KR20150043429A - 수술 시스템의 운동을 조종하기 위한 가상 자유도 - Google Patents

Abstract

환자의 개구부를 통하여 최소 침습 수술을 수행하는 방법, 장치 및 시스템을 개시한다. 한 방법에 따르면, 외과의사와 결합된 입력 장치로부터 복수의 파라미터가 수신되고, 상기 파라미터는 환자의 개구부를 통과하여 배향된 수술 기구의 엔드 이펙터의 바람직한 상태를 나타낸다. 상기 수술 기구는 제1 한 세트의 조인트를 가진 기계 조립체에 포함되어 있다. 제2 한 세트의 조인트를 제어하는 명령어를 계산하는 것에 의해서 수신된 파라미터를 이용하여 상기 기계 조립체를 제어하기 위한 명령어가 계산되고, 상기 제2 한 세트의 조인트는 상기 제1 한 세트의 조인트와 부가적인 조인트를 포함하고 있고, 상기 부가적인 조인트는 상기 기계 조립체에 있지 않다. 상기 기계 조립체는 계산된 명령어에 기초하여 상기 엔드 이펙터를 상기 바람직한 상태로 이동시키기 위해서 구동된다.

Description

수술 시스템의 운동을 조종하기 위한 가상 자유도{PHANTOM DEGREES OF FREEDOM FOR MANIPULATING THE MOVEMENT OF SURGICAL SYSTEMS}

본 출원은, 전체 내용이 본 명세서에 사실상 참고로 포함되어 있는, 2012년 8월 15일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/683,576호에 기초한 출원이다.

본 출원은 대체로, 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함되어 있는, 아래의 공동 출원: 즉, 발명의 명칭이 "영 공간을 이용하는 수술용 매니퓰레이터의 지정된 재구성(Commanded Reconfiguration of a Surgical Manipulator Using the Null Space)"이고 2012년 6월 1일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/654,764호; 발명의 명칭이 "기구학적인 특이성에 관한 의료용 로봇 시스템 매니퓰레이터의 제어(Control of Medical Robotic System Manipulator About Kinematic Singularities)"이고 2009년 6월 30일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/494,695호; 발명의 명칭이 "내부 운동을 발생시키기 위해 부가된 힘과 여유 자유도를 가지는 마스터 컨트롤러(Master Controller Having Redunduant Degrees of Freedom and Added Forces to Create Internal Motion)"이고 2009년 3월 17일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/406,004호; 발명의 명칭이 "수술 및 다른 용도를 위한 소프트웨어 센터 및 고도로 설정가능한 로봇 시스템(Software Center and Highly Configurable Robotic Systems for Surgery and Other Uses)"이고 2005년 5월 19일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/133,423호(미국 특허 제8,004,229호); 발명의 명칭이 "로봇 수술용 오프셋된 원격 중심 매니퓰레이터(Offset Remote Center Manipulator For Robotic Surgery)"이고 2004년 9월 30일자로 출원된 미국 특허 출원 제10/957,077호(미국 특허 제7,594,912호); 그리고 발명의 명칭이 "여유 자유도를 가진 마스터(Master Having Redundant Degrees of Freedom)" 이고 1999년 9월 17일자로 출원된 미국 특허 출원 제09/398,507호(미국 특허 제6,714,839호)에 관한 것이다.

본 발명의 여러 실시례는 대체로 개량된 수술 장치, 수술 시스템, 그리고 수술 방법 및/또는 로봇 장치, 로봇 시스템, 그리고 로봇식 방법을 제공한다.

최소 침습 의료 기술은 진단 과정이나 수술 과정에서 손상되는 진단이나 수술과 무관한 조직의 양을 감소시켜서, 환자 회복 시간, 불편함, 그리고 유해한 부작용을 감소시키는 것을 목적으로 한다. 미국에서는 매년 수백만 건의 수술이 수행된다. 이 수술의 상당수가 아마도 최소 침습 방식으로 수행될 수 있다. 하지만, 최소 침습 수술 기구의 제한사항, 최소 침습 기술, 그리고 최소 침습 기술을 마스터하는데 필요한 추가적인 수술 교육으로 인해 현재로는 비교적 작은 수의 수술만 이러한 최소 침습 기술을 이용하고 있다.

외과의사의 기민성(dexterity)을 향상시키고 또한 외과의사가 원격 위치에서 환자에 대해 수술을 할 수 있도록 하기 위해 수술에 사용되는 최소 침습 원격수술 시스템이 개발되고 있다. 원격수술이란 수술 기구를 손으로 직접 쥐고 이동시키는 것이 아니라 외과의사가 수술 기구 운동을 조종하기 위해서 일종의 원격 제어장치, 예를 들면, 서보기구 또는 이와 유사한 것을 이용하는 수술 시스템에 대한 총칭이다. 이러한 원격수술 시스템에서는, 외과의사가 원격 위치에서 수술 부위의 영상을 제공받는다. 외과의사는 통상적으로 적절한 관찰장치 즉 디스플레이에 나타난 수술 부위의 3차원 영상을 관찰하면서, 마스터 컨트롤 입력 장치를 조종하여, 로봇 수술 기구의 운동을 제어함으로써 환자에 대해 수술을 수행한다. 로봇 수술 기구는 작은 최소 침습 수술용 구멍을 통하여 삽입되어 환자 내부의 수술 부위의 조직을 치료할 수 있고, 상기 구멍은 통상적으로 개복 수술과 관련된 외상을 초래한다. 이러한 로봇 시스템은 충분한 기민성으로 수술 기구의 작업 단부를 이동시켜서, 종종 최소 침습 구멍에 있는 수술 기구의 샤프트를 피벗운동시키는 것, 상기 수술 기구의 샤프트를 상기 구멍을 통하여 축방향으로 미끄럼이동시키는 것, 상기 수술 기구의 샤프트를 상기 구멍 내에서 회전시키는 것, 및/또는 이와 유사한 움직임에 의해, 매우 복잡한 수술 작업을 수행할 수 있다.

원격수술에 사용되는 서보기구는 (외과의사의 두 손의 각각에 대해서 하나씩 배치된) 두 개의 마스터 컨트롤러로부터 입력을 종종 수용하고 두 개 이상의 로봇 암 또는 매니퓰레이터를 포함할 수 있다. 손 운동을 영상 포착 장치에 의해 표시된 로봇 수술 기구의 영상에 매핑시키는 것(mapping)은 각각의 손과 결합된 수술 기구에 대한 정밀한 제어를 외과의사에게 제공하는데 도움을 줄 수 있다. 많은 수술 로봇 시스템에 있어서, 내시경 또는 다른 영상 포착 장치, 추가적인 수술 기구 등을 이동시키기 위해서 하나 이상의 추가적인 로봇 매니퓰레이터 암이 포함되어 있다.

로봇 수술 동안 수술 부위에 있는 수술 기구를 지지하기 위해서 다양한 구조적 방식이 이용되고 있다. 피구동 링크장치 또는 "슬레이브(slave)"는 종종 로봇 수술용 매니퓰레이터라고 하며, 최소 침습 로봇 수술 동안 로봇 수술용 매니퓰레이터로서 사용되는 예시적인 링크장치가 발명의 명칭이 "영 공간을 이용하는 수술용 매니퓰레이터의 지정된 재구성(Commanded Reconfiguration of a Surgical Manipulator Using the Null Space)"이고 2012년 6월 1일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/654,764호, 그리고 미국 특허 제6,758,843호; 제6,246,200호; 및 제5,800,423호에 기술되어 있고, 이들 문헌의 전체 개시내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다. 이들 링크장치는 종종 샤프트를 가진 수술 기구를 유지하기 위해 평행사변형 배치를 이용한다. 이러한 매니퓰레이터 구조는 단단한 샤프트의 길이를 따라서 공간상에 포지셔닝된 구체 회전의 원격 중심(remote center of spherical rotation)에 대해서 수술 기구 샤프트가 피벗운동하도록 수술 기구의 운동을 제한할 수 있다. 이 회전 중심을 내부 수술 부위에 대한 절개 지점과(예를 들면, 복강경 수술 동안 복벽(abdominal wall)에 있는 투관침(trocar) 또는 캐뉼라(cannula)와) 정렬시킴으로써, 복벽에 대해 잠재적으로 위험한 힘을 가하지 않으면서 매니퓰레이터 링크장치를 이용하여 상기 샤프트의 근위 단부를 이동시키는 것에 의해 수술 기구의 엔드 이펙터가 안전하게 포지셔닝될 수 있다. 대체 형태의 매니퓰레이터 구조는, 예를 들면, 미국 특허 제7,594,912호, 제6,702,805호, 제6,676,669호, 제5,855,583호, 제5,808,665호, 제5,445,166호, 그리고 제5,184,601호에 기술되어 있고, 이들 문헌의 전체 개시내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.

새로운 로봇 수술 시스템 및 장치는 매우 효과적이고 유익한 것으로 판명되었지만, 여전히 추가적인 개량이 바람직할 것이다. 몇몇 경우에 있어서, 외과의사에 의해 사용되는 마스터 컨트롤러는 원격 제어식 로봇 매니퓰레이터 암 및/또는 공구의 엔드 이펙터가 가지는 자유도의 갯수보다 많거나 같은 자유도를 가진다. 이러한 경우에는, 상기 로봇 매니퓰레이터 암 및/또는 공구를 제어하기 위해서 사용되는 컨트롤러가 과도하게 제한될 수 있다. 예를 들면, 원격 공구(remote tool)가 최소 침습 구멍을 통하여 뻗어 있는 강성의 내시경인 경우, 작업 공간 내에서 두 개의 방향 자유도(orientational degrees of freedom)를 사용하지 못할 수 있다(엔드 이펙터 근처의 공구 손목부와 관련된 자유도, 예를 들면, 손목 피칭운동(pitch) 및 요잉운동(yaw)). 따라서, 내시경을 가진 상기 로봇 매니퓰레이터만 그 끝부분에서 4 자유도를 가진다. 실제로, 이러한 수학적인 문제가, 외과의사에게 바람직하지 않은 느릿느릿한 무반응의 느낌을 초래하는 실제적인 것으로 될 수 있다. 상이한 자유도를 가지는 공구들이 동일한 로봇 수술 매니퓰레이터에 사용될 때 다른 문제가 발생할 수 있다. 예를 들면, 외과의사가 3 자유도를 가지는 조(jaw)를 사용한 다음, 이 조를 2 자유도를 가지는 흡입 장치와 교체하기를 원할 수 있다. 입력 자유도와 출력 자유도가 다른 상황에서 공구 운동을 제어하기 위해 추정된 조인트 포지션(estimated joint position)을 사용할 때 또 다른 문제가 발생할 수 있다. 이러한 상황은 바람직하지 않은 공구 운동을 초래하는 조인트 포지션 추정값에 부과되는 수치 오차(numerical error)를 초래할 수 있다.

상기와 같은 이유와 다른 이유로, 수술, 로봇 수술, 그리고 다른 로봇 사용예에 대해 개량된 장치, 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 개량된 기술이 외과의사에 의해 조종되는 마스터 컨트롤러의 자유도보다 작은 자유도를 가지는 엔드 이펙터를 가진 로봇 매니퓰레이터 암 및/또는 공구를 효과적으로 제어하는 능력을 제공한다면 특히 유익할 것이다. 이러한 개량된 기술이 동일한 계산 엔진(computation engine)을 로봇 시스템의 모든 기구에 대해 사용될 수 있게 하여, 유연성(flexibility)을 증가시키면서 컨트롤러 복잡성과 비용을 줄인다면 더욱 더 유익할 것이다.

본 발명의 실시례는 대체로 개량된 로봇 장치, 로봇 시스템, 그리고 로봇식 방법 및/또는 수술 장치, 수술 시스템, 그리고 수술 방법을 제공한다. 하나의 실시례에는, 수술 시스템을 작동시키는 방법이 개시되어 있다. 상기 방법은 외과의사와 결합된 입력 장치로부터 파라미터를 수신하는 작동을 포함하여 다양한 작동을 포함하고 있고, 상기 파라미터는 환자의 개구부를 통과하여 배향된 수술 기구의 엔드 이펙터의 바람직한 상태를 나타내고, 상기 수술 기구는 제1 한 세트의 조인트를 가진 기계 조립체에 포함되어 있다. 상기 방법은 또한 제2 한 세트의 조인트를 제어하는 명령어를 계산하는 것에 의해서 수신된 파라미터를 이용하여 상기 기계 조립체를 제어하는 명령어를 계산하는 작동을 포함하고 있고, 상기 제2 한 세트의 조인트는 상기 제1 한 세트의 조인트와 부가적인 조인트를 포함하고 있고, 상기 부가적인 조인트는 상기 기계 조립체에 있지 않다. 상기 방법은 또한 계산된 명령어에 기초하여 상기 엔드 이펙터를 상기 바람직한 상태로 이동시키기 위해서 상기 기계 조립체를 구동시키는 작동을 포함하고 있다.

다른 실시례에 따르면, 환자의 개구부를 통하여 최소 침습 수술을 수행하는 수술 시스템이 개시되어 있다. 상기 시스템은 외과의사로부터 입력을 수신하는 입력 장치를 포함하는 외과의사의 콘솔을 포함하고 있다. 상기 시스템은 또한 제1 수술 기구와 제2 수술 기구를 수용하도록 작동되는 적어도 하나의 매니퓰레이터 구조를 포함하고 있고, 상기 제1 수술 기구는 상기 제2 수술 기구의 다수의 자유도와 다른 다수의 자유도를 가지고 있다. 상기 시스템은 또한 상기 적어도 하나의 매니퓰레이터 구조와 결합된 기구를 제어하는 컨트롤러를 포함하고 있다. 몇몇 실시례에서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 수술 기구의 제1 기구학적 모델과 상기 제2 수술 기구의 제2 기구학적 모델을 이용하여 상기 제1 수술 기구와 상기 제2 수술 기구를 제어하도록 작동될 수 있다.

본 발명의 본질과 장점을 보다 잘 이해하기 위해서는, 아래의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참고하여야 한다. 본 발명의 다른 실시형태, 목적 그리고 장점은 아래의 상세한 설명과 도면에 의해 명확하게 될 것이다.

도 1a는 본 발명의 실시례에 따른 로봇 수술 시스템의 조감도이다.
도 1b는 도 1a의 로봇 수술 시스템을 도해적으로 나타내고 있다.
도 2는 도 1a의 외과의사 콘솔의 사시도이다.
도 3은 도 1a의 전자장치 카트의 사시도이다.
도 4는 수술 기구를 각각 지지하는 복수의 매니퓰레이터 암을 가지고 있는 환자측 카트의 사시도이다.
도 5는 한 실시례에 따른 매니퓰레이터 암의 사시도이다.
도 6a는 한 실시례에 따른 대향하는 클램핑 조(clamping jaw)를 가지고 있는 엔드 이펙터를 포함하는 로봇 수술 공구의 사시도이다.
도 6b는 한 실시례에 따른 손목부가 있는 내시경을 나타내고 있다.
도 6c는 한 실시례에 따른 흡입 포트를 가진 오버튜브의 원위 단부의 사시도이다.
도 6d는 한 실시례에 따른 손목부가 없는 내시경을 나타내고 있다.
도 7a는 한 실시례에 따른 마스터 컨트롤 입력 장치의 사시도이다.
도 7b는 도 7a의 입력 장치의 짐벌 또는 손목부의 사시도이다.
도 7c는 도 7a의 입력 장치의 관절연결식 암의 사시도이다.
도 8은 수학적으로 모델링된 것보다 작은 자유도를 가진 기계 몸체를 제어하는 단순화된 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 9는 한 실시례에 따른 액추에이터의 블록도이다.
도 10a는 제1 실시례에 따른 입력 장치를 이용하여 매니퓰레이터 조립체를 제어하는 단순화된 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 10b는 제2 실시례에 따른 입력 장치를 이용하여 매니퓰레이터 조립체를 제어하는 단순화된 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 10c는 제3 실시례에 따른 입력 장치를 이용하여 매니퓰레이터 조립체를 제어하는 단순화된 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 10d는 제4 실시례에 따른 입력 장치를 이용하여 매니퓰레이터 조립체를 제어하는 단순화된 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 11a는 제1 실시례에 따른 공구 포지션 측정 장치를 이용하여 매니퓰레이터 조립체를 제어하는 단순화된 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 11b는 제2 실시례에 따른 공구 포지션 측정 장치를 이용하여 매니퓰레이터 조립체를 제어하는 단순화된 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 12a는 한 실시례에 따른 5 자유도보다 많은 자유도를 가진 매니퓰레이터 조립체를 나타내고 있다.
도 12b는 한 실시례에 따른 복수 매니퓰레이터 조립체 부분의 조인트 포지션의 연산을 나타내는 블록도이다.
도 13은 제1 실시례에 따른 입력 장치를 이용하여 매니퓰레이터 암, 공구, 및/또는 엔드 이펙터를 제어하는 프로세스를 나타내는 흐름도이다.
도 14는 제2 실시례에 따른 입력 장치를 이용하여 매니퓰레이터 암, 공구, 및/또는 엔드 이펙터를 제어하는 프로세스를 나타내는 흐름도이다.

본 발명의 실시례는 대체로 기계 몸체의 운동을 제어하는 개량된 기술을 제공한다. 몇 가지 실시례는 수술하는 동안 복수의 수술 공구 또는 기구가 대응하는 복수의 로봇 매니퓰레이터에 장착되어 이 대응하는 복수의 로봇 매니퓰레이터에 의해 이동되는 수술용 로봇 시스템에 사용하기에 특히 유리하다. 상기 로봇 시스템은 종종 마스터-슬레이브 컨트롤러로서 구성된 프로세서를 포함하는 원격로봇 시스템, 원격수술 시스템 및/또는 텔레프레전스 시스템(telepresence system)을 포함한다. 비교적 많은 수의 자유도를 가지는 관절식 링크장치를 가진 매니퓰레이터 조립체를 이동시키도록 적절하게 구성된 프로세서를 이용하는 로봇 시스템을 제공함으로써, 상기 링크장치의 운동이 최소 침습 접근 부위를 통과하여 작업하는데 알맞게 될 수 있다.

비록 "로봇 조립체" 라는 용어가 장착된 공구가 없는 매니퓰레이터도 포함하지만, 본 명세서에 기술된 로봇 매니퓰레이터 조립체는 종종 로봇 매니퓰레이터와 이 로봇 매니퓰레이터에 장착된 공구(이 공구는 종종 수술용 수술 기구를 포함한다)를 포함한다. "공구(tool)" 라는 용어는 통상적인 또는 산업용 로봇 공구와 전문적인 로봇 수술 기구의 양자 모두를 포함하고, 후자의 구조는 종종 조직의 조작, 조직의 치료, 조직의 촬영 등에 적합한 엔드 이펙터를 포함한다. 공구/매니퓰레이터 인터페이스(interface)는 종종 신속 분리 공구 홀더(quick disconnect tool holder) 또는 커플링(coupling)으로 되어, 공구의 신속한 제거와 대체 공구와의 신속한 교체를 가능하게 한다. 상기 매니퓰레이터 조립체는 종종 로봇 수술의 적어도 일부 과정 동안 공간에 고정되어 있는 베이스를 가지며 상기 매니퓰레이터 조립체는 상기 베이스와 공구의 엔드 이펙터 사이에 다수의 자유도를 포함할 수 있다. 예를 들면, 매니퓰레이터 조립체가 매니퓰레이터의 기구학적 자유도 뿐만 아니라 매니퓰레이터에 연결된 공구의 기구학적 자유도를 포함할 수 있다. 이들의 조합 형태를 본 명세서에서는 "매니퓰레이터 자유도"라고 칭할 수 있고, 통상적으로 조인트 공간에서 정의되어 있다(아래에 설명되어 있음). 상기 매니퓰레이터 조립체의 자유도에 더하여, 엔드 이펙터의 작동(예를 들면, 파지 장치의 조(jaw)의 개폐, 전기수술 패들(electrosurgical paddle)의 작동, 기압을 부압으로 만드는 것 등)이 종종 상기 매니퓰레이터 조립체의 자유도와 별개로 될 수 있다. 이를 본 명세서에서 "작동 자유도"라고 칭할 수 있다.

엔드 이펙터(또는, 보다 일반적으로, 아래에 기술되어 있는 것과 같이, 제어 프레임)는 통상적으로 2 내지 6 자유도를 가진 작업 공간에서 이동한다. 엔드 이펙터의 자유도(또는, 보다 일반적으로, 제어 프레임의 자유도)는 본 명세서에서 "엔드 이펙터 자유도" 라고 칭할 수 있고, 통상적으로 직교좌표 공간에서 정의되어 있다(아래에 설명되어 있음). 본 명세서에 사용되어 있는 것과 같이, "포지션(position)" 이라는 용어는 위치(location)와 방향(orientation)을 포함한다. 따라서, 예를 들면, 엔드 이펙터의 포지션의 변화는 제1 위치에서 제2 위치로의 엔드 이펙터의 병진이동, 제1 방향에서 제2 방향으로의 엔드 이펙터의 회전, 또는 상기 양 경우의 조합을 포함할 수 있다. 최소 침습 로봇 수술용으로 사용되는 경우, 매니퓰레이터 조립체의 운동은, 공구 또는 기구의 샤프트 또는 중간 부분이 최소 침습 수술 접근 부위 또는 다른 구멍을 통과하여 안전하게 운동하게 제한되도록 시스템의 프로세서에 의해 제어될 수 있다. 이러한 운동은, 예를 들면, 상기 구멍 부위를 통하여 수술 작업 공간으로의 상기 샤프트의 축방향의 삽입, 상기 샤프트의 자신의 축에 대한 회전, 그리고 상기 구멍의 피벗점에 대한 상기 샤프트의 피벗 운동을 포함할 수 있다.

본 명세서에 기술된 매니퓰레이터 조립체의 다수는 사용할 수 있는 자유도가 통상적으로 작업 공간에서 엔드 이펙터의 포지셔닝에 대한 완전한 제어와 관련되어 있는 것보다 작은 수의 자유도를 가지고 있다(엔드 이펙터의 완전한 제어를 위해서는 세 개의 독립적인 병진운동(translation)과 세 개의 독립적인 방향을 포함하는 엔드 이펙터 자유도를 필요로 한다). 다시 말해서, 매니퓰레이터 조립체는 여섯 개의 엔드 이펙터 자유도를 독립적으로 제어하기에 불충분한 갯수 또는 유형의 자유도를 가질 수 있다. 예를 들면, 관절연결식 손목부가 없는 강성의 내시경 끝부분은, 손목부 피칭운동 및/또는 요잉운동과 같은, 손목부의 하나 또는 두 개의 자유도를 잃을 수 있다. 따라서, 상기 내시경은 엔드 이펙터를 포지셔닝하기 위해서 여섯 개의 자유도가 아니라, 단지 네 개 또는 다섯 개의 자유도를 가질 수 있고, 따라서 잠재적으로 내시경의 움직임을 제한할 수 있다.

그러나, 본 명세서에 기술된 매니퓰레이터 조립체 중의 일부는 엔드 이펙터의 포지셔닝을 완전히 제어하기 위해서 필요로 하는 것보다 많은 수의 자유도를 가지지만(엔드 이펙터의 완전한 제어를 위해서는 세 개의 독립적인 병진운동과 세 개의 독립적인 방향을 포함하는 엔드 이펙터 자유도를 필요로 한다), 매니퓰레이터 조립체의 조인트의 유형이나 배치상태로 인해, 매니퓰레이터 조립체는 여전히 엔드 이펙터의 포지셔닝을 완전히 제어할 수 없다. 예를 들면, 매니퓰레이터 조립체는 일곱 개의 매니퓰레이터 자유도를 가질 수 있지만, 이들 중의 세 개는 불필요한(redundant) 것이다. 결과적으로, 엔드 이펙터는 실질적으로 다섯 개의 자유도를 가진다.

엔드 이펙터의 포지션을 제어하는데 사용할 수 있는 자유도의 갯수에 관계없이, 본 명세서에 기술된 매니퓰레이터 조립체는 공구를 작동시키기 위한 추가적인 자유도(다시 말해서, 작동 자유도)를 조성할 수도 있다. 예를 들면, 상기 매니퓰레이터 조립체는, 예를 들면, 작동시에 선택 조직을 가열시키도록 작동하는 전기소작 프로브(electrocautery probe)를 가지는 공구를 장착하도록 구성될 수 있다. 다른 예를 들면, 상기 매니퓰레이터 조립체는, 예를 들면, 작동시에 선택 조직 주위에 흡입력을 가하도록 작동하는 진공기(vacuum)를 가지는 공구를 장착하도록 구성될 수 있다. 상기와 같은 경우에 있어서, 이러한 추가적인 자유도는 기구학적인 것이 아니므로, 엔드 이펙터의 포지션(다시 말해서, 위치와 방향)에 영향을 미치지 않는다.

조인트 등의 "상태(state)" 라는 용어는 본 명세서에서 종종 조인트와 관련된 제어 변수를 지칭한다. 예를 들면, 앵귤러 조인트(angular joint)의 상태는 앵귤러 조인트의 운동의 범위 내에서 상기 조인트에 의해 한정된 각도, 및/또는 상기 조인트의 각속도를 지칭할 수 있다. 마찬가지로, 액시얼(axial) 또는 프리즈메틱 조인트(prismatic joint)의 상태는 상기 조인트의 축방향의 포지션, 및/또는 상기 조인트의 축방향의 속도를 지칭할 수 있다. 본 명세서에 기술된 컨트롤러의 다수는 속도 컨트롤러를 포함하지만, 이들은 종종 몇 가지 포지션 제어 측면(position control aspect)도 가지고 있다. 대체 실시례는 주로 또는 전적으로 포지션 컨트롤러, 가속도 컨트롤러 등에 의존할 수 있다. 상기와 같은 장치에 사용될 수 있는 컨트롤 시스템의 많은 실시형태는, 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함되어 있는, 미국 특허 제6,699,177호에 보다 상세히 기술되어 있다. 따라서, 기술된 운동이 관련된 연산에 기초하고 있는 한, 본 명세서에 기술된 조인트의 운동과 엔드 이펙터의 운동의 연산은 포지션 제어 알고리즘, 속도 제어 알고리즘, 포지션 제어 알고리즘과 속도 제어 알고리즘의 조합, 및/또는 이와 유사한 것을 이용하여 수행될 수 있다.

다수의 실시례에서, 예시적인 매니퓰레이터 암의 공구가 최소 침습 구멍에 인접한 피벗점에 대해서 피벗운동한다. 몇몇 실시례에서, 상기 시스템은, 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함되어 있는, 미국 특허 제6,786,896호에 기술된 원격 중심 기구학(remote center kinematics)과 같은 하드웨어 원격 중심(hardware remote center)을 활용할 수 있다. 상기 시스템은 매니퓰레이터에 의해 지지된 수술 기구의 샤프트가 원격 중심점에 대해서 피벗운동하도록 링크장치의 운동을 제한하는 이중 평행사변형 링크장치(double parallelogram linkage)를 활용할 수 있다. 대체 형태의 기계적으로 제한된 원격 중심 링크장치 시스템은 알려져 있거나 미래에 개발될 수 있다. 다른 실시례에서는, 상기 시스템이, 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함되어 있는, 미국 특허 출원 제8,004,229호에 기술되어 있는 것과 같이, 원격 중심을 이루기 위해 소프트웨어를 활용할 수 있다. 소프트웨어 원격 중심을 가진 시스템에서는, 수술 기구 샤프트의 중간 부분을, 기계적인 제한이 아니라, 원하는 피벗점에 대해서 피벗운동시키기 위해서 프로세서가 조인트의 운동을 연산한다. 소프트웨어 피벗점을 연산하는 능력을 가짐으로써, 시스템의 컴플라이언스(compliance) 또는 스티프니스(stiffness)에 의해 특징지워진 상이한 유형이 선택적으로 실행될 수 있다. 보다 상세하게는, 다양한 피벗점/중심(예를 들면, 이동가능한 피벗점(moveable pivot point), 수동적 피벗점(passive pivot point), 고정된/단단한 피벗점(fixed/rigid pivot point), 부드러운 피벗점(soft pivot point))에 대해서 상이한 시스템 유형이 원하는 대로 실행될 수 있다.

다수의 구성에 있어서, 로봇 수술 시스템은 원격 제어식 로봇 매니퓰레이터 암 및/또는 공구가 가지는 자유도의 갯수보다 작거나, 많거나, 같은 자유도의 갯수를 가지는 마스터 컨트롤러를 포함할 수 있다. 이러한 경우에는, 상기 로봇 매니퓰레이터 암 및/또는 공구를 제어하는데 기초가 된 자코비안 또는 상기 로봇 매니퓰레이터 암 및/또는 공구를 제어하는데 사용된 다른 컨트롤러가 통상적으로 완전한 수학적 해법 및 만족할 만한 제어를 제공한다. 예를 들면, 강체의 포지션(다시 말해서, 위치와 방향)을 완전히 제어하는 것은 강체의 독립적으로 제어할 수 있는 여섯 개의 자유도를 이용할 수 있고, 상기 여섯 개의 자유도는 병진운동에 대한 세 개의 자유도와 방향에 대한 세 개의 자유도를 포함한다. 이것이 6 x N 자코비안 행렬이 사용되는 자코비안에 기초한 제어 알고리즘에 매우 적합하다.

그러나, 6 x N 자코비안 컨트롤러가 6 자유도보다 작은 자유도를 가지는 로봇 매니퓰레이터 암 및/또는 공구를 제어하기 위해서 사용되면, 수학적인 문제가 과도하게 제한되기 때문에 문제가 발생할 수 있다. 예를 들면, 원격 공구가 (강성의 내시경이 최소 침습 구멍에서 피벗운동하도록) 최소 침습 구멍을 통하여 뻗어 있는 강성의 내시경인 경우, 두 개의 매니퓰레이터 자유도를 이용하지 못할 수 있다(종종 엔드 이펙터에 인접한 공구 손목부와 관련된 것, 예를 들면, 손목부 피칭운동 및 요잉운동). 이들 두 개의 손실 매니퓰레이터 자유도(missing manipulator degrees of freedom)의 각각은 엔드 이펙터의 병진운동과 방향의 양자에 영향을 미친다. 따라서, 상기 내시경은 내시경의 끝부분에서 단지 네 개의 독립적으로 제어할 수 있는 자유도(다시 말해서, 엔드 이펙터 자유도)를 가지며, 이것은 6 x N 자코비안 접근법에 대한 상기한 수학적인 문제점을 초래할 수 있다. 실제로, 이러한 수학적인 문제점은 종종 중요하게 될 수 있다. 예를 들면, 내시경 끝부분이 좌우(상하)로 이동하거나 기울어지도록 명령을 받으면, 상기 내시경은 손목부가 없는 끝부분을 가지고 있기 때문에, 상기 내시경은 한 가지 일만 할 수 있는데, 그것은 상기 양자의 조합형태를 실행하는 것이다. 다시 말해서, 내시경 끝부분은 좌우(상하)로 이동하거나 기울어지도록 독립적으로 제어될 수 없고; 오히려, 상기 내시경 끝부분은 이들 운동의 정해진 조합형태만 수행할 수 있다. 이것은 잠재적으로 외과의사에게 바람직하지 않은 느릿느릿한, 무반응의 느낌(unresponsive feel)을 초래할 수 있다.

상이한 자유도를 가지는 공구들이 동일한 로봇 수술 매니퓰레이터와 함께 사용될 때 다른 문제가 종종 발생한다. 예를 들면, 외과의사는 세 개의 기구학적 자유도를 가지는 조(jaw)를 사용한 다음, 이 조를 두 개의 기구학적 자유도를 가지는 흡입 장치와 교체하기를 원할 수 있다. 조의 움직임을 제어하기 위한 수학적 모델은 흡입 장치의 움직임을 제어하기 위한 수학적 모델과 다르기 때문에, 동일한 수학적 모델이 사용되는 것에 의해 발생하는 상기한 문제점을 피하기 위해서 로봇 시스템은 두 개의 상이한 모델을 적용한다. 예를 들면, 매니퓰레이터가 공구의 자유도에 더하여 세 개의 자유도를 제공하는 경우, 조와 흡입 장치의 움직임을 제어하는 컨트롤러는 6 x N 자코비안에 기초한 컨트롤러와 5 x (N-l) 자코비안에 기초한 컨트롤러을 각각 포함할 수 있다. 복수 컨트롤러의 사용은 복잡성을 배가시키고, 이는 비용의 증가 및/또는 많은 수의 상이한 공구에 대한 확장성(scalability)의 제한을 초래할 수 있고, 5 x (N-l) 자코비안은 감소된 열의 수로 인해 사용하기가 더욱 복잡해진다.

조인트의 후속되는 운동을 제어하기 위해 매니퓰레이터 조립체의 현재의 조인트 포지션의 추정값을 이용하면 또 다른 문제가 종종 발생한다. 조인트 컨트롤러는 조인트를 원하는 조인트 포지션에 보다 근접하게 이동시키도록 조인트에 가하는 적절한 토크를 결정하기 위해서 원하는 조인트 포지션과 현재의 조인트 포지션의 추정값의 조합을 이용할 수 있다. 매니퓰레이터 조립체의 기구학적 모델의 자유도의 갯수가 매니퓰레이터 조립체의 자유도의 개수와 동일하지만, 공구 끝부분의 포지션이 보다 많은 수의 자유도로 측정되는 상황에서는, 조인트 각도를 결정하기 위해 이러한 측정값을 상기 기구학적 모델에 대한 입력값으로 이용하는 것에 의해 최종 조인트 각도 산출값에 오차가 부가된다. 이러한 오차는 상기 조인트 각도 산출값이 매니퓰레이터 조립체의 움직임을 제어하기 위해서 사용될 때 매니퓰레이터 조립체의 바람직하지 않은 제어를 초래한다.

엔드 이펙터의 포지션을 완전히 제어하기 위한 여섯 개의 자유도보다 작거나, 많거나, 동일한 갯수의 자유도를 가지는 매니퓰레이터 조립체를 포함하여, 다양한 자유도를 가지는 매니퓰레이터 조립체가 본 명세서에 개시되어 있지만, 이러한 매니퓰레이터 조립체의 다수의 실시례는 엔드 이펙터의 포지션을 완전히 제어하기 위한 적어도 하나의 자유도가 부족하다. 매니퓰레이터 조립체는 상기 자유도 중의 하나가 부족할 수 있지만, 매니퓰레이터 조립체를 제어하는 입력 장치(예를 들면, 마스터 컨트롤 입력 장치)가 부족한 자유도를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시례에 따르면, 매니퓰레이터 조립체에서 손실되는 자유도를 제어하는 입력에 대응하여, 매니퓰레이터 조립체에서 이용할 수 있는 다른 자유도가 손실되는 자유도의 제어를 시뮬레이션하도록 움직임을 제공할 수 있다. 이것은 손실되는 매니퓰레이터 자유도에 대한 연산을 포함하고 실행하는 매니퓰레이터 조립체의 기구학적 모델을 이용함으로써 행해질 수 있다. 이러한 연산을 수행하는 것에 의해, 엔드 이펙터가 요청된 자유도로 움직이게 보이도록 매니퓰레이터 조립체의 나머지 자유도가 보다 효과적으로 제어될 수 있다. 게다가, 이러한 기구학적 모델의 사용은 상이한 갯수의 자유도를 가지는 공구의 포지셔닝 및/또는 작동을 용이하게 하는 것과 관련된 복잡성을 상당히 감소시킬 수 있다.

아래의 설명에서, 본 발명의 다양한 실시예를 기술한다. 설명을 위해서, 상기 실시예의 충분한 이해를 제공하기 위해 특정 구성 및 세부사항이 개시되어 있다. 그러나, 당해 기술 분야의 전문가에게는 특정의 세부사항 없이도 본 발명이 실시될 수 있다는 것이 자명할 것이다. 또한, 설명하는 실시예를 모호하게 하지 않기 위해서 잘 알려진 특징은 생략하거나 단순화할 수 있다.

도면을 참고하면, 여러 도면에 걸쳐서 유사한 참고 번호가 유사한 부분을 나타내며, 도 1a는 수술대(14)에 누워 있는 환자(12)에 대해 최소 침습 진단 또는 수술을 수행하는데 사용되는, 다수의 실시례에 따른, 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(10)을 나타내는 평면도이다. 상기 최소 침습 로봇 수술 시스템은 수술을 하는 동안 외과의사(18)가 사용하는 외과의사의 콘솔(16)을 포함할 수 있다. 한 명 이상의 보조자(20)가 수술에 참여할 수도 있다. 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(10)은 환자측 카트(22)(수술용 로봇)와 전자장치 카트(24)를 더 포함할 수 있다. 환자측 카트(22)는 외과의사(18)가 콘솔(16)을 통하여 수술 부위의 영상을 관찰하면서 환자(12)의 신체의 최소 침습 절개부를 통하여 적어도 하나의 탈착가능하게 결합된 공구 조립체(26)(이하에서는, 단지 "공구" 라고도 한다)를 조작할 수 있다. 수술 부위의 영상은, 입체 내시경과 같은, 영상 장치(28)에 의해 얻을 수 있고, 영상 장치(28)는 영상 장치(28)를 특정 방향으로 향하게 하기 위해 환자측 카트(22)에 의해 조작될 수 있다. 외과의사의 콘솔(16)을 통하여 외과의사(18)에 대한 차후의 디스플레이를 위해 수술 부위의 영상을 처리하기 위해 전자장치 카트(24)가 사용될 수 있다. 한 번에 사용되는 수술 공구(26)의 갯수는 대체로 진단이나 수술 그리고 다른 요인들 중에서 수술실 내의 공간적인 제한사항에 따라 좌우된다. 수술 도중에 사용하고 있는 수술 공구(26) 중의 하나 이상을 교체할 필요가 있는 경우, 보조자(20)가 환자측 카트(22)로부터 수술 공구(26)를 제거하고, 이 수술 공구를 수술실의 트레이(30)에 있는 다른 수술 공구(26)와 교체할 수 있다.

일부 실시례에서 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(10)은 외과의사의 콘솔(16), 전자장치 카트(24), 그리고 환자측 카트(22)와 같은 다양한 구성요소를 포함하는 환자에 대해 최소 침습 진단 또는 수술을 수행하는 시스템이다. 하지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 도 1a에 도시되어 있는 것보다 작거나 많은 수의 구성요소를 가지고 있더라도 상기 최소 침습 로봇 수술 시스템은 동일하게 제대로 작동할 수 있다는 것을 잘 알 수 있을 것이다. 따라서, 도 1a의 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(10)의 도시 내용은 사실상 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것으로 받아들여져야 한다.

도 1b는 로봇 수술 시스템(50)(도 1a의 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(10)과 같은 것)을 개략적으로 나타내고 있다. 상기한 바와 같이, 외과의사의 콘솔(52)(도 1a의 외과의사의 콘솔(16)과 같은 것)은 최소 침습 수술을 하는 동안 환자측 카트(수술용 로봇)(54)(도 1a의 환자측 카트(22)와 같은 것)를 제어하기 위해 외과의사에 의해 사용될 수 있다. 상기 환자측 카트(54)는 수술 부위의 영상을 포착하고 포착된 영상을 전자장치 카트(56)(도 1a의 전자장치 카트(24)와 같은 것)에 출력하기 위해서, 입체 내시경과 같은, 영상 장치를 사용할 수 있다. 상기한 바와 같이, 전자장치 카트(56)는 임의의 차후의 표시를 하기 전에 상기 포착된 영상을 다양한 방식으로 처리할 수 있다. 예를 들면, 전자장치 카트(56)는 외과의사의 콘솔(52)을 통하여 외과의사에게 합성된 영상을 나타내기 전에 상기 포착된 영상을 가상 제어 인터페이스(virtual control interface)와 오버레이(overlay)할 수 있다. 환자측 카트(54)는 전자장치 카트(56)의 외부에서 처리하기 위해 상기 포착된 영상을 출력할 수 있다. 예를 들면, 환자측 카트(54)는 상기 포착된 영상을, 포착된 영상을 처리하는데 사용될 수 있는 프로세서(58)로 출력할 수 있다. 상기 포착된 영상은, 포착된 영상을 공동으로, 순차적으로, 및/또는 이들의 결합 방식으로 처리하기 위해 함께 결합될 수 있는 전자장치 카트(56)와 프로세서(58)의 결합체에 의해 처리될 수도 있다. 수술 부위의 영상, 또는 다른 관련 영상과 같은, 영상의 현지 표시 및/또는 원격 표시를 위해 하나 이상의 별개의 디스플레이(60)가 프로세서(58) 및/또는 전자장치 카트(56)와 결합될 수도 있다.

일부 실시례에서 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(50)은 외과의사의 콘솔(52), 전자장치 카트(56), 그리고 환자측 카트(54)와 같은 다양한 구성요소를 포함하는 환자에 대해 최소 침습 진단 또는 수술을 수행하는 시스템이다. 하지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 도 1b에 도시되어 있는 것보다 작거나 많은 수의 구성요소를 가지고 있더라도 상기 최소 침습 로봇 수술 시스템은 동일하게 제대로 작동할 수 있다는 것을 잘 알 수 있을 것이다. 따라서, 도 1b의 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(50)의 도시 내용은 사실상 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것으로 받아들여져야 한다.

도 2는 외과의사의 콘솔(16)의 사시도이다. 외과의사의 콘솔(16)은 깊이 인식을 가능하게 하는 수술 부위의 조정된 입체 화면을 외과의사(18)에게 제공하는 왼쪽 눈 디스플레이(32) 및 오른쪽 눈 디스플레이(34)를 포함하고 있다. 외과의사의 콘솔(16)은 하나 이상의 입력 제어 장치(36)를 더 포함하고 있고, 이 입력 제어 장치는 환자측 카트(22)(도 1a에 도시되어 있음)로 하여 하나 이상의 공구를 조작하게 한다. 입력 제어 장치(36)는 외과의사에게 원격현장감, 또는 외과의사가 상기 공구(26)를 직접 제어하고 있다는 강한 느낌을 가지도록 입력 제어 장치(36)가 상기 공구(26)와 일체로 되어 있다는 인식을 제공하기 위해서 대응하는 공구(26)(도 1a에 도시되어 있음)와 동일한 자유도, 또는 보다 많은 수의 자유도를 제공할 수 있다. 이를 위해서, 입력 제어 장치(36)를 통하여 상기 공구(26)로부터의 포지션, 힘, 그리고 촉각적인 느낌을 외과의사의 손으로 전달하기 위해서 포지션 센서, 힘 센서, 그리고 촉각 피드백 센서(도시되어 있지 않음)가 사용될 수 있다.

외과의사가 직접 수술을 감시하고, 필요에 따라 직접 참석하고, 전화나 다른 통신 매체를 통하기보다 직접 보조자에게 말을 할 수 있도록 외과의사의 콘솔(16)은 통상적으로 환자가 있는 방과 같은 방에 배치되어 있다. 그러나, 외과의사가, 원격 수술을 가능하게 하는 다른 방, 완전히 다른 건물, 또는 환자로부터 떨어져 있는 다른 위치에 배치될 수 있다.

일부 실시례에서 외과의사의 콘솔(16)은 수술 부위에 관한 정보를 외과의사에게 제공하고 외과의사로부터 입력 정보를 수신하는 장치이며 눈 디스플레이(eye display) 및 입력 제어 장치와 같은 다양한 구성요소를 포함한다. 하지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 도 2에 도시되어 있는 것보다 작거나 많은 수의 구성요소를 가지고 있더라도 상기 외과의사의 콘솔은 동일하게 제대로 작동할 수 있다는 것을 잘 알 수 있을 것이다. 따라서, 도 2의 외과의사의 콘솔(16)의 도시 내용은 사실상 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것으로 받아들여져야 한다.

도 3은 전자장치 카트(24)의 사시도이다. 전자장치 카트(24)는 영상 장치(28)와 결합될 수 있으며, 예를 들면, 외과의사의 콘솔, 또는 근처에 및/또는 이격되어 배치된 다른 적절한 디스플레이에서 외과의사에 대한 차후의 디스플레이를 위해 촬영된 영상을 처리하기 위해 프로세서를 포함할 수 있다. 예를 들면, 입체 내시경이 사용되는 곳에서, 전자장치 카트(24)는 수술 부위의 조정된 입체 화면을 외과의사에게 제공하기 위해 촬영된 영상을 처리할 수 있다. 상기 조정은 대립되는 영상들 사이의 얼라인먼트를 포함할 수 있고 입체 내시경의 입체 작동 거리(stereo working distance)를 조정하는 것을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 영상 처리는 광학적 수차(optical aberration)와 같은, 영상 장치의 촬영 에러를 보상하기 위해 사전에 결정된 카메라 보정 파라미터의 사용을 포함할 수 있다.

일부 실시례에서 전자장치 카트(24)는 수술팀에게 수술에 관한 정보를 제공하는 장치이며 다양한 디스플레이, 프로세서, 저장 요소 등을 포함하고 있다. 하지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 도 3에 도시되어 있는 것보다 작거나 많은 수의 구성요소를 가지고 있더라도 상기 전자장치 카트는 동일하게 제대로 작동할 수 있다는 것을 잘 알 수 있을 것이다. 따라서, 도 3의 전자장치 카트(24)의 도시 내용은 사실상 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것으로 받아들여져야 한다.

도 4는 매니퓰레이터 암의 원위 단부에 있는 수술 기구 또는 공구(26)를 각각 지지하는 복수의 매니퓰레이터 암을 가지고 있는 환자측 카트(22)를 나타내고 있다. 도시된 환자측 카트(22)는 네 개의 매니퓰레이터 암(100)을 포함하고 있고, 상기 네 개의 매니퓰레이터 암(100)은 수술 공구(26)나 수술 부위의 영상을 포착하는데 사용되는 입체 내시경과 같은 영상 장치(28)를 지지하기 위해서 사용될 수 있다. 조종은 각각의 조인트가 매니퓰레이터 자유도를 제공하는 다수의 로봇 조인트를 가지는 로봇 매니퓰레이터 암(100)에 의해 제공된다. 각각의 조인트의 각도는 모터 또는 모터 조립체와 같은 액추에이터에 의해 제어될 수 있고, 몇몇 실시례에서 각각의 조인트의 각도는 각각의 조인트에 배치되어 있거나 각각의 조인트에 근접하여 배치되어 있는 하나 이상의 센서(예를 들면, 인코더(encoder), 또는 전위차계(potentiometer) 등)를 이용하여 측정될 수 있다. 상기 영상 장치(28)와 수술 공구(26)는, 절개부의 사이즈를 최소화하기 위해서 운동의 기구학적인 원격 중심(kinematic remote center)이 절개부에 유지되도록 환자의 절개부를 통하여 포지셔닝되고 조종될 수 있다. 수술 부위의 영상은, 수술 기구 또는 공구(26)의 원위 단부가 영상 장치(28)의 시야 내에 포지셔닝되어 있을 때 수술 기구 또는 공구(26)의 원위 단부의 영상을 포함할 수 있다.

수술 공구(26)와 관련하여, 상이한 종류의 다양한 대체 형태의 로봇 수술 공구 또는 기구와 상이한 엔드 이펙터가 사용될 수 있고, 수술하는 동안 매니퓰레이터들 중 적어도 몇 개의 매니퓰레이터의 수술 기구는 제거되고 교체된다. 드베이키 포셉스(DeBakey Forceps), 마이크로포셉스(microforceps), 포츠 시저즈(Potts scissors) 그리고 클립 어플라이어(clip-applier)를 포함하는 이러한 엔드 이펙터의 몇 가지는 한 쌍의 엔드 이펙터 조(jaw)를 형성하기 위해서 서로에 대해 피벗운동하는 제1 엔드 이펙터 요소와 제2 엔드 이펙터 요소를 포함하고 있다. 수술용 메스(scalpel)와 전기소작 프로브를 포함하는 다른 엔드 이펙터는 한 개의 엔드 이펙터 요소를 가지고 있다. 엔드 이펙터 조를 가지고 있는 수술 기구에 있어서, 조는 종종 핸들의 파지 부재를 쥐는 것에 의해서 작동된다. 한 개의 엔드 이펙터 기구는, 예를 들면, 전기소작 프로브에 전압을 가하기 위해서 파지 부재를 쥐는 것에 의해서 작동될 수도 있다.

수술 기구(26)의 기다란 샤프트는 엔드 이펙터와 상기 샤프트의 원위 단부가 최소 침습 구멍을 통하여, 종종 복벽(abdominal wall) 등을 통하여 수술 작업 부위로 삽입될 수 있게 한다. 수술 작업 부위는 흡입법으로 치료될 수 있고, 환자 내부에서의 엔드 이펙터의 운동은 종종, 적어도 부분적으로, 상기 샤프트가 최소 침습 구멍을 통과하는 위치에 대해서 수술 기구(26)를 피벗운동시키는 것에 의해서 실행된다. 다시 말해서, 엔드 이펙터의 원하는 운동을 제공하는데 도움을 주기 위해서 상기 샤프트가 최소 침습 구멍 위치를 통하여 뻗어 있도록 매니퓰레이터(100)는 환자 외부에서 수술 기구의 근위 하우징을 이동시킨다. 따라서, 매니퓰레이터(100)는 수술하는 동안 종종 환자(12) 외부에서 상당한 운동을 하게 된다.

일부 실시례에서 환자측 카트(22)는 환자에 대해 수술을 하는데 도움을 주기 위해 수술 공구를 제공하는 장치이며 매니퓰레이터 암(100)과 공구(26)와 같은 다양한 구성요소를 포함할 수 있다. 하지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 도 4에 도시되어 있는 것보다 작거나 많은 수의 구성요소를 가지고 있더라도 상기 환자측 카트는 동일하게 제대로 작동할 수 있다는 것을 잘 알 수 있을 것이다. 따라서, 도 4의 환자측 카트(22)의 도시 내용은 사실상 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것으로 받아들여져야 한다.

본 발명의 몇몇 실시례에 따른 예시적인 매니퓰레이터 암은 도 5와 관련하여 이해될 수 있다. 상기한 바와 같이, 매니퓰레이터 암은 대체로 원위 수술 기구 또는 수술 공구를 지지하고 베이스에 대해 수술 기구의 운동을 실행한다. 상이한 엔드 이펙터를 가진 다수의 상이한 수술 기구가 수술하는 동안 (통상적으로, 수술 보조자의 도움을 받아서) 각각의 매니퓰레이터에 연속적으로 장착될 수 있기 때문에, 원위 기구 홀더는 바람직하게는 장착된 수술 기구 또는 공구의 신속한 제거 및 교체를 가능하게 한다. 도 4와 관련하여 알 수 있는 것과 같이, 매니퓰레이터는 환자측 카트의 베이스에 대해 근위부에 장착되어 있다. 통상적으로, 매니퓰레이터 암은 복수의 링크장치 및 베이스와 원위 기구 홀더의 사이에 뻗어 있는 관련 조인트를 포함하고 있다. 하나의 실시형태에서, 예시적인 매니퓰레이터는 여유 자유도(redundant degrees of freedom)나 비여유 자유도(non-redundant degrees of freedom)를 가지는 복수의 조인트를 포함하고 있지만, 엔드 이펙터의 포지션(다시 말해서, 위치와 방향)을 완전히 규정하는데 필요한 적어도 하나의 자유도가 부족하다.

도 5에 도시된 것과 같은, 다수의 실시례에서는, 예시적인 매니퓰레이터 암이 근위 레볼루트 조인트(proximal revolute joint)(Jl)를 포함하고 있고, 상기 근위 레볼루트 조인트는 매니퓰레이터 암을 제1 조인트 축에 대해서 조인트의 원위부로 회전시키기 위해서 제1 조인트 축에 대해서 회전한다. 몇몇 실시례에서는, 레볼루트 조인트(Jl)이 베이스에 직접 장착되어 있는 반면에, 다른 실시례에서는, 레볼루트 조인트(Jl)가 하나 이상의 이동가능한 링크장치 또는 조인트에 장착될 수 있다. 매니퓰레이터 암의 조인트가 특정한 엔드 이펙터 포지션에 대해 다양한 상이한 구성으로 구동될 수 있도록 매니퓰레이터의 조인트들은, 결합하여, 여유 자유도를 가질 수 있다. 예를 들면, 도 5의 매니퓰레이터 암은 수술 기구 홀더(510) 내에 지지된 원위 기구 또는 공구(511)가 엔드 이펙터의 특정한 포지션 또는 속도를 포함할 수 있는 특정 상태를 유지하고 있는 동안 상이한 형태로 조종될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 매니퓰레이터의 조인트가 상기 공구(511)의 포지션을 완전히 한정하는 여섯 개의 엔드 이펙터 자유도 중의 적어도 하나를 독립적으로 제어하도록 작동하지 않는다. 예를 들면, 상기 공구(511)가 독립적으로 롤링운동, 피칭운동, 요잉운동 및/또는 한 가지 이상의 방향으로 병진운동하게 하도록 매니퓰레이터가 작동하지 않을 수 있다.

도 5의 매니퓰레이터 암(500)의 각각의 링크를 도 5에 도시되어 있는 것과 같은 링크를 연결하는 조인트의 회전축과 함께 설명하면, 제1 링크(504)는 피벗 조인트(J2)의 조인트 축에 대해서 피벗운동하는 피벗 조인트(J2)로부터 원위부로 뻗어 있고 레볼루트 조인트(Jl)의 조인트 축에 대해서 회전하는 레볼루트 조인트(Jl)에 결합되어 있다. 나머지 조인트의 다수는, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 자신들의 해당 회전축에 의해 식별될 수 있다. 예를 들면, 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 링크(504)의 원위 단부는 피벗 조인트(J3)의 피벗 축에 대해서 피벗운동하는 피벗 조인트(J3)에서 제2 링크(506)의 근위 단부에 결합되어 있고, 제3 링크(508)의 근위 단부는 피벗 조인트(J4)의 피벗 축에 대해서 피벗운동하는 피벗 조인트(J4)에서 제2 링크(506)의 원위 단부에 결합되어 있다. 제3 링크(508)의 원위 단부는 피벗 조인트(J5)에서 수술 기구 홀더(510)에 결합되어 있다. 통상적으로, 피벗 조인트(J2), 피벗 조인트(J3), 피벗 조인트(J4) 및 피벗 조인트(J5)의 각각의 피벗 축은, 매니퓰레이터 조립체를 조종하는 동안 매니퓰레이터 암의 감소된 폭을 제공하고 환자 간격을 개선하기 위해서, 대체로 평행하며 링크장치들이 서로 옆에 포지셔닝되어 있을 때 링크장치들이 "겹쳐져 있는" 것처럼 보인다. 다수의 실시례에서, 수술 기구 홀더(510)가 프리즈매틱 조인트(prismatic joint)(J6)와 같은 추가적인 조인트를 포함할 수도 있고, 상기 프리즈매틱 조인트는 최소 침습 구멍을 통해 수술 기구(511)의 축방향의 운동을 용이하게 하고 수술 기구 홀더(510)를 수술 기구(511)가 미끄럼이동가능하게 삽입되는 캐뉼라에 부착시키기 용이하게 한다. 몇몇 실시례에서는, 수술 기구 홀더(510)의 자유도를 매니퓰레이터 암(500)의 나머지 자유도와 결합시킬 때에도, 결합된 자유도(resulting degrees of freedom)는 수술 기구(511)의 포지션을 완전히 한정하는데 필요한 여섯 개의 자유도 중의 적어도 하나를 제공하기에 여전히 불충분하다.

수술 기구(511)는 수술 기구 홀더(510)의 원위부의 추가적인 자유도를 포함할 수 있다. 수술 기구의 자유도의 작동은 종종 매니퓰레이터의 모터에 의해 구동되고, 대체 실시례는, 수술 기구 상에 있는 것으로 본 명세서에 도시된 하나 이상의 조인트가 대신에 수술 기구 접속기 상에 있도록, 또는 그 반대의 경우가 되도록, 수술 기구를 신속하게 탈착가능한 수술 기구 홀더/수술 기구 접속기(instrument interface)에 있는 지지하는 매니퓰레이터 구조로부터 분리시킬 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 수술 기구(511)가 수술 공구 끝부분의 삽입 지점 또는 대체로 최소 침습 구멍의 부위에 배치되어 있는 피벗점(PP)의 근처 또는 근위부에 회전 조인트(J7)(도시되어 있지 않음)를 포함하고 있다. 수술 기구의 원위 손목부(distal wrist)는 수술 기구의 원위 손목부의 하나 이상의 조인트의 수술 기구 조인트 축에 대해서 수술 기구(511)의 엔드 이펙터의 피벗 운동을 가능하게 한다. 엔드 이펙터 조 요소(jaw element)들 사이의 각도는 엔드 이펙터의 위치 및 방향과 독립적으로 제어될 수 있다. 매니퓰레이터 자유도의 일부로 간주될 수 있는, 수술 기구(511)에 의해 제공된 이러한 추가적인 기구학적 자유도에도 불구하고, 몇몇 실시례에서는, 수술 기구(511)의 기구학적 자유도를 (예를 들면, 수술 기구 홀더(510)의 자유도를 포함하는)매니퓰레이터 암(500)의 자유도와 결합시킬 때에도, 결합된 기구학적 자유도는 수술 기구(511)의 끝부분의 포지션을 완전히 제어하기에 여전히 불충분하다.

일부 실시례에서 매니퓰레이터 암(500)은 공구를 유지하고 제어하기 위한 기계 몸체이며, 다수의 링크와 조인트를 포함할 수 있다. 하지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 도 5에 도시되어 있는 것보다 작거나 많은 수의 구성요소를 가지고 있더라도 상기 매니퓰레이터 암은 동일하게 제대로 작동할 수 있다는 것을 잘 알 수 있을 것이다. 따라서, 도 5의 매니퓰레이터 암(500)의 도시 내용은 사실상 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것으로 받아들여져야 한다.

도 6a는 근위 섀시(602), 기구 샤프트(604), 그리고 환자 조직을 쥐도록 관절운동할 수 있는 조(608)를 가지고 있는 원위 엔드 이펙터(606)를 포함하고 있는 수술 공구(600)를 나타내고 있다. 상기 근위 섀시는 환자측 카트(22)(도 1a)의 출력 커플러와 접속되어 있으며 상기 출력 커플러에 의해 구동되도록 구성되어 있는 입력 커플러를 포함하고 있다. 상기 입력 커플러는 스프링 조립체(610)의 입력 링크와 구동가능하게 결합되어 있다. 스프링 조립체(610)는 근위 섀시(602)의 프레임(612)에 장착되어 있으며 기구 샤프트(604) 내에 배치되어 있는 구동 샤프트와 구동가능하게 결합되어 있는 출력 링크를 포함하고 있다. 상기 구동 샤프트는 조(608)와 구동가능하게 결합되어 있다.

몇몇 실시례에 따르면 도 6a에 도시되어 있는 바와 같이, 수술 공구(600)는 엔드 이펙터(606)의 포지션을 변경하는 자유도를 전혀 포함하지 않을 수 있다. 다른 실시례에서는, 수술 공구(600)가 엔드 이펙터(606)의 포지션을 변경하기 위한 자유도를 추가하기 위해 하나 이상의 조인트를 포함할 수 있다. 예를 들면, 기구 샤프트(604)가 엔드 이펙터(606)의 피칭운동 및/또는 요잉운동을 변경시키는 조인트를 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시례에서는 도 6a에 도시되어 있는 바와 같이, 수술 공구(600)가 엔드 이펙터(606)를 작동시키기 위한 하나 이상의 자유도를 포함할 수 있다. 예를 들면, 스프링 조립체(610)가 조(608)를 작동시키도록 작동할 수 있다. 다른 수술 공구 뿐만 아니라 수술 공구(600)의 추가적인 특징은, 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함된, 2011년 11월 15일자로 출원된, 발명의 명칭이 "원격 액추에이터에 의해 가해진 토크를 독립적으로 회전하는 부재와 수동적으로 분리시키는 방법(Method for Passively Decoupling Torque Applied By a Remote Actuator Into an Independently Rotating Member)"인 공동 소유의 미국 특허출원 제13/297,158호에 기술되어 있다.

도 6b는, 몇몇 실시례에서, 로봇 최소 침습 수술에 사용될 수 있는 손목부가 있는 내시경(620)을 나타내고 있다. 상기 손목부가 있는 내시경(620)은 기다란 샤프트(622)와 기다란 샤프트(622)의 작업 단부에 배치된 유연한 손목부(624)를 포함하고 있다. 하우징(626)이 상기 수술 기구(620)를 상기 샤프트(622)의 반대쪽 단부에 배치된 매니퓰레이터에 탈착가능하게 결합될 수 있게 한다. 내시경 카메라 렌즈가 유연한 손목부(624)의 원위 단부에 제공되어 있다. 유연한 손목부(624)의 원위 단부를 하우징(626)에 연결시키는 기다란 샤프트(622)의 길이를 따라서 루멘(lumen)(도시되어 있지 않음)이 뻗어 있다. "파이버 스코프(fiber scope)" 실시례에서는, 전하 결합 소자(CCD)와 같은, 내시경(620)의 화상 센서(imaging sensor)가 하우징(626) 내측에 장착될 수 있고, 연결된 광섬유는 기다란 샤프트(622)의 길이를 따라서 상기 루멘 내측에 뻗어 있으며 대체로 유연한 손목부(624)의 원위 단부에서 종결되어 있다. "칩 온 어 스틱(chip-on-a-stick)"의 대체 실시례에서는, 내시경(620)의 화상 센서가 유연한 손목부(624)의 원위 단부에 장착될 수 있다. 상기 화상 센서는 2차원 또는 3차원으로 될 수 있다.

몇몇 실시례에서는, 유연한 손목부(624)는 상기 내시경(620)을 원하는 목적지(예를 들면, 심외막(epicardial) 또는 심근(myocardial) 조직)에 도달하도록 내부 신체 조직, 기관 등의 주위로 용이하게 관절운동시킬 수 있고 조종할 수 있게 하기 위해 적어도 하나의 자유도를 가질 수 있다. 하우징(626)은 유연한 손목부(624)의 원위 부분을 관절운동시키는 구동 메카니즘을 수용할 수 있다. 상기 구동 메카니즘은 케이블식 구동 메카니즘, 기어식 구동 메카니즘, 벨트식 구동 메카니즘, 또는 유연한 손목부(624)를 유연한 손목부의 자유도에 따라 구동시키기에 적절한 다른 유형의 구동 메카니즘으로 될 수 있다. 예를 들면, 하나의 실시례에서, 유연한 손목부(624)는 두 개의 병진운동 자유도를 가질 수 있고 기다란 샤프트(622)는 기다란 샤프트(622)의 길이를 따라 뻗은 축을 중심으로 회전하도록 작동할 수 있다. 몇몇 의료 시술에 있어서, 관절연결식 내시경(620)이 보기 어려운 장소 및/또는 도달하기 어려운 장소의 시각적인 영상을 얻기 위해 내부 기관, 조직 등의 주위로 교묘히 이동하고 관절운동한다. 다른 수술 공구뿐만 아니라 상기 내시경(620)의 추가적인 특징은, 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함된, 2005년 12월 27일자로 출원된, 발명의 명칭이 "수술용 로봇을 위한 관절형 교환가능한 내시경(Articulate and Swapable Endoscope for a Surgical Robot)" 인 공동 소유의 미국 특허출원 제11/319,011호에 기술되어 있다.

도 6c는 흡입 포트를 가진 오버튜브(overtube)의 원위 단부의 사시도이다. 오버튜브(630)에는 기구 루멘(632)이 형성되어 있고, 이 기구 루멘은 기구의 통행을 가능하게 하기 위해 오버튜브(630)를 관통하여 뻗어 있다. 오버튜브(630)는 진공 발생장치(vacuum source)에 결합되어 있는 하나 이상의 흡입 통로(634)를 더 포함하고 있다. 오버튜브(630)는, 다양한 실시례에서, 수술적인 사용에 적절한 임의의 다양한 물질로 형성될 수 있고 임의의 다양한 강도(stiffnesses)를 가질 수 있다. 예를 들면, 오버튜브(630)는 대체로 강성인 물질로 이루어질 수 있거나, 가요성 물질로 이루어질 수 있거나, 또는 하나 이상의 대체로 강성인 부분과 만곡될 수 있는 구조를 제공하는 하나 이상의 가요성인 부분의 결합 형태로 이루어질 수 있다. 오버튜브(630)의 단면 형상도 바뀔 수 있다. 도시된 실시례에서는, 오버튜브(630)가 대체로 원형의 단면 형상을 하고 있고 폴리우레탄으로 되어 있다. 다른 실시례에서는, 사용처에 따라, 예를 들면, 타원형, 직사각형, 삼각형 등과 같은 다른 단면 형상이 사용될 수 있다.

도시된 실시례에서는, 흡입 통로(634)가 오버튜브(630)의 벽 내에 복수의 진공 루멘을 포함하고 있고, 각각의 진공 루멘은 진공 발생장치(도시되어 있지 않음)에 결합되어 있다. 상기 진공 발생장치는 각각의 흡입 통로(634)에 진공압(vacuum pressure)을 발생시켜서, 흡입 통로(634)와 접촉하고 있는 조직 표면에 흡입력을 발생키도록 작동될 수 있다. 이러한 흡입력의 결과로, 오버튜브(630)가 상기 조직 표면에 부착된다. 진공압이 중단되면, 상기 조직 표면은 진공압의 작용에서 해제되고 오버튜브(630)는 상기 조직 표면에 더 이상 부착되어 있지 않을 것이다. 따라서, 흡입 통로(634)를 통하여 흡입력을 제어가능하게 제공함으로써, 오버튜브(630)가 환자의 조직 표면에 분리가능하게 부착될 수 있다. 그 다음에 세정 공구, 절단 공구 등과 같은 수술 기구가 기구 루멘(632) 내에 배치된 조직을 치료하기 위해 기구 루멘(200)을 통하여 삽입될 수 있다.

몇몇 실시례에 따르면, 오버튜브(630)는 대체로 강성인 물질로 만들어질 수 있 오버튜브(630)의 포지션을 변경시키기 위한 자유도를 전혀 포함하지 않을 수 있다. 다른 실시례에서는, 오버튜브(630)가 오버튜브(630)의 원위 단부의 포지션을 변경시키기 위한 자유도를 추가하기 위해 하나 이상의 조인트를 포함할 수 있다. 예를 들면, 오버튜브(630)가 오버튜브(630)의 원위 단부의 피칭운동 및/또는 요잉운동을 변경시키는 조인트를 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시례에서는, 오버튜브(630)가 오버튜브(630)의 기능을 작동시키기 위한 위한 하나 이상의 자유도를 포함할 수 있다. 예를 들면, 진공 발생장치(도시되어 있지 않음)는 하나 이상의 흡입 통로(634)에 진공압을 발생시키거나 제거하도록 작동할 수 있다. 다른 수술 공구뿐만 아니라 오버튜브(630)의 추가적인 특징은, 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함된, 2006년 12월 29일자로 출원된, 발명의 명칭이 "내시경 수술용 진공 안정화 오버튜브(Vacuum Stabilized Overtube for Endoscopic Surgery)" 인 공동 소유의 미국 특허출원 제11/618,374호에 기술되어 있다.

도 6d는, 몇몇 실시례에서, 로봇 최소 침습 수술에 사용될 수 있는 손목부가 없는 내시경(640)을 나타내고 있다. 손목부가 없는 내시경(640)은 도 6b와 관련하여 도시되고 논의된 손목부가 있는 내시경(620)과 유사하므로, 마찬가지로 하우징(646) 및 샤프트(622)를 포함하고 있다. 차이점은 손목부가 없는 내시경(640)이 유연한 손목부를 포함하고 있지 않다는 것이다. 손목부가 없는 내시경은 손목부가 있는 내시경에 비해 감소된 자유도를 가지는데, 이 특정 예에서는, 손목부가 없는 내시경(640)이 손목부 피칭운동 또는 손목부 요잉운동 자유도를 가지지 않는다.

상기 수술 공구(600), 내시경(620), 그리고 오버튜브(30)는 다양한 구성요소를 포함하는 다양한 공구이다. 하지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 도 6a 내지 도 6c에 도시되어 있는 것보다 작거나 많은 수의 구성요소를 가지고 있더라도 상기 공구들은 동일하게 제대로 작동할 수 있다는 것을 잘 알 수 있을 것이다. 또한, 파지 장치, 전기 수술용 패들(electro surgical paddle), 진공기(vacuum), 이리게이터(irrigator), 스테이플러(stapler), 가위, 나이프(knife) 등과 같은 다른 공구도 함께 사용되거나 대체 형태로 사용될 수 있다는 것도 잘 알 수 있을 것이다. 따라서, 도 6a 내지 도 6c의 수술 공구의 도시 내용은 사실상 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것으로 받아들여져야 한다.

도 7a는 한 실시례에 따른 외과의사의 콘솔(16)(도 1a)의 일부로 될 수 있는 마스터 컨트롤 입력 장치(700)의 사시도이다. 마스터 컨트롤 입력 장치(700)는 관절연결식 암(740)에 작동가능하게 결합되어 있는 짐벌(gimbal) 또는 손목부(720)를 포함하고 있다.

마스터 컨트롤 입력 장치(700)는 다수의 자유도를 가지고 있으며 매니퓰레이터 조립체(예를 들면, 도 5의 매니퓰레이터 암(500))를 제어하도록 작동된다. 입력 장치(700)의 자유도는 매니퓰레이터 암(500)을 제어하는데 사용된 입력 장치(700)의 조인트에 의해 한정된 기구학적 자유도를 포함하고 있고, 매니퓰레이터 암(500)에 연결된 공구(예를 들면, 수술 기구(511))를 작동시키는데 사용되는 작동 자유도를 포함할 수도 있다. 입력 장치(700)는, 매니퓰레이터 암(500)의 공구와 같이, 자체적으로 다수의 기구학적 자유도를 가지고 있는 대응하는 엔드 이펙터(또는, 보다 일반적으로, 제어 프레임)를 가지는 것으로 간주될 수 있다.

몇몇 실시례에서는, 입력 장치(700)가 엔드 이펙터의 포지션을 완전히 제어하기 위해 충분한 갯수의 자유도를 가질 수 있다. 예를 들면, 입력 장치(700)가 수술 기구(511)의 엔드 이펙터의 세 개의 병진운동 자유도와 세 개의 방향 자유도를 독립적으로 제어할 수 있도록 여섯 개의 자유도를 가질 수 있다. 몇몇 경우에는, 입력 장치(700)가 상기와 같이 충분한 갯수의 자유도를 가지고 있더라도, 매니퓰레이터 조립체(예를 들면, 매니퓰레이터 암(500))가 엔드 이펙터의 세 개의 병진운동 자유도와 세 개의 방향 자유도를 독립적으로 제어하기에 불충분한 다수의 자유도를 가지고 있다. 예를 들면, 매니퓰레이터 암(500)이 단지 다섯 개의 자유도를 가질 수 있다.

몇몇 실시례에서는, 입력 장치(700)가 추가적인 자유도를 가질 수 있고, 이 추가적인 자유도는 엔드 이펙터의 포지션을 제어하도록 작동하는 자유도(예를 들면, 여유 자유도), 및/또는 수술 기구(26)를 작동시키도록(예를 들면, 흡입 또는 세정을 실행시키거나 중단시키는 것, 클램프를 작동시키는 것, 스테이플(staple)을 조직과 결합시키는 것 등) 작동하는 자유도가 될 수 있다. 추가적인 자유도를 가지는 입력 장치는, 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함된, 2002년 4월 11일자로 출원된, 발명의 명칭이 "여유 자유도를 가지고 있는 마스터(Master Having Redundant Degrees of Freedom)" 인 공동 소유의 미국 특허출원 제10/121,283호에 기술되어 있다. 또한, 적어도 하나의 실시례에서는, 수술 기구(511)가 단독으로 또는 매니퓰레이터 암(500)과 결합하여, 매니퓰레이터 암(500)의 자유도에 추가되는 추가적인 기구학적 자유도를 가질 수 있다. 예를 들면, 수술 기구(511)가 엔드 이펙터의 포지션를 제어하는 조인트를 가질 수 있다. 몇몇 경우에 있어서, 매니퓰레이터 암(500)의 기구학적 자유도를 상기 수술 기구의 기구학적 자유도와 결합시키는 경우에도, 엔드 이펙터의 포지션이 완전히 제어되지 않을 수 있다. 이것은, 예를 들면, 불필요한(redundant) 기구학적 자유도를 매니퓰레이터 암(500)에 의해 이미 제공된 기구학적 자유도에 단지 추가하는 수술 기구(511)의 조인트로 인한 것이다. 몇몇 실시례에서는, 수술 기구(511)가 수술 기구(511)를 작동시키는(예를 들면, 흡입 또는 세정을 실행시키거나 중단시키는 것, 클램프를 작동시키는 것, 스테이플을 조직과 결합시키는 것 등) 추가적인 작동 자유도를 가질 수 있다.

수술 기구(511)의 제어를 용이하게 하기 위해서, 마스터 컨트롤 입력 장치(700)는 하나 이상의 액추에이터 또는 모터 그리고, 몇몇 실시례에서는, 마스터 컨트롤 입력 장치(700)의 복수의 조인트의 각각에 대한 센서를 포함할 수 있다. 상기 입력 장치(700)의 모터와 센서는, 예를 들면, 외과의사의 콘솔(16), 전자장치 카트(24), 및/또는 환자측 카트(22), 및/또는 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(10)(도 1)의 임의의 다른 요소에 배치된 컨트롤 시스템을 통하여 매니퓰레이터 암(예를 들면, 도 5의 매니퓰레이터 암(500))과 결합된 모터와 센서 그리고 매니퓰레이터 암에 장착된 수술 기구(예를 들면, 도 5의 수술 기구(511))에 작동가능하게 연결될 수 있다. 상기 컨트롤 시스템은, 예를 들면, 힘 피드백의 경우에, 로봇 암 및 수술 기구 입력과 이에 대응하는 마스터 컨트롤 출력 사이의 제어를 실행하고 마스터 컨트롤 장치 입력과 이에 대응하는 로봇 암 및 수술 기구 출력 사이의 제어를 실행하는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.

도 7b는 한 실시례에 따른 짐벌 또는 손목부(720)의 사시도이다. 본 실시례에 따르면, 짐벌 또는 손목부(720)는 작동가능한 핸들(722)을 세 개의 축, 즉, 축 1, 축 2, 그리고 축 3에 대해서 회전할 수 있게 한다. 보다 상세하게는, 상기 작동가능한 핸들(722)은 제1 피벗 조인트(726)에 의해 제1 팔꿈치형 링크(724)에 결합되어 있다. 제1 팔꿈치형 링크(724)는 제2 피벗 조인트(730)에 의해 제2 팔꿈치형 링크(728)에 결합되어 있다. 제2 팔꿈치형 링크(728)는 제3 피벗 조인트(734)에 의해 제3 팔꿈치형 링크(732)에 피벗운동가능하게 결합되어 있다. 짐벌 또는 손목부(720)는 짐벌 또는 손목부(720)가 축 4에 대해서 각을 이루게 변위될 수 있도록 축 4에서 (도 7a에 도시되어 있는 바와 같이) 관절연결식 암(740)에 장착될 수 있다. 이러한 링크와 조인트에 의해, 짐벌 또는 손목부(720)는 상기 입력 장치(700)에 대해 다수의 기구학적 자유도를 제공할 수 있고 엔드 이펙터 자유도의 하나 이상을 제어하도록 작동될 수 있다.

몇몇 실시례에서는, 상기 작동가능한 핸들(722)이 공구 또는 엔드 이펙터를 작동시키는 한 쌍의 파지 부재(723)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 파지 부재(723)를 개폐시킴으로써, 엔드 이펙터(606)의 조(608)(도 6)가 마찬가지로 개폐될 수 있다. 다른 실시례에서는, 상기 작동가능한 핸들(722) 및/또는 외과의사의 콘솔(16)의 다른 요소의 하나 이상의 입력 요소가 수술 기구(26)의 포지션을 제어하기 위한 자유도 외에 수술 기구(511)의 하나 이상의 자유도를 작동시키도록 작동될 수 있다. 예를 들면, 외과의사의 콘솔(16)은 진공압의 활성화 및 비활성화를 위해 컨트롤 시스템에 결합된 푸트 페달(foot pedal)을 포함할 수 있다.

몇몇 실시례에서는, 짐벌 또는 손목부(720)의 조인트가, 예를 들면, 힘 피드백, 중력 보상(gravity compensation), 및/또는 이와 유사한 것을 제공하기 위해 액추에이터, 예를 들면, 전기 모터 등에 작동가능하게 연결될 수 있다. 더욱이, 짐벌 또는 손목부(720)의 조인트 포지션이 상기 컨트롤 시스템에 의해 결정될 수 있도록 하기 위해 인코더, 전위차계 등과 같은 센서가 짐벌 또는 손목부(720)의 각각의 조인트에 또는 이에 인접하게 포지션될 수 있다.

도 7c는 한 실시례에 따른 관절연결식 암(740)의 사시도이다. 본 실시례에 따르면, 관절연결식 암(740)은 짐벌 또는 손목부(720)(도 7b)가 세 개의 축, 즉, 축 A, 축 B 및 축 C에 대해서 회전할 수 있게 해준다. 보다 상세하게는, 짐벌 또는 손목부(720)가 도 7b와 관련하여 상기한 것과 같이 축 4에서 관절연결식 암(740)에 장착될 수 있다. 짐벌 또는 손목부(720)는 제1 피벗 조인트(746)에 의해 제2 링크(744)에 피벗운동가능하게 결합되어 있는 제1 링크(742)에 결합되어 있다. 제2 링크(744)는 제2 피벗 조인트(750)에 의해 제3 링크(748)에 피벗운동가능하게 결합되어 있다. 제3 링크(748)는 제3 피벗 조인트(752)에 의해 외과의사의 콘솔(16)(도 1)에 피벗운동가능하게 결합될 수 있다. 상기의 링크와 조인트에 의해, 관절연결식 암(740)은 상기 입력 장치(700)에 대해서 다수의 기구학적 자유도를 제공할 수 있으며 매니퓰레이터 조립체의 기구학적 자유도 중의 하나 이상을 제어하도록 작동될 수 있고, 이로 인해 기구(예를 들면, 도 5의 수술 기구(511))의 포지션을 제어할 수 있다.

몇몇 실시례에서는, 관절연결식 암(740)의 조인트가, 예를 들면, 힘 피드백, 중력 보상 및/또는 이와 유사한 것을 제공하기 위해 액추에이터, 예를 들면, 전기 모터 등에 작동가능하게 연결될 수 있다. 더욱이, 관절연결식 암(740)의 조인트 포지션이 상기 컨트롤 시스템에 의해 결정될 수 있도록 하기 위해 인코더, 전위차계 등과 같은 센서가 관절연결식 암(740)의 각각의 조인트에 또는 이에 인접하게 포지션될 수 있다.

일부 실시례에서 입력 장치(700)는 외과의사 또는 다른 오퍼레이터로부터의 입력을 수용하는 장치이며 짐벌 또는 손목부(720) 그리고 관절연결식 암(740)과 같은 다양한 구성요소를 포함한다. 하지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 도 7a 내지 도 7c에 도시되어 있는 것보다 작거나 많은 수의 구성요소를 가지고 있더라도 상기 입력 장치는 동일하게 제대로 작동할 수 있다는 것을 잘 알 수 있을 것이다. 따라서, 도 7a 내지 도 7c의 입력 장치(700)의 도시 내용은 사실상 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것으로 받아들여져야 한다.

도 8은 수학적으로 모델링된 것보다 작은 수의 자유도를 가지는 기계 몸체를 제어하기 위한 단순화된 시스템(800)을 나타내는 블록도이다. 상기 시스템(800)은 정보원(810), 기구학적 모델(822)을 가지고 있는 기구학적 프로세서(820), 하나 이상의 액추에이터(830), 그리고 기계 몸체(840)를 포함하고 있다.

상기 정보원(810)은 기계 몸체의 포지션을 제어하기 위한 제어 정보(812)의 임의의 적절한 소스(source)일 수 있다. 하나의 실시례에서, 상기 정보원(810)은 외과의사의 콘솔(16)(도 1), 입력 제어 장치(36)(도 2), 및/또는 마스터 컨트롤 입력 장치(700)(도 7a 내지 도 7c)와 같은 입력 장치이다. 이러한 실시례에서, 제어 정보(812)는 N 자유도를 가지는 기계 몸체의 원하는 포지션일 수 있다. 하나의 실시례에서, N 자유도는 기계 몸체의 포지션을 완전히 한정하는데 필요한 것이다, 다시 말해서, 세 개의 독립적으로 제어할 수 있는 병진운동 자유도와 세 개의 독립적으로 제어할 수 있는 회전운동 자유도이다. 따라서, 상기 정보원(810)으로부터의 출력은 기계 몸체의 포지션을 완전히 제어하기 위한 파라미터를 포함할 수 있다. 하나의 실시례에서, N 자유도는 기계 몸체의 포지션을 완전히 한정하기에 불충분하다. 예를 들면, N 자유도는 기계 몸체의 세 개의 병진운동과 세 개의 회전운동 모두를 독립적으로 제어하는데 불충분하다. 따라서, 상기 정보원(810)으로부터의 출력은 기계 몸체의 포지션을 완전히 제어하기에 불충분한 파라미터를 포함할 수 있다. 또 다른 실시례에서는, N 자유도가 기계 몸체의 포지션을 한정하지 않는 하나 이상의 자유도(다시 말해서, 비-기구학적 자유도)를 포함할 수 있다. 예를 들면, N 자유도가 진공압을 발생시키는 것과 같이 기구를 작동시키기 위한 하나 이상의 자유도를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 정보원(810)으로부터의 출력은 기계 몸체의 비-기구학적 특징을 제어하기 위한 파라미터를 포함할 수 있다. 이러한 파라미터는 진공압을 통한 흡입으로 제한되는 것이 아니라, 세정, 전압 공급(예를 들면, 소작(cauterizing)), 절단(예를 들면, 한 개의 블레이드 또는 가위와 같은 복수의 블레이드를 이용하여), 그리고 파지(예를 들면, 집게, 손가락 등을 이용하여) 도 함께 포함하거나 대체 형태로 포함할 수 있다.

몇몇 실시례에서는, 정보원(810)이 입력 장치인 경우에, 적어도 일부 경우에 있어서, 입력 장치의 각각의 자유도가 기계 몸체의 자유도에 대응할 수 있도록 입력 장치 자체도 N 자유도를 가진다. 예를 들면, 입력 장치의 롤링운동이 기계 몸체의 원하는 롤링운동에 대응할 수 있거나, 입력 장치의 피칭운동이 기계 몸체의 원하는 피칭운동에 대응할 수 있다. 다른 실시례에서는, 입력 장치가 기계 몸체보다 많거나 작은 다수의 자유도를 가질 수 있다. 예를 들면, 입력 장치가 하나 이상의 여유 자유도를 가질 수 있는 반면에, 기계 몸체는 여유 자유도를 가지지 않을 수 있다. 다른 예를 들면, 기계 몸체가 하나 이상의 여유 자유도를 가질 수 있는 반면에, 입력 장치는 여유 자유도를 가지지 않을 수 있다.

입력 장치가 N 자유도를 가지는 기계 몸체의 원하는 포지션을 나타내는 출력을 제공하더라도, 상기 입력 장치에 의해 제어되는 기계 몸체(840)는 기계 몸체의 포지션을 완전히 한정하기 위해 필요한 자유도 중의 적어도 하나가 부족하다. 예를 들면, 기계 몸체(840)는 롤링운동, 요잉운동 및/또는 피칭운동 자유도가 부족할 수 있는 경우 및/또는 상/하, 좌/우 및/또는 전/후 병진운동 자유도가 부족할 수 있는 경우가 있다. N이 기계 몸체의 포지션을 제어하기 위한 자유도의 갯수를 나타내고, M이 기계 몸체에서 부족한 포지션에 관한 자유도의 갯수를 나타내는 경우에, 하나의 실시례에서 상기 기계 몸체는 N-M 자유도를 가질 수 있다. 예를 들면, N이 기계 몸체의 모든 세 개의 병진운동과 모든 세 개의 회전운동에 대응하는 6과 동일할 수 있는 반면에, M이 기계 몸체의 롤링운동에 대응하는 1을 나타낼 수 있다. 그러나, 다른 실시례에서는, 기계 몸체가 여유 자유도를 포함하는 경우와 같이, 기계 몸체가 N 자유도 또는 N 자유도보다 훨씬 많은 수의 자유도를 가질 수 있지만, 기계 몸체의 포지션을 완전히 한정하는데 필요한 적어도 하나의 자유도가 여전히 부족하다.

다른 실시례에서는, 정보원(810)이 외과의사의 콘솔과 같은 입력 장치가 아니라, 공구 포지션 측정 장치이다. 이러한 경우에는, 기구학적 블록(820)이 컨트롤러가 아니고, 조인트 포지션 추정기(joint position estimator)이다. 예를 들면, 공구 포지션 측정 장치는 공구 조립체(26)의 길이에 걸쳐서 공구 조립체(26)의 자유 단부로 뻗어 있는 광섬유, 매니퓰레이터 조립체의 조인트에 근접하여 배치된 전자기 센서(electromagnetic sensor), 또는 매니퓰레이터 조립체의 조인트의 포지션을 측정하도록 작동하는 다른 센서 또는 영상 장치를 포함할 수 있다. 다수의 실시례에서, 공구 포지션 측정 장치는 공구의 움직임을 방해하지 않을 정도로 충분히 작고 가볍다. 공구 포지션 측정 장치가 광섬유를 포함하는 실시례에서는, 조인트 포지션의 변화의 결과로 광섬유의 특성(예를 들면, 굴절률)이 변경될 수 있다. 광섬유 센서의 몇 가지 예는, 라르킨(Larkin) 등에 의한, 발명의 명칭이 "광섬유 브래그 격자를 이용하는 포지션 센서를 포함하는 로봇 수술 시스템(Robotic Surgery System Including Position Sensors Using Fiber Bragg Gratings)" 인 미국 특허출원 공개공보 제US2007/0156019 Al호(2006년 7월 20일 출원) 및 귀세페 엠 프리스코(Giuseppe M. Prisco)에 의한, 발명의 명칭이 "광섬유 형상 센서(Fiber optic shape sensor)" 인 미국 특허출원 제12/164,829호(2008년 6월 30일 출원)에 기술되어 있고, 상기 두 문헌은 사실상 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함되어 있다. 공구 포지션 측정 장치는 광섬유의 변경된 특성에 기초하여 공구의 끝부분(예를 들면, 공구 조립체(26)의 자유 단부)의 포지션을 결정하도록 작동될 수 있다. 공구 포지션 측정 장치는 또한 다수의 자유도로 공구의 포지션를 측정하도록 작동될 수 있다. 예를 들면, 공구 포지션 측정 장치는 공구의 한 개, 두 개, 또는 세 개의 병진운동 포지션(예를 들면, x, y, z 포지션), 및/또는 공구의 한 개, 두 개, 또는 세 개의 방향 포지션(예를 들면, 피칭운동 방향, 요잉운동 방향, 롤링운동 방향)을 측정할 수 있다. 적어도 하나의 실시례에서, 공구 포지션 측정 장치는 공구의 하나 이상의 자유도 포지션을 측정하도록 작동하지 않을 수 있다. 예를 들면, 공구 포지션 측정 장치가 광섬유를 포함하고 있고 광섬유의 특성의 변화에 기초하여 끝부분 포지션을 추정하는 경우, 공구 포지션 측정 장치는 공구의 롤링 운동을 결정하는데 어려움을 겪을 수 있다. 정보원(810)이 공구 포지션 측정 장치인 실시례에서는, 제어 정보(812)가 공구 끝부분의 자유도의 측정된 포지션을 나타내는 측정 정보일 수 있다.

몇몇 실시례에서는, 공구 포지션 측정 장치가 매니퓰레이터 조립체의 다수의 자유도보다 작거나, 같거나, 많은 공구의 다수의 자유도의 포지션을 측정하도록 작동될 수 있다. 많은 실시례에서, 정보원이 입력 장치인 것에 대해서 이미 기술한 바와 같이, 기계 몸체는 기계 몸체의 포지션을 완전히 한정하기에 불충분한 N 자유도를 가질 수 있거나, 비-기구학적 자유도를 포함할 수 있거나, 여유 자유도 등을 포함할 수 있다.

정보원(810)으로부터의 출력은, 정보원(810)이 입력 장치이거나 공구 포지션 측정 장치이거나에 관계없이, 기구학적 프로세서(820)에서 N 자유도 기계 몸체의 기구학적 모델(822)에 적용된다. 기구학적 프로세서(820)는, 도 7a와 관련하여 기술한 외과의사의 콘솔(16), 전자장치 카트(24), 및/또는 환자측 카트(22), 공구 조립체(26), 매니퓰레이터 조립체, 및/또는 컨트롤 시스템과 같은, 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(10)(도 1)의 임의의 적절한 구성요소에 설치될 수 있다.

정보원(810)이 입력 장치인 실시례에서는, 기구학적 모델(822)이, 원하는 제어가 입력 장치로부터 출력되는 N 자유도에 대응하는 N 자유도를 가지는 기계 몸체의 모델일 수 있다. 예를 들면, 상기 입력 장치는, 기계 몸체의 세 개의 병진운동과 세 개의 회전운동을 제어하는 파라미터와 같은, 기계 몸체의 포지션을 완전히 제어하는 파라미터를 출력할 수 있다. 상기 기구학적 모델(822)은 세 개의 병진운동과 세 개의 회전운동을 가지는 기계 몸체의 기구학적 모델이 될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 기계 몸체의 포지션을 한정하지 않는 하나 이상의 자유도가 상기 기구학적 모델(822)과 별개로 모델링되거나 이와 다르게 제어될 수 있다. 이와 관계없이, 대부분의 실시례에서, 기구학적 모델(822)은 기계 몸체(840)에 있어서 부족한 하나 이상의 자유도의 수학적 표현을 포함하고 있다. 예를 들면, 기계 몸체(840)는 기계 몸체(840)의 롤링운동을 제어하는 자유도가 부족할 수 있다. 그러나, 기구학적 모델(822)은 기계 몸체의 롤링운동을 제어하는 자유도를 가진 기계 몸체로 될 수 있고, 입력 장치(810)는 기계 몸체의 롤링운동의 원하는 제어를 나타내는 정보를 출력할 수 있다.

정보원(810)이 공구 포지션 측정 장치인 실시례에서는, 기구학적 모델(822)이, 조인트 추정값(다시 말해서, 기계 몸체(840)의 자유도에 대응하는 조인트의 포지션의 추정값)이 생성될 수 있는 기계 몸체의 모델일 수 있다. 예를 들어, 공구 포지션 측정 장치가 N 자유도 측정만 제공할 수 있는 조인트 추정 기술이 사용되면, 기구학적 모델(822)이 적어도 N 자유도를 가질 수 있고, 기계 몸체가 (N- M) 자유도를 가질 수 있다. 그러나, 다른 실시례에서는, 기계 몸체가 N보다 많은 자유도를 가질 수 있고, 매니퓰레이터 조립체는, 공구 포지션 측정 장치가 각각의 부분의 단부에서 포지션과 방향을 측정하도록 사용되는 동안 각각의 부분이 N보다 작거나 같은 조인트 또는 기구학적 자유도를 가지는, 복수의 부분으로 논리적으로 분리될 수 있다.

정보원(810)으로부터의 제어 정보(812)를 기구학적 프로세서(820)에 적용한 결과, 기구학적 프로세서(820)에 의해 하나 이상의 개별 제어 출력(824)이 생성되어 기계 몸체(840)의 자유도의 하나 이상의 제어를 실행하도록 작동되는 하나 이상의 액추에이터(830)로 전달될 수 있다. 기구학적 프로세서(820)에 의해 생성되어 액추에이터(830)로 전달된 개별 제어 출력(824)의 갯수는 기구학적 프로세서(820)에 의해 생성될 수 있는 개별 제어 출력(824)의 총갯수보다 작다. 다시 말해서, 액추에이터(830)로 전달된 개별 제어 출력(824)은 기계 몸체(840)에서 부족한 자유도를 제어하는 정보를 포함하고 있지 않다. 예를 들면, 기구학적 모델(822)은 기계 몸체의 포지션을 완전히 한정하는 자유도를 가지는 기계 몸체에 맞출 수 있고, 상기 자유도 모두를 제어하는 출력을 연산할 수 있다. 그러나, 실제로 제어되는 기계 몸체(다시 말해서, 기계 몸체(840))가 기구학적 모델(822)에 의해서 형성된 자유도의 전부를 가지지 않기 때문에, 연산된 출력의 일부분만이 사용된다. 따라서, 액추에이터(830)로 전달된 개별 제어 출력(824)은 기구학적 모델(822)을 이용하여 생성될 수 있는 가능한 명령어의 일부일 뿐이다.

정보원(810)이 입력 장치인 실시례에서는, 개별 제어 출력(824)이 기계 몸체(840)의 자유도의 원하는 포지션을 나타내는 정보를 포함할 수 있다. 예를 들면, 개별 제어 출력(824)이 기계 몸체(840)의 자유도 중의 하나와 관련된 조인트의 원하는 포지션(예를 들면, 각도)을 나타낼 수 있다.

정보원(810)이 공구 포지션 측정 장치인 실시례에서는, 개별 제어 출력(824)이 기계 몸체(840)의 자유도의 실제 포지션을 나타내는 정보를 포함할 수 있다. 예를 들면, 개별 제어 출력(824)이 기계 몸체(840)의 자유도 중의 하나와 관련된 조인트의 실제 포지션(예를 들면, 각도)을 나타낼 수 있다.

기계 몸체(840)의 자유도의 적어도 몇 개를 제어하기 위해 하나 이상의 액추에이터(830)에 의해 개별 제어 출력(824)이 수용된다. 예를 들면, 액추에이터(830)는, 예를 들어, 도 5와 관련하여 상기한 것과 같이, 기계 몸체(840)의 조인트를 작동시키도록 작동되는 전기 모터 등이 될 수 있다. 한 가지 실시례에 따르면, 각각의 액추에이터가 기계 몸체(840)의 대응하는 자유도를 제어하도록 작동된다. 그러나, 다른 실시례에서는, 액추에이터가 기계 몸체(840)의 자유도보다 많거나 작은 수의 자유도를 제어하도록 작동될 수 있다.

상기 기계 몸체(840)는 적어도 하나의 자유도를 가지는 임의의 적절한 기계 몸체가 될 수 있다. 예를 들면, 기계 몸체는 로봇 매니퓰레이터 암(예를 들면, 도 와 관련하여 기술된 매니퓰레이터 암(100) 또는 도 5와 관련하여 기술된 매니퓰레이터 암(500)) 및/또는 수술 기구 (예를 들면, 도 1a와 관련하여 기술된 수술 기구(26) 또는 도 5와 관련하여 기술된 수술 기구(511))가 될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 기계 몸체가 매니퓰레이터 암 및 수술 기구의 기구학적 양상(kinematic aspect)을 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이, 다양한 실시례가 기구학적 프로세서(820)가 기계 몸체(840)의 조인트의 원하는 포지션을 출력하도록 입력 장치인 정보원(810)을 포함하는 반면에, 다른 실시례는 기구학적 프로세서(820)가 기계 몸체(840)의 조인트의 실제 포지션을 출력하도록 공구 포지션 측정 장치인 정보원(810)을 포함하고 있다. 또 다른 실시례에서는, 시스템이 입력 장치 특유의 기구학적 모델 및 컨트롤러(다시 말해서, 일종의 기구학적 프로세서)에 원하는 포지션을 제공하는 입력 장치 및 공구 포지션 측정 장치 특유의 기구학적 모델 및 추정기(다시 말해서, 일종의 기구학적 프로세서)에 공구 끝부분 포지션 정보를 제공하는 공구 포지션 측정 장치의 양자 모두를 포함할 수 있다. 이러한 경우에는, 공구 끝부분 포지션 측정 장치용으로 사용된 기구학적 모델이 입력 장치용으로 사용된 기구학적 모델과 다를 수 있다. 또한, 각각의 기구학적 모델의 출력, 다시 말해서, 매니퓰레이터 조립체의 조인트의 원하는 포지션과 실제 포지션이 각각의 조인트 모터에 가해질 실제 토크량을 연산하기 위해서 함께 사용될 수 있다. 공구 포지션 측정 장치가 제공되지 않은 실시례에서는, 시스템이 토크량을 발생시키기 위해서 입력 장치를 사용할 때 추정된 조인트 포지션을 획득할 수 있고 이것을 원하는 포지션 출력과 결합시킬 수 있다. 이러한 추가적인 실시례의 일부는 도 9와 관련하여 기술되어 있다.

일부 실시례에서는 시스템(800)이 기계 몸체를 제어하는 단순화된 시스템이며 입력 장치(810), 기구학적 프로세서(820), 액추에이터(830) 및 기계 몸체(840)와 같은 다양한 구성요소를 포함하고 있다. 하지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 도 8에 도시되어 있는 것보다 작거나 많은 수의 구성요소를 가지고 있더라도 상기 시스템은 동일하게 제대로 작동할 수 있다는 것을 잘 알 수 있을 것이다. 따라서, 도 8의 시스템(800)의 도시 내용은 사실상 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것으로 받아들여져야 한다.

도 9는 한 실시례에 따른 액추에이터(830)의 블록도이다. 액추에이터(830)는 조인트 컨트롤러(832)와 모터(834)를 포함하고 있고, 조인트 컨트롤러(832)는 모터(834)를 제어하기 위해 토크 명령(836)을 발생시키도록 작동된다. 모터(834)는 매니퓰레이터 조립체의 자유도를 제어하기 위해 매니퓰레이터 조립체의 하나 이상의 조인트에 결합될 수 있다. 본 실시례에서는, 액추에이터(830)가 자유도(X)를 제어하도록 작동된다.

토크 명령(836)을 발생시키기 위해서, 조인트 컨트롤러(834)는 자유도(X)의 원하는 포지션(824A)을 수신한다. 상기 원하는 포지션은 외과의사의 콘솔과 같은 입력 장치로부터 수신될 수 있다. 예를 들면, 정보원(810)이 입력 장치인 경우에 원하는 포지션(824A)은 기구학적 프로세서(820)(도 8)에 의해 발생될 수 있다. 따라서, 원하는 포지션(824A)은 입력 장치로부터 전달된 제어 정보를 기구학적 모델(822)에 적용하고, 개별 제어 출력(824)의 일부분 중의 단 하나만을 원하는 포지션(824A)으로 사용함으로써 발생될 수 있다.

토크 명령(836)을 발생시키기 위해서, 조인트 컨트롤러(834)는 또한 자유도(X)의 실제 포지션(824B)도 수신한다. 상기 실제 포지션은 여러 기술 중의 하나 이상을 이용하여 발생될 수 있다. 하나의 실시례에서는, 실제 포지션이 각각의 조인트 모터용으로 사용된 인코더에 기초하여 결정될 수 있다. 다른 실시례에서는, 실제 포지션이 역기구학(inverse kinematics)을 적용하여 매니퓰레이터 조립체의 단부(예를 들면, 공구 끝부분)의 포지션(예를 들면, 위치 및/또는 방향)으로부터 산출될 수 있다. 매니퓰레이터 조립체의 단부의 포지션을 감지하는 센서 장치는, 조인트 포지션의 변화가 광섬유의 특징(예를 들면, 굴절률)을 변화시키도록 한 단부가 공구 끝부분에 고정된 상태로 매니퓰레이터 조립체의 길이를 따라서 배치된 광섬유를 포함할 수 있다. 다른 실시례에서는, 상기 센서 장치가 공구 끝부분 포지션에서의 임의의 변화가 전자기장 발생장치(electromagnetic field generator)로부터 측정될 수 있도록 매니퓰레이터 조립체의 단부 지점에 부착된 하나 이상의 전자기 센서를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 8과 관련하여, 정보원(810)은 공구 끝부분 포지션을 결정하도록 작동되는 감지 장치가 될 수 있고, 공구 끝부분 포지션 측정값을 기구학적 모델(822)에 적용함으로써, 개별 제어 출력(824)의 일부분 중의 하나가 실제 포지션(824B)으로 사용될 수 있다.

자유도(X)의 원하는 포지션과 실제 포지션의 양자 모두를 수신하는 즉시, 조인트 컨트롤러(832)는 상기 자유도를 실제(다시 말해서, 현재) 포지션에서 원하는 포지션으로 이동시킬 적절한 양의 모터 토크를 결정할 수 있다. 그 다음에 조인트 컨트롤러(832)는 상기 토크량을 나타내는 토크 명령(836)을 모터(834)로 발송한다.

도 10a는 제1 실시례에 따른 입력 장치를 이용하여 매니퓰레이터 조립체를 제어하는 단순화된 시스템(1000)을 나타내는 블록도이다. 상기 시스템(1000)은 입력 장치(1010), 컨트롤러(1020), 그리고 매니퓰레이터 조립체(1030)를 포함하고 있다. 상기 입력 장치(1010)는 도 8과 관련하여 기술한 정보원(810)과 유사할 수 있고, 상기 컨트롤러(1020)는 도 8과 관련하여 기술한 기구학적 프로세서(820)와 유사할 수 있고, 그리고 상기 매니퓰레이터 조립체(1030)는 도 8과 관련하여 기술한 액추에이터 및 기계 몸체(840)와 유사할 수 있다. 하나의 실시례에서, 매니퓰레이터 조립체(1030)는 매니퓰레이터(예를 들면, 매니퓰레이터(500)) 및/또는 공구(예를 들면, 공구(511))를 포함하고 있다. 매니퓰레이터 조립체(1030)는 하나 이상의 매니퓰레이터 기구학적 자유도를 가질 수 있고, 몇몇 실시례에서는, 하나 이상의 작동 자유도도 함께 또는 대체 형태로서 가질 수 있다. 또한, 매니퓰레이터 조립체(1030)는 하나 이상의 엔드 이펙터(또는, 보다 일반적으로, 제어 프레임)의 포지션을 제어하도록 작동될 수 있다. 예를 들면, 엔드 이펙터는 매니퓰레이터 조립체(1030)의 일부분인 공구의 끝부분, 이러한 공구의 샤프트의 위쪽 부분 등에서 한정될 수 있다. 엔드 이펙터도 매니퓰레이터 자유도와 동일하거나 다를 수 있는 다수의 자유도를 가진다.

도 10a에 도시된 실시례에 따르면, 입력 장치(1010)와 컨트롤러(1020)는 매니퓰레이터 조립체(1030)가 실제로 가지고 있는 것보다 더 많은 수의 기구학적 매니퓰레이터 자유도(다시 말해서, 매니퓰레이터 조립체(1030)의 자유도)를 제어하도록 작동된다. 예를 들면, 입력 장치(1010)는 세 개의 독립적으로 제어할 수 있는 회전 자유도 및 세 개의 독립적으로 제어할 수 있는 병진운동 자유도를 포함하여 여섯 개의 기구학적 자유도(1012)를 가질 수 있다. 입력 장치(1010)는 입력 장치(1010)의 포지션에 대응하거나 이와 달리 매니퓰레이터 조립체(1030)와 결합된 엔드 이펙터의 원하는 포지션을 나타내는 파라미터 또는 다른 정보를 출력한다.

매니퓰레이터 조립체(1030)를 제어하는 명령어(예를 들면, 매니퓰레이터 조립체(1030)의 조인트와 결합된 모터를 제어하는 명령어)를 제공하기 위해 입력 장치(1010)로부터의 출력이 컨트롤러(1020)에 의해 수신되고 처리된다. 본 실시례에서는, 컨트롤러(1020)가 엔드 이펙터의 세 개의 독립적으로 제어할 수 있는 회전 자유도와 세 개의 독립적으로 제어할 수 있는 병진운동 자유도를 제어하기 위해 여섯 개의 기구학적 자유도를 가지는 매니퓰레이터 조립체의 기구학적 모델(1022)를 포함하고 있다.

입력 장치(1010)로부터의 출력을 기구학적 모델(1022)에 적용하는 것에 의한 결과의 일부분이 매니퓰레이터 조립체(1030)를 제어하는데 사용된다. 예를 들면, 상기 결과의 일부분이 매니퓰레이터 조립체(1030)의 조인트와 결합된 하나 이상의 액추에이터로 전달될 수 있다. 본 실시례에서 매니퓰레이터 조립체(1030)는 네 개의 기구학적 자유도를 가지고 있다. 따라서 상기 매니퓰레이터 조립체(1030)는 두 개의 기구학적 자유도가 부족하다. 예를 들면, 매니퓰레이터 조립체(1030)는 요잉운동 및 피칭운동에 대응하는 자유도가 부족할 수 있거나, 두 개의 병진운동에 대응하는 자유도가 부족할 수 있다. 따라서, 상기 결과의 일부분은 매니퓰레이터 조립체(1030)가 가지도록 구성되어 있는 자유도만 제어하는 명령어를 포함한다. 이 경우에, 상기 명령어는 매니퓰레이터 조립체(1030)의 조인트의 원하는 포지션을 나타내며, 매니퓰레이터 조립체(1030)의 조인트의 실제 포지션을 나타내는 정보와 결합될 수 있다. 상기 결합은 조인트 모터에 적용하기 위한 적절한 토크를 결정하기 위해서 사용될 수 있다.

다른 실시례에서는, 입력 장치와 기구학적 모델이 여섯 개의 기구학적 자유도를 가지지 않을 수 있고, 엔드 이펙터가 네 개의 기구학적 자유도를 가지지 않을 수 있다. 오히려, 입력 장치와 기구학적 모델이 매니퓰레이터 조립체가 구비하고 있는 것보다 많은 수의 자유도를 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 입력 장치(1010)와 컨트롤러(1020)가 다섯 개의 기구학적 자유도를 제어하도록 구성될 수 있는 반면에, 매니퓰레이터 조립체는 한 개 내지 네 개의 기구학적 자유도를 가질 수 있다.

도 10b는 제2 실시례에 따른 입력 장치를 이용하여 매니퓰레이터 조립체를 제어하는 단순화된 시스템(1001)을 나타내는 블록도이다. 상기 시스템(1001)은 도 10a에 관련하여 기술한 것과 유사할 수 있는 입력 장치(1010), 컨트롤러(1020), 그리고 매니퓰레이터 조립체(1030)를 포함하고 있다.

본 실시례에 따르면, 입력 장치(1010)와 컨트롤러(1020)는, 도 10a에 관련하여 기술한 것과 유사하게, 매니퓰레이터 조립체(1030)가 가지는 것보다 많은 수의 기구학적 자유도를 제어하도록 작동된다. 또한, 입력 장치(1010)는 매니퓰레이터 조립체(1030)의 비-기구학적 자유도를 작동시키도록 작동된다. 예를 들면, 입력 장치(1010)는 매니퓰레이터 조립체(1030)와 관련된 진공압을 발생시키도록 작동될 수 있다.

따라서, 본 실시례에서는, 입력 장치(1010)가 적어도 하나의 작동 자유도(1014) 뿐만 아니라 여섯 개의 기구학적 자유도(1012)를 포함하고 있고, 상기 작동 자유도는 비-기구학적 자유도를 지칭한다. 하나의 실시례에서, 상기 작동 자유도는 하나 이상의 파지 부재(723)(도 7b)와 같은 입력 장치(1010)에 있는 요소를 통하여 작동될 수 있다. 상기 입력 장치(1010)는, 여섯 개의 기구학적 자유도를 통하여, 입력 장치(1010)의 포지션에 대응하거나 이와 달리 매니퓰레이터 조립체(1030)와 결합된 엔드 이펙터의 원하는 포지션을 나타내는 파라미터 또는 다른 정보를 출력할 수 있다. 또한, 상기 입력 장치(1010)는, 한 개의 작동 자유도를 통하여, 매니퓰레이터 조립체(1030)의 기능 또는 매니퓰레이터 조립체(1030)에 결합된 공구 또는 매니퓰레이터 조립체(1030)의 일부분을 작동시키는(예를 들면, 진공기, 하나 이상의 집게/손가락 등을 작동시키는) 파라미터 또는 다른 정보를 출력할 수 있다.

매니퓰레이터 조립체(1030)를 제어하는 명령어를 제공하기 위해 입력 장치(1010)로부터의 출력이 컨트롤러(1020)에 의해 수신되고 처리된다. 본 실시례에서는, 도 10a와 관련하여 기술한 것과 유사하게, 컨트롤러(1020)가 여섯 개의 기구학적 자유도를 가지는 매니퓰레이터 조립체의 기구학적 모델(1022)을 포함하고 있다. 게다가, 상기 컨트롤러(1020)는 작동 자유도(1014)에 관한 입력 장치(1010)로부터의 출력을 처리하고 이 출력을 매니퓰레이터 조립체(1030)의 기능을 작동시키기 위해 사용하도록 작동될 수 있는 작동 컨트롤러(1024)도 포함하고 있다.

도 10a와 관련하여 기술한 것과 유사하게, 입력 장치(1010)로부터의 출력을 기구학적 모델(1022)에 적용하는 것에 의한 결과의 일부분이 매니퓰레이터 조립체(1030)를 제어하는데 사용된다. 또한, 입력 장치(1010)로부터의 작동 출력을 작동 컨트롤러(1024)에 적용하는 것에 의한 결과가 매니퓰레이터 조립체(1030)의 작동(또는 매니퓰레이터 조립체(1030)에 결합된 공구 또는 매니퓰레이터 조립체(1030)의 일부분의 작동)을 제어하는데 사용될 수 있다. 도 10a와 관련하여 기술한 것과 같이, 다른 실시례에서는, 입력 장치와 기구학적 모델이 여섯 개의 기구학적 자유도를 가지지 않을 수 있고, 엔드 이펙터가 네 개의 기구학적 자유도를 가지지 않을 수 있다. 또한, 몇몇 실시례에서는, 입력 장치(1010)가 복수의 작동 자유도를 포함할 수 있고, 작동 컨트롤러(1024)는 입력 장치(1010)로부터의 복수의 작동 자유도에 대한 출력을 처리하도록 작동될 수 있고, 그리고 매니퓰레이터 조립체(1030)는 매니퓰레이터 조립체(1030)의 제어와 별개로 입력 장치(1010)에 의해 제어될 수 있는 상응하는 갯수의 작동 자유도를 가질 수 있다.

도 10c는 제3 실시례에 따른 입력 장치를 이용하여 매니퓰레이터 조립체를 제어하는 단순화된 시스템(1002)을 나타내는 블록도이다. 상기 시스템(1002)은, 도 10a와 관련하여 기술한 것과 유사할 수 있는, 입력 장치(1010), 컨트롤러(1020), 그리고 매니퓰레이터 조립체(1030)를 포함하고 있다.

본 실시례에 따르면, 매니퓰레이터 조립체(1030)는 적어도 하나의 영 공간 자유도(예를 들면, 세 개의 영 공간 자유도)를 포함하는 다수의 기구학적 자유도(예를 들면, 여덟 개)를 가지고 있지만, 매니퓰레이터 조립체(1030)와 결합된 엔드 이펙터의 포지션을 완전히 한정하는데 필요한 자유도 중의 적어도 하나가 여전히 부족하다. 예를 들면, 매니퓰레이터 조립체(1030)는 여유 자유도를 포함하여 여덟 개의 기구학적 자유도를 포함하고 있지만, 적어도 하나의 독립적으로 제어할 수 있는 회전 자유도 또는 병진운동 자유도가 여전히 부족하다.

본 명세서에서 매니퓰레이터 조립체의 영 공간 자유도를 기술할 때, 제어 프레임이 매니퓰레이터 조립체에 배치되어 있는 것(예를 들면, 제어 프레임이 공구 끝부분에 배치되어 있는 것)으로 가정한다는 것을 알고 있어야 한다. 그러나, 실시례는 이러한 경우로 국한되지 않으므로, 매니퓰레이터 조립체의 영 공간 자유도를 기술하는 경우, 실시례는 대체 형태로 자코비안의 영 공간 자유도를 포함하며, 상기 자코비안은 환자의 조직에서, 공구 끝부분으로부터 일정한 거리에서 등과 같이 임의로 한정된 위치를 가지는 제어 프레임 및 매니퓰레이터 조립체와 관련되어 있다.

입력 장치(1010)는 도 10a와 관련하여 기술한 것과 유사한 여섯 개의 기구학적 자유도(1012)를 포함하고 있다. 컨트롤러(1020)는 세 개의 영 공간 자유도 뿐만 아니라 도 10a와 관련하여 기술한 것과 같은 여섯 개의 기구학적 자유도를 포함하는 아홉 개의 기구학적 자유도를 포함하는 기구학적 모델(1026)에 입력 장치(1010)로부터의 출력을 적용함으로써 입력 장치(1010)로부터의 출력을 처리하도록 작동된다. 따라서 컨트롤러(1020)는 매니퓰레이터 조립체(1030)가 세 개의 영 공간 자유도를 포함하는 아홉 개의 기구학적 자유도를 포함하고 있다는 가정하에서 출력을 발생시킬 수 있다. 그러나, 매니퓰레이터 조립체(1030)가 여덟 개의 기구학적 자유도만 포함하고 있기 때문에, 컨트롤러(1020)는 매니퓰레이터 조립체(1030)의 손실되는 기구학적 자유도(missing kinematic degree of freedom)에 대응하는 출력을 제공하지 않는다. 오히려, 컨트롤러(1020)는 매니퓰레이터 조립체(1030)의 여덟 개의 기구학적 자유도를 제어하는 명령어를 출력한다.

도 10d는 제4 실시례에 따른 입력 장치를 이용하여 매니퓰레이터 조립체를 제어하는 단순화된 시스템(1003)의 블록도이다. 상기 시스템(1003)은, 도 10a와 관련하여 기술한 것과 유사할 수 있는, 입력 장치(1010), 컨트롤러(1020) 및 매니퓰레이터 조립체(1030)를 포함하고 있다.

본 실시례에 따르면, 입력 장치(1010)는 하나 이상의 영 공간 자유도를 포함하는 반면에, 매니퓰레이터 조립체(1030)는 영 공간 자유도를 전혀 포함하지 않으며 입력 장치(1010)보다 작은 수의 기구학적 자유도를 포함한다. 다른 실시례에서는, 매니퓰레이터 조립체(1030)가 입력 장치(1010)와 동일하거나 많은 수의 영 공간 자유도를 포함할 수도 있다.

따라서, 본 실시례에서는, 입력 장치(1010)가 한 개의 영 공간 자유도를 포함하고 있는 일곱 개의 기구학적 자유도를 포함하는 다수의 자유도(1016)를 포함하고 있다. 입력 장치(1010)로부터의 출력은 처리되어 종국적으로 컨트롤러(1020)로 보내질 수 있고, 이 컨트롤러(1020)는 기구학적 모델 of 다섯 개의 자유도를 가진 매니퓰레이터 조립체의 기구학적 모델을 포함하고 있다. 컨트롤러(1020)는, 도 10a와 관련하여 기술한 것과 유사하게, 입력 장치(1010)로부터의 출력을 기구학적 모델(1028)에 적용한 다음, 그 결과의 일부분을 매니퓰레이터 조립체(1030)를 제어하기 위해 사용할 수 있다.

본 실시례에서는, 매니퓰레이터 조립체(1030)가 네 개의 기구학적 자유도(1032)를 포함하고 있다. 그러나, 다른 실시례에서는, 매니퓰레이터 조립체(1030)가 네 개보다 작은 수의 기구학적 자유도를 가질 수 있다. 또한, 입력 장치(1010)가 한 개의 영 공간 자유도를 가지는 것으로 기술되어 있지만, 상기 입력 장치(1010)가 한 개보다 많은 수의 영 공간 자유도를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 입력 장치(1010)가 두 개, 세 개, 또는 네 개의 영 공간 자유도를 가질 수 있다.

일부 실시례에 있어서 상기 시스템(1000, 1001, 1002, 1003)은 입력 장치를 이용하여 엔드 이펙터를 제어하는 단순화된 시스템이고 입력 장치(1010), 컨트롤러(1020) 및 매니퓰레이터 조립체(1030)와 같은 다양한 구성요소를 포함하고 있다. 하지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 도 10a 내지 도 10d에 도시되어 있는 것보다 작거나 많은 수의 구성요소를 가지고 있더라도 상기 시스템은 동일하게 제대로 작동할 수 있다는 것을 잘 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 몇몇 실시례에서, 입력 장치는 하나 이상의 기구학적 자유도에 더하여, 영 공간 자유도와 작동 자유도의 양자를 가질 수 있고, 컨트롤러는 영 공간 자유도와 작동 컨트롤러의 양자를 가질 수 있고, 그리고 매니퓰레이터 조립체는 영 공간 자유도와 작동 자유도의 양자를 가질 수 있다. 따라서, 도 10a 내지 도 10d의 시스템의 도시 내용은 사실상 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것으로 받아들여져야 한다.

도 11a는 제1 실시례에 따른 공구 포지션 측정 장치를 이용하여 매니퓰레이터 조립체를 제어하는 단순화된 시스템(1100)을 나타내는 블록도이다. 상기 시스템(1100)은 공구 포지션 측정 장치(1110), 조인트 추정기(1120), 그리고 매니퓰레이터 조립체(1130)를 포함하고 있다.

공구 포지션 측정 장치(1110)가 입력 장치(1010) 대신에 제공되어 있고, 조인트 추정기(1120)가 컨트롤러 대신에 제공되어 있는 것을 제외하면, 상기 시스템(1100)의 요소들은 시스템(1000)의 유사하게 참고번호가 붙여진 요소들과 유사하다. 따라서, 시스템(1100)의 경우에는 컨트롤러가 원하는 포지션 정보를 수신하고 적용하는 대신에, 컨트롤러가 포지션 측정 정보를 수신하고 적용하는 것을 제외하면, 시스템(1000)과 관련한 설명은 시스템(1100)에 동일하게 적용될 수 있다. 그리고, 원하는 포지션을 발생시키는 대신에, 조인트 추정기(1120)가 매니퓰레이터 조립체 조인트의 실제 포지션(예를 들면, 조인트 각도)을 발생시킨다. 몇몇 실시례에서는, 상기 실제 포지션이 매니퓰레이터 조립체(1130)의 조인트의 원하는 포지션을 나타내는 정보와 결합될 수 있다. 이 결합은 조인트 모터에 적용하기 위한 적절한 토크를 결정하기 위해 사용될 수 있다.

또한, 공구 포지션 측정 장치(1100)는 다섯 개의 자유도 또는 그 보다 작은 수의 자유도만 측정할 수 있다. 이러한 특정 실시례에서는, 공구 포지션 측정 장치(1100)가 다섯 개의 자유도를 측정하는 것으로 도시되어 있지만, 상기 공구 포지션 측정 장치는 네 개의 자유도, 세 개의 자유도, 또는 세 개의 자유도보다 작은 수의 자유도를 유사하게 측정할 수 있다. 그리고, 조인트 추정기(1120)는 5-기구학적 자유도 모델(1122)만 이용하는데, 상기 5-기구학적 자유도 모델은 다섯 개의 조인트 포지션만 발생시키고, 그 중의 네 개는 (매니퓰레이터 조립체(1130)의 실제 조인트에 대응하기 때문에) 사용하고 그 중의 한 개는 (매니퓰레이터 조립체(1130)에서 대응하는 조인트가 없기 때문에) 폐기한다. 몇몇 실시례에서는, 두 개의 조인트 추정값이 폐기되는 6-기구학적 자유도 모델(1122)이 사용될 수 있거나, 다섯 개의 기구학적 자유도보다 작은 수의 자유도가 사용될 수 있다.

도 11b는 제2 실시례에 따른 공구 포지션 측정 장치를 이용하여 매니퓰레이터 조립체를 제어하는 단순화된 시스템(1102)을 나타내는 블록도이다. 상기 시스템(1102)은 공구 포지션 측정 장치(1110), 조인트 추정기(1120), 그리고 매니퓰레이터 조립체(1130)를 포함하고 있다.

공구 포지션 측정 장치(1110)가 입력 장치(1010) 대신에 제공되어 있고, 조인트 추정기(1120)가 컨트롤러 대신에 제공되어 있는 것을 제외하면, 상기 시스템(1102)의 요소들은 시스템(1002)의 유사하게 참고번호가 붙여진 요소들과 유사하다. 따라서, 시스템(1102)의 경우에는 컨트롤러가 원하는 포지션 정보를 수신하고 적용하는 대신에, 조인트 추정기가 포지션 측정 정보를 수신하고 적용하는 것을 제외하면, 시스템(1002)과 관련한 설명은 시스템(1102)에 동일하게 적용될 수 있다. 그리고, 원하는 포지션을 발생시키는 대신에, 조인트 추정기(1120)가 매니퓰레이터 조립체 조인트의 실제 포지션(예를 들면, 조인트 각도)을 발생시킨다. 몇몇 실시례에서는, 상기 실제 포지션이 매니퓰레이터 조립체(1130)의 조인트의 원하는 포지션을 나타내는 정보와 결합될 수 있다. 이 결합은 조인트 모터에 적용하기 위한 적절한 토크를 결정하기 위해 사용될 수 있다.

또한, 이 특정 실시례에서는, 매니퓰레이터 조립체가 복수의 피치 조인트(pitch joint)와 요 조인트(yaw joint)를 가진 여덟 개의 기구학적 자유도를 가지고 있는 것으로 도시되어 있다. 매니퓰레이터 조립체의 몇몇 실시례에서는, 매니퓰레이터 조립체가 복수의 부분으로 논리적으로 분리될 수 있다. 각 부분의 단부에서 포지션과 방향을 측정하기 위해서 광섬유가 사용되는 실시례에서는, 공구 포지션 측정 장치 1112(a) 또는 공구 포지션 측정 장치 1112(b)가 다섯 개의 자유도를 측정할 때 각 부분이 다섯 개 이하의 조인트 또는 자유도를 가지고 있다. 상기 부분은 각각 동일하거나 상이한 수의 자유도를 가질 수 있다. 예를 들면, 본 실시례에서는, 매니퓰레이터 조립체가 각각 네 개의 자유도를 가지는 두 개의 부분으로 논리적으로 분리되어 있다.

적어도 하나의 실시례에서는, 각 부분의 조인트의 갯수는 조인트가 다른 부분으로 편입되기 전에 최대화될 수 있다. 예를 들면, 일곱 개의 자유도를 가지는 매니퓰레이터 조립체에서는, 한 부분이 다섯 개의 자유도(다시 말해서, 최대 갯수)를 가질 수 있고 다른 부분이 나머지 자유도, 다시 말해서, 두 개의 자유도를 가질 수 있다. 다른 예를 들면, 열 두 개의 자유도를 가지는 매니퓰레이터 조립체에서는, 두 개의 부분이 각각 다섯 개의 자유도를 가질 수 있는 반면에, 제3 부분은 두 개의 자유도만 가질 수 있다. 몇몇 경우에서는, 하나 이상의 부분에 대한 조인트 각도가 역기구학 대신에 기하학을 이용하여 계산될 수 있는데, 이 경우 그렇게 하는 것이 계산상으로 보다 효율적이다. 예를 들면, 두 개 이하의 자유도를 가지는 부분에 대해 조인트 추정값을 연산할 때 역기구학보다 기하학을 이용하는 것이 계산상으로 보다 효율적일 수 있다.

공구 포지션 측정 장치(1110)는 매니퓰레이터 조립체의 각각의 논리적 부분(logical part)에 대한 포지션을 측정하도록 작동될 수 있다. 예를 들면, 공구 포지션 측정 장치(1110)는 제1 부분의 끝부분 포지션과 제2 부분의 끝부분 포지션을 측정할 수 있다. 각 부분의 끝부분 포지션은 동일한 갯수의 자유도 또는 상이한 갯수의 자유도로 측정될 수 있고, 이 경우 측정된 자유도는 대응하는 부분의 자유도보다 작거나, 대응하는 부분의 자유도와 같거나, 대응하는 부분의 자유도보다 많을 수 있다. 본 특정 예에서, 제1 부분의 끝부분 포지션은 다섯 개의 자유도로 측정되고(1112(a)), 제2 부분의 끝부분 포지션은 유사하게 다섯 개의 자유도로 측정된다(1112(b)). 이것은 동일할 필요가 없으며, 몇몇 실시례에서는 다섯 개보다 작은 임의의 수로 될 수 있다는 것을 알아야 한다.

조인트 추정기(1120)는 매니퓰레이터 조립체의 각각의 논리적 부분에 대한 기구학적 모데를 포함할 수 있다. 본 실시례에서는, 조인트 추정기(1120)가 제1 기구학적 모델(1126(a))과 제2 기구학적 모델(1126(b))을 포함하고 있다. 제1 기구학적 모델(1126(a))은 매니퓰레이터 조립체(1130)의 제1 부분의 기구학적 모델이고, 제2 기구학적 모델(1126(b))은 매니퓰레이터 조립체(1130)의 제2 부분의 기구학적 모델이다. 각각의 기구학적 모델은 각각의 매니퓰레이터 조립체 부분에 대응하는 끝부분 측정으로부터 출력을 수신한다. 예를 들면, 제1 측정(1112(a))의 출력은 제1 기구학적 모델(1126(a))에 적용되고, 제2 측정(1112(b))의 출력은 제2 기구학적 모델(1126(b))에 적용된다. 제1 기구학적 모델 1126(a)은 매니퓰레이터 조립체(1130)의 제1 부분의 실제 포지션을 출력하는 반면에, 제2 기구학적 모델 1126(b)은 매니퓰레이터 조립체(1130)의 제2 부분의 실제 포지션을 출력한다.

기구학적 모델(1126(a))과 기구학적 모델(1126(b)) 중의 적어도 하나의 자유도가 대응하는 매니퓰레이터 조립체 부분의 자유도의 실제 갯수보다 더 많을 수 있다는 것은 명확할 것이다. 이러한 특정 실시례에서는, 필수적인 것은 아니지만, 양 기구학적 모델이 각각의 대응하는 매니퓰레이터 조립체 부분보다 많은 갯수의 자유도를 가진다. 다시 말해서, 제1 기구학적 모델(1126(a))은 다섯 개의 자유도를 가지는 반면에 매니퓰레이터 조립체(1130)의 제1 부분은 네 개의 자유도만 가지고, 제2 기구학적 모델(1126(b))과 매니퓰레이터 조립체(1130)의 제 2부분에 대해서도 마찬가지다. 이러한 여분의 자유도는 출력을 발생시키기 위해서 사용되지만, 본 명세서에 기술된 다른 여분의 기구학적 모델 자유도와 유사하게, 나중에 매니퓰레이터 조립체 부분의 실제 포지션을 결정하기 위해서 사용되지는 않는다.

도 11a 및 도 11b와 관련하여 기술한 시스템은 설명을 용이하게 하기 위해 유사한 것으로 여겼지만, 도 10a 내지 도 10d와 관련하여 기술한 실시례는 매니퓰레이터 조립체 조인트의 원하는 포지션을 발생시키는 시스템에 관한 것인 반면에, 도 11a 및 도 11b와 관련하여 기술한 실시례는 매니퓰레이터 조립체 조인트의 실제 포지션을 발생시키는 시스템에 관한 것이라는 점을 알아야 한다. 몇몇 실시례에서는 상기한 바와 같이, 이러한 시스템들이 하나의 시스템으로 결합될 수 있다. 예를 들면, 도 10a 내지 도10d의 입력 장치와 컨트롤러는 원하는 포지션을 발생시키기 위해서 사용될 수 있고, 도 11a 및 도 11b의 공구 포지션 측정 장치와 조인트 추정기는 실제 포지션을 발생시키기 위해서 사용될 수 있고, 이렇게 발생된 포지션은 도 9와 관련하여 기술한 것과 같이 결합하여 사용될 수 있다.

도 12a는 한 실시례에 따른 매니퓰레이터 조립체(1200)이다. 이 매니퓰레이터 조립체(1200)는 도 11b와 관련하여 기술한 매니퓰레이터 조립체(1130)와 유사할 수 있다. 매니퓰레이터 조립체(1200)는 다수의 링크(1202)와 다수의 조인트(1204)를 포함하고 있다. 매니퓰레이터 조립체(1200)는 제1 부분(1206)과 제2 부분(1208)으로 논리적으로 분리되어 있다. 제1 부분(1206)은 베이스(1210)로 정해져 있는, 매니퓰레이터 조립체의 자유 단부로부터 가장 멀리 떨어져 있는, 상기 매니퓰레이터 조립체 상의 한 지점으로부터 뻗어 있다. 제1 부분(1206)은 상기 베이스(1210)로부터 제1 부분의 끝부분 포지션(1212)으로 확인된 매니퓰레이터 조립체 내의 한 지점까지 뻗어 있다. 제2 부분(1208)은 제1 부분의 끝부분 포지션(1212)으로부터, 본 예에서, 매니퓰레이터 조립체(1200)의 자유 단부에 배치되어 있는, 제2 부분의 끝부분 포지션(1214)으로 정의된 지점까지 뻗어 있다.

다수의 조인트가 제1 부분(1206) 내에 배치되어 있고 다수의 상이한 조인트가 제2 부분(1208) 내에 배치되어 있다. 갯수는 동일하지 않을 수 있지만, 본 예에서 제1 부분과 제2 부분의 각각은 네 개의 조인트를 포함하고 있다. 조인트의 총갯수가 여덟 개인 다른 예에서, 제1 부분과 제2 부분은 각각 다섯 개와 세 개의 조인트, 또는 세 개와 다섯 개의 조인트를 포함할 수 있다. 다섯 개보다 많은 조인트를 가지는 매니퓰레이터 조립체에 대해 다양한 다른 조합 형태가 실시될 수도 있다. 또한, 매니퓰레이터 조립체는 두 개보다 많는 부분으로 논리적으로 분리될 수 있다. 예를 들면, 조인트의 총갯수가 여덟 개인 경우, 제1 부분은 다섯 개의 조인트를 가질 수 있고, 제2 부분은 두 개의 조인트를 가질 수 있고, 제3 부분은 한 개의 조인트를 가질 수 있다. 대부분의 실시례에서, 공구 포지션 측정 장치가 N 자유도 측정만 제공할 수 있는 조인트 추정 기술이 사용되면, 각 부분은 N개 이하의 조인트 또는 자유도를 포함한다. 또한, 매니퓰레이터 조립체가 N개보다 많은 기구학적 자유도를 포함하는 경우, 이 자유도는 복수의 논리적 부분으로 분리된다. 하나의 실시례에서, 롤링운동 방향의 추정을 사용할 수 없는 광섬유 접근법(fiber optic approach)이 사용되면, 각 부분은 다섯 개 이하의 조인트 또는 기구학적 자유도를 포함할 수 있다.

도 12b를 간단히 살펴보면, 도 12b는 한 실시례에 따른 복수의 매니퓰레이터 조립체 부분의 조인트 포지션의 연산을 나타내는 블록도(1250)를 나타내고 있다. 본 예에서 조인트 추정기(1252)는 제1 기구학적 모델(1254)과 제2 기구학적 모델(1256)을 포함하고 있다. 제1 기구학적 모델(1254)은 매니퓰레이터 조립체의 제1 세그먼트 또는 부분의 기구학적 모델이다. 예를 들면, 이것은 제1 부분(1206)의 기구학적 모델로 될 수 있다. 제2 기구학적 모델(1256)은 매니퓰레이터 조립체의 제2 세그먼트 또는 부분의 기구학적 모델이다. 예를 들면, 이것은 제2 부분(1208)의 기구학적 모델로 될 수 있다.

각각의 기구학적 모델은 가상 자유도(phantom degree of freedom); 다시 말해서, 매니퓰레이터 조립체의 대응하는 부분에 존재하지 않는 자유도를 포함하고 있다. 예를 들면, 도 12a에 도시된 실시례에서는, 광섬유 접근법을 이용할 때 롤링운동 방향의 추정을 이용하지 못할 수 있기 때문에 각각의 기구학적 모델이 가상 롤링운동 자유도(phantom roll degree of freedom)를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시례에서는, 기구학적 모델의 하나 이상이 한 개보다 많은 가상 자유도를 포함할 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 단 하나의 기구학적 모델만이 가상 자유도를 포함한다.

제1 세그먼트의 끝부분 포지션은 제1 기구학적 모델(1254)로 입력된다. 예를 들면, 끝부분 포지션(1212)은 제1 기구학적 모델(1254)로 입력될 수 있다. 제1 기구학적 모델(1254)로부터의 출력은 (무시할 수 있는, 가상 자유도에 대응하는, 한 세트의 출력 뿐만아니라) 제1 세그먼트(1206)의 조인트 포지션이다. 제1 세그먼트의 끝부분 포지션(예를 들면, 끝부분 포지션(1212))과 제2 세그먼트의 끝부분 포지션(예를 들면, 끝부분 포지션(1214))의 차이는 제2 기구학적 모델(1256)로 입력된다. 제2 기구학적 모델(1256)로부터의 출력은 (무시할 수 있는, 가상 자유도에 대응하는, 한 세트의 출력 뿐만아니라) 제2 세그먼트(1208)의 조인트 포지션이다.

도 13은 제1 실시례에 따른 입력 장치를 이용하여 매니퓰레이터 암, 공구, 및/또는 엔드 이펙터를 제어하는 프로세스(1300)를 나타내는 흐름도이다. 상기 매니퓰레이터 암, 공구, 및/또는 엔드 이펙터는, 매니퓰레이터 암(100)(도 4), 매니퓰레이터 암(500)(도 5), 공구(26)(도 1a), 수술 공구(600)(도 6a), 내시경(620)(도 6b), 오버튜브(630)(도 6c), 액추에이터(830) 및/또는 기계 몸체(840)(도 8) 등과 같은, 본 명세서에 기술된 요소들 중의 임의의 것일 수 있다. 상기 입력 장치는, 입력 장치(36)(도 2), 입력 장치(700)(도 7a 내지 도 7c), 입력 장치(810)(도 8) 등과 같은 본 명세서에 기술된 입력 장치들 중의 임의의 것일 수 있다. 또한, 상기 프로세스(1300)는, 도 7a와 관련하여 기술한 컨트롤 시스템, 기구학적 프로세서(820)(도 8), 및/또는 외과의사의 콘솔(16), 전자장치 카트(24), 및/또는 환자측 카트(22)와 같은, 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(10)(도 1)의 임의의 적절한 구성요소에 설치된 임의의 다른 적절한 컨트롤러와 같은, 본 명세서에 기술된 컨트롤러들 중의 임의의 것에 의해 실행될 수 있다.

한 가지 특정 실시례에서, 매니퓰레이터 조립체의 기구학적 자유도는, 시스템의 모터를 이용하여 컨트롤러를 통하여 하나 이상의 조인트를 구동시키는 것에 의해서 제어될 수 있고, 상기 조인트는 컨트롤러의 프로세서에 의해 연산된 조정된 조인트 운동(coordinated joint movement)에 따라 구동된다. 수학적으로, 컨트롤러는 벡터 및/또는 행렬을 이용하여 조인트 명령의 연산의 적어도 몇 가지를 수행할 수 있고, 상기 벡터 및/또는 행렬의 일부는 조인트의 구성 또는 속도에 해당하는 요소를 가질 수 있다. 프로세서가 이용할 수 있는 대체 형태의 조인트 구성의 범위는 조인트 공간으로 개념화될 수 있다. 상기 조인트 공간은, 예를 들면, 매니퓰레이터 조립체가 가지는 자유도와 동일한 수의 차원을 가질 수 있고, 몇몇 예시적인 실시례에서는, 매니퓰레이터 조립체와 결합된 엔드 이펙터의 포지션을 완전히 한정하는데 필요한 적어도 하나의 자유도가 매니퓰레이터 조립체에서 부족할 수 있기 때문에 상기 조인트 공간이 매니퓰레이터 조립체가 가지는 자유도보다 많은 수의 차원을 가질 수 있다. 또한, 매니퓰레이터 조립체의 특정 구성은, 각각의 좌표가 매니퓰레이터의 대응하는 조인트가 존재하는 매니퓰레이터 조립체의 대응하는 조인트의 조인트 상태에 대응하는, 조인트 공간에서 특정 지점을 나타낼 수 있다.

예시적인 한 실시례에서, 시스템이 컨트롤러를 포함하고 있는데, 이 컨트롤러에서는, 본 예에서 데카르트 공간으로 표시된, 작업-공간 내의 한 부분의 지정된 포지션과 속도가 입력 사항이다. 상기 부분은 제어 입력을 이용하여 관절연결될 제어 프레임(control frame)으로서 사용될 수 있는 매니퓰레이터 조립체 상에 있거나 매니퓰레이터 조립체 외측에 있는 임의의 부분이 될 수 있다. 본 명세서에 기술된 다양한 예에 사용되어 있는, 매니퓰레이터 조립체 상의 한 부분의 예는 공구 끝부분이 될 수 있다. 매니퓰레이터 조립체 상의 한 부분의 다른 예는, 공구 끝부분에 있는 것이 아니라, 핀 또는 채색된 무늬와 같은, 매니퓰레이터 조립체의 일부분인 물리적인 부분(physical feature)이다. 매니퓰레이터 조립체의 외측에 있는 부분의 한 예는 공구 끝부분으로부터 정확하게 특정 거리와 각도만큼 떨어져 있는 빈 공간 내의 기준점(reference point)이 될 수 있다. 매니퓰레이터 조립체의 외측에 있는 부분의 다른 예는 그 포지션이 매니퓰레이터 조립체에 대해서 정해질 수 있는 목표 조직(target tissue)이 될 수 있다. 상기 경우 모두에 있어서, 엔드 이펙터는 제어 입력을 이용하여 관절연결되는 가상 제어 프레임(imaginary control frame)과 결합된다. 그러나, 아래의 설명에서, "엔드 이펙터"와 "공구 끝부분"은 동의어로 사용되고 있다. 대체로, 원하는 데카르트 공간 엔드 이펙터 포지션을 등가의 조인트-공간 포지션에 매핑시키는 폐쇄형 관계는 없지만, 대체로 데카르트 공간 엔드 이펙터 속도와 조인트-공간 속도 사이의 폐쇄형 관계는 있다. 기구학적 자코비안은, 엔드 이펙터의 조인트 공간 포지션 요소에 대한 데카르트 공간 포지션 요소의 편도함수(partial derivative)의 행렬이다. 이런 식으로, 기구학적 자코비안은 매니퓰레이터 조립체의 엔드 이펙터와 조인트 사이의 기구학적 관계(kinematic relationship)를 담아낸다. 다시 말해서, 기구학적 자코비안은 엔드 이펙터에서의 조인트 운동의 효과를 담아낸다. 기구학적 자코비안(J)은 아래의 관계식:

dx/dt = J dq/dt

을 이용하여 조인트-공간 속도(dq/dt)를 데카르트 공간 엔드 이펙터 속도(dx/dt)와 매핑시키는데 사용될 수 있다.

따라서, 입력 포지션과 출력 포지션 사이의 폐쇄형 매핑이 존재하지 않을 때에도, 속도의 매핑은, 예를 들면, 자코비안에 기초한 컨트롤러에서 지정된 사용자 입력으로부터 매니퓰레이터의 운동을 실행하기 위해 반복적으로 사용될 수 있다. 하지만, 다양한 실시형태가 사용될 수 있다. 몇몇 실시례는 자코비안에 기초한 컨트롤러를 포함하고 있지만, 몇몇 실시형태는 본 명세서에 기술된 특징들 중의 임의의 특징을 제공하기 위해 자코비안을 이용하도록 구성될 수 있는 다양한 컨트롤러를 이용할 수 있다.

한 가지 이러한 실시형태가 아래에 간략하게 기술되어 있다. 지정된 조인트 포지션은 자코비안(J)을 연산하기 위해 사용된다. 각각의 시간 단계(Δt)는 원하는 움직임(dx_des/dt)을 수행하기 위해서 그리고 원하는 데카르트 공간 포지션으로부터의 축적 편차(Δx)를 교정하기 위해서 데카르트 공간 속도(dx/dt)를 연산한다. 이 데카르트 공간 속도는 자코비안의 의사 역행렬(pseudo-inverse)(J^#)을 이용하여 조인트-공간 속도(dq/dt)로 전환된다. 이로 인한 조인트-공간 지정 속도(joint-space commanded velocity)는 조인트-공간 지정 포지션(q)을 산출하기 위해서 적분된다. 이들의 관계는 아래에 열거되어 있다

dx/dt = dx_des/dt + kΔx (1)

dq/dt = J^# dx/dt (2)

q_i = q_i-1 + dq/dtΔt (3)

자코비안의 의사 역행렬(J^#)은 원하는 공구 끝부분 운동(그리고, 몇몇 경우에 있어서, 피벗식 공구 운동의 원격 중심)을 조인트 속도 공간으로 직접 매핑시킨다. 사용되고 있는 매니퓰레이터 조립체가 공구 끝부분(다시 말해서, 엔드 이펙터) 자유도(6 자유도 이하)보다 더 유용한 조인트 축을 가지면, (그리고 공구 운동의 원격 중심이 사용되고 있을 때, 매니퓰레이터 조립체는 원격 중심의 위치와 관련된 3 자유도에 대한 추가적인 3 조인트 축을 가져야 한다), 매니퓰레이터 조립체는 여분의(redundant) 상태에 있다고 한다. 여분의 매니퓰레이터 조립체와 관련된 자코비안은 적어도 하나의 차원을 가진 "영-공간"을 포함하고 있다. 이와 관련하여, 자코비안의 "영-공간"(N(J))은 공구 끝부분 운동을 순간적으로 달성하지 않는 조인트 속도의 공간이고 (그리고 원격 중심이 사용되는 경우, 피벗점 위치의 운동은 없다), "영-운동"은 공구 끝부분 및/또는 원격 중심의 위치의 순간적인 운동을 초래하지 않는 조인트 포지션의 경로이다. 매니퓰레이터 조립체의 (본 명세서에 기술된 임의의 재구성을 포함하는) 원하는 재구성을 달성하기 위해 연산된 영-공간 속도를 매니퓰레이터 조립체의 컨트롤 시스템에 포함시키거나 투입하는 것에 의해 상기 등식 (2)를 아래의 등식:

dq/dt = dq_perp/dt + dq_null/dt (4)

dq_perp/dt = J^# dx/dt (5)

dq_null/dt = (1 - J^#J)z = V_nV_n ^Tz = V_nα (6)

으로 변경시킨다.

등식 (4)에 따른 조인트 속도는 두 개의 성분을 가지고 있는데: 제1 성분은, 원하는 공구 끝부분 운동(그리고 원격 중심이 사용되는 경우, 원하는 원격 중심 운동)을 초래하는 "가장 순수한(purest)" 조인트 속도(최단 벡터 길이)인, 영-직교 공간 성분이고; 그리고 제2 성분은 영-공간 성분이다. 등식 (2)와 등식 (5)는 영-공간 성분이 없이, 동일한 등식이 달성되는 것을 나타낸다. 등식 (6)은 좌변에서는 영-공간 성분에 대한 전통적인 형태(traditional form)로 시작하여, 제일 우측에 있는 변에서는, 예시적인 시스템에 사용되는 형태를 나타내는데, 여기에서 (V_n)은 영-공간에 대한 정규 직교 기저 벡터(orthonormal basis vector)의 집합이고,(α)는 상기 기저 벡터를 조합하는(blending) 계수이다. 몇몇 실시례에서, α는 영-공간 내에서의 운동을 원하는 대로 형성하기 위해서 사용되는 손잡이(knob)에 의해 결정된다.

상기한 바와 같이, 강체의 포지션을 완전히 제어하기 위해서는 병진운동에 대한 세 개의 자유도와 방향에 대한 세 개의 자유도인 여섯 개의 독립적으로 제어할 수 있는 자유도를 필요로 한다. 이것이 6 x N 자코비안 행렬이 사용되는, 상기한 것과 같은, 자코비안에 기초한 제어 알고리즘에 매우 적합하다. 그러나, 일부 강체에서는 상기 자유도 중의 적어도 하나가 부족하다. 예를 들면, 관절연결식 손목부가 없는 강성의 내시경 끝부분은, 손목부에서의 두 개의 자유도, 구체적으로 손목부 피칭운동과 요잉운동을 잃는다. 그래서 관절연결식 손목부가 없는 강성의 내시경은 그 끝부분에서 네 개의 자유도만 가진다. 이것은 상기 문제가 과도하게 제한되기 때문에 6 x N 자코비안 접근법에 대해 문제를 발생시킨다. 6 x N 자코비안에 기초한 컨트롤러를 이용하면, 내시경 끝부분이 좌우(상하)로 이동하거나 기울어지도록 명령을 받을 때, 내시경이 손목부가 없는 끝부분을 가지고 있기 때문에, 상기 내시경은 한 가지 일만 할 수 있는데, 그것은 상기 양자의 조합형태를 실행하는 것이다. 이것은 바람직하지 않은 느릿느릿한 무반응의 느낌(unresponsive feel)을 초래한다. 따라서, 이러한 무반응의 느낌을 제거하는 것이 바람직할 뿐만 아니라, 다른 암과 기구에 사용되는 기구학적 모델 및/또는 동일한 계산 엔진(computation engine)이 카메라 암에도 사용될 수 있기 때문에 6 x N 자코비안 접근법을 이용하는 것이 바람직하다.

따라서, 몇몇 실시례에서는, 위에서 논의한 등식 (2)와 등식 (3)이 수정될 수 있다. 첫번째로, 제어되는 기계 몸체의 손실 자유도(missing degrees of freedom)에 대응하는 다수의 가상 자유도를 사용함으로써 등식 (2)가 수정될 수 있다. 이것은 (dq/dt) 벡터의 길이를 기존의 자유도 더하기 가상 자유도의 갯수의 합과 동일하도록 연장시킬 것이다. 예를 들면, 가상 자유도가 등식 (2)에 포함될 수 있고, 이 경우에 상기 가상 자유도가 상기한 내시경을 제어하기 위해 손목부 피칭운동 및 요잉운동을 제어하도록 작동될 수 있다. 가상 자유도를 이용함으로써, 자코비안에 기초한 컨트롤러가 완전한 여섯 개 자유도의 내시경 끝부분, 다시 말해서, 손목부가 있는 내시경에 대한 의사 역행렬 연산을 하는 것으로 조작된다. 이것의 출력은, 제어되는 실제 내시경이 네 개의 독립적으로 제어할 수 있는 자유도만 가지고 있더라도, 여섯 개 자유도의 내시경을 제어하는 한 세트의 조인트 속도이다.

두번째로, 등식 (3)에 따르면, 조인트 포지션은 조인트 속도를 적분함으로써 산출된다. 그러나, 등식 (3)은 가상 자유도, 예를 들면, 존재하지 않는 내시경 손목부 조인트의 속도가 적분되지 않아서 고정된 포지션에 남아 있도록 수정될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 매니퓰레이터의 자세와 관계없이 고정된 또는 원하는 포지션이 임의의 적절한 값으로 설정될 수 있다. 예를 들면, 고정된 포지션은 0도, 15도, 30도, 45도, 0도 내지 45도의 범위 내의 한 값, 0도보다 작은 값 또는 45도보다 큰 값으로 설정될 수 있다.

상기한 제어 알고리즘을 위해 등식 (2)와 등식 (3)을 수정함으로써, 내시경에 관한 실시례에서 내시경 끝부분이 불필요한 느림(sluggishness)이 없이 지시받은 명령을 잘 따를 수 있다. 손목부가 없는 내시경은 작동하는 손목부 조인트를 가지고 있지 않기 때문에, 손목부는 직선 형태로 유지될 수 있다. 또한, 슬레이브로부터 마스터로 힘반사(force reflection)가 있으면, 마스터는 내시경의 직선 형태의 끝부분을 따르도록 명령을 받을 수 있고, 이는 바람직하게 직관적인 행동(intuitive behavior)을 초래한다.

몇몇 실시례에서, 내시경의 피칭운동 및 요잉운동은 독립적으로 제어될 수 있지만, 내시경은 독립적으로 롤링운동을 하지 못할 수 있다. 좌우(상하) 이동시키는 명령어에 대응하여, 내시경의 끝부분이 피칭운동 자유도와 요잉운동 자유도만을 이용하여 좌우(상하) 이동할 수 있다. 병진운동과 롤링운동 대신에 피칭운동과 요잉운동을 이용함으로써, 환자의 개구부에 있는 위치를 실질적으로 유지시키면서 내시경이 좌우(상하) 이동하도록 제어될 수 있다. 예를 들면, 크기를 증가시키거나 내시경이 배치되어 있는 환자의 개구부에 압력을 가하지 않고서 내시경이 좌우(상하) 이동하도록 제어될 수 있다. 이것은, 예를 들면, 상기 개구부(다시 말해서, 접근 부위)에 있는 피벗점을 중심으로 내시경을 피벗운동시킴으로써 이루어질 수 있다.

장점은 상이한 자유도를 가지는 공구를 작동시키기 위해 동일한 컨트롤러를 이용함으로써 제어되는 공구의 반응성(responsiveness)을 증가시키고 시스템의 유연성을 증가시키는 것으로 국한되지 않는다는 점을 알아야 한다. 오히려, 몇몇 실시례에서는, 입력 장치에 대해 어떠한 추가적인 자유도도 요하지 않고서 공구가 작동될 수 있는 장점이 실현될 수 있다.

예를 들면, 몇몇 실시례에서는, 매니퓰레이터 조립체에 단지 네 개의 입력만 있을 수 있는데, 이 경우에 세 개의 입력은 통상적으로 롤링운동, 피칭운동 및 요잉운동과 같은 운동을 제어하기 위해서 사용되고, 네번째 입력은 통상적으로 기구의 하나의 작동(예를 들면, 흡입 작동)을 제어하기 위해서 사용된다. 그러나, 매니퓰레이터 조립체에서 동일한 갯수의 입력을 이용하여 기구의 두 개의 작동(예를 들면, 흡입 작동 및 세정 작동)을 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 세 개의 기구학적 자유도 모두, 다시 말해서, 롤링운동 자유도, 피칭운동 자유도 및 요잉운동 자유도를 이용하여 공구 명령어를 연산하는 기구학적 모델을 이용하지만, 롤링운동과 같은, 출력 중의 하나를 버림으로써, 두 개의 입력, 다시 말해서, 피칭운동과 요잉운동만을 이용하여 공구의 운동을 제어할 수 있다. 다른 두 개의 입력은 흡입 작동 및 세정 작동과 같은 기구의 두 개의 작동을 제어하도록 사용될 수 있다. 따라서, 기구가 운동 자유도와 작동 자유도를 포함하여 총 네 개의 자유도만 가지더라도, 컨트롤러에서 가상 자유도를 이용하는 결과로, 상기 기구가 다섯 개의 자유도를 가지는 것 같다. 몇몇 실시례에서는, 가상 자유도가 축대칭 기구에 사용될 수 있고, 이는 실제로 상기 기구에 존재하지 않을 수 있는 자유도를 시스템의 오퍼레이터가 제어하고 있다는 착각을 시스템의 오퍼레이터(예를 들면, 외과의사)에게 훨씬 더 증가시킬 수 있다.

이제 도 13을 참고하면, 작동 1310에서는, 컨트롤러가 매니퓰레이터의 조인트 포지션으로부터 정기구학(forward kinematics)을 연산한다. 이 연산의 결과로, 컨트롤러는 지정된 직교좌표 공간 속도(dx_des/dt), 지정된 직교좌표 공간 포지션(x_des), 실제 직교좌표 공간 포지션(x), 그리고 지정된 직교좌표 공간 포지션(x_des)와 실제 직교좌표 공간 포지션(x)의 오차(dx = x_des - x)를 결정한다. 정기구학을 연산하기 위해서, 컨트롤러는 이전에 지정된 조인트 포지션(예를 들면, 바로 앞 단계에서 연산된 변수(q))을 이용할 수 있다. 작동 1320에서는, 컨트롤러가 등식 (1)을 이용하여 원하는 이동(dx/dt)을 연산한다. 원하는 이동을 연산하기 위해서, 컨트롤러는 지정된 엔드 이펙터 포지션(x_des) 뿐만 아니라 단계 1310으로부터의 출력을 이용할 수 있다. 작동 1330에서는, 컨트롤러가 자코비안(J)을 연산하는데, 여기서 자코비안(J)을 연산하는 것은 이전에 지정된 조인트 포지션(q)을 이용한다. 작동 1340에서는, 컨트롤러가 자코비안의 의사 역행렬(J^#)을 연산한다.

작동 1350에서는, 컨트롤러가 1340에서 연산된 자코비안의 의사 역행렬(J^#)과 작동 1320에서 연산된 원하는 이동(dx/dt)을 이용하여 조인트-공간 속도(dq/dt)를 연산한다. 이 작동에서 자코비안의 의사 역행렬은 앞에서 논의한 것과 같은 가상 자유도를 포함한다. 다시 말해서, 자코비안의 의사 역행렬은, 컨트롤러에 의해 제어되고 있는 기계 몸체에 자유도가 실제로 존재하지 않을 수 있더라도, 기계 몸체의 자유도의 수학적인 표현을 포함한다. 그 다음에, 작동 1360에서는, 컨트롤러가 등식 (3)과 작동 1350에서 연산된 조인트-공간 속도(dq/dt)를 이용하여 조인트-공간 지정 포지션(q)을 연산한다. 그러나, 상기한 바와 같이, 가상 자유도의 속도는 이 작동에서 적분되지 않으므로 고정된 포지션에 남아 있다(또는 고정된 포지션으로 설정될 수 있다).

당업자는 도 13과 관련하여 논의한 작동들이 사용자 입력에 반응하는 기구의 실시간 제어를 제공하기 위해서 빈번하게 실행될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 상기 작동들은 매초 복수회, 몇몇 실시례에서는, 초당 약 1,000회, 초당 1,300회, 초당 1,500회, 초당 1,000회 내지 초당 1,500회의 범위 내로, 초당 1,000회보다 작게 또는 초당 1,500회보다 많이 실시될 수 있다.

도 13에 표시된 특정 작동들이, 본 발명의 특정 실시례에 따른, 매니퓰레이터 암, 공구, 및/또는 엔드 이펙터를 제어하는 특정 방법을 제공한다는 것을 알아야 한다. 상기 작동들의 다른 시퀀스가 대체 실시례에 따라 실시될 수도 있다. 예를 들면, 본 발명의 대체 실시례는 상기한 작동들을 다른 순서로 실행할 수 있다. 게다가, 도 13에 표시된 개별 작동은 개별 작동에 적합하게 다양한 순서로 실행될 수 있는 복수의 하위 작동(sub-operation)을 포함할 수 있다. 더욱이, 특정 사용예에 따라 부가적인 작동이 추가되거나 기존의 작동이 배제될 수 있다. 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 다양한 변형, 수정, 그리고 대체 형태를 인식하고 알 수 있을 것이다.

도 14는 제2 실시례에 따른 입력 장치를 이용하여 매니퓰레이터 암, 공구, 및/또는 엔드 이펙터를 제어하는 프로세스(1400)를 나타내는 흐름도이다. 상기 매니퓰레이터 암, 공구 등과, 프로세스(1400)를 실행하는 컨트롤러와 입력 장치는 도 13과 관련하여 상기한 것들과 유사하므로, 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.

도 13과 관련하여 기술한 프로세스(1300)과 대비하여, 상기 프로세스(1400)는 매니퓰레이터 조립체와 관련된 자코비안의 영 공간을 연산하고 제어하도록 작동될 수 있다. 예를 들면, 매니퓰레이터 조립체는 하나 이상의 여유 자유도를 가질 수 있지만, 여전히 하나 이상의 가상 조인트를 사용할 수 있고, 이 경우 매니퓰레이터 조립체는, 자신의 여유 자유도를 가지더라도, 엔드 이펙터 또는 공구의 포지션을 완전히 한정하는데 필요한 자유도 중의 하나 이상이 부족하다.

작동 1410 내지 작동 1440은 도 13과 관련하여 기술한 작동 1310 내지 작동 1340과 유사하므로, 더 이상의 설명은 생략한다. 작동 1450에서는, 컨트롤러가 작동 1440에서 연산된 자코비안의 의사 역행렬(J^#)과 작동 1420에서 연산된 직교좌표 공간 속도(dx/dt)를 이용하여 영-직교-공간 내의 조인트 속도 성분(dq_perp/dt)을 연산한다. 작동 1460에서는, 컨트롤러가 작동 1430에서 연산된 자코비안과 작동 1440에서 연산된 자코비안의 의사 역행렬(J^#) 그리고 등식 (6)을 이용하거나, 일부 실시례에서는, 자코비안의 특이값 분해(singular value decomposition)(SVD(J))를 이용하거나, 일부 실시례에서는, 등식 (6)에 표시되어 있는 바와 같이 영-공간 기저 벡터(V_n)와 혼합 계수(blending coefficient)(α)를 이용하거나, 또는 임의의 다른 등가의 기술을 이용하여 영-공간 내의 조인트 속도 성분(dq_null/dt)을 연산한다. 적어도 하나의 실시례에서, 작동 1450의 출력이 작동 1460의 영-공간 내의 조인트 속도 성분(dq_null/dt)을 연산하는데 사용될 수 있다. 작동 1350 및 등식 (2)와 관련하여 기술한 것과 유사하게, 영-직교-공간 내의 조인트 속도 성분(dq_perp/dt)과 영-공간 내의 조인트 속도 성분(dq_null/dt)은 자코비안의 가상 자유도(예를 들면, 자코비안의 의사 역행렬)를 이용하여 연산될 수 있다. 따라서, 조인트-공간 속도의 상기 성분들의 각각은 제어되는 매니퓰레이터에 실제로 존재하지 않을 수 있는 자유도를 수학적으로 나타내는 자코비안을 이용하여 연산될 수 있다.

작동 1470에서는, 컨트롤러가, 등식 (4)에 표시되어 있는 바와 같이 작동 1450와 작동 1460에서 각각 연산된 영-직교-공간 내의 조인트 속도 성분(dq_perp/dt)과 영-공간 내의 조인트 속도 성분(dq_null/dt)을 합함으로써 지정된 조인트-공간 속도(dq/dt)를 연산한다. 지정된 조인트-공간 속도(dq/dt)의 성분들의 각각이 하나 이상의 가상 자유도를 포함하도록 연산되었기 때문에, 결과적으로 도출되는 조인트-공간 속도(dq/dt)도 하나 이상의 가상 자유도를 포함하고 있다. 작동 1480은 도 13과 관련하여 기술한 작동 1360과 유사하므로, 더 이상의 설명은 생략한다.

도 14에 표시된 특정 작동들이, 본 발명의 특정 실시례에 따른, 매니퓰레이터 암, 공구, 및/또는 엔드 이펙터를 제어하는 특정 방법을 제공한다는 것을 알아야 한다. 상기 작동들의 다른 시퀀스가 대체 실시례에 따라 실시될 수도 있다. 예를 들면, 본 발명의 대체 실시례는 상기한 작동들을 다른 순서로 실행할 수 있다. 게다가, 도 14에 표시된 개별 작동은 개별 작작에 적합하게 다양한 순서로 실행될 수 있는 복수의 하위 작동을 포함할 수 있다. 더욱이, 특정 사용예에 따라 부가적인 작동이 추가되거나 기존의 작동이 배제될 수 있다. 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 다양한 변형, 수정, 그리고 대체 형태를 인식하고 알 수 있을 것이다.

당업자는 도 13과 도 14의 프로세스는 (도 10a 내지 도 10d와 관련하여 기술한 실시례와 같이) 입력 정보가 원하는 포지션이며 입력 장치로부터 나오는 실시례와 관련하여 기술되어 있는 반면에, 상기 프로세스는 (도 11a 및 도 11b와 관련하여 기술한 실시례와 같이) 입력 정보가 실제 포지션이며 공구 포지션 측정 장치로부터 나오는 실시례에 동일하게 적용될 수 있다는 것도 알 수 있을 것이다. 이러한 실시례에서는, (예를 들면, 작동 1320와 작동 1420에 대한 입력으로) 지정된 엔드 이펙터 포지션(x_des)을 사용하는 대신에, 실제 엔드 이펙터 포지션이 사용될 것이다. 그리고 (예를 들면, 작동 1360과 작동 1480의 출력으로) 지정된 조인트 포지션(q)을 발생시키는 대신에, 실제 조인트 포지션이 발생될 것이다.

본 출원에 기술된 작동들은, 예를 들면, 종래 기술, 순차적 기술, 또는 객체 지향 기술(object-oriented technique)을 이용하는 펄(Perl), 자바(Java), C 또는 C++ 과 같은 임의의 적절한 컴퓨터 언어를 이용하여 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 소프트웨어 코드로 실시될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 읽기 전용 메모리(ROM), 하드-드라이브 또는 플로피 디스크와 같은 자기적 매체, 플래시 메모리, 또는 CD-ROM과 같은 광매체(optical medium)와 같은 컴퓨터 판독가능 매체에 일련의 명령어(instruction) 또는 명령(command)으로 저장될 수 있다. 임의의 이러한 컴퓨터 판독가능 매체는 단일 컴퓨터 장치 상에 또는 그 내부에 있을 수도 있고, 하나의 시스템 또는 네크워크 내의 서로 다른 컴퓨터 장치 상에 또는 그 내부에 제공될 수 있다.

본 발명은 소프트웨어, 펌웨어, 또는 하드웨어 또는 이들의 조합 형태인 제어 논리(control logic)의 형태로 실시될 수 있다. 상기 제어 논리는 정보 처리 장치로 하여 본 발명의 실시례에 개시된 일련의 단계를 실행하도록 지시하는 복수의 명령어로서 정보 저장 매체에 저장될 수 있다. 본 명세서에 제공된 개시내용과 기술사상에 기초하여, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명을 실시하는 다른 방식 및/또는 방법을 알 수 있을 것이다.

실시례들을 기술하는 내용에서(특히 아래의 청구범위의 내용에서), "하나의", "한 개의", "상기 하나의" 및 이와 유사한 용어의 사용은, 본 명세서에 다르게 표시되어 있거나 문맥상 명확하게 모순되지 않는다면, 단수 형태와 복수 형태 양자를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "...으로 이루어지는", "...을 가지고 있는", "...을 포함하고 있는", 그리고 "...을 포함하는" 이라는 표현은, 달리 표시되어 있지 않다면, 개방형 표현(다시 말해서, 비제한적인 예로서 포함하는 것을 의미한다)으로 해석되어야 한다. "...에 연결된" 이라는 표현은, 무언가가 사이에 개재되어 있더라도, 부분적으로 또는 전체적으로 어떤 대상 내에 포함되어 있거나, 어떤 대상에 부착되어 있거나, 어떤 대상과 함께 연결되어 있는 것으로 해석되어야 한다. 본 명세서에 달리 표시되어 있지 않다면, 본 명세서에 열거된 수치의 범위는 단지 상기 범위 내에 해당하는 각각의 개별 수치를 각각 언급하는 것의 약칭 방법으로서의 역할을 하는 것이며, 본 명세서에서 수치가 개별적으로 열거되어 있다면 각각의 개별 수치가 본 명세서에 포함되는 것이다. 본 명세서에 기술된 모든 방법은, 본 명세서에 다르게 표시되어 있거나 문맥상 명확하게 모순되지 않는다면, 임의의 적절한 순서로 실행될 수 있다. 달리 표시되어 있지 않으면, 본 명세서에 기재된 임의의 예와 모든 예, 또는 예시적인 언어(예를 들면, "...와 같은")의 사용은 단지 실시예를 보다 이해하기 쉽게 하기 위한 것이며 그 범위에 제한을 두기 위한 것은 아니다. 본 명세서의 어떠한 언어도 적어도 하나의 실시례의 실시에 본질적인 것으로서 임의의 청구되지 않은 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다.

본 발명의 발명자들에게 알려진 최선의 유형을 포함하여, 바람직한 실시예가 본 명세서에 기술되어 있다. 상기 설명을 이해하면, 바람직한 실시예의 변형사항은 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이 될 수 있다. 본 발명의 발명자들은 숙련된 기술자가 상기 변형사항을 적절하게 이용하기를 기대하며, 또한 본 발명의 발명자들은 실시례들이 본 명세서에 특정적으로 기술된 것과 다르게 구성되기를 원한다. 따라서, 적절한 실시례는 해당 법률에 의해 허용되는 것과 같이 본 명세서에 첨부된 청구범위에 열거된 대상의 모든 수정사항 및 균등물을 포함한다. 게다가, 본 명세서에 다르게 표시되어 있거나 문맥상 명확하게 모순되지 않는다면, 본 발명의 모든 가능한 변형에 있어서의 상기한 요소들의 임의의 조합도 몇몇 적절한 실시례에 포함되는 것으로 생각된다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명과 관련하여 결정되어서는 안되고, 오히려 청구항의 전체 범위 또는 그 균등물과 관련하여 결정되어야 한다.

Claims (24)

1. 수술 시스템을 작동시키는 방법으로서,
   외과의사와 결합된 입력 장치로부터 파라미터를 수신하는 것을 포함하고 있고, 상기 파라미터는 환자의 개구부를 통과하여 배향된 수술 기구의 엔드 이펙터의 바람직한 상태를 나타내고, 상기 수술 기구는 제1 한 세트의 조인트를 가진 기계 조립체에 포함되어 있고;
   제2 한 세트의 조인트를 제어하는 명령어를 계산하는 것에 의해서 수신된 파라미터를 이용하여 상기 기계 조립체를 제어하는 명령어를 계산하는 것을 포함하고 있고, 상기 제2 한 세트의 조인트는 상기 제1 한 세트의 조인트와 부가적인 조인트를 포함하고 있고, 상기 부가적인 조인트는 상기 기계 조립체에 있지 않고; 그리고
   계산된 명령어에 기초하여 상기 엔드 이펙터를 상기 바람직한 상태로 이동시키기 위해서 상기 기계 조립체를 구동시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 시스템을 작동시키는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 한 세트의 조인트는 상기 엔드 이펙터의 롤링운동 자유도, 피칭운동 자유도, 요잉운동 자유도, 또는 병진운동 자유도를 제어하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 수술 시스템을 작동시키는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 부가적인 조인트는 상기 엔드 이펙터의 롤링운동 자유도, 상기 엔드 이펙터의 피칭운동 자유도, 상기 엔드 이펙터의 요잉운동 자유도, 그리고 상기 엔드 이펙터의 병진운동 자유도로 이루어진 그룹으로부터 선택된 자유도를 제어하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 수술 시스템을 작동시키는 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 부가적인 조인트는 상기 엔드 이펙터의 롤링운동을 제어하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 수술 시스템을 작동시키는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 수술 기구는 카메라이고, 상기 기계 조립체를 구동시키는 것은 상기 카메라의 끝부분의 포지션을 이동시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 시스템을 작동시키는 방법.
6. 제5항에 있어서, 포지션은 위치 또는 방향 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 시스템을 작동시키는 방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 카메라의 끝부분의 포지션을 이동시키는 것은 상기 카메라의 피칭운동 및 요잉운동을 조종함으로써 상기 카메라를 상하좌우로 움직이게 하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 시스템을 작동시키는 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 카메라가 상하좌우로 움직이는 동안 상기 카메라는 환자의 개구부의 한 위치에 유지되어 있는 것을 특징으로 하는 수술 시스템을 작동시키는 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 수술 기구는 상기 수술 기구의 포지션 외에 상기 수술 기구의 기능적인 특성을 제어하도록 작동되는 적어도 하나의 자유도를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 시스템을 작동시키는 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 수술 기구의 기능적인 특성을 작동시키기 위해 상기 압력 장치로부터 파라미터를 수신하는 것; 그리고
    수신된 파라미터에 기초하여 상기 수술 기구의 기능적인 특성을 작동시키는 것;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 시스템을 작동시키는 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 기능적인 특성은 흡입, 세정, 에너자이징(energizing), 절단, 그리고 파지(grasping)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수술 시스템을 작동시키는 방법.
12. 제10항에 있어서, 상기 수술 기구의 기능적인 특성은 상기 부가적인 조인트를 제어하지 않고서 작동되는 것을 특징으로 하는 수술 시스템을 작동시키는 방법.
13. 환자의 개구부를 통하여 최소 침습 수술을 수행하는 수술 시스템으로서,
    외과의사로부터 입력을 수신하는 입력 장치를 포함하는 외과의사의 콘솔;
    제1 수술 기구와 제2 수술 기구를 수용하도록 작동되는 적어도 하나의 매니퓰레이터 구조; 그리고
    상기 적어도 하나의 매니퓰레이터 구조와 결합된 기구를 제어하는 컨트롤러;
    를 포함하고 있고,
    상기 제1 수술 기구는 상기 제2 수술 기구의 다수의 자유도와 다른 다수의 자유도를 가지고 있고,
    상기 컨트롤러는 상기 제1 수술 기구의 제1 기구학적 모델과 상기 제2 수술 기구의 제2 기구학적 모델을 이용하여 상기 제1 수술 기구와 상기 제2 수술 기구를 제어하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 수술 시스템.
14. 제13항에 있어서, 상기 제1 기구학적 모델과 상기 제2 기구학적 모델은 동일한 갯수의 자유도를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 수술 시스템.
15. 제13항에 있어서, 상기 제1 기구학적 모델과 상기 제2 기구학적 모델은 각각 6 x N 자코비안 행렬을 한정하는 것을 특징으로 하는 수술 시스템.
16. 제13항에 있어서, 상기 제1 기구학적 모델 또는 상기 제2 기구학적 모델의 적어도 하나는 적어도 하나의 가상 자유도를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 시스템.
17. 제13항에 있어서, 상기 제1 수술 기구 및 대응하는 매니퓰레이터 구조는 함께 상기 제1 수술 기구의 포지션을 완전히 한정하는데 필요한 적어도 하나의 자유도를 제외하는 다수의 자유도를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 수술 시스템.
18. 제17항에 있어서, 상기 제2 수술 기구 및 대응하는 매니퓰레이터 구조는 함께 상기 제2 수술 기구의 포지션을 완전히 한정하는데 필요한 적어도 두 개의 자유도를 제외하는 다수의 자유도를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 수술 시스템.
19. 제13항에 있어서, 상기 제1 수술 기구는 카메라이고, 상기 컨트롤러는 상기 카메라의 끝부분의 포지션을 제어하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 수술 시스템.
20. 제19항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 카메라의 피칭운동 및 요잉운동을 조종함으로써 상기 카메라를 상하좌우로 움직이게 하거나 기울어지게 하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 수술 시스템.
21. 제19항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 카메라의 상하좌우 움직임을 조종함으로써 상기 카메라를 기울어지게 하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 수술 시스템.
22. 제20항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 카메라를 상하좌우로 움직이게 하면서 상기 카메라의 위치를 환자의 개구부에 유지시키도록 작동되는 것을 특징으로 하는 수술 시스템.
23. 제13항에 있어서, 상기 제1 수술 기구는 적어도 하나의 비-기구학적 자유도를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 수술 시스템.
24. 제23항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 수술 기구의 기구학적 자유도를 제어하지 않고 상기 적어도 하나의 비-기구학적 자유도를 작동시키도록 작동되는 것을 특징으로 하는 수술 시스템.
    

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