KR20130137128A - 도구 교환 인터페이스 및 협동 수술 로봇들용 제어 알고리즘 - Google Patents

도구 교환 인터페이스 및 협동 수술 로봇들용 제어 알고리즘 Download PDF

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KR20130137128A
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러쎌 에이치. 테일러
마르신 알카디우즈 밸릭키
제임스 타하라 한다
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더 존스 홉킨스 유니버시티
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Abstract

협동적으로 제어된 로봇들을 위한 수술 동안 도구 교환을 위한 시스템 및 방법은 로봇 및 외과 의사에 의해 파지되도록 적용된 수술 도구를 수용하기 위한 도구 홀더, 상기 홀더로부터 수술 도구의 작은 힘 제거를 허용하면서 도구의 하방 운동을 억제하기 위한 도구 홀딩 요소, 수술 도구가 도구 홀더 내에 고정되어 있는지 를 감지하기 위한 제 1 센서, 및 제 1 센서에 의해 감지된 정보를 기초로 하여 수행될 도구 홀더의 상이한 운동들 또는 액션을 자동적으로 선택하기 위한 선택기를 포함한다. 본 발명의 시스템 및 방법은 도구 홀더가 환자로부터 멀어지는 방향으로 이동할 수 있는 속도를 증가시킴으로써, 종종 느리게 이동하는 협동 로봇에게 장점을 제공한다.

Description

도구 교환 인터페이스 및 협동 수술 로봇들용 제어 알고리즘 {TOOL EXCHANGE INTERFACE AND CONTROL ALGORITHM FOR COOPERATIVE SURGICAL ROBOTS}
본 출원은, 여기서 충분히 설명된 것과 같은 모든 목적들을 위해 인용에 의해 본원에 포함되는, 2010년 8월 2일자에 출원된 미국 가출원 제 61/370,027 호의 이익을 주장한다.
본 발명은 미국 국립 과학 재단에 의해 수상된 EEC9731478 및 미국 국립 보건원에 의해 수상된 수여 번호 EB007969 하에 미국 정부 지원에 의해 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명의 특정 권리를 갖는다.
본 발명은 수술 로봇들용 도구(tool) 교환 인터페이스에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 협동 수술 로봇들용 도구 교환 인터페이스 및 제어 알고리즘에 관한 것이다.
"핸즈-온(hands-on)" 협동 로봇 제어 페러다임(cooperative robot control paradigm)"에서, 도구 상에 시술자(operator)에 의해 가해진 힘들이 힘/토크 센서로 감지되고 로봇이 이러한 힘들을 최소화하기 위해 이동하는 동안 시술자와 로봇 모두 도구를 파지하여, 시술자의 원하는 이동을 효과적으로 하게 한다. 수술 분야에 대해, 신속한 도구 교환은 바람직하며 종종 시기 선택 및 안전 이유들을 위해 요구된다. 특히, 의도되지 않은 환자 이동의 경우 조직 손상을 피하기 위해 기구의 즉각적인 보정된 재 위치설정이 요구된다.
신속한 도구 교환 메커니즘은 협동 제어식 로봇을 기초로 하는 수술 시스템에 대해 바람직한데, 이 수술 시스템은 수술 기구의 빈번한 삽입 및 제거가 요구되며, 예를 들면, 유리체 수술(Vitreoretinal surgery)이다. 안전 이유들 때문에, 이러한 도구 인터페이스는 또한 수술 위치로부터 매우 신속하고 확실한 기구 제거를 제공하며 이는 기능하는 로봇에 의존하지 않는다. 결합되는 동안, 이러한 메커니즘은 원하는 작업을 수행하기 위해 로봇의 기능 또는 외과의(surgeon)의 능력을 방해하지 않아야 한다.
이러한 문제점에 대한 하나의 접근은 간단한 디-텐팅 메커니즘(d-tenting mechanism)을 사용하는 것인데, 이 디-텐팅 메커니즘에서 도구 홀더 내에 작은 스프링-부하식 볼 또는 핀이 도구 샤프트 상의 소켓 또는 그루브와 결합되어 도구를 결합 해제하기 위한 충분히 큰 힘을 가하지 않는 경우 도구를 제위치에 파지(hold)한다. 다른 접근은 자석을 이용하는 것이다. 이러한 접근들에 대한 하나의 문제는 또한 요구되는 해제력이 필요가 발생한 경우 도구가 매우 신속하고 안전하게 제거될수 없을 정도로 충분히 크지 않은 것을 보장하면서 시술자가 비의도적으로 분리하지않고 도구를 가이드할 정도로 충분히 단단하게 도구를 파지하는 것이다. 이러한 문제는 망막 미세수술과 같은 분야에서 특히 매우 중요하며, 이러한 분야에서 상기 힘은 매우 섬세하고 매우 신속하고 비-파괴적인 도구 철회에 대한 요구가 크다.
따라서, 본 기술 분야에서는 수술 동안 도구 교환을 보조하기 위한 시스템 및 방법에 대한 요구가 있다.
본 발명의 제 1 양태에 따라, 협동 제어식 로봇을 위한 수술 동안 도구 교환을 위한 시스템은 로봇 및 외과의에 의해 파지되도록 구성된 수술 도구를 수용하기 위한 도구 홀더, 상기 홀더로부터 수술 도구의 작은 힘 제거를 허용하면서 도구의 하방 운동을 억제하기 위한 도구 파지 요소, 수술 도구가 도구 홀더 내에 고정(dock)되어있는지를 감지하기 위한 제 1 센서, 및 제 1 센서에 의해 감지된 정보를 기초로 하여 수행될 도구 홀더의 상이한 운동들 또는 액션(action)들을 자동적으로 선택하기 위한 선택기를 포함한다.
본 발명의 제 2 양태에 따라, 협동 제어식 로봇용 도구 교환을 위한 방법은 로봇 및 외과의에 의해 파지되도록 구성된 수술 도구를 수용하기 위한 도구 홀더를 제공하는 단계, 상기 홀더로부터 도구의 작은 힘 제거를 허용하면서 수술 도구의 하방 운동을 억제하는 단계, 수술 도구가 도구 홀더 내에 도킹되는 경우를 감지하는 단계, 및 감지된 정보를 기초로 하여 수행될 도구 홀더의 상이한 운동들 또는 액션들을 자동적으로 선택하는 단계를 포함한다.
첨부된 도면들은 여기 기재된 대표적인 실시예들을 더 완전히 설명하는데 사용될 것이고 당업자에 의해 실시예들 및 이들의 내재적 이점들을 더 양호하게 이해하기 위해 사용될 수 있는 시각적 예들을 제공한다. 이러한 도면들에서, 유사한 참조 번호들은 대응하는 요소들을 식별한다.
도 1a는 본 발명의 특징들에 따른 예시적인 제품의 측면도이며,
도 1b는 본 발명의 특징들에 따른 예시적인 제품의 측면도이며,
도 2a는 본 발명의 특징들에 따른 예시적인 제품의 사시도이며,
도 2b는 본 발명의 특징들에 따른 예시적인 제품의 사시도이다.
이제 현재 기재된 주제는 이후에, 본 발명의 몇몇의, 하지만 모든 실시예들이 도시되지는 않은, 첨부된 도면들을 참조하여 더 완전히 설명될 것이다. 유사한 숫자들은 명세서에 걸쳐 유사한 요소들을 나타낸다. 현재 기재된 주제는 다양한 상이한 형태들로 실현될 수 있고 여기서 명시된 실시예들로 제한되어서는 안 되며; 오히려, 이러한 실시예들은 본 명세서가 적용 가능한 법률적 요건들을 만족시키도록 제공된다. 실제로, 여기서 명시된 현재 기재된 주제의 다양한 수정들 및 다른 실시예들은 현재 기재된 주제에 관한 당업자에게 전술한 설명들과 연관된 도면들에 나타낸 교시들의 이점을 갖는 것을 기억나게 할 것이다. 따라서, 현재 기재된 주제는 기재된 특별한 실시예들에 한정되지 않고 수정들 및 다른 실시예들은 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함되는 것이 의도되는 것이 이해되어야 한다.
본 발명은 협동적으로 제어되는 로봇들 중 수술 도구의 도구 교환을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 예시적인 실시예들이 "망막 수술을 위한 새로운 스테디-핸드 조종기의 개발 및 적용(Development and Application of a New Steady-Hand Manipulator for Retinal Surgery)", Mitchell 외, IEEE ICRA, pp. 623-629 (2007), 및 "유리체망막 수술 연구를 위한 미세 힘 감지를 갖는 새로운 스테디 핸드 눈 로봇(New Steady-Hand Eye Robot with Microforce Sensing for Vitreoretinal Surgery Research)", A. Uneri, M. Balicki, James Handa, Peter Gehlbach, R. Taylor, 및 I. lordachita, International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BIOROB), 도쿄, 2010년, 9월 26-29, pp. 814-819, 에 설명된 것과 같은 로봇 보조식 수술 시스템과 같은, 협동적으로 제어되는 핸드-오버-핸드 시스템들에서의 시스템 및 방법의 사용을 제공하며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다. 스테디 핸드 제어에서, 외과의 및 로봇 양쪽이 수술 도구를 파지하였다. 로봇은 도구 핸들 상에 외과의에 의해 이행되는 힘들을 감지하고, 임의의 떨림을 여과하면서 따르도록 이동시킨다. 특별한 협동 제어 시스템이 상기 문서와 관련하여 설명되지만, 본 발명의 시스템 및 방법은 다른 협동적으로 제어되는 시스템들에 또한 적용 가능할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 1a 및 도 1b 그리고 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명과 관련되어 사용되는 협동 제어식 수술 시스템의 예시적인 일 실시예가 도시된다. 시스템(10)은 인간의 눈과 같은, 중공 장기(hollow organ)들인, 장기들의 미세 수술에 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 범위 내에 있는 다른 적용들이 가능하다. 도 1a, 도 1b, 도 2a, 도 2b에서 도시된 바와 같이, 로봇(12)은 로봇(12) 및 의과의(17) 모두에 의해(도 2a 및 도 2b) 파지되는 수술 도구(16)를 수용하기 위한 도구 홀더(14)를 포함한다. 바람직하게는, 의과의(17)는 도구 핸들(18)에서 수술 도구(16)를 파지하고 도구 첨단부(20)에 의해 해당 구역의 수술을 시행하도록 수술 도구(16)를 로봇(12)과 협동적으로 지향시킨다.
도 1a를 참조하면, 도구 홀딩 요소(24)는 도구 홀더(14)로부터 수술 도구(16)의 작은 힘 제거를 허용하면서 수술 도구(16)의 하방 운동을 제한하기 위해 제공된다. 도 1a의 예시적인 실시예에서, 도구 홀딩 요소(24)는 디-텐팅 메커니즘이며, 이 디-텐팅 메커니즘에서 도구 홀더(14) 내의 작은 스프링-부하식 볼 또는 핀은 도구 샤프트 상의 소켓 또는 그루브와 결합되어 결합 해제하기 위한 충분히 큰 힘이 가해지지 않는 경우 수술 도구(16)를 제 위치에 파지한다. 수술 도구(16) 상의 플랜지(22)가 또한 도구의 하방 운동을 제한하기 위해 사용될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 시스템(10)의 대안적인 일 실시예는 상이한 타입의 도구 홀딩 요소(26)를 포함한다. 특히, 도구 홀딩 요소(26)는 도구 샤프트 자체 또는 도구 홀더의 내부 채널을 따른 하나 또는 둘 이상의 테이퍼진 표면들일 수 있다. 예를 들면, 도구 홀더 채널은 원형 횡단면 또는 도구 홀더에 대해 도구의 축방향 회전을 제한하는 동일한 다른 횡단면일 수 있다. 도구 홀딩 요소들의 다른 예들은 자석들, 진공 척들 또는 낮은 분리력을 허용하면서 수술 도구를 제위치에 유지하는 다른 기계적 또는 전자기계적 디바이스들을 포함한다. 또한 도구가 안전하고 신속하게 제거될 수 없을 정도로 요구된 해제력이 크지 않는 것을 보장하면서 도구가 비의도적인 분리 없이 시술자가 도구를 가이드하는 것을 허용할 정도로 충분히 단단히 고정되도록 도구 홀딩 요소가 충분히 강해야 한다.
본 발명의 특징들에 따라, 본 발명의 제 1 양태는 도구가 도구 홀더 내에 결합되었는지 여부에 관한 피드백 정보를 제공하는 것이다. 즉, 제 1 센서는 수술 도구가 도구 홀더(14) 내에 고정(dock)되어 있는지를 감지하기 위해 제공될 수 있다. 예를 들면, 도 1b를 참조하면, 센서(42)는 도구 홀더(14) 내의 수술 도구(16)의 위치를 감지하기 위해 도구 홀더(14) 내에 위치될 수 있다. 센서(42)는 도구 홀더 내에 매립된 근접 센서(IR, 홀 이펙트)를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 센서(42)는 바람직하게는 도구의 말단부에 배치된다. 도구 홀더(14)의 말단부에서 센서(42)의 위치 때문에, 도구가 홀더 내에 결합될 때, 센서(42)가 작동된다.
또한, 다른 센서들은 수술 도구(16)가 도구 홀더(14)에 고정 또는 결합되는 지를 감지하기 위해 사용될 수 있는데, 상기 센서들은 접촉 센서, 토글 스위치 또는 압력 센서, 광선-차단(beam-break) 타입의 광학 센서, 직접 접촉력 센서, 및 변위 전위차계를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 도구가 도구 홀더와 완전히 결합되는지 여부를 감지하기 위해 다수의 센서들이 중복 방식으로 사용될 수 있다.
본 발명의 특징들에 따라, 센서에 의해 감지된 정보, 예를 들면 도구가 도구 홀더 내에 결합되는지 여부를 기초로 하여 수행될 도구 홀더의 상이한 운동들 또는 액션들을 자동적으로 선택하는 선택기가 제공되며, 이는 아래에서 더 상세하게 설명될 것이다. 예를 들면, 도구가 도구 홀더 내에 완전히 결합되지 않은 것을 센서가 감지할 때, 로봇은 하나 또는 둘 이상의 접촉 감지 방법을 기초로 하여 상기 연결을 복원하도록 도구 축선을 따라 능동적으로 이동할 수 있다. 도구가 도구 홀더 내에서 완전히 결합하는 경우, 예를 들면 도구의 핸들 상에 힘을 가함으로써 의과의 또는 사용자에 의해 명령된 운동에 반응하여 로봇이 이동한다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 외과의와 도구 사이의 힘들이 감지될 수 있다. 예를 들면, 본 기술분야에 알려진 다수의 센서들은 도구(16)가 의과의에 의해 파지되었는지를 감지하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 1b를 참조하여, 센서(40)는 도구 핸들 상에 배치될 수 있다. 센서(40)는 도구 핸들(18) 상에, 마이크로 스위치들, 정전용량 센서들, 광학 센서들, 힘 센서들 또는 압력 센서들을 포함할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 시술자가 도구 핸들을 푼(release) 경우, 로봇이 미리결정된 양 또는 미리결정된 거리만큼 도구를 자동적으로 수축되도록 또는 소정의 다른 "결합 해제" 작용을 수행하도록 로봇이 프로그래밍될 수 있다. 유사하게, 도구가 도구 홀더에서 단단히 파지될 때, 분리력이 크다. 소정의 알려진 분리력 까지 도구 수축의 방향으로의 축방향력의 상승 다음의 0의 힘까지 갑작스런 하강이 도구 분리의 특성이다. 핸들의 힘이 원하는 한계치 아래로 떨어질 때 또는 핸들 접촉이 없을 때 또는 그렇지 않으면 도구가 더 이상 도구 홀더 내에 결합되지 않는 것을 시스템이 감지할 때까지, 로봇은 목표 방향으로, 예를 들면 위험 영역으로부터 벗어나게 도구 축선을 따라 이동할 수 있다(또는 임의의 다른 미리한정된 결합 해제 작용을 수행한다). 이러한 벗어나는 운동은 미리-결정된 한계 거리 동안 또는 도구 홀더와 도구의 재결합이 감지될 때까지 계속될 것이다. 도구가 도구 홀더 내에 완전히 결합될 때까지 로봇이 특히 환자를 향하여 도구 축선 방향을 따르는 것과 같은 방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 핸들 힘 센서가 도구 홀더와 도구의 재결합을 감지하기 위해 사용되는 경우, 재결합을 감지하기 위해 사용된 힘 값의 특성 시간 시퀀스일 수 있다. 예를 들면, 디-텐팅 메커니즘이 도구 홀더 내에 도구를 파지하기 위해 사용되는 경우, 도구를 따른 축방향력이 통상적으로 특성 값으로 상승하고 이어서 감소될 수 있다. 후속적으로, 비록 도구를 재결합할 정도로 충분히 강하진 않지만 외과의가 수축 방향으로 도구 축선을 따라 서서히 도구를 당기도록 지시될 수 있다. 도구가 적절히 결합되는 경우, 이러한 힘들은 힘 센서에 의해 감지될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 시스템은 또한 힘 제어 법칙에 따라 힘을 제공하는 힘 센서(30)를 포함할 수 있다. 힘 센서(30)는 또한 수술 도구(16)가 도구 홀더(14) 내에 결합될 때 수술 도구 상에 외과의에 의해 가해진 힘들을 감지할 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 힘 센서(30)는 도구 홀더(14)와 로봇(12) 사이에 위치될 수 있다. 도구 홀더 상에 외과의에 의해 가해진 힘들은 도구 홀더(14)를 통하여 힘 센서(30)로 전달된다. 도구가 도구 홀더(14) 내에 완전히 결합되지 않은 경우, 이 때 도구 샤프트를 따라 하방 z-방향으로의 힘이 측정되지 않게 되지만, 다른 방향들로 측방향 힘들을 측정하는 것이 가능할 수 있다. 다른 실시예들에서, 힘 센서(30)는 수술 도구의 핸들(18) 또는 다른 곳에 장착될 수 있다.
힘 센서(30)는 또한 수술 도구(16)가 도구 홀더(14) 내에 있는지 또는 수술 도구(16)가 외과의에 의해 파지되는지를 감지하기 위해 이용될 수 있다. 즉, 단일 센서(30)는 (1) 수술 도구가 도구 홀더 내에 있는지; 및 (2) 수술 도구가 의과의에 의해 파지되는지를 감지할 수 있다. 그러나, 두 개의 개별 센서들이 또한 사용될 수 있다. 대안적으로, 존재하는 힘/토크 센서(30)는 도구가 하방 z-방향으로 도구 홀더(14) 내에 결합될 때를 감지하기 위해 이용될 수 있다. 하방력이 센서(30)에 의해 감지되는 경우, 수술 도구(16)가 도구 홀더로부터 결합 해제되는 것이 고려될 수 있다. 단지 센서(30)에 의해 감지된 힘이 도구의 중량과 동일한 하방력인 경우, 이때 도구가 도구 홀더(14)와 결합되는 것이 고려될 수 있지만 외과의로부터 결합 해제될 수 있다.
임의의 개수의 센서들(단지 단일 센서를 포함하여)은 도구가 도구 홀더 내에 결합하였는지를 감지하기 위해 사용될 수 있다. 감지된 정보는 이때 로봇의 적절한 운동을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 센서들 및 센서들의 위치의 선택이 적용 및 설계 선호에 종속된다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 적용된 센서(들)로부터의 감지된 값들은 본 발명의 특징들에 따른 필요한 프로세싱을 위해 데이터 프로세서(32)로 송신된다. 데이터 프로세서(32)는 본 발명에 따른 특징들에 따른 도구 교환을 보조하기 위한 필요한 알고리즘들을 수행하기 위한 기계가 판독가능한 지시들을 구비한 프로그램을 가지는 메모리 장치(34)를 포함한다. 데이터 프로세서(32)는 독립형 컴퓨터 시스템일 수 있거나 현존하는 소프트웨어 내로 결합될 수 있다. 예를 들면, 로봇을 이용한 수술의 상황에서, 데이터 프로세서(32)는 협동식 수술 시스템들을 위해 현존하는 소프트웨어 내로 결합될 수 있다.
데이터 프로세서(32)는 센서에 의해 감지된 정보를 기초로 하여 수행될 도구 홀더의 상이한 운동들 또는 액션들을 자동적으로 선택하는 프로그램을 포함한다. 예를 들면, 도 1a를 참조하여, 수술 도구(16)가 도구 홀더(14) 내에 고정되는 것 및 수술 도구의 제거와 일치하는 힘을 센서가 감지하는 경우, 도구 홀더(14)는 수술 도구(16)와 결합 해제하도록 도구 축선을 따라 인가된 힘의 방향으로 이동한다. 바람직하게는, 도구 홀더는 속도에서 비대칭적 증가(asymmetric gain)로 이동된다. 또한, 도 1b를 참조하면, 의과의에 의해 사용되지 않음(non-use)을 나타내는 스위치(40)가 결합 해제되는 경우, 도구는 사용되지 않는 상태가 미리 결정된 시간 기간 동안 감지될 때 도구 홀더(14)로부터 해제될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 수술 도구(16)는 또한 도구 대 조직 거리를 감지하기 위해 수술 도구의 첨단부에 배치되는 근접 센서(44)를 포함한다. 그러나, 근접 센서(44)가 다른 상이한 장소들에 있을 수 있으며, 도구 첨단부에 있을 필요가 없다는 것을 이해하여야 한다. 바람직하게는, 도구 대 조직 거리가 데이터 프로세서(32)에 역으로 공급되며, 적절한 액션 또는 운동이 감지된 값에 반응하여 수행될 수 있다. 예를 들면, 도구 대 조직 거리는 비-사용을 표시하는 미리결정된 레벨인 경우, 도구 홀더(14)는 원하는 이격 거리로 이동할 수 있다. 예를 들면, "컴퓨터 및 로봇-보조 망막 수술을 위한 단일 섬유 빛 간섭 단층 촬영 미세수술 기구들(Single Fiber Optical Coherence Tomography Microsurgical Instruments for Computer and Robot-Assisted Retinal Surgery", in Medical Image Computing and Computer Assisted Surgery), M.Balicki, J.-H, Han, I. Iordachita, P. Gehlbach, J. Handa, R. H. Taylor, 및 J. Kang, 의료 영상 컴퓨팅 및 컴퓨터 보조식 수술(MICCAI 2009), 런던, 2009년 9월 2O일-24일, pp108-115. PMID: 20425977를 참조하며, 이는 인용에 의해 본원에 참조된다.
중요하게는, 본 발명의 시스템 및 방법은 도구 홀더가 환자로부터 멀어지는 방향으로 이동할 수 있는 속도를 증가시킴으로써, 종종 느리게 이동하는 협동 로봇에게 장점을 제공한다.
예시
이후의 예시는 현재 기재된 주제의 대표적인 실시예들을 실행하기 위해 당업자에게 안내를 제공하기 위해 포함되었다. 본 기재 및 당업자의 일반적인 레벨에 비추어, 당업자는 이후의 예는 단지 예시적인 것으로 의도되고 수많은 변경들, 수정들, 및 대안들이 현재 기재된 주제의 범위를 벗어나지 않으면서 이용될 수 있는 것을 이해할 것이다. 이후의 예는 도시로서 제공되며 제한으로서 제공되지 않는다.
다양한 알고리즘들이 특별한 센서로부터 감지된 정보를 기초로 하여 수행될 도구 홀더의 상이한 운동들 또는 액션들을 자동적으로 선택하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 센서가 도구와 결합해제되었음을 감지한 경우, 이때,
Figure pct00001
이지만
Figure pct00002
이며
그렇지 않으면,
Figure pct00003
Figure pct00004
- 핸들 접촉 위치에서 얻은(resolved) 힘/토크들
Figure pct00005
- Z 축선을 따른 핸들 좌표들에서의 힘
Figure pct00006
- 핸들 좌표들에서 원하는 핸들 속도
Figure pct00007
- 핸들 속도에 대한 핸들 입력 힘을 의미하는 상수
Figure pct00008
- 센서 입력 및 시간을 기초로 한 원하는 핸들 반응을 발생하는 함수
Figure pct00009
에 대한 소정의 예들이 아래 제공된다. 예를 들면, 도구가 결합 해제될 때, 도구가 고정 양(bt) 만큼 상방으로 이동하도록, 짧은 기간(t)(운동 중단 후)에 대해 일정한 속도:
Figure pct00010
를 설정. 또한, 환자의 조직으로부터 도구의 거리(s)를 감지하는 근접 센서를 이용할 때, 이격 거리(standoff distance)(
Figure pct00011
)를 얻기 위해,
Figure pct00012
또는
Figure pct00013
설정. 도구 홀더 내에 결합된 위치로부터 도구의 거리(
Figure pct00014
)를 감지하는 변위 또는 근접 센서가 있을 때, 도구 홀더가 도구를 완전히 안착시키기 위해 상방으로 이동시킨다.
도구는
Figure pct00015
인 경우, 여기서
Figure pct00016
는 소정의 임계력(하방 가압에 대한 반대)이며, 상기 방법들 중 어느 하나도 원하는 "결합 해제" 작용을 실시하기 위해 이용될 수 있다. 대안적으로, 로봇은 최소의 원하는 도구-대-홀더 접촉력을 유지하기 위해 이동하도록 프로그래밍될 수 있다. 예를 들면,
Figure pct00017
는 도구 핸들이 풀리는 경우 도구 홀더가 느리게 상방으로 기어오르게 한다.
비록 본 발명이 그의 바람직한 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 특별히 설명되지 않은 추가들, 삭제들, 수정들, 및 대체들이 첨부된 청구항들에서 정의된 것과 같은 본 발명의 범위와 원리를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 이해될 것이다.

Claims (19)

  1. 협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템으로서,
    로봇 및 외과의에 의해 파지되도록 구성되는 수술 도구를 수용하기 위한 도구 홀더;
    상기 도구 홀더로부터 상기 수술 도구의 작은 힘 제거를 허용하면서 상기 도구 홀더에 대한 도구의 하방 이동을 억제하기 위한 도구 홀딩 요소;
    상기 수술 도구가 상기 도구 홀더 내에 고정되는 경우를 감지하기 위한 제 1 센서; 및
    상기 제 1 센서에 의해 감지된 정보를 기초로 하여 수행될 상기 도구 홀더의 상이한 운동들 또는 액션들을 자동적으로 선택하기 위한 선택기를 포함하는,
    협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도구 또는 로봇 상에 의과의에 의해 가해진 힘들을 감지하기 위한 제 2 센서를 더 포함하는,
    협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 도구가 상기 도구 홀더 내에 완전히 결합되지 않는 것을 상기 도구 또는 로봇 상에 의과의에 의한 힘들이 표시하는 것을 상기 제 2 센서가 감지할 때 상기 로봇이 자동적으로 수축되는,
    협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 센서는 상기 도구 홀더에 대한 상기 도구의 위치를 감지하기 위해 상기 도구 홀더 내에 매립된 근접 센서인,
    협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 근접 센서는 상기 도구 홀더의 말단부에 배치되는,
    협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 센서는 접촉 센서인,
    협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 접촉 센서는 토글 스위치 또는 압력 센서인,
    협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 센서는 변위 전위차계인,
    협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 센서는 광학 센서이고, 상기 광학 센서는 상기 도구 홀더 내부에서 상기 도구의 위치를 결정하기 위한 광선-차단 타입의 센서인,
    협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 도구의 제거와 일치하는 미리결정된 레벨의 힘이 감지될 때 상기 수술 도구와 재결합하도록 상기 도구 홀더가 도구 축선을 따라 인가되는 힘의 방향으로 이동하는,
    협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 도구 홀더는 속도에서의 비대칭적 증가(asymmetric gain)로 이동하는,
    협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 로봇의 운동 및 액션이 상기 도구가 결합되었는지의 여부를 기초로 하여 결정되는,
    협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 도구 홀딩 요소는 상기 수술 도구 상에 플랜지를 포함하는,
    협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 도구 홀딩 요소는 상기 수술 도구 및 상기 도구 홀더 상의 협동하는 테이퍼진 표면을 포함하는,
    협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    도구 대 조직 거리를 감지하기 위한 센서를 더 포함하고,
    상기 감지된 도구 대 조직 거리가 미리결정된 레벨에 도달할 때 상기 도구 홀더가 원하는 이격 거리(stand off distance)로 이동하는,
    협동 제어식 로봇들을 위한 수술 중 도구 교환 또는 신속 해제를 위한 시스템.
  16. 협동 제어식 로봇들을 위한 도구 교환 또는 신속한 해제를 위한 방법으로서,
    로봇 및 외과의에 의해 파지되도록 구성되는 수술 도구를 수용하기 위해 도구 홀더를 제공하는 단계;
    상기 도구 홀더로부터 상기 도구의 작은 힘 제거를 허용하면서 상기 수술 도구의 하방 운동을 억제하는 단계;
    상기 수술 도구가 상기 도구 홀더 내에 고정되는 경우를 감지하는 단계; 및
    감지된 정보를 기초로 하여 수행될 상기 도구 홀더의 상이한 운동들 또는 액션들을 자동적으로 선택하는 단계를 포함하는,
    협동 제어식 로봇들을 위한 도구 교환 또는 신속한 해제를 위한 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 도구의 제거와 일치하는 미리결정된 레벨의 힘이 감지될 때 상기 수술 도구를 재결합하도록 도구 축선을 따라 인가된 힘의 방향으로 상기 도구 홀더가 이동하는,
    협동 제어식 로봇들을 위한 도구 교환 또는 신속한 해제를 위한 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 도구 홀더가 속도에서의 비대칭 증가로 이동하는,
    협동 제어식 로봇들을 위한 도구 교환 또는 신속한 해제를 위한 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 외과의가 상기 도구를 파지하지 않을 때 상기 도구가 상기 도구 홀더로부터 해제되는,
    협동 제어식 로봇들을 위한 도구 교환 또는 신속한 해제를 위한 방법.
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