KR20130094701A

KR20130094701A - 위치 측정을 제공하는 의료 기구에서의 구동력 제어

Info

Publication number: KR20130094701A
Application number: KR1020127029355A
Authority: KR
Inventors: 쥐세페 마리아 프리스코; 사무엘 궉 웨이 오
Original assignee: 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2013-08-26
Also published as: US20110282491A1; JP2013528066A; CN102892373B; KR101806385B1; CN102892373A; WO2011143069A1; US8644988B2; JP5936607B2; EP2568910B1; EP2568910A1

Abstract

원격 조인트를 위한 제어 시스템 및 방법은 위치 측정을 이용해서 가동장치가 연결장치를 통해 조인트에 적용하는 힘을 결정하고 제어한다. 힘과 피드백의 사용은 조인트와 근위 가동장치 사이에 무시할 수 없는 순응성을 제공하는 연결장치를 가진 의료 기구의 제어를 허용하며, 특히 원위 조인트의 위치가 근위 모터 위치와 직접 관련될 수 없을 때도 정확한 기구 작동을 허용한다.

Description

위치 측정을 제공하는 의료 기구에서의 구동력 제어{DRIVE FORCE CONTROL IN MEDICAL INSTRUMENT PROVIDING POSITION MEASUREMENTS}

최소 침습 의료 과정은 주로 컴퓨터의 도움을 받거나 컴퓨터 인터페이스를 통해서 제어되는 기구들을 사용한다. 도 1은 어떤 현재 로봇 방식 제어되는 의료 기구들의 기본적 작동 원리를 예시하도록 단순화된 구조를 가진 로봇 방식 제어 기구(100)를 예를 들어 도시한다. (본원에서 사용된 용어 "로봇" 또는 "로봇 방식" 등은 원격조작 또는 원격로봇 양태를 포함한다.) 기구(100)는 기다란 샤프트 또는 메인 튜브(120)의 원단부에 도구 또는 단부 작동기(110)를 포함한다. 예시된 예에서 단부 작동기(110)는 분리된 턱(112 및 114)을 가진 겸자 또는 가위와 같은 턱이 있는 도구이며, 적어도 하나의 턱(112)이 움직여서 턱(114)에 대해 열리거나 닫힐 수 있다. 의료 과정에서 사용하는 중에 메인 튜브(120)의 원단부에 있는 단부 작동기(110)는 환자의 작은 절개부를 통해 삽입되어 환자 몸안의 작업 부위에 위치될 수 있다. 다음에, 턱(112)이 예를 들어 수술 작업을 수행하는 동안 열리고 닫힐 수 있으며, 따라서 단지 원하는 움직임만을 수행하기 위해서는 정확히 제어되어야 한다. 실제 의료 기구는 일반적으로 의료 과정을 수행하려면 턱(112 및 114)의 개폐에 더해서 움직임에 있어서 많은 자유도를 필요로 할 것이다.

메인 튜브(120)의 근단부는 백엔드 메커니즘(130)이라고도 하는 트랜스미션 또는 구동 메커니즘(130)에 부착된다. 스트랜드형 케이블, 로드, 튜브 또는 이러한 구조들의 조합일 수 있는 텐던(122 및 124)이 백엔드 메커니즘(13)으로부터 메인 튜브(120)를 통해 이어져 단부 작동기(110)에 부착된다. 전형적인 수술 기구는 또한 백엔드 메커니즘(130)과 단부 작동기(110)의 다른 피가동 부재 또는 조인트, 리스트 메커니즘(미도시), 또는 심지어 메인 튜브(120)의 피가동 척추구조를 연결하는 추가의 텐던(미도시)을 포함할 수 있으며, 이로써 백엔드 메커니즘(130)은 텐던들을 조작해서 단부 작동기(110) 및/또는 기구(100)의 다른 피가동 요소들을 작동시킬 수 있다. 도 1은 턱(112)의 움직임에 단일 자유도를 제공하는 핀 조인트 구조(116)을 가진 턱(112)을 예시한다. 2개의 텐던(122 및 124)이 턱(112)과 백엔드 메커니즘(130)의 도르래(132)에 부착되고, 이로써 도르래(132)의 회전에 의해서 턱(112)이 회전된다.

도르래(132)는 기계적 암(미도시)의 단부에 있을 수 있는 구동 모터(140)에 부착되고, 제어 시스템(150)이 구동 모터(140)를 전기적으로 제어한다. 제어 시스템(150)은 일반적으로 적합한 소프트웨어, 펌웨어 및 주변 하드웨어와 함께 컴퓨팅 시스템을 포함한다. 다른 기능들 중에서도 특히 제어 시스템(150)은 의사나 다른 시스템 오퍼레이터에게 작업 부위와 단부 작동기(110)의 영상(예를 들어, 입체 화면)을 제공하는 인터페이스를 실행할 수 있으며, 이 인터페이스는 또한 의사가 조작하여 단부 작동기(110)의 움직임을 제어할 수 있는 제어 장치를 제공한다. 제어 장치의 사용자 조작의 해석과 턱(112)의 상응하는 움직임을 일으키는 모터 신호의 생성을 위해 필요한 소프트웨어 또는 펌웨어는 일반적으로 실제 로봇 의료 기구에서는 복잡하다. 제어 작업의 한 부분을 고려하면, 구동 모터(140)를 위한 제어 신호의 생성은 통상 턱(112)의 각도 또는 위치와 구동 모터(140) 또는 백엔드 메커니즘(130)의 도르래(132)의 각도 또는 위치 사이의 관계를 이용한다. 만일 텐던(122 및 124)이 극도로 강성이라면(예를 들어, 텐던의 신축을 무시할 수 있다면), 제어 시스템(150)은 의사의 지시에 따라 턱(112)을 움직이는데 필요한 제어 신호를 결정하는데 있어서 기구(110)의 기하구조에 의해서 정의되는 구동 모터(140)의 각도 위치와 턱(112)의 각도 위치 간의 직접적인 관계를 사용할 수 있다. 예를 들어, 작업 하중 하에서 텐던(122 및 124)의 미미한 신축은 모터 위치와 작동기 위치를 관련시키는 어떤 수학적 모델에 의해서 다뤄질 수 있다. 그러나, 만일 단부 작동기(110), 텐던(122 및 124) 및 백엔드 메커니즘(130)을 포함하는 기계 구조가 높은 순응도를 가진다면, 모터(140)(또는 도르래(132)의 각도 위치와 턱(112)의 각도 위치 사이의 관계는 정확히 모델링하기 어렵거나 불가능할 수 있다. 따라서, 이러한 시스템은 적용된 가동장치 제어 신호와 피가동 요소의 위치 사이의 고정된 관계에 의존하지 않는 제어 과정을 필요로 한다.

본 발명의 한 양태에 따라서, 제어 시스템 및 방법은 원위 위치 피드백을 사용하여 하나 이상의 근위 가동장치가 기계적 연결장치를 통해 조인트에 적용하는 힘을 결정하고 제어한다. 힘 제어 및 원위 피드백의 사용은 조인트와 근위 가동장치 간에 무시할 수 없는 순응성을 가진 기계적 연결장치를 가진 의료 기구의 로봇 제어를 허용하며, 특히 원위 조인트의 위치가 근위 모터 위치로부터 직접 추론될 수 없을 때에도 정확한 기구 작동을 허용한다. 추가로, 힘 제어의 사용은 또한 의료 기구에서 원격 조인트의 능동적 제어를 허용하여 원하는 조인트 강성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 조인트의 강성은 조직을 조작하는 것과 같은 의료 기능을 달성하는데 필요한 범위 내에서 유지될 수 있거나, 또는 작은 내강으로 기구를 삽입할 때는 주변 조직의 손상을 피하기 위해서 더 순응성일 수 있다. 또한, 힘 제어 및 원위 피드백의 사용을 통해서 제어 시스템은 가동장치의 위치에 독립적으로 의료 기구의 원격 조인트의 위치 제어와 강성 제어를 모두 제공할 수 있다.

본 발명의 한 특정 구체예는 가동장치, 조인트; 연결장치, 센서 및 제어 시스템을 포함하는 의료 시스템이다. 연결장치는 조인트에 부착된 제1 단부와 가동장치에 기계적으로 연결된 제2 단부를 가지며, 가동장치는 힘을 전달하여 조인트의 관절화를 가능하게 한다. 센서는 조인트의 위치를 측정하기 위해 연결되고, 제어 시스템은 위치 측정을 수신하기 위해 연결된다. 제어 시스템은 위치 측정을 이용해서 가동장치로부터 연결장치로 전달된 가동장치 힘을 어느 정도 조절해야 하는지 결정한다.

본 발명의 또 다른 특정 구체예는 의료 기구의 조인트를 제어하는 방법이다. 이 방법은 일반적으로 조인트의 위치를 측정하는 단계, 조인트의 바람직한 위치를 지시하는 명령을 수신하는 단계, 가동장치의 위치와는 무관하게 측정된 위치와 조인트의 원하는 위치에 따라서 가동장치 힘을 결정하는 단계, 및 가동장치를 작동시켜 가동장치 힘을 조인트에 연결된 연결장치에 적용하는 단계를 포함한다. 가동장치 힘을 결정하는 것을 위치 조인트와 조인트의 원하는 위치에 따른 함수의 값을 계산하는 것을 포함할 수 있다.

도 1은 공지된 로봇 제어 의료 기구의 특징을 예시한다.
도 2는 본 발명의 구체예에 따른 힘 제어 과정이 순응성 구동과 함께 사용될 수 있는 의료 기구의 블록 다이어그램이다.
도 3a는 본 발명의 구체예에 따른 제어 과정이 최소 및 최대 힘 전달을 가진 구동 연결장치와 함께 적용될 수 있는 의료 기구의 블록 다이어그램이다.
도 3b는 제어된 조인트가 연속 가요성 구조인 본 발명의 구체예를 도시한다.
도 4는 로봇 의료 시스템을 도식적으로 예시하며, 특히 순응성 기계적 링크를 통해 가동장치에 연결된 원격 조인트이 제어에 사용된 양들을 도시한다.
도 5는 본 발명의 구체예에 따른 제어 과정의 순서도이다.
도 6은 가동장치 속도와 조인트 속도의 차이와 관련된 장력 기여분을 결정하기 위한 과정의 순서도이다.
도 7은 동일한 조인트를 조작하는 두 가동장치의 속도 차이와 관련된 장력 기여분을 결정하기 위한 과정의 순서도이다.
도 8은 최대 및 최소 적용된 장력을 제어하는 힘 기능을 예시한다.
상이한 도면에서 동일한 참조 기호의 사용은 유사한 또는 동일한 항목을 나타낸다.

본 발명의 한 양태에 따라서, 의료 기구의 원격 조인트는 가동장치 위치와 조인트 위치 간에 고정된 관계를 제공하지 않는 연결장치를 통해서 제어될 수 있다. 특히, 시스템 오퍼레이터(예를 들어, 의사)의 행위가 원격 조인트의 현재 바람직한 위치 및 속도를 나타낼 수 있으며, 그동안 센서는 원격 조인트의 실제 위치를 측정한다. 다음에, 힘, 장력 또는 토크가 원하는 위치와 측정된 위치를 사용해서 계산되고, 연결장치를 통해 적용되어 원격 조인트를 그것의 실제 위치로부터 그것의 원하는 위치를 향해 움직일 수 있다. (일반적으로, 의료 기구에서 힘 또는 장력은 고정된 요인, 즉 기구의 기계적 또는 기하구조적 특성에 의해서 설정되는 모멘트 암에 의해서 한정되는 비례도를 가진 토크에 비례하며, 이로써 힘, 장력, 또는 토크 중 어느 하나의 계산은 나머지 두 가지의 값을 나타낼 것이다.) 가동장치가 적용하는 힘의 계산은 만일 적용된 힘의 사전 계산이 조인트 오버슈팅 또는 원하는 위치에 도달하지 못하는 결과를 가져왔다면 보정되거나 개정될 수 있다.

도 2는 본원에 전체가 참고자료로 포함되는 미국 특허출원 제12/494,797호, 발명의 명칭 "Compliant Surgical Device"에 설명된 것과 같은 구동 연결장치를 가진 순응성 의료 기구(200)의 일부분을 예시한다. 기구(200)는 텐던(222 및 224)에서 각 장력의 제어를 통해 조작되는 조인트형 요소(210)를 포함한다. 일반적으로, 기구(200)는 조인트형 요소(210)과 유사한 많은 기계적 조인트를 함유할 수 있으며, 각 조인트는 텐던(222 및 224)과 유사한 텐던을 사용해서 제어될 수 있다. 예시적인 구체예에서, 기구(200)는 환자 몸안의 자연 내강을 좇아서 조작될 수 있는 진입 가이드이다. 진입 가이드는 전형적으로 척추구조(요소(210)를 포함하는)를 둘러싼 가요성 외부 덮개(미도시)를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 중앙 내강을 제공함으로써 이것을 통해서 다른 의료 기구들이 삽입되어 작업 부위에 접근될 수 있다. 순응성은 특히 진입 가이드에서 바람직한데, 진입 가이드의 작용 또는 반작용이 진입 가이드가 맞닿은 채로 압박하거나 이동할 수 있는 주변 조직에 상해를 입히는 것을 방지하기 위해서이다. 그러나, 의료 기구의 다른 타입들도 역시 도 2에 예시된 타입의 순응성 구동 메커니즘에서 이점을 얻을 수 있다.

기구(200)는 텐던(222 및 224)과 함께 조인트형 요소(210)와 연결한 순응성 연결장치를 제공하는 백엔드 메커니즘(230)을 포함하며, 이것은 모터(242 및 244)를 구동시킬 수 있다. 특히, 백엔드 메커니즘(230)은 텐던(222 및 224)과 구동 모터(242 및 244)에 부착된 스프링 시스템(235)을 포함한다. 도 2에서 각 스프링 시스템(235)은 기계적 구동 시스템(232)과 일정 힘 스프링(234)을 포함한다. 각 구동 시스템(232)은 모터(242 또는 244)를 연결하고, 구동 모터(242 또는 244)의 회전 동작을 선형 동작으로 전환하여 관련된 일정 힘 스프링(234)에 의해 적용되는 일정한 힘을 텐던(222 또는 224)으로 바꾼다. 예시된 구체예에서, 각 일정 힘 스프링(234)은 종래의 후크 법칙 스프링(236)과 캠(238)을 포함한다. 각 스프링(236)은 관련된 구동 시스템(232)과 연결되고, 이로써 구동 시스템(232)의 선형 동작이 스프링(236)의 근단부를 이동시킨다. 각 캠(238)은 제1 가이드 표면을 가지며, 그 위에 관련된 스프링(236)의 원단부에 부착된 케이블(237)이 놓여 부착되고, 제2 가이드 표면도 가지며, 그 위에 텐던(222 또는 224)의 일부분이 놓여 부착된다. 각 캠(238)의 가이드 표면은 일반적으로 부착된 케이블(237)과 부착된 텐던(222 또는 224)의 작용을 위한 상이한 모멘트 암을 제공하며, 텐던(220 또는 224)의 길이가 풀리거나 견인됨에 따라 부착된 스프링(236)에 의해 적용된 힘이 변할 때 텐던(222 또는 224)에서 장력이 일정하게 유지될 수 있는 모양을 가진다. 각 캠(238)의 각 표면은 하나 이상의 회전수를 위한 연장된 나선형 표면일 수 있으며, 이로써 텐던(222 또는 224)에서 일정한 장력을 유지하면서 텐던(222 및 224)의 움직임의 바람직한 범위를 제공할 수 있다.

각 구동 시스템(232)은 상응하는 스프링(236)의 근단부의 위치를 제어하고, 이로써 상응하는 스프링(236)에서 베이스라인 신축량과 부착된 텐던(222 또는 224)의 장력에 영향을 미친다. 작동중에 만일 스프링 시스템(235)의 구동 시스템(232)이 부착된 스프링(236)을 당긴다면 스프링(236)은 신축하기 시작하고, 만일 스프링 시스템(235)에 부착된 텐던(222 및 224)과 요소(210)가 고정되어 유지된다면 스프링(236)이 캠(238)에 적용하는 힘이 증가하여 부착된 케이블(222 또는 224)에서 장력이 증가한다. 따라서, 텐던(222 및 224)에서 장력은 각 스프링(236)의 근단부의 움직임에 선형(후크 법칙, 캠(238)의 모멘트 암, 및 스프링(236)의 스프링 상수에 따라서) 의존하지만, 각 스프링 시스템(235)은 비대칭으로 거동하며, 즉 텐던(222 또는 224)을 움직이는 외부 힘이나 원위 힘에 반응하여 일정한 힘으로 작용한다. 일정 힘 스프링(234)과 구동 시스템(232)은 대안적으로 상기 참조된 미국 특허출원 제12/494,797호에 더 설명된 것들과 같은 다양한 방식으로 실행될 수 있다.

조인트형 요소(210)는 동작의 단일 자유도를 가지며(예를 들어, 축을 중심으로 한 회전), 일반적으로 구동 모터(242 또는 244)가 구동 시스템(232)을 회전시킬 때 움직여서 부착된 일정 힘 스프링(238)에 의해 적용되는 힘을 바꾼다. 그러나, 이 구동 메커니즘은 순응성이며, 이로써 외부 힘이 구동 시스템(232)의 상응하는 회전 없이 요소(210)를 움직일 수 있다. 결과적으로, 조인트형 요소(210)의 위치 나 배향과 구동 시스템(232) 또는 구동 모터(242) 간에 고정된 관계는 없게 된다. 본 발명의 한 양태에 따라서, 제어 시스템(250)은 센서(260)를 사용해서 요소(210)의 배향을 측정한다. 센서(260)는 예를 들어 형상 센서일 수 있는데, 이것은 요소(210)를 포함하는 기구(200)의 길이를 따라 메인 튜브의 모양을 감지할 수 있다. 형상 센서의 일부 예들은 Larkin 등의 미국 특허출원공개 US 2007/0156019 Al(2006년 7월 20일자 제출), 발명의 명칭 "Robotic Surgery System Including Position Sensors Using Fiber Bragg Gratings", 및 Giuseppe M. Prisco의 미국 특허출원 제12/164,829호(2008년 6월 30일자 제출), 발명의 명칭 "Fiber optic shape sensor"에 설명되며, 이들은 모두 본원에 참고자료로 포함된다. 그러나, 대안으로서 조인트형 요소(210)의 각도 위치를 측정할 수 있는 어떤 센서도 사용될 수 있다. 하기 더 설명된 대로 제어 과정은 조인트형 요소(210)를 조작하는데 필요한 적용된 힘의 계산에 이러한 측정을 이용한다.

기구(200)는 백엔드 메커니즘(230)이 모터 팩에서 분리되었을 때 "역 구동" 능력을 가지며, 일정 힘 스프링(235)은 여전히 텐던(222 및 224)이 느슨해지지 않도록 하고, 기구의 원위 부분은 백엔드 메커니즘(230)을 손상시키거나 텐던(222 또는 224)을 느슨하지 않게 하면서 수동으로 배치(자세 지정)될 수 있다. 이 "역 구동" 능력은 일반적으로 수술 기구, 특히 기구가 제어 시스템(250)에 의해 능동적으로 제어되지 않는 상태에서 기구 삽입 동안 휘거나 조작될 수 있는 가요성 메인 튜브를 가진 기구에 바람직한 특성이다. 예를 들어, 기구(200)는 수동으로 자세 지정될 수 있으며, 메인 샤프트 내의 텐던은 과도한 장력이나 느슨해지는 것을 경험하지 않는다.

의료 기구에서 조인트를 위한 순응성 구동 연결장치의 다른 예가 도 3a에 예시된다. 도 3a는 본원에 전체가 참고자료로 포함되는 미국 특허출원 제12/286,644호, 발명의 명칭 "Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments"에 설명된 대로 기구 작동 동안 구동 모터의 프리휠 또는 구동 텐던의 구동 모터에 대한 슬립을 허용하는 가동 과정을 사용하는 의료 기구(300)의 예시적인 구체예를 도시한다. 의료 기구(300)는 메인 튜브(320)의 단부에 단부 작동기(310)를 가지고, 백엔드 메커니즘(330)이 메인 튜브(320)를 통해서 이어진 텐던(322 및 324)을 조작해서 단부 작동기(310)의 동작 자유도를 제어한다. 예시된 구체예에서, 텐던(322 및 324)은 단부 작동기(310)의 기계적 부재에 부착되며, 이로써 텐던(322 및 324)의 장력은 단부 작동기(310)가 선회 조인트 구조를 중심으로 반대 방향으로 회전하도록 하는 경향을 나타낸다.

도 3a의 조인트 구조는 단지 예일 뿐이며, 한 쌍의 텐던에 적용된 장력에 반응하여 동작의 단일 자유도를 제공하는 다른 조인트 메커니즘들도 본 발명의 대안의 구체예에서 사용될 수 있다. 도 3b는 예를 들어 조인트(310)가 텐던(322 및 324)을 통해 적용된 힘에 반응하여 구부러지거나 휠 수 있는 카테테르의 구간에 해당하는 구체예를 예시한다. 카테테르 조인트는 단순히 텐던(322 및 324)에서의 장력의 차이에 반응하여 휘어지는 플라스틱 재료의 압출물을 포함할 수 있다. 이 구성형태에서 텐던(322 및 324)은 내강을 통해서 카테테르 안으로 연장되어 카테테르의 단부에 부착된다. 따라서, 텐던(322 및 324)의 힘을 사용하여 카테테르를 휠 수 있으며, 예를 들어 삽입하는 동안 카테테르를 조종할 수 있다. 도 3b의 구체예에서, 원위 센서(360)가 카테테르의 원위 부분의 휨 각도를 측정하여 "조인트" 각도와 속도를 측정하거나 컴퓨터로 산출할 수 있다. 도 3b의 카테테르 조인트(310)에 대한 백엔드 및 제어 구조는 측정된 조인트 각도 및 속도가 가동장치 케이블 내강과 원위 가요성 부분의 중심 간 거리의 조작에 의해서 텐던 위치 및 속도로 전환될 수 있다는 것을 제외하고는 도 3a의 구체예와 동일할 수 있다.

메인 튜브(320)의 근단부에 부착된 백엔드 메커니즘(330)은 구동 모터(342 및344)에 의해 적용되는 토크를 각 텐던(322 및 324)에서 장력과 단부 작동기(310)에서 피가동 조인트에 적용되는 힘이나 토크로 전환하는 트랜스미션으로서 작용한다. 예시된 구체예에서, 구동 모터(342 및 344)는 캡스턴(332 및 334)과 직접 연결되고, 그 주위를 각 텐던(322 및 324)이 감싸고 있는 직접 구동 전기 모터일 수 있다. 특히, 텐던(322)은 상응하는 캡스턴(332) 주위를 설정된 래핑 각도(이것은 완전한 턴보다 작거나 또는 하나 이상의 턴만큼 클 수 있다)로 감싸며, 캡스턴(332)에 고정되지 않은 채로 캡스턴(332)으로부터 패시브 프레로드 시스템(333)으로 연장된 단부를 가진다. 유사하게, 텐던(324)은 상응하는 캡스턴(334) 주위를 설정된 래핑 각도로 감싸며, 캡스턴(334)으로부터 패시브 프레로드 시스템(335)로 연장된 단부를 가진다. 텐던(322 및 324)이 캡스턴(332 및 334)에 영구적으로 부착될 필요가 없기 때문에, 텐던(322 및 324)은 캡스턴(332 및 334)에 대해 그리고 캡스턴(332 및 334)에 각기 연결된 구동 모터(342 및 344)의 샤프트에 대해 슬립될 수 있다.

텐던(322 및 324)의 근단부는 각각의 패시브 프레로드 시스템(333 및 335)에 부착되며, 이들은 각각 일정 힘 스프링으로서 함께 작용하는 캠과 후크 법칙 스프링으로서 도 3a에서 실행된다. 패시브 프레로드 시스템(333 및 335)은 편향되며, 이로써 시스템(332 및 334)은 기구(300)의 동작 범위 전체적으로 텐던(322 및 324)에 0이 아닌 힘이나 장력을 적용한다. 이 구성형태에서는 캡스턴(332 및 334)이 자유롭게 회전할 때 패시브 프레로드 시스템(333 및 335)이 텐던(322 및 324)에서 장력을 제어하고, 텐던(322 및 324)을 필요한 길이만큼 감거나 풀어서 텐던(322 및 324)이 느슨해지는 것을 방지한다. 백엔드 메커니즘(330)이 모터(342 및 344)에서 분리되었을 때도 패시브 프레로드 시스템(333 및 335)은 여전히 텐던(322 및 324)이 느슨해지는 것을 방지하고, 단부 작동기(310)와 메인 튜브(320)가 백엔드 메커니즘(330)의 손상이나 텐던(322 또는 324)의 느슨해짐 없이 수동으로 배치될 수 있도록 한다. 따라서, 기구(300)도 역시 도 2의 기구(200)에 대해 상기 설명된 것과 유사한 "역 구동" 능력을 가진다.

단부 작동기(310)는 제어 시스템(350)의 능동적 제어와 사람의 입력(예를 들어, 마스터-종속 서보 제어 시스템에서 마스터 제어 입력) 하에 구동 모터(342 및 344)를 사용하여 작동될 수 있다. 예를 들어, 모터(342)가 텐던(322)을 당기면 모터 토크가 텐던(322)의 원위 부분에 적용되는 장력으로서 전달된다. (캡스턴(332)이 텐던(322)의 근위 부분에 적용할 수 있는 최대 장력은 텐던(322)이 캡스턴(332)에 대해 슬립하기 시작하는 장력에 의존하지만, 일반적으로 실제 사용되는 최대 장력은 텐던(322 및 324)이 캡스턴(332 및 334) 상에서 슬립하는 것을 방지할 수 있도록 선택될 수 있다.) 동시에 모터(344)로의 전원을 껐을 때는 모터(344)와 캡스턴(334)의 프리휠이 가능해지고, 텐던(324)이 패시브 프레로드 시스템(335)이 캡스턴(334)을 통해 텐던(324)의 근단부에 적용하는 일정한 힘인 그것의 최소 장력에서 유지될 수 있다. 다음에, 텐던(322)의 더 큰 장력은 단부 작동기(310)를 도 3a에서 반시계 방향으로 회전시키려는 경향을 나타낸다. 유사하게, 모터(342)로의 전원을 끄고 모터(344)에 전원을 넣어 텐던(324)을 통해 단부 작동기(310)에 힘을 적용하면 단부 작동기(310)가 도 3a에서 시계 방향으로 회전하려는 경향을 나타낸다. 텐던(322 및 324)이 장력 하에 있는 동안의 모터(342 및 344)의 프리휠 능력과 캡스턴(332 및 334) 상에서 텐던(322 및 324)의 슬립의 허용은 제어 시스템(350)이 모터(340)와 단부 작동기(310)의 각도 위치 간의 고정된 관계에 의존하지 않도록 한다. 그러나, 제어 시스템(350)은 센서(360)를 사용하여 텐던(322 및 324)을 통해 가동되는 조인트에 대해 단부 작동기(310)의 각도 위치를 측정할 수 있다.

도 2a 및 3a의 기구에서, 가동장치와 가동되는 조인트 사이의 연결장치는 바람직한, 특히 가요성 메인 튜브를 가진 기구에 바람직한 순응성을 제공한다. 그러나, 순응성을 지닌 연결장치는 또한 더 종래의 기구들에서도 발생할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 공지된 기구는 휘어지는 기구의 구간에는 덮개로 싸인 케이블이나 Bowden 케이블을, 직선 구간에는 로드 요소를 사용할 수 있다. 로드 요소는 가동장치와 조인트 위치의 직접적인 관계를 방해하는 신축을 감소시킬 수 있다. 그러나, 일부 용도에서는 더 가요성 재료의 텐던을 사용하는 것이 바람직할 수 있지만(예를 들어, 전기 절연이나 최소 마찰이 바람직한 경우 폴리머 텐던), 이러한 텐던은 가동장치와 조인트 위치의 직접적인 관계에 따라서는 제어 과정에서 허용 불가능한 양의 신축을 도입할 수 있다. 본 발명의 한 양태에 따라서, 도 2 및 3a의 의료 기구 또는 순응성 연결장치를 가진 다른 기구에서 제어 과정은 기계적 조인트의 위치를 원격 측정하여 기계적 조인트를 구동시키기 위해서 적용되어야 하는 장력을 결정할 수 있다. 도 4는 각도 또는 위치 θ에 상응하는 동작 자유도를 가진 기계적 조인트(410)를 가진 의료 기구(400)의 일반화를 도식적으로 도시한다.

조인트(410)는 일반적으로 의료 기구의 두 구간 간에 동작의 단일 자유도를 제공하는 어떤 기계적 수단일 수 있다. 한 구체예에서, 조인트(410)는 2개의 강성 링크 부재가 조인트 축을 중심으로 회전하도록 하는 회전 메커니즘일 수 있다. 다른 구체예에서, 2개의 강성 링크 사이의 회전은 고정된 축을 중심으로는 일어나지 않는다. 다른 구체예에서, 2개의 강성 링크 사이의 회전은 링크와 이어진 휘어지는 가요성 구간에 의해서 실현된다. 다른 구체예에서, 조인트(410)는 가동 연결장치(420 및 422)에 의해 구부러지는 휨 구간이며, 이로써 카테테르와 같은 연속 가요성 부재의 두 인접한 구간 간의 상대적 각도가 변화된다.

용어 위치는 본원에서 광범하게 사용되며, 데카르트 위치, 각도 위치, 또는 기계 시스템의 자유도의 구성형태에 대한 다른 표시를 포함한다. 센서(미도시)가 원격 조인트(410)에서 위치 θ를 측정하고, 측정된 위치 θ를 예를 들어 기구(400)의 원단부에 있는 센서로부터 기구(400)의 메인 튜브(미도시)를 통해 기구의 근단부에 있는 제어 시스템(450)까지 연장된 단일 와이어(미도시)를 통해서 제어 시스템(450)에 제공한다. 센서는 조인트(410)의 움직임에 대한 속도

를 추가로 측정할 수 있거나, 또는 속도

는 위치 θ의 둘 이상의 측정치로부터 추론될 수 있다.

조인트(410)는 순응성 연결장치(420)를 통해 가동장치(440)에 연결되며, 이로써 조인트(410)는 가동장치로부터 원격 위치되는데, 예를 들어 조인트(410)는 가동장치(440)가 기구의 근단부에 있는 동안 기구의 원단부에 있을 수 있다. 예시된 구체예에서, 순응성 연결장치(420)는 조인트(410)를 연결하며, 가동장치(440)에 의해서 연결장치(420)에 적용되는 장력 T는 시계 방향으로 조인트(410)를 회전시키려는 경향을 나타낸다. 그러나, 연결장치(420)가 너무 순응성이어서(그럴 필요는 없지만) 조인트(410) 위치와 가동장치(440) 위치 간의 직접적인 관계가 조인트(410)의 제어를 위해 충분히 정확하지 않을 수 있다. 예를 들어, 연결장치(420)는 신축될 수 있으며, 이로써 연결장치(420)에 적용된 장력 T의 최소와 최대 사이에서 연결장치(420)의 유효 길이의 차이는 45°의 조인트 관절화에 해당할 수 있다. 반면에, 전형적인 의료 장치는 몇 도 이하의 조인트 관절화에 해당하는 신축을 허용하며, 이로써 가동장치 위치에 기초하여 조인트의 위치를 정확히 모델링할 수 있다. 일반적인 사례에서 순응성은 스프링 구조의 단순한 후크 법칙 신축에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 순응성 연결장치(420)는 예를 들어 도 2의 구체예에서 텐던(222)과 백엔드 메커니즘(230)의 적어도 일부분을 포함할 수 있거나, 또는 도 3a의 구체예에서 텐던(322)과 백엔드 메커니즘(330)의 적어도 일부분을 포함할 수 있다. 일반적으로, 연결장치(420)의 길이를 따라 연결장치(420)의 근단부에서 적용되는 장력 T와 조인트(410)에 적용되는 외부 힘에 대한 연결장치(420)의 반응은 모델링하기 어려울 수 있다.

도 2 또는 3a의 구동 모터(242 또는 342)를 포함할 수 있는 가동장치(440)는 연결장치(420)의 근단부에 장력 T을 적용하고, 연결장치(420)를 통해 조인트(410)에 힘 또는 토크를 적용하지만, 다른 힘과 토크도 또한 조인트(410)에 적용된다. 특히, 하나 이상의 다른 연결장치(420)가 조인트(410)에 연결될 수 있으며, 조인트(410)를 회전시키려는 경향을 나타내는 순 장력 또는 힘을 총체적으로 적용한다. 도 4의 예시된 구체예에서, 단일 연결장치(422)가 조인트(410)와 구동 모터(442)에 연결되고, 이로써 연결장치(422)의 장력이 적용된 장력 T에 반대하여 도 4에서 반시계 방향으로 조인트(410)를 회전시키려는 경향을 나타낸다. 추가 연결장치(422) 또는 연결장치들은 연결장치(422)가 조인트(410)와 연결되는 장소의 차이를 제외하면 연결장치(420)와 동일할 수 있다.

제어 시스템(450)은 프로그램이나 유선 회로를 실행하여 가동장치(440)가 순응성 연결장치(420)에 적용하는 장력 T를 제어하는 구동 신호를 생성할 수 있는 다목적 컴퓨터일 수 있다. 가동장치(440)가 전기 모터일 경우, 구동 신호는 가동장치(440)로부터의 토크 출력을 제어하는 구동 전압 또는 전류일 수 있고, 장력 T는 장력 T가 연결장치(420)에 적용되는 유효 모멘트 암에 의해 분할된 모터 토크와 동등하다. 하기 더 설명된 대로, 제어 시스템(450)은 원하는 위치 θ _D , 조인트(410)의 원하는 속도

, 및 현재 회차와 이전 회차에서 조인트(410)에 대해 측정된 하나 이상의 위치 측정치 θ를 사용하여 장력 T나 모터 토크의 크기를 계산할 수 있다. 사용자(예를 들어, 시스템(400)을 제어하는 의사)는 컨트롤러(460)를 조작함으로써 원하는 위치 θ _D 와 속도

를 제공할 수 있다. 컨트롤러(460)의 정확한 구성형태는 본 발명을 제시하는데 중요하지 않으며, 단지 컨트롤러(460)는 원하는 위치 θ _D 및 속도

의 값이 결정될 수 있는 신호를 제공할 수 있으면 된다. 복잡한 의료 기구에 적합한 수동 컨트롤러는 일반적으로 의료 기구의 움직임에 대해 많은 동시적 명령을 지시하는 신호를 제공하며, 이러한 움직임은 기구에 있는 다수의 조인트를 수반할 수 있다. 컨트롤러(460)로서 사용하기 위한 적합한 조작기는 예를 들어 Intuitive Surgical, Inc.로부터 이용가능한 da Vinci 수술 시스템의 마스터 컨트롤러에서 제공된다.

시간 간격 Δt 이내에 조인트(410)를 그것의 현재 측정된 위치 θ에서 원하는 위치 θ _D 까지 움직이는데 필요한 장력 T는 일반적으로 많은 요인들에 의존할 것이며, 이들 요인은 적용된 장력 T에 저항하는 조인트(410)의 유효 관성; 장력 T를 적용하는 가동장치(440)의 관성, 조인트(410)에 연결되어 순 유효 힘을 적용하는 어떤 다른 연결장치들; 조인트(410)에 적용된 외부 힘; 조인트(410)의 가동이나 연결장치의 움직임에 반대하는 내부 및 외부 마찰력; 조인트(410)의 현재 속도

; 및 내부 및 외부 댐핑 힘을 포함한다. 이들 요인들은 대부분 기구(400)의 작업 환경에 따라 변할 수 있으며, 측정하거나 모델링하기가 어려울 수 있다. 그러나, 시스템 메카닉에 기초하여 또는 의료 기구에서 특정 조인트에 대해 경험적으로 모델들이 개발될 수 있다. 한 특정 구체예에서, 제어 시스템(450)은 원위 조인트 오차 (θ _D -θ)와

로부터 장력 T를 결정하며, 이들은 각각 조인트(410)의 측정된 위치와 원하는 위치의 차이 및 조인트(410)의 측정된 속도와 원하는 속도의 차이이다. 특히, 오차 (θ _D -θ)와

와 함께 증가하는 적용된 장력 T는 조인트(410)의 위치가 원하는 위치를 커버하도록 하는 경향을 나타낸다.

도 5는 도 4의 시스템(400)의 기본 구조를 가진 의료 기구를 제어하는 과정(500)의 순서도이다. 과정(500)은 조인트(410)의 위치 θ의 현재 값을 판독하고 조인트 속도

를 결정함으로써 단계 510에서 시작한다. 속도는 직접 측정되거나, 또는 일정 속도(예를 들어,

)의 가정 하에, 또는 이전 속도 결정에서 주어진 일정 가속의 가정 하에 현재 위치 θ, 이전 위치 θ', 측정치들 사이의 시간 간격 Δt을 이용하여 잘 공지된 방식으로 결정되거나 근사될 수 있다. 다음에, 단계 515가 조인트(410)에 대한 원하는 위치 θ _D 와 원하는 속도

를 취득하고, 단계 520이 측정된 위치와 원하는 위치 사이의 차이 또는 오차 (θ _D -θ)와 측정된 속도와 원하는 속도 사이의 차이 또는 오차

를 컴퓨터로 산출한다.

단계 520에서 컴퓨터로 산출된 위치 및 속도 오차를 사용하여 원하는 위치 θ _D 에 도달하기 위해 조인트(410)에 필요한 장력 T를 결정할 수 있다. 도 5의 구체예에서, 적용된 장력 T는 다중 기여분을 포함할 수 있으며, 주 기여분은 원위 장력 T_DIST로서, 이것은 위치 오차 (θ _D -θ)와 속도 오차

의 함수 F1으로서 결정된다. 원위 장력 T_DIST는 가동장치의 위치, 예를 들어 모터 샤프트의 각도에 독립적이며, 이것은 조인트(410)의 위치와 가동장치(440)의 위치 사이에 직접적인 관계가 없을 때도 원위 장력 T_DIST의 결정을 가능하게 한다. 한 특정 구체예에서, 함수 F1은 등식 1의 형태이며, 여기서 g1 및 g2는 게인 인자이고, C는 상수 또는 기하구조 의존적 변수이고, T_sign은 연결장치 사인이다. 사인 T_sign은 연결장치(420)에서 장력에 의해 생기는 조인트(410)의 움직임과 관련되는데, 예를 들어 연결장치(420)에서 장력 T가 위치 좌표 θ를 증가시키는 경향을 나타낸다면 양의 값일 수 있고(예를 들어, +1), 위치 좌표 θ를 감소시키는 경향을 나타낸다면 음의 값(예를 들어, -1)일 수 있다. 다른 구체예에서, 함수 F1은 예를 들어 힘을 항상 양의 값으로 하기 위해서 힘에 대해 더 낮은 반동을 부여한다. 변수 C는 시스템의 다른 부분에 의해서 조인트(410)에 적용된 기지의 또는 모델링된 힘에 따라서 선택된 상수일 수 있다. 예를 들어, 변수 C는 조인트(410)에 힘을 적용하는 다른 연결장치에 의해서 야기된 토크와 균형을 맞추기 위해서 선택된 상수일 수 있거나, 또는 예상된 마찰이나 외부 힘을 고려할 수 있다. 그러나, 변수 C는 반드시 상수일 필요는 없으며, 유효하게 모델링될 수 있는 중력이나 메커니즘 강성과 같은 특성들을 보상하는 상수가 아닌 항목을 포함할 수 있고, 따라서 C는 측정된 조인트 위치 또는 속도에 따를 수 있다. 게인 인자 g1 및 g2는 조인트(410)의 원하는 강성에 따라서 선택될 수 있다. 특히, 조인트(410)가 정치형 그립으로서 사용될 때, 조직에 적용되는 순 파지력 또는 파지 토크는 등식 1의 g1(θ _D -θ)에 따른다. 일반적으로, 게인 인자 g1 및 g2와 상수 C는 조인트(410)의 원하는 강성이나 반응성에 따라서, 또는 오차 축적에 따라서 선택될 수 있다. 예를 들어, 환자 몸안의 자연 내강을 좇아서 기구(400)를 삽입할 때, 게인 인자 g1은 조인트(410)가 부드럽게 거동하여 조인트(410)가 주변 조직에 상해를 입히지 않게 하도록 낮은 값으로 설정될 수 있다. 삽입 후, 게인 인자 g1은 의사가 기구를 사용하여 정밀한 수술 작업을 수행할 수 있도록 높은 값으로 설정될 수 있다.

(등식 1)

등식 1의 용어

는 주어진 시간 Δt 이내에 연결장치(420)를 사용하여 조인트(410)를 회전시켜 원하는 위치 θ _D 에 도달시키기 위해 조인트(410)에서 현재 필요한 토크 또는 힘을 근사적으로 결정하기 위해 사용될 수 있다. 토크와 힘은 토크가 힘과 유효 모멘트 암 R의 곱이라는 점에서 관련되며, 유효 모멘트 암은 연결장치(420)와 조인트(410)의 연결과 조인트(410)의 회전축 사이의 수직 거리에 의해 한정된다. 유효 모멘트 암 R은 게인 인자 g1 및 g2와 상수 C에 흡수될 수 있거나, 또는 계산된 원위 장력 T_DIST를 계산된 토크로 전환하기 위해서 사용될 수 있다.

함수 F1의 적절한 선택, 예를 들어 등식 1에서 변수 g1, g2 및 C의 적절한 선택에 따른 원위 장력 T_DIST는 가동장치(440)가 마스터 컨트롤러(260)의 사람 오퍼레이터에 의한 조작에 즉각 반응하는 방식으로 조인트(410)를 움직이기 위해 적용해야 하는 힘에 대략 근접할 수 있다. 그러나, 일부 조건에서는 단계 530, 535, 540 및 545에 의해 선택적 보정이 제공된다. 특히, 선택적 단계 530 및 535는 각각 위치 오차 (θ _D -θ)의 포화된 합계 또는 적분 I를 컴퓨터로 산출하고, 적분 장력 T_INT를 계산한다. 양의 값, 0, 또는 음의 값일 수 있는 적분 장력 T_INT는 단계 525에서 계산된 원위 장력 T_DIST에 더해질 수 있다. 적분 장력 T_INT는 포화된 적분 I의 함수 F2로서 계산되며, 단순히 적분 I와 게인 인자의 곱일 수 있다. 단계 530에서 계산된 포화 적분 I는 단순히 적분의 단부에서 측정된 위치와 달성되었어야 하는 원하는 위치 간의 위치 오차 (θ _D -θ) 또는 차이 (θ _D,i -θ _i-1 )의 지난 N 간격마다의 합일 수 있다. 합계에 수반된 적분의 수 N은 제한될 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있으며, 적분 I는 적분의 크기가 최대 포화 값을 초과하지 않도록 포화될 수 있다. 포화 값은 일반적으로 적분 장력 T_INT의 최대 또는 최소 값을 정하도록 선택될 수 있다. 그러나, 적분 장력 T_INT의 최소 및 최대 값은 다르게는 함수 F2의 값을 계산할 때 정해질 수 있다.

선택적 단계 540은 양의 값, 0, 또는 음의 값일 수 있는 근위 장력 T_PROX로서 본원에서 언급되는 또 다른 조정을 컴퓨터로 산출한다. 근위 장력 T_PROX이 단계 525에서 계산된 원위 장력 T_DIST에 더해질 수 있다. 도 6은 근위 장력 T_PROX를 컴퓨터로 산출하는 과정(600)의 순서도이다. 과정(600)은 가동장치(400)의 속도

의 현재 값을 판독함으로써 단계 610에서 시작한다. 속도

는 가동장치(400)의 기부에 부착된 표준 타코미터에 의해서 측정될 수 있다. 컴퓨터 작업 효능을 개선하기 위해서 단계 610은 또한 도 5의 단계 510과 515 사이에서 행해지도록 계획될 수 있다. 다음에, 단계 620이 근위 연결장치 속도 차이 또는 오차

를 컴퓨터로 산출하며, 이것은 조인트(410)의 원하는 속도

에 기초하여 컴퓨터로 산출된 원하는 연결장치 속도와 현재 가동장치 속도

에 기초하여 컴퓨터로 산출된 현재 연결장치 속도 사이의 차이나 오차로서 정의된다. 한 특정 구체예에서, 원하는 연결장치 속도는 유효 모멘트 암 R과 연결장치 사인 T_sign과 조인트(410)의 원하는 속도

의 곱일 수 있고, 현재 연결장치 속도는 가동장치(440)의 유효 모멘트 암과 가동장치 속도

의 곱일 수 있다. 도 6의 구체예에서, 근위 장력 T_PROX는 근위 연결장치 속도 오차

의 함수 F4로서 결정된다. 한 특정 구체예에서, 함수 F4는 단순히 근위 연결장치 속도 오차

와 게인 인자의 곱일 수 있다. 게인 인자는 연결장치(420)에 추가 댐프닝 효과를 제공하도록 선택될 수 있다.

도 5의 선택적 단계 545는 페어 장력 T_PAIR을 컴퓨터로 산출하며, 이것은 단계 525에서 계산된 원위 장력 T_DIST에 대한 양의 값, 0, 또는 음의 값 조정일 수 있다. 도 7은 페어 장력 T_PAIR을 컴퓨터 산출하는 과정(700)의 순서도이다. 과정(700)은 가동장치(440)의 속도

의 현재 값과 조인트(410)와 관련된 모든 다른 가동장치의 속도 값을 판독함으로써 단계 710에서 시작한다. 도 4의 시스템에서는 2개의 가동장치(440 및 442)가 조인트(410)에 연결되며, 두 가동장치의 속도는

와

이다. 단계 710은 도 5의 단계 510과 515 사이에서 행해지도록 계획될 수 있으며, 컴퓨터 작업의 효능을 개선한다. 다음에, 단계 620은 한 쌍의 연결장치의 속도 차이나 오차

를 컴퓨터로 산출하며, 이것은 조인트(410)와 관련된 가동장치(440 및 442)의 현재 연결장치 속도

와

의 차이나 오차로서 한정될 수 있고, 가동장치(440 및 442)가 실질적으로 동일할 때는, 예를 들어 각 연결장치(420 및 422)에서의 작동을 위해 동일한 유효 모멘트 암을 가진다. 한 특정 구체예에서, 현재 연결장치 속도 오차

는 상기 차이

와 가동장치(440 및 442)의 유효 모멘트 암의 곱일 수 있다. 도 7의 구체예에서, 페어 장력 TPAIR은 한 쌍의 연결장치의 속도 오차

의 함수 F5로서 결정된다. 한 특정 구체예에서, 함수 F5는 단순히 한 쌍의 연결장치의 속도 오차

장력 T는 원위 장력 T_DIST, 근위 장력 T_PRO, 페어 장력 T_PAIR, 및 적분 장력 T_INT의 합계의 함수 F3로서 도 5의 단계 550에서 결정된다. 도 8의 구체예에서, 함수 F3은 장력 T의 최대 및 최소 값을 제한한다. 최대 장력 T_MAX와 최소 장력 T_MIN은 제어 시스템(450)의 프로그램에서(예를 들어, 소프트웨어에서) 설정될 수 있다. 그러나, 순응성 연결장치 자체가 최소 또는 최대 장력을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3a에 예시된 연결장치는 모터/가동장치(342 또는 344)가 프리휠될 때 프레로드 시스템(333 또는 335)의 설정에 의해서 제어되는 최소 장력 T_MIN, 및 커플 모터(342 또는 344)의 토크가 텐던(322 또는 324)이 캡스턴(332 또는 334) 위에서 슬립될 때의 지점을 초과하는 경우 슬립의 결과로서 최대 장력 T_MAX를 가진다. 일반적으로, 최대 장력 T_MAX은 하드웨어와 소프트웨어 둘 다에 의해 설정되는 것이 바람직하다. 특히, 최대 장력 T_MAX는 큰 힘으로 인해 생기는 기구에 대한 손상을 피할 수 있도록 설정되어야 하고, 장력 T_MIN은 연결장치에서 텐던이 느슨해지지 않고 탈선하거나 꼬이지 않는 것을 보장할 수 있도록 설정되어야 한다.

도 5의 단계 555는 제어 신호를 생성해서 가동장치(440)가 단계 550에서 계산된 장력 T를 적용할 수 있도록 한다. 예를 들어, 가동장치(440)가 직접 구동 전기 모터일 때 제어 신호는 계산된 장력 T에 비례하여 제어되는 구동 전류일 수 있다. 단계 560에서 제어 시스템(450)은 가동장치(440)로 하여금 시간 간격 Δt 동안 계산된 장력 T를 적용하여 유지하도록 하며, 이 시간 동안 조인트(410)는 현재 원하는 위치 θ _D 를 향해 이동한다. 장력 T가 변했을 때는 충분한 장력 T의 적용이 가동장치(440)의 관성에 따라 일시 지연될 것이다. 바람직하게, 가동장치(440)의 관성은 빠른 반응에서는 비교적 작다. 예를 들어, 가동장치(440)로서 작용하는 구동 모터의 관성은 바람직하게는 조인트(410) 관성의 5배 미만일 것이다. 시간 Δt 후, 과정 500은 단계 510으로 다시 갈라져 조인트 위치의 측정, 표적 위치와 속도의 취득, 및 다음번 간격 동안 적용되어야 할 장력 T의 계산을 반복한다. 일반적으로, 시간 Δt는 기구의 오퍼레이터에게 원활해 보이는 동작을 제공할 수 있을 정도로 충분히 작아야 하며, 기구에 바람직하지 않은 진동을 일으키지 않아야 한다. 예를 들어, 장력 T를 초당 250회 이상 계산하고 설정하는 것이 사람의 눈에 원활해 보이는 움직임을 제공하며, 사람의 명령, 예를 들어 사람에 의한 컨트롤러(460)의 조작에 즉각 반응하는 기구 작동을 제공할 것이다. 장력 T의 계산에서 오차의 사용은 일반적으로 적분 장력 T_INT의 컴퓨터 작업을 사용하거나 사용하지 않고, 그리고 기구 또는 외부 환경의 상세한 모델링이나 측정을 사용하지 않고도 조인트(410)가 원하는 위치들을 커버할 수 있도록 할 것이다. 그러나, 상기 설명된 대로, 적용된 장력 T를 계산하는데 사용된 게인 g1 및 g2와 같은 변수들은 특정 기구에 대해 조율될 수 있으며, 또한 기구의 외부 환경의 변화를 보상하기 위해서 사용중에도 조율될 수 있다.

가동장치(442)가 연결장치(422)에 적용하는 장력은 도 5의 제어 과정(500)을 사용해서 또한 제어될 수 있으며, 과정(500)에서 가동장치(442)와 연결장치(422)에 대해 사용되는 변수들은 가동장치(440) 및 연결장치(420)와 비교한 가동장치(442) 및 연결장치(422)의 유사성과 차이점에 기초하여 가동장치(440)와 연결장치(420)에 사용되는 것들과 동일하거나 상이할 수 있다. 특히, 도 4의 구성형태에서 가동장치(442)에 대한 사인 값 T_sign은 연결장치(422 및 420)가 조인트(410)를 반대 방향으로 회전시키도록 연결되기 때문에 가동장치(440)에 대한 사인 값 T_sign에 반대일 것이다. 결과적으로 단계 525에서 계산된 주 장력 기여분 T_DIST는 전형적으로 1개 가동장치(440 또는 442)에 대해 음의 값일 것이다. 적용된 장력 T를 계산하는 단계 550은 음의 장력 합계 T_DIST+T_PROX+T_PAIR+T_INT를 도 8에 도시된 대로 최소 장력 T_MIN으로 설정할 수 있다. 따라서, 단계 525에서 원위 장력 T_DIST의 계산을 위한 변수들, 예를 들어 상수 C는 일반적으로 나머지 가동장치가 최소 장력 T_MIN을 적용할 것이라는 가정에 기초해서 선택될 수 있다.

본 발명은 특정 구체예들을 참조하여 설명되었지만, 이 설명은 본 발명의 적용에 대한 예일 뿐이며, 제한으로서 해석되지 않아야 한다. 개시된 구체예들의 특징들에 대한 다양한 개조 및 조합이 이후 청구항들에 의해 한정되는 본 발명의 범위 내에서 이루어진다.

Claims

가동장치;
조인트;
조인트의 관절화를 위한 힘을 전달할 수 있는, 조인트에 부착된 제1 단부와 가동장치에 기계적으로 연결된 제2 단부를 가진 연결장치;
조인트의 위치를 측정하기 위해 연결된 센서; 및
위치 측정을 수신하기 위해 연결된 제어 시스템을 포함하며, 상기 위치 측정을 이용해서 제어 시스템이 가동장치로부터 연결장치에 전달되는 가동장치 힘을 조절하는 의료 시스템.
제 1 항에 있어서, 조인트는 회전 조인트, 멀티-링크 구간, 및 연속 가요성 구간으로 구성되는 군으로부터 선택된 메커니즘인 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 연결장치는 순응성이며, 조인트 관절화에서 허용된 부정확성을 상회하여 상응하는 양까지 가동장치 힘의 조절된 값 하에 신축하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 제어 시스템은 가동장치의 위치에 독립적으로 연결장치에 전달되는 가동장치 힘을 조절하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 제어 시스템은 가동장치 힘이 최소 값과 최대 값 사이에서 변하는 함수를 사용하여 가동장치 힘을 결정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 5 항에 있어서, 최소 값은 장력 하에 연결장치를 유지하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 5 항에 있어서, 함수의 변동 범위에 걸쳐서 가동장치 힘은 조인트의 현재 위치 측정과 조인트의 현재 원하는 위치 사이의 차이에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 5 항에 있어서, 힘은 현재 위치 측정과 현재 원하는 위치 사이의 차이에 따라 선형으로 변하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 5 항에 있어서, 변동 범위에 걸쳐서 가동장치 힘은 조인트의 속도와 조인트의 현재 원하는 속도 사이의 차이에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 9 항에 있어서, 가동장치 힘은 조인트의 속도와 조인트의 현재 원하는 속도 사이의 차이에 따라 선형으로 변하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 5 항에 있어서, 변동 범위에 걸쳐서 가동장치 힘은 가동장치의 현재 속도에 의존하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
제2 가동장치; 및
조인트의 관절화를 위한 힘을 전달할 수 있는, 조인트에 부착된 제1 단부와 제2 가동장치에 기계적으로 연결된 제2 단부를 가진 제2 연결장치를 더 포함하며, 변동 범위에 걸쳐서 가동장치 힘이 제2 가동장치의 현재 속도에 의존하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 12 항에 있어서, 제어 시스템은 조인트와 관련된 가동장치의 현재 속도들 사이의 차이의 함수를 사용하여 가동장치 힘을 결정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 제어 시스템은 조인트의 현재 위치 측정과 조인트의 현재 원하는 위치 사이의 차이 및 조인트의 속도와 조인트의 현재 원하는 속도 사이의 차이의 함수를 사용해서 가동장치 힘을 결정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 제어 시스템은 위치 측정과 원하는 위치 사이의 차이들의 적분을 사용해서 가동장치 힘을 결정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 제어 시스템은 연결장치의 현재 원하는 속도와 현재 가동장치 속도에 기초하여 산출된 연결장치의 현재 속도 사이의 차이의 함수를 사용하여 가동장치 힘을 결정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 제어 시스템은 초당 250회를 넘는 감지된 원위 위치의 함수로서 가동장치 힘을 조절하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 연결장치와 가동장치는 역 구동가능한 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 가동장치는 직접 구동 전기 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 19 항에 있어서, 제어 시스템은 모터 전류를 제어함으로써 연결장치에 전달되는 가동장치 힘을 조절하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 연결장치는 폴리머 텐던, 로드 요소 및 Bowden 케이블 중 적어도 하나를 포함하는 텐던을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
제2 가동장치; 및
조인트의 관절화를 위한 힘을 전달할 수 있는, 조인트에 부착된 제1 단부와 제2 가동장치에 기계적으로 연결된 제2 단부를 가진 제2 연결장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
조인트의 위치를 측정하는 단계;
조인트의 원하는 위치를 지시하는 명령을 수신하는 단계;
가동장치의 위치에 독립적으로 가동장치 힘을 결정하는 단계로, 가동장치 힘을 결정하는 과정에서 조인트의 위치와 조인트의 원하는 위치를 사용하는 것을 포함하는 단계; 및
가동장치를 작동시켜서 조인트와 연결된 연결장치에 가동장치 힘을 적용하는 단계를 포함하는, 의료 기구의 조인트를 제어하는 방법.
제 23 항에 있어서, 연결장치는 순응성을 가지며, 이로써 연결장치는 조인트 위치와 가동장치 위치 사이의 관계를, 이런 관계를 이용해서 조인트를 제어하기에 충분히 정확한 정도로 제공할 수 없는 것을 특징으로 하는 방법.
제 23 항에 있어서, 위치 및 원하는 위치를 사용하는 것은 조인트의 위치와 조인트의 원하는 위치 사이의 차이 및 조인트의 속도와 조인트의 원하는 속도 사이의 차이에 의존하는 함수를 평가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 23 항에 있어서,
조인트의 속도를 결정하는 단계; 및
조인트의 원하는 속도를 지시하는 명령을 수신하는 단계를 더 포함하며,
가동장치 힘을 결정하는 단계가 조인트의 속도와 조인트의 원하는 속도를 사용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 23 항에 있어서,
가동장치의 속도를 결정하는 단계; 및
조인트의 원하는 속도를 지시하는 명령을 수신하는 단계를 더 포함하며,
가동장치 힘을 결정하는 단계가 가동장치의 속도와 조인트의 원하는 속도를 사용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 23 항에 있어서,
가동장치의 제1 속도를 결정하는 단계; 및
제2 연결장치를 통해서 조인트에 연결된 제2 가동장치의 제2 속도를 결정하는 단계를 더 포함하며, 가동장치 힘을 결정하는 단계가 제1 및 제2 속도를 사용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 23 항에 있어서, 위치 측정과 원하는 위치 사이의 차이들을 합계 내어 축적된 차이를 결정하는 단계를 더 포함하며, 가동장치 힘을 결정하는 단계가 축적된 차이를 사용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.