록 구성될 수 있다. 이는, 기계적인 위치 결정장치(30)가 수동형 연결 조인트(34)의 축을 따라 완전 자유 운동을 하기 때문에, 사용자로 하여금 말단 작동체를 자유롭게 움직이게 하는 것을 가능하 게 한다. 상기 두 포지티브 스톱(18, 22)이 기계적인 위치 결정장치(30)와 함께 움직일 수 있도록 하기 위해, 상기 시스템은 기계적인 위치 결정장치(30)의 움직임을 검출하는 센서 및 가동 연결 조인트(26)를 움직이게 하기 위한 구동 장치(50)를 제어하는 컨트롤러를 포함하여, 상기 두 포지티브 스톱(18, 22)은 기계적인 위치 결정장치(30)와 함께 움직이게 되고, 기계적인 위치 결정장치(30)과 접하지 않게 된다. 이와 같이, 상기 두 포지티브 스톱(18, 22)은 기계적인 위치 결정장치(30)의 움직임에 따라 조절될 수 있다. 물리적 스톱을 가동시키기 위해(예컨대, 말단 작동체가 피가공물의 금지된 부분 부근에 있게 되는 경우), 구동 장치(50)는 정지되어, 상기 두 포지티브 스톱(18, 22)의 추가 움직임을 막는다. 기계적인 위치 결정장치(30)가 상기 두 포지티브 스톱(18, 22) 중 어느 하나와 접하게 되면, 말단 작동체를 위한 사용자의 움직임은 제한된다. 이와 같이, 포지티브 스톱 햅틱 시스템(10)은, 말단 작동체를 제한할 수 있는 움직임 가능한 포지티브 스톱에, 움직일 때 외과 의사가 움직임의 유연성을 유지하도록 하는 동안 사용자가 넘어설 수 없는 물리적 스톱(작동기에 의해 발생된 힘에 기초한 스톱과는 대조됨)을 제공한다.
상술한 바와 같이, 실제 공간 내의 말단 작동체의 부분(도구 또는 기구의 팁 등)의 위치는 가상 공간 내의 HIP에 대응된다. 따라서, 기구 또는 말단 작동체가 실제 공간에서 움직일 때, HIP는, 예컨대 가상 공간에서 가상 대상물을 향해 움직인다. 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, HIP(27)가 가상 대상물(25)의 바운더리와 같은 가상 대상물(25)의 부분으로부터 간격(d) 만큼 떨어져 위치될 때, 세가지 조건 중 하나가 만족된다. 먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 간격(d)의 값은 소정의 제 1 값, 예컨대 기계적인 위치 결정장치(30)와 상기 두 포지티브 스톱(18, 22) 중 어느 하나 사이의 간격보다 클 수 있다(d>(δ)). 이러한 조건은 자유 운동이다. 두번째로, 도 2b에 도시된 바와 같이, 간격(d)의 값은 소정의 제2 값보다는 크고, 상기 소정의 제1 값 이하일 수 있다(예, 0<d≤(δ)). 이 조건은 접근 운동이다. 세번째로, 도 2c에 도시된 바와 같이, 간격(d)은 상기 소정의 제2 값 이하(예, d≤0)일 수 있으며, 이는 HIP(27)가 가상 대상물 바운더리 또는 그 내부에 있다는 것을 의미한다. 이러한 조건은 속박 운동이다.
자유 운동을 나타내는 도 2a를 참조하면, (d>(δ)), 즉 HIP(27)가 두 포지티브 스톱(18, 22) 사이의 간격의 1/2 간격(δ)보다 큰 간격(d)으로 떨어져 위치될 때, 수동형 연결 조인트(34)는 자유롭게 움직인다. 기계적인 위치 결정장치(30)가 상기 두 포지티브 스톱(18, 22) 사이에서 자유롭게 움직일 뿐만 아니라(화살표 A), 가동 연결 조인트(26)가 구동 장치(50)에 의해 구동되어, 두 포지티브 스톱(18, 22)이 움직이도록(화살표 B) 기계적인 위치 결정장치(30)의 움직임을 추적하기 때문에, 수동형 연결 조인트(34)의 움직임은 자유롭다. 바람직하게는, 구동 장치(50)는, 기계적인 위치 결정장치(30)과 근위 포지티브 스톱(18)이나 원위 포지티브 스톱(22) 사이의 간격이 중간 지점 간격(δ)으로 정상 유지되도록, 가동 연결 조인트(26)를 움직이게 한다.
접근 운동을 나타내는 도 2b를 참조하면, HIP(27)가 간격(δ)과 동일한 간격(d)으로 떨어져 위치되면, 구동 장치(50)는 가동 연결 조인트(26)를 움직이게 하여, 추가의 전진 움직임을 막는다. 이에 따라, 원위 포지티브 스톱(22)과 근위 포 지티브 스톱(18)은 정지되어, 기계적인 위치 결정장치(30)만이 상기 두 포지티브 스톱(18, 22) 사이에서 움직일 수 있다(화살표 A). 따라서, 수동형 연결 조인트(34)는, 기계적인 위치 결정장치(30)가 추가의 움직임을 막는 원위 포지티브 스톱(22)에 접하기 전에, 가동 연결 조인트(26)로부터 멀어지는 방향으로 단지 최대 간격(δ)을 움직일 수 있다. 그런 다음, 이는 HIP(27)를 대상물의 표면으로 이르게 한다(d=0).
속박 운동을 나타내는 도 2c를 참조하면, HIP(27)가 d=0에 이르게 되면, 기계적인 위치 결정장치(30)는 추가의 움직임을 막는 원위 포지티브 스톱(22)에 접한다. 이와 같이, 시스템은, HIP(27)가 가상 대상물(25)과 접하게 되면, 물리적 스톱을 제공한다.
또한, 본 발명의 예시적인 실시예는, 다양하고 적절한 직렬 또는 병렬 구조로 작동기와 이동가능한 요소가 서로 연결되는 시스템에 관한 것이다. 다시 말해, 구동 장치(50)는 또 다른 포지티브 스톱 조립체의 수동형 연결 조인트의 자유 단부에 직렬 구조로 부착될 수 있다. 외과 수술 등의 다양한 의료적 적용예에는 본 명세서에 기술된 기술이 이용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 포지티브 스톱 햅틱 시스템의 일 실시예에 대응한 실제 구현되는 시스템(10)은, 가동 연결 조인트(26)의 원위 단부에 부착된 근위 포지티브 스톱(18)과 원위 포지티브 스톱(22)을 구비하는 기계 스톱 조립체(14)를 포함한다. 또한, 상기 시스템(10)은 수동형 연결 조인트(34)의 근위 단부에 부착된 기계적인 위치 결정장치(30)를 포함할 수도 있다. 수동형 연결 조인트(34)는, 기계적인 위치 결정장치(30)가 근위 포지티브 스톱(18)이나 원위 포지티브 스톱(22)에 접하지 않는 한, 자유롭게 움직일 수 있다(두 포지티브 스톱(18, 22))에 의해 설정된 범위 내에서).
도 3에 도시된 바와 같이, 수동형 연결 조인트(34)의 원위 단부는 회전형 조인트(38)에 부착된다. 또한, 이 회전형 조인트(38)는 원위 링크(42)에 연결되고, 원위 링크(42)는 제2 회전형 조인트(46)에 연결된다. 제2 회전형 조인트(46)는 말단 작동체(도시되지 않음)에 연결된다.
도 3의 실시예에서, 가동 연결 조인트(26)의 근위 단부는 구동 장치(50)의 이동가능부에 연결된다. 구동 장치(50)는, 근위 링크(58)를 통해 고정 베이스(54)에 연결되는 하우징을 포함한다. 도시되는 다양한 실시예에서, 구동 장치는 작동기 또는 모터를 포함할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 예를 들면, 작동기 또는 모터는 직렬식, 회전식, 역구동식 또는 비역구동식일 수 있다. 비역구동 가능한 장치(50)는 물리적 스톱에 대한 강도 및 안전 여유(margin of safety)를 높인다.
작동함에 있어, 말단 작동체가 사용자에 의해 움직일 때, 회전형 조인트(38, 46) 및 원위 링크(42)는 수동형 연결 조인트(34)에 운동을 전달하여, 근위 포지티브 스톱(18)과 원위 포지티브 스톱(22) 사이에서 기계적인 위치 결정장치(30)가 움직일 수 있다. 상기 두 포지티브 스톱(18, 22) 중 어느 하나에 이르게 되면, 기계적인 위치 결정장치(30)는 본 방향으로 더이상 움직일 수 없다. 그 결과, 말단 작동체 역시 상기 방향으로 더 이상 움직이지 못한다.
포지티브 스톱이 발생하는 공간상 위치는 구동 장치(50) 내의 가동 연결 조인트(26)의 위치에 의해 일부분 결정된다. 구동 장치(50)는 근위 링크(58)에 의해 베이스(54)에 견고하게 고정된다. 구동 장치(50)는 베이스(54)에 대한 공간상 가동 연결 조인트(26)의 위치를 결정하는데 사용된다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 원위 포지티브 스톱(22)과 근위 포지티브 스톱(18)이 함께 구동되도록 단일의 가동 연결 조인트에 부착되는 것과는 달리, 상기 두 포지티브 스톱(18, 22)은 각각 그 자신의 가동 연결 조인트에 부착되어 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 원위 포지티브 스톱(22)은 제1 가동 연결 조인트(26) 상에 배치되고, 근위 포지티브 스톱(18)은 제2 가동 연결 조인트(26') 상에 배치된다. 본 실시예는, 제2 가동 연결 조인트(26')를 구동시키기 위해, 제2 구동 장치(50')를 이용한다. 본 실시예에서는, 가동 연결 조인트(26, 26') 각각이 그 자신의 구동 장치(50, 50')에 의해 구동되고, 이 구동 장치는 모두 동일한 베이스(54) 또는 근위 링크(58)에 부착되기 때문에, 상기 두 포지티브 스톱(18, 22) 사이의 간격을 조절할 수 있다. 따라서, 기계적인 위치 결정장치(30)에 대한 포지티브 스톱의 위치가 결정(및 조절)될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 두 포지티브 스톱(18, 22) 사이에서의 기계적인 위치 결정장치(30)의 운동 간격(δ) 또한 조절될 수 있다. 이처럼, 구동 장치(50, 50')는 상기 두 포지티브 스톱(18, 22) 사이의 간격을 조절하는 등의 소정의 움직임 범위를 조절하기 위해 상기 두 포지티브 스톱(18, 22)을 조절하도록 제어할 수 있다. 이러한 특징은, 사용자가 연달아 원위 스톱과 근위 스톱을 교대로 접촉시킬 때 통상의 연결 조인트(예컨대, 도 3에 도시되는 가동 연결 조인트(26))에 배치된 포지티브 스톱의 빠른 움직임을 요구할 폭이 좁은 제한 특징부들과 상호작용하는 경우에 유익하다.
도 3b를 참조하면, 또 다른 실시예로서, 제2 구동 장치(50")가 상기 제1 구동 장치(50)의 가동 연결 조인트(26)에 연결된다. 본 실시예에서는, 제2 가동 연결 조인트(26")가 상기 제2 구동 장치(50")에 의해 구동된다. 제2 가동 연결 조인트(26")는 기계 스톱 조립체(14)를 포함한다. 본 실시예에서, 구동 장치(50)와 구동 장치(50")는 정밀도가 상이하고, 움직임 범위가 상이하다. 예를 들면, 구동 장치(50)는 구동 장치(50")보다 정밀하지 못하며, 움직임 범위가 더 클 수 있다. 본 실시예는, 가동 연결 조인트(26)의 일반적인 위치를 결정함으로써, 정밀도가 낮은 매크로 단위의 구동 장치(50)가 포지티브 스톱(18, 22)의 일반적인 위치를 알아낼 수 있게 하고, 정밀도가 높은 마이크로 단위의 구동 장치(50")가 포지티브 스톱(18, 22)의 궁극적인 정밀 위치를 결정할 수 있게 한다. 또한, 본 실시예는 도 3a에 도시된 실시예와 함께 사용되어, 조절가능한 포지티브 스톱의 조미동 위치결정을 제공할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 다른 실시예로서 당업자는 이해하겠지만, 기계적인 위치 결정장치(30) 및 포지티브 스톱(18, 22)의 형태는 말단 작동체를 작동시킬 수 있는 사용자의 능력을 제한할 목적을 달성하는데 적절한 어떠한 방식으로든 변경될 수 있다. 예를 들면, "오목" 또는 "암" 형상을 갖는 포지티브 스톱(18, 22) 및 "볼록" 또는 "수" 형상을 갖는 기계적인 위치 결정장치(30)를 나타내는 도 1 내지 도 3b와는 대조적으로, 포지티브 스톱 장치는, 도 3c에 도시된 바와 같이, 오목 형상 을 갖는 기계적인 위치 결정장치(30') 및 볼록 형상을 갖는 포지티브 스톱(18', 22')을 포함할 수 있다. 기계적인 위치 결정장치(30') 및 포지티브 스톱(18', 22')의 외형은 바람직한 제한을 달성할 수 있도록 조절될 수 있다.
도 4를 참조하면, 말단 작동체(62)와 베이스(54) 사이에 위치되는 3개의 포지티브 스톱 햅틱 시스템(10)이 도시되어 있다. 복수의 포지티브 스톱 햅틱 시스템(10)의 위치 결정에 의해, 다자유도에 대하여 제한이 가해질 수 있다. 도 5에 도시되는 바와 같이, 말단 작동체(62)에 대하여, 복수의, 일반적으로 총 6개의 포지티브 스톱 햅틱 시스템(10)을 배치시킴으로써, 말단 작동체(62)는 실제 공간 내의 임의 지점에서 멈추도록 제한될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예는 또한, 회전 운동을 이용한 말단 작동체를 제한하는데 사용될 수 있다. 도 6에서는, 가동 연결 조인트(26"')와 수동형 연결 조인트(34"') 사이에 상대 회전 운동을 가능케하는 회전 조인트 조립체(revolute joint assembly)가 도시되어 있다. 회전 운동을 이용한 말단 작동체를 제한하기 위해서, 회전식 기계 스톱 조립체(14')는 그 회전축을 따라 구동 샤프트(70)에 의해 회전 모터(50')에 부착된다. 본 실시예에서는, 또 다른 장치의 바닥이나 베이스에 대한 공통의 설치예가 도시되어 있지 않다. 회전 요소는 공통 축, 통상 공통의 설치예를 공유한다. 일 실시예에서, 기계 스톱 조립체(14')의 둘레에는, 제1 포지티브 스톱(74)과 제2 포지티브 스톱(78)을 형성한 노치(73)가 형성되어 있다. 기계 스톱 조립체(14')는 수동형 연결 조인트(34"')와 동심으로 그 상에 설치된다. 수동형 연결 조인트(34"')는 노치(74) 안으로 연장되는 기계적인 위치 결정장치(30)를 포함한다. 모터(50')는 기계 스톱 조립체(14')의 회전을 발생시켜, 제1 포지티브 스톱(74)과 제2 포지티브 스톱(78)이 기계적인 위치 결정장치(30)의 움직임을 제한시킬 수 있도록, 노치(73)를 소정의 각도를 이루어 위치시킬 수 있다.
수동형 연결 조인트(34"')는 원위 링크(82)에 의해 상부 링크(예, 말단 작동체 또는 다른 링크)에 연결된다. 상부 링크가 움직이면, 원위 링크(82)는, 기계적인 위치 결정장치(30)가 제1 포지티브 스톱(74)이나 제2 포지티브 스톱(78) 중 어느 하나에 접할 때까지, 수동형 연결 조인트(34"')의 회전을 발생시킨다. 제1 위치에서 제2 위치로 모터(50')를 회전시키면, 기계적인 위치 결정장치(30)가 포지티브 스톱(74, 78)에 접하는 위치는 변경되고, 이에 따라 말단 작동체에 가해지는 제한은 변경된다. 따라서, 도 6의 실시예에서는, 포지티브 스톱은, 움직임 가능한 피가공물에 대해 포지티브 스톱의 실시간 또는 동적인 위치결정을 가능하게 하도록, 조절될 수 있다. 또한, 상술한 도 1 내지 도 3c의 실시예는 유사한 방식으로 피가공물의 이동을 보상할 수 있다. 예컨대, 포지티브 스톱(18, 22)의 위치를 조절함으로써, 피가공물의 변경된 위치에 대응하도록, 소정의 움직임 범위의 위치는 변경될 수 있다.
움직임 가능한 피가공물을 포함하는 본 발명의 일 적용예로, 관절 교체와 같이, 뼈의 절단과 절삭을 수반하는 외과 수술이 있다. 도 7을 참조하면, 무릎 관절 교체 수술용 수술용 시스템(100)이 도시되어 있다. 피가공물(즉, 대퇴골(F) 및/또는 경골(T))의 움직임을 검출하기 위해, 수술용 시스템(100)은, 대상물의 움직임을 검출하기 위해 외과 수술이 진행되는 동안, 1개 이상의 대상물을 추적하도록 구성되는 추적 시스템(118)을 포함한다. 추적 시스템(118)은 검출 장치(120)를 포함하며, 이 검출 장치(120)는 검출 장치(120)의 좌표축에 대해 대상물의 자세(즉, 위치 및 방향)를 검출한다. 대상물이 좌표축 내에서 움직일 때, 검출 장치(120)는 대상물을 추적한다. 대상물의 자세 변화는 대상물이 움직였음을 나타낸다. 이에 대응하여, 컴퓨팅 시스템(102)이 플랫폼(116) 상에 설치된 햅틱 장치(예컨대, 로봇 팔)(112)용 파라미터를 제어하도록 적절하게 조절될 수 있다. 예를 들면, 해부학적 구조(예컨대, 대퇴골(F) 및 경골(T))가 움직일 때, 컴퓨팅 시스템(102)은 해부학적 구조에 일치되는 가상의 햅틱 대상물(예컨대, 가상의 절단 바운더리)에 대응하여 조절될 수 있다. 이처럼, 가상의 절단 바운더리는 해부학적 구조와 함께 움직인다. 가상의 절단 바운더리가 움직일 때, 예컨대 상술한 바에 따라서 본 발명의 실시예의 포지티브 스톱의 위치는 조절될 수 있다. 컴퓨팅 시스템(102)은 수술용 시스템(100)의 조작 및 제어를 위해 하드웨어와 소프트웨어를 포함하며, 컴퓨터(104), 컴퓨터(114), 디스플레이 장치(106), 입력 장치(108), 및 카트(110)를 포함할 수 있다. 컴퓨터(114)는, 햅틱 장치(112)가 추적 시스템(118)으로부터 출력된 데이터를 이용할 수 있도록 하는 햅틱 제어 유틸리티 및 프로그램을 포함한다.
추적 시스템(118)은, 수술용 시스템(100)이 환자의 해부학적 구조의 자세 및 도구(124)(및/또는 햅틱 장치(112))의 자세를 계속해서 측정(또는 추적)할 수 있도록 하는 임의의 추적 시스템일 수 있다. 예컨대, 추적 시스템(118)은 수술 환경에서 사용하기에 적합한 비기계적 추적 시스템, 기계적 추적 시스템, 또는 이들 추적 시스템들의 임의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 추적 시스템(118)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 비기계적 추적 시스템을 포함한다. 상기 비기계적 추적 시스템은 광학 추적 시스템이며, 검출 장치(120) 및 추적가능한 요소(즉, 추적 장치)를 포함하고, 추적된 대상물(대응하는 해부학적 구조 등) 상에 배치되도록 되어 있어, 상기 검출 장치(120)에 의해 검출될 수 있다. 일 실시예에서는, 검출 장치(120)는 마이크론 단위의 추적 장치 등의 가시광 기반 검출기를 포함하여, 추적 요소의 패턴(예컨대, 체커보드 패턴(checkerboard pattern))을 검출한다. 또 다른 실시예에서는, 검출 장치(120)는, 적외선에 민감하고, 수술을 진행할 수술실 내에 배치될 수 있는 스테레오 카메라 쌍을 포함한다. 추적 장치는 추적 대상물에 고정식으로 안전하게 부착될 수 있으며, 추적 대상물에 대한 공지된 기하학적 관계를 갖는 마커(makers)의 배열(예컨대, 도 8에 도시된 배열(S1))을 포함한다. 잘 알려진 바와 같이, 마커는 능동형(예컨대, 발광소자(LEDs)) 또는 수동형(예컨대, 반사구, 체커보드 패턴 등)일 수 있으며, 능동형인 경우에는, 단일의 구조(예컨대, 마커의 단일의 기하학적 배열), 즉 단일의 발화 패턴(unique firing pattern)인 유선 마커를 갖는다. 작동함에 있어, 검출 장치(120)는 마커의 위치를 검출하고, 수술용 시스템(예컨대, 내장된 전자기기를 이용한 검출 장치(100))은 마커 위치에 따른 추적 대상물의 자세를 측정한다. 추적 시스템(118)은 사용자가 추적하기를 원하는 각각의 대상물에 대한 추적 장치를 포함하는데, 이 추적 장치에는, 해부학적 구조의 추적 장치(122)(환자의 해부학적 구조 추적용), 햅틱 장치의 추적 장치(햅틱 장치(112)의 전역 또는 전체 위치 추적용), 말단 작동체의 추적 장치(햅틱 장치(112)의 원위 단부 추적용), 및 기구의 추적 장치(사용자의 직접 지지 기구 추적용)가 있다.
일 실시예에서는, 해부학적 구조의 추적 장치(122)가 환자의 해부학적 구조 상에 배치되어, 이 해부학적 구조를 검출 장치(120)에 의해 추적할 수 있다. 해부학적 구조의 추적 장치(122)는 해부학적 구조에 고정하기 위한 고정 장치를 포함하며, 이 고정 장치로는, 골핀(bone pin), 수술용 스테플(surgical staple), 나사, 클램프, 골수내 로드(intramedullary rod) 등이 있다. 일 실시예에서는, 해부학적 구조의 추적 장치(122)는, 환자의 대퇴골(F) 및 경골(T)를 추적하기 위해, 관절 교체 수술 동안 사용하도록 되어있다. 본 실시예에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 해부학적 구조의 추적 장치(122)는 대퇴골(F) 상에 배치되어 있는 제1 추적 장치(122a) 및 경골(T) 상에 배치되어 있는 제2 추적 장치(122b)를 포함한다. 도 8에 도시되는 바와 같이, 제1 추적 장치(122a)는 골핀(P), 클램프(126), 및 마커(예컨대, 반사구)의 단일 배열(S1)을 포함한다. 제2 추적 장치(122b)는 경골(T) 상에 설치되고, 그 자체의 단일 배열의 마커를 가지는 것을 제외하고는, 제1 추적 장치(122a)와 동일하다. 환자에게 설치되면, 제1 및 제2 추적 장치(122a, 122b)는 검출 장치(120)가 대퇴골(F) 및 경골(T)의 위치를 추적할 수 있게 한다. 전체로서 본 명세서에 참조로 원용되는, 2007년 5월 18일에 출원된, "Method and Apparatus for Controlling a Haptic Device"을 발명의 명칭으로 하는 미국 특허출원 제11/750,840호에는, 도 7 및 도 8에 도시된 장치에 관한 추가의 세부구성이 제공되어 있다. 또한, 상술한 미국 특허출원 제11/750,840호의 단락[0063]-[0081]에서 는, 수술하는 동안, 수술 장치의 조작을 중단하지 않고, 대상물(환자, 수술 도구, 로봇)의 움직임에 대해 보상하는 기술에 관한 세부 구성이 제공되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 햅틱 의료적 적용예에 대하여 본 발명의 실시예를 기술하였지만, 본 발명은 움직임 가능한 포지티브 스톱을 다른 적용예에 제공하는데 이용될 수 있다.
확실한 예시적인 실시예에 대하여 본 발명을 기술하였지만, 본 발명은 제한적이지 않으므로, 이하에서 주장되는 본 발명의 범위 내에서 예시적인 실시예에 대한 다양한 추가, 삭제, 변경이 이루어질 수 있음을 통상의 당업자들은 쉽게 이해하고 인지할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (22)

  1. 말단 작동체를 위한 기계적인 위치 결정장치; 및
    상기 기계적인 위치 결정장치의 이동을 제한하여, 소정의 움직임 범위를 벗어나 상기 말단 작동체를 조작하려는 사용자의 능력을 제한하도록 구동 장치에 의해 제어될 수 있는 제1 및 제2 스톱
    을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 스톱은, 상기 소정의 움직임 범위 내에서의 상기 말단 작동체의 이동을 하용하도록, 상기 구동 장치에 의해 제어될 수 있는,
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동 장치는 상기 기계적인 위치 결정장치의 이동에 응답하여 상기 제1 스톱과 상기 제2 스톱 중 하나 이상을 조절하도록 제어할 수 있는, 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동 장치는 피가공물의 이동에 응답하여 상기 제1 스톱과 상기 제2 스톱 중 하나 이상을 조절하도록 제어할 수 있는, 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동 장치는 상기 소정의 움직임 범위의 적어도 일부를 조절하기 위해 상기 제1 스톱과 상기 제2 스톱 중 하나 이상을 조절하도록 제어할 수 있는, 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스톱은 제1 작동기에 의해 움직일 수 있고, 상기 제2 스톱은 제2 작동기에 의해 움직일 수 있는, 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    근위 링크(proximal link);
    원위 링크(distal link); 및
    상기 근위 링크와 상기 원위 링크의 상대 위치를 제어하기 위한 조인트 조립체
    를 추가로 포함하고,
    상기 조인트 조립체는
    가동 연결 조인트, 및
    수동형 연결 조인트를 포함하며,
    상기 가동 연결 조인트 및 상기 수동형 연결 조인트는 함께, 상기 제1 스톱, 상기 제2 스톱 및 상기 기계적인 위치 결정장치를 포함하고,
    소정의 움직임 범위 내에서, 상기 수동형 연결 조인트는 자유롭게 움직여, 상기 말단 작동체의 자유로운 움직임을 가능케하며,
    소정의 움직임 범위를 벗어나면, 상기 수동형 연결 조인트는 상기 제1 스톱과 상기 제2 스톱 중 하나 이상에 의해 움직임이 제한되는, 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 조인트 조립체는, 상기 가동 연결 조인트와 상기 수동형 연결 조인트 사이에 상대 직선 운동을 가능케 하는 프리즈메틱 조인트 조립체(prismatic joint assembly)를 형성하는, 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 조인트 조립체는, 상기 가동 연결 조인트와 상기 수동형 연결 조인트 사이에 상대 회전 운동을 가능케 하는 회전 조인트 조립체(revolute joint assembly)를 형성하는, 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스톱과 상기 제2 스톱 사이의 간격이 조절될 수 있는, 장치.
  10. 공간 내에서 말단 작동체의 이동을 제한하기 위한 방법에 있어서,
    말단 작동체가, 공간 내의 소정의 위치로부터, 소정의 제1 값보다 더 큰 간격으로 떨어져 위치될 때, 연결 조인트를 자유롭게 움직일 수 있도록 하는 단계;
    상기 말단 작동체가, 공간 내의 상기 소정의 위치로부터, 소정의 상기 제1 값 이하이면서, 소정의 제2 값보다는 큰 간격으로 떨어져 위치될 때, 제1 및 제2 스톱에 의해 정해진 소정의 움직임 범위 내에서 상기 연결 조인트를 자유롭게 움직일 수 있도록 하는 단계; 및
    상기 말단 작동체가, 공간 내의 상기 소정의 위치로부터, 대략 소정의 상기 제2 값 이하의 간격으로 떨어져 위치될 때, 상기 제1 스톱 및 상기 제2 스톱 중 하나에 의해 상기 연결 조인트가 특정 방향으로 움직이는 것을 제한하여, 공간 내의 상기 말단 작동체의 이동을 제한하는 단계
    를 포함하는,
    말단 작동체의 이동 제한 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    피가공물 이동에 응답하여 상기 제1 스톱과 상기 제2 스톱 중 하나 이상을 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 말단 작동체의 이동 제한 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    공간 내의 상기 제1 스톱과 상기 제2 스톱 중 하나 이상의 위치를 설정하는 단계를 추가로 포함하는, 말단 작동체의 이동 제한 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 연결 조인트는 기계적인 위치 결정장치를 포함하고, 상기 방법은 상기 기계적인 위치 결정장치의 이동을 추적하는 단계와, 상기 기계적인 위치 결정장치의 상기 이동에 응답하여 상기 제1 스톱과 상기 제2 스톱 중 하나 이상을 위치결정하는 단계를 추가로 포함하는, 말단 작동체의 이동 제한 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    햅틱 상호작용점(haptic interaction point, HIP)이 공간 내의 상기 소정의 위치로부터 소정의 상기 제1 값보다 큰 간격으로 떨어져 위치될 때, 상기 제1 스톱과 상기 제2 스톱의 위치 결정은 상기 기계적인 위치 결정장치로 일정 간격을 유지하며,
    상기 햅틱 상호작용점이 공간 내의 상기 소정의 위치로부터 소정의 상기 제1 값 이하의 간격으로 떨어져 위치될 때, 상기 제1 스톱 및 상기 제2 스톱은 정지된 상태를 유지하는,
    말단 작동체의 이동 제한 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    피가공물의 자세를 결정하는 단계;
    상기 말단 작동체의 자세를 결정하는 단계;
    상기 피가공물의 자세와, 상기 말단 작동체의 자세, 방향, 속도 및 가속도 중의 하나 이상과의 관계를 규정하는 단계;
    상기 피가공물의 자세, 상기 말단 작동체의 자세, 및 상기 관계를 연계시키 는 단계; 및
    사용하는 동안 상기 말단 작동체의 조작을 중단하지 않고, 상기 피가공물의 이동과 상기 말단 작동체의 이동 중 하나 이상의 이동에 응답하여 상기 연계를 업데이트하는 단계
    를 추가로 포함하는, 말단 작동체의 이동 제한 방법.
  16. 말단 작동체;
    베이스; 및
    포지티브 스톱 장치를 구비한 로봇 팔
    을 포함하고,
    상기 포지티브 스톱 장치는
    근위 링크,
    원위 링크, 및
    상기 두 링크의 상대 위치를 제어하기 위한 조인트 조립체를 포함하며,
    상기 조인트 조립체는
    한쌍의 스톱을 포함하는 가동 연결 조인트; 및
    상기 스톱 사이에 위치된 기계적인 위치 결정장치를 포함하는 수동형 연결 조인트를 포함하는, 로봇.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 베이스와 상기 말단 작동체는 일련의 조인트 및 링크 조립체에 의해 연결되는, 로봇.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 조인트 조립체에 연결되는 구동 장치를 추가로 포함하고,
    상기 구동 장치는, 상기 기계적인 위치 결정장치의 이동을 제한하여, 소정의 움직임 범위를 벗어나 상기 말단 작동체를 조작하려는 사용자의 능력을 제한하도록 한 쌍의 스톱을 제어하며, 소정의 움직임 범위 내에서의 상기 말단 작동체의 이동을 허용하도록 상기 한 쌍의 스톱을 이동시키는, 로봇.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 말단 작동체가 공간 내의 소정의 위치로부터 소정의 제1 값보다 큰 간격으로 떨어져 위치될 때, 상기 수동형 연결 조인트는 자유롭게 움직이고,
    상기 말단 작동체가 공간 내의 상기 소정의 위치로부터, 소정의 상기 제1 값 이하이면서, 소정의 제2 값보다 큰 간격으로 위치될 때, 상기 수동형 연결 조인트는 상기 한쌍의 스톱에 의해 정해진 간격 내에서 자유롭게 움직이며,
    상기 말단 작동체가, 공간 내의 상기 소정의 위치로부터, 소정의 상기 제2 값과 대략 같거나 작은 간격으로 떨어져 위치될 때, 상기 수동형 연결 조인트는 상기 한쌍의 스톱 중 하나에 의해 특정 방향으로의 움직임이 제한되는, 로봇.
  20. 제16항에 있어서,
    피가공물의 이동에 응답하여 상기 제1 스톱 또는 상기 제2 스톱 중 하나 이상을 조절하도록 되어 있는 구동 장치를 추가로 포함하는, 로봇.
  21. 제16항에 있어서,
    컴퓨팅 시스템을 추가로 포함하며,
    상기 컴퓨팅 시스템은,
    피가공물의 자세를 결정하고;
    상기 말단 작동체의 자세를 결정하며;
    상기 피가공물의 상기 자세와, 상기 말단 작동체의 위치, 방향, 속도 및 가속도 중의 하나 이상과의 관계를 규정하고;
    상기 피가공물의 자세, 상기 말단 작동체의 자세, 및 상기 관계를 연계시키며; 및
    사용하는 동안 상기 말단 작동체의 조작을 중단시키지 않고, 상기 피가공물의 이동 및 상기 말단 작동체의 이동 중 하나 이상에 응답하여 상기 연계를 업데이트하도록 프로그램된,
    로봇.
  22. 말단 작동체를 위한 기계적인 위치 결정장치; 및
    상기 기계적인 위치 결정장치의 이동을 제한하여, 피가공물의 금지된 부분으 로 상기 말단 작동체를 조작하려는 사용자의 능력을 제한하도록 구동 장치에 의해 제어될 수 있는 제1 및 제2 스톱
    을 포함하며,
    상기 제1 스톱 및 상기 제2 스톱은, 상기 피가공물의 원하는 부분 내에서의 상기 말단 작동체의 이동을 허용하도록 상기 구동 장치에 의해 제어될 수 있는,
    장치.
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