KR20160132848A - 수술 세트업 구조에서 불충분하게 작동되는 조인트의 운동을 제어하는 방법 - Google Patents

수술 세트업 구조에서 불충분하게 작동되는 조인트의 운동을 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

로봇 장치 및/또는 수술 장치, 시스템, 그리고 방법은 동적 링크장치 구조 및 하나 이상의 피구동 조인트를 구동시키는 것과 함께 불충분하게 작동되는 조인트의 조정된 조인트 제동에 의해 수동적인 또는 불충분하게 작동되는 조인트의 운동을 제어하도록 구성된 대응하는 제어 시스템을 포함하고 있다. 하나의 실시형태에서, 상기 방법은 다중 머니퓰레이터의 불충분하게 작동되는 조인트의 각각이 각각의 기준 상태에 있을 때까지, 선택적으로, 기준 조인트 상태로부터 멀어지는 수동 조인트 운동을 저지하기 위해 불충분하게 작동되는 조인트를 제동시키고 조인트가 상기 기준 조인트 상태쪽으로 이동하는 것을 용이하게 하기 위해서 제동을 해제하면서 다중 머니퓰레이터를 지지하는 배향 플랫폼을 대향하는 양 방향으로 전후로 피벗운동시킴으로써 세트업 구조를 구동시키는 것을 포함한다. 다른 실시형태에서는, 모터 토크 입력을 수신하고 시간이 경과함에 따라 임펄스를 격감시키기 위해서 가변 제동력에 가해진 임펄스를 결정함으로써 상기 입력을 브레이크 제어 입력으로 변환시키는 조인트 브레이크 컨트롤러가 제공되어 있다.

Description

수술 세트업 구조에서 불충분하게 작동되는 조인트의 운동을 제어하는 방법{METHODS OF CONTROLLING MOTION OF UNDER-ACTUATED JOINTS IN A SURGICAL SET-UP STRUCTURE}
본 출원은 본 명세서에 전체 내용이 참고로 포함되어 있는 2014년 3월 17일자로 출원된 미국 가출원 제61/954,537호에 대한 우선권 주장 출원이다.
본 출원은 대체로, 2013년 8월 15일자로 출원되고 발명의 명칭이 "로봇 아암의 수동 운동에 의해 제어되는 이동가능한 수술 장착 플랫폼(Movable Surgical Mounting Platform Controlled by Manual Motion of Robotic Arms)"인 미국 특허출원 제13/967,573호 및 2013년 8월 15일자로 출원되고 발명의 명칭이 "수술 장착 플랫폼의 사용자 개시 클러칭 단절(User Initiated Break-Away Clutching of a Surgical Mounting Platform)"인 미국 특허출원 제13/967,594호에 관한 것이고, 상기 문헌의 전체 내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.
최소 침습 의료 기술은 진단 과정이나 수술 과정에서 손상되는 진단이나 수술과 무관한 조직의 양을 감소시켜서, 환자 회복 시간, 불편함, 그리고 유해한 부작용을 감소시키기 위한 것이다. 최소 침습 수술의 한 가지 효과는, 예를 들면, 수술후 병원에서의 회복 시간이 줄어든다는 것이다. 통상적인 개복 수술에 대한 평균적인 병원 체류기간은 통상적으로 유사한 최소 침습 수술에 대한 평균적인 병원 체류기간보다 상당히 길기 때문에, 최소 침습 기법을 많이 이용하면 병원비를 매년 수백만 달러를 절감할 수 있다. 미국에서 매년 수행되는 많은 수술이 아마도 최소 침습 방식으로 수행될 수 있지만, 최소 침습 수술 기구의 제한사항 및 최소 침습 수술 기구을 완전히 다루는 것과 관련된 부가적인 수술 교육으로 인해 현재 행해지는 수술의 일부분만 이러한 유리한 기법을 이용하고 있다.
외과의사의 솜씨를 향상시키고 종래의 최소 침습 기술에 대한 제한사항들 중의 일부를 회피하도록 최소 침습 로봇 수술 시스템 또는 원격수술 시스템이 개발되고 있다. 원격수술에서, 외과의사는 손으로 수술 기구를 직접 쥐고 움직이는 것이 아니라, 수술 기구 움직임을 조종하기 위해 원격 제어장치의 몇 가지 형태(예를 들면, 서보기구 또는 이와 유사한 것)를 사용한다. 원격수술 시스템에서, 외과의사는 수술용 워크스테이션(surgical workstation)에서 수술 부위의 영상을 제공받을 수 있다. 외과의사는 디스플레이에 나타난 수술 부위의 2차원 영상 또는 3차원 영상을 관찰하면서, 서보 기계식 작동 기구(servo-mechanically operated instrument)의 운동을 제어하는 마스터 컨트롤 장치를 조작함으로써 환자에 대해 수술을 수행한다.
원격수술에 사용되는 서보기구는(외과의사의 두 손의 각각에 대해서 하나씩 배치된) 두 개의 마스터 컨트롤러로부터 입력을 종종 수용하고 각각에 대해서 수술 기구가 장착되는 두 개 이상의 로봇 아암을 포함할 수 있다. 마스터 컨트롤러와 해당 로봇 아암 및 수술 기구 조립체 사이의 수술 소통(operative communication)은 통상적으로 컨트롤 시스템을 통해서 이루어진다. 상기 컨트롤 시스템은 통상적으로 적어도 하나의 프로세서를 포함하고 있고, 상기 프로세서는, 예를 들면, 힘 피드백 등의 경우에 있어서 입력 명령을 마스터 컨트롤러로부터 해당 로봇 아암 및 수술 기구 조립체로 그리고 다시 로봇 아암 및 수술 기구 조립체로부터 해당 마스터 컨트롤러로 전달한다. 로봇 수술 시스템의 한 가지 예는 미국 캘리포니아 써니베일에 있는 인튜어티브 서지컬사(Intuitive Surgical, Inc.)로부터 구입할 수 있는 DA VINCI? 시스템이다.
로봇 수술 동안 수술 부위에 있는 수술 기구를 지지하기 위해서 다양한 구조적 방식이 이용될 수 있다. 피구동 링크장치 또는 "슬레이브(slave:종속장치)"는 종종 로봇 수술용 머니퓰레이터라고 하며, 최소 침습 로봇 수술 동안 로봇 수술용 머니퓰레이터로서 사용되는 예시적인 링크장치가 미국 특허 제7,594,912호; 제6,758,843호; 제6,246,200호; 그리고 제5,800,423호에 기술되어 있고, 이들 문헌의 전체 개시내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다. 이러한 링크장치는 샤프트를 가지고 있는 기구를 유지하기 위해서 종종 평행사변형 배치를 사용한다. 이러한 머니퓰레이터 구조는 상기 기구가 강성의 샤프트의 길이를 따라서 공간 내에 위치된 조종의 원격 중심에 대해서 피벗운동하도록 상기 기구의 이동을 제한할 수 있다. 조종의 원격 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 머니퓰레이터 링크장치를 이용하여 상기 샤프트의 근위 단부를 이동시키는 것에 의해 수술 기구의 엔드 이펙터가 안전하게 위치될 수 있다. 대체 형태의 머니퓰레이터 구조는, 예를 들면, 미국 특허 제7,763,015호; 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.
로봇 수술 동안 수술 부위에 있는 로봇 수술용 머니퓰레이터와 수술 기구를 지지하고 위치시키기 위해서 다양한 구조적 방식이 이용될 수 있다. 종종 세트업 조인트, 또는 세트업 조인트 아암이라고 칭해지는 지지용 링크장치 메카니즘이 각각의 머니퓰레이터를 위치시키고 환자의 신체의 각각의 절개 지점과 정렬시키기 위해서 흔히 사용된다. 상기 지지용 링크장치 메카니즘은 수술용 머니퓰레이터의 원하는 수술 절개 지점 및 목표 해부 구조와의 정렬(alignment)을 용이하게 한다. 예시적인 지지용 링크장치 메카니즘은 미국 특허 제 6,246,200호 및 제 6,788,018호에 기술되어 있고, 이들 문헌의 전체 개시내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.
새로운 원격수술 시스템 및 장치는 매우 효과적이고 유익한 것으로 판명되었지만, 여전히 추가적인 개량이 요구된다. 대체로, 개선된 최소 침습 로봇 수술 시스템이 요구된다. 이러한 개선된 기술이 로봇 수술 시스템의 이용의 효율성과 편의성을 향상시킨다면 특히 유익할 것이다. 예를 들면, 조종성을 높이고, 수술실에서의 공간 활용도를 향상시키고, 전개시키는 것과 집어넣는 것에 있어서 보다 신속하고 보다 용이한 세트업을 제공하고, 사용하는 동안 로봇 장치들간의 충돌을 방지하고, 및/또는 이러한 새로운 수술 시스템의 기계적인 복잡성과 크기를 감소시키는 것이 특히 유익할 것이다.
아래의 설명은 본 발명의 기본적인 이해를 제공하기 위해서 본 발명의 여러 실시례의 단순화된 개요를 제공한다. 이 개요는 본 발명의 광범위한 개관은 아니다. 아래의 설명은 본 발명의 핵심적인/중요한 요소를 확인하기 위한 것이거나 본 발명의 범위를 기술하기 위한 것은 아니다. 아래의 설명의 유일한 목적은 나중에 제공되는 보다 상세한 설명에 대한 서막으로서 단순화된 형태로 된 본 발명의 여러 실시례를 제공하는 것이다.
본 발명은 대체로 개량된 로봇 장치 및/또는 수술 장치, 시스템, 그리고 방법을 제공한다. 본 명세서에 기술된 동적 링크장치 구조 및 대응하는 컨트롤 시스템은 특정 환자에 대한 수술을 위한 준비로 상기 구조를 전개시키거나 사용 후에 상기 구조를 집어넣는 것을 포함하여 사용을 위한 준비로 시스템 사용자가 로봇 구조를 배치시키는 것을 도와주는데 특히 유리하다. 본 명세서에 기술된 예시적인 로봇 수술 시스템은 머니퓰레이터 구조를 수술 작업 부위와 정렬시키는 것을 도와주도록 구성되어 있는 하나 이상의 동적 링크장치 하위 시스템을 가질 수 있다. 이러한 세트업 시스템의 조인트는 능동적으로 구동될 수 있거나, (머니퓰레이터가 치료상으로 사용되는 동안 상기 조인트가 수동으로 관절운동된 다음 원하는 배치형태로 고정될 수 있도록)수동적일 수 있거나, 또는 상기 양자의 혼합형태일 수 있다. 본 명세서에 기술된 로봇 시스템의 여러 실시례는 조인트를 기준 조인트 상태로 이동시키도록 수동적인 운동을 제어하기 위해서 하나 이상의 조인트가 연쇄(kinematic chain)의 하나 이상의 다른 조인트의 수동적인 운동을 실행하기 위해서 그리고 선택적으로 상기 하나 이상의 다른 조인트를 선택적으로 제동시키기 위해서 능동적으로 구동되는 세트업 모드를 이용할 수 있다. 다수의 실시례에서, 상기 하나 이상의 다른 조인트는 수동적인 세트업 조인트이고 기준 조인트 상태는 상기 세트업 조인트와 관련된 머니퓰레이터 아암 또는 다중 머니퓰레이터 아암의 원하는 구성에 대응한다. 다수의 실시례에서, 능동적으로 구동되는 조인트는 다중 머니퓰레이터를 지지하는 플랫폼 구조를 이동시킬 것이고, 이에 따라 상기 플랫폼 구조는 제어된 수동적인 조인트 운동에 의해 관련된 세트업 조인트를 특정 기준 조인트 상태로 이동시키고, 이것에 의해 전체 시스템의 배치를 작업 공간을 가진 원하는 방향적인 및/또는 위치적인 구성으로 용이하게 하고 또한 촉진시킨다. 바람직하게는, 이러한 방식이, 조인트의 수동 조종을 요하지 않고, 불충분하게 작동되는 세트업 조인트의 운동을 제어하는 것에 의해서 시스템의 구조 변경(reconfiguration)을 가능하게 한다. 추가적으로, 다중 아암의 세트업 조인트는 수동 관절운동(manual articulation)만으로 통상적으로 가능한 것보다 더 짧은 시간에 수동적인 세트업 조인트를 이용하여 구조 변경을 허용함과 동시에 제어될 수 있다. 선택적으로, 배향 플랫폼의 운동은 상기 배향 플랫폼에 의해 지지된 추가적인 머니퓰레이터 조립체와 관련된 세트업 조인트 링크장치의 운동뿐만 아니라 머니퓰레이터와 상기 배향 플랫폼의 사이에 배치된 세트업 조인트 링크장치의 운동을 초래할 수 있다. 하나 이상의 세트업 조인트의 수동적인 운동의 제어는 각각의 세트업 조인트의 감지된 조인트 상태에 따라서 세트업 조인트에 대응하는 하나 이상의 조인트 브레이크의 선택적인 제동작용에 의해 달성될 수 있다.
제1 실시형태에서는, 로봇 수술을 위해 준비하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 초기 위치로부터 머니퓰레이터 또는 다중 머니퓰레이터의 원하는 구성에 대응하는 기준 위치까지 제1 로봇 머니퓰레이터의 하나 이상의 세트업 조인트의 변위를 감지하는 것, 수동적인 조인트 운동에 의해 상기 하나 이상의 세트업 조인트를 각각의 기준 위치쪽으로 이동시키는 세트업 조인트와 결합된 링크장치에 힘 및/또는 운동을 부여하는 세트업 구조 링크장치의 운동을 계산하는 것, 그리고 세트업 조인트가 기준 위치에 도달할 때까지 선택적인 제동에 의해 세트업 조인트의 수동적인 조인트 운동을 제어하는 것을 포함하고 있다. 선택적인 제동은 기준 위치로부터 멀어지는 수동적인 운동을 저지하고 기준 위치쪽으로 향하는 수동적인 운동을 촉진시키는 것에 의해서 세트업 조인트의 수동적인 운동을 제어한다. 일단 세트업 조인트가 기준 위치에 있으면, 세트업 조인트를 제위치에 고정시키도록 브레이크가 작용될 수 있다.
다수의 실시례에서, 세트업 구조 링크장치는 장착 베이스, 기둥, 부재, 그리고 신장가능한 붐(extendable boom)을 포함할 수 있다. 상기 기둥은 상기 장착 베이스와 슬라이딩이동가능하게 결합될 수 있다. 추가적으로, 상기 기둥은 수직으로 배향되어 있는 제1 지지 축을 따라서 상기 장착 베이스에 대해 선택적으로 위치될 수 있다. 상기 부재는 쇼울더 조인트를 통하여 상기 기둥에 회전가능하게 결합된 붐 베이스 부재일 수 있다. 상기 부재는 수직으로 배향되어 있는 제2 지지 축 둘레로 상기 기둥에 대해 선택적으로 배향될 수 있다. 상기 신장가능한 붐은 수평으로 배향되어 있는 제3 지지 축을 따라서 상기 부재에 대해 상기 신장가능한 붐을 선택적으로 위치시키기 위해서 상기 부재와 슬라이딩이동가능하게 결합될 수 있다. 배향 플랫폼은 신장가능한 붐 부재에 회전가능하게 결합될 수 있다. 계산된 피구동 조인트 운동은 하나 이상의 불충분하게 작동되는 조인트를 원하는 기준 상태 또는 위치로 이동시키는 보다 원위의 링크장치에 힘 및/또는 모멘트를 부여하기 위해서 구동되는 세트업 구조 링크장치의 복수의 조인트 중의 임의의 조인트의 운동을 포함할 수 있다.
하나의 실시형태에서, 상기 프로세서는 불충분하게 작동되는 조인트의 감지된 조인트 상태와 조인트의 초기 상태와 기준 상태 사이의 오차에 기초하여 하나 이상의 불충분하게 작동되는 조인트의 선택적인 제동을 결정하는 비-일시적 기계 판독가능 코드 구현 명령어(non-transitory machine readable code embodying instructions)를 포함하고 있다. 다수의 실시례에서, 상기 시스템은, 불충분하게 작동되는 조인트를 기준 상태로 이동시키는데 필요한 토크 제어 입력을 결정하고, (종종 피구동 조인트의 몇 번의 순환 운동에 걸친) 조인트 토크와 제동 사이의 관계에 기초하여 시간의 경과에 따른 임펄스에 따라 감지된 조인트 토크를 격감시키기 위해서 조인트의 조인트 브레이크를 선택적으로 작용시키는 제동 제어 입력을 결정하기 위해 불충분하게 작동되는 조인트에서의 감지된 토크에 대응하여 시간의 경과에 따라 임펄스를 결정하기 위해서 토크 제어 입력을 적분하는 조인트 브레이크 컨트롤러를 이용하기 위해서 비례 미분 컨트롤러를 활용할 수 있다. 몇몇 실시형태에서는, 조인트 컨트롤러가, 조인트의 수동적인 운동 동안 대체로 일정한 속도를 제공하기 위해서 및/또는 수동적인 운동 동안 조인트의 일정한 감속도를 제공하기 위해서 토크가 시간이 경과함에 따라 격감하도록 제동 제어 입력을 결정하도록 구성되어 있고, 몇몇 실시례에서는 불충분하게 작동되는 조인트의 기준 상태로부터의 변위에 기초할 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 1은, 본 발명의 몇몇 실시례에 따른, 수술을 수행하는데 사용되는 최소 침습 로봇 수술 시스템의 평면도이다.
도 2는, 몇몇 실시례에 따른, 로봇 수술 시스템용 외과의사의 컨트롤 콘솔의 사시도이다.
도 3은, 몇몇 실시례에 따른, 로봇 수술 시스템 전자장치 카트의 사시도이다.
도 4는, 몇몇 실시례에 따른, 로봇 수술 시스템을 개략적으로 나타내고 있다.
도 5a는, 몇몇 실시례에 따른, 로봇 수술 시스템의 환자측 카트(수술용 로봇)의 부분도이다.
도 5b는, 몇몇 실시례에 따른, 로봇 수술 공구의 정면도이다.
도 6은, 몇몇 실시례에 따른, 로봇 수술 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 7은, 몇몇 실시례에 따른, 다른 로봇 수술 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 8은 도 7의 개략적인 사시도와 합치되는, 다수의 실시례에 따른, 로봇 수술 시스템을 나타내고 있다.
도 9a 내지 도 9c는 도 8의 로봇 수술 시스템의 배향 플랫폼에 대한 세트업 링크장치의 회전 방향을 나타내고 있다.
도 10a 및 도 10b는, 몇몇 실시례에 따른, 세트업 조인트 링크장치 및 이와 관련된 배향 조립체를 나타내고 있다.
도 11은, 몇몇 실시례에 따른, 하나 이상의 수동적인 세트업 조인트를 원하는 상태로 이동시키기 위해서 세트업 구조의 배향 플랫폼을 구동시키는 것에 의해서 로봇 수술 시스템을 수술을 위해 준비시키는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 12a는, 몇몇 실시례에 따른, 선택적인 제동을 통하여 상기 시스템의 하나 이상의 세트업 조인트의 수동적인 운동을 제어함으로써 복수의 머니퓰레이터 아암의 원하는 정렬상태를 제공하는 카트 장착식 세트업 지지 구조에 의해 지지된 배향 플랫폼의 이동의 개략적인 사시도이다.
도 12b 및 도 12c는, 몇몇 실시례에 따른, 관련 좌표계와 자유도를 나타내는 배향 플랫폼의 개략도; 및 한 개의 머니퓰레이터 아암의 해당 수술 접근 부위와의 원하는 정렬을 제공하기 위해서 실링 갠트리 세트업 지지 구조(ceiling gantry set-up support structure)에 의해 지지된 배향 플랫폼의 사시도이다.
도 13은, 몇몇 실시례에 따른, 배향 플랫폼의 시미 운동(shimmy movement)을 제공하는 모드에 의해 배향 플랫폼에 지지된 수동적인 세트업 조인트를 제어하는 방법을 개략적으로 나타내고 있다.
도 14a 내지 도 14c는, 몇몇 실시례에 따른, 전동 제어 입력장치(motorized control input)의 사용에 의해 수동적인 조인트의 운동을 제어하는 제어도를 개략적으로 나타내고 있다.
도 14d는, 몇몇 실시례에 따른, 전동 제어 입력장치에 대응하는 계산된 조인트 토크를 초래하는 제동 제어 기구(braking control mechanism)를 그래프로 나타내고 있다.
아래의 설명에서, 본 발명의 다양한 실시례를 기술한다. 설명을 위해서, 상기 실시례의 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 실시례를 모호하게 하지 않기 위해서 잘 알려진 특징은 생략되거나 단순화될 수 있다.
본 명세서에 기술된 동적 링크장치 구조(kinematic linkage structure)와 컨트롤 시스템은 시스템 사용자가 로봇 구조를 특정 환자에 대한 수술을 위해 배열시키는 것을 도와주는데 특히 유익하다. 치료하는 동안 조직 등과 상호작용하도록 사용되는 능동적으로 구동되는 머니퓰레이터와 함께, 로봇 수술 시스템은 머니퓰레이터 구조를 지지하고 머니퓰레이터 구조를 수술 작업 부위와 정렬시키는 것을 도와주도록 구성되어 있는 하나 이상의 동적 링크장치 시스템을 가질 수 있다. 이러한 세트업 시스템은 능동적으로 구동되거나 수동적일 수 있기 때문에, 머니퓰레이터가 치료를 위해 사용되는 동안 상기 세트업 시스템은 수동으로 관절운동된 다음 원하는 배치형태로 고정될 수 있다. 수동적인 세트업 운동 시스템(passive set-up kinematic system)은 크기, 무게, 복잡성, 그리고 비용에 있어서 장점을 가질 수 있다. 복수의 머니퓰레이터가 각각의 환자의 조직을 치료하기 위해 사용될 수 있기 때문에, 로봇 시스템을 수술을 위한 준비 상태로 신속하게 배치시키는 문제는 중요한 문제일 수 있다.
한 가지 선택 방안은 다중 머니퓰레이터를 한 개의 플랫폼에 장착시키는 것이고, 이 머니퓰레이터-지지 플랫폼을 종종 배향 플랫폼(orienting platform)이라고 한다. 이 배향 플랫폼은 능동적으로 구동되는 지지 링크장치(본 명세서에서는 종종 세트업 구조라고 칭하며, 통상적으로 세트업 구조 링크장치 등을 가지고 있다)에 의해 지지될 수 있다. 상기 시스템은 또한 사용자 제어(user control)에 의해 배향 플랫폼을 지지하는 로봇 세트업 구조의 동력 축(motorized axes)을 제공하고 제어할 수 있거나, 또는 통상적으로 기준 상태와 관련된 원하는 구성 및 감지된 구성에 따른 자동형이다.
로봇 머니퓰레이터의 수동적인 조인트와 능동적으로 구동되는 조인트 양자의 장점을 유지하기 위해서, 본 명세서에 기술된 로봇 시스템의 여러 실시례는 수동적인 세트업 조인트의 원하는 기준 상태를 달성하기 위해서 수동적인 조인트 운동에 의해 능동적으로 구동되는 조인트의 원위부에 있는 하나 이상의 수동적인 세트업 조인트에서 특정 반응을 끌어내기 위해서 하나 이상의 조인트가 능동적으로 구동되는 모드를 이용할 수 있다. 이러한 세트업 조인트의 수동적인 조인트 운동은, 세트업 조인트가 각각의 기준 상태에 도달할 때까지 기준 상태로부터 멀어지는 수동적인 운동을 저지하고 기준 상태쪽으로 향하는 수동적인 조인트 운동을 촉진시키는 조인트 브레이크의 선택적인 작용을 통하여 제어될 수 있다. 상기 기준 상태는 작업 공간 내의 원하는 위치, 상기 시스템의 어떤 다른 조인트에 대한 원하는 위치, 특정 방향으로의 원하는 속도와 가속도의 일부 또는 전부를 지칭할 수 있다.
어떤 실시형태에서는, 능동적으로 구동되는 조인트가 수동 관절운동(manual articulation)을 요하지 않고 하나 이상의 수동적인 조인트의 원하는 운동을 끌어내기 위해서 하나 이상의 자유도로 반대로 향하는 양 방향으로 연속적으로 이동하는 다중 머니퓰레이터를 지지하는 플랫폼-지지 링크장치 구조를 자동적으로 이동시킬 것이다. 선택적인 제동에 의해서 불충분하게 작동되는 조인트의 수동적인 운동을 제어하는 것에 의해서, 상기 시스템은 머니퓰레이터를 원하는 구성, 방향 및/또는 작업 공간과의 위치적 정렬상태로 이동시키기 위해서 각각의 머니퓰레이터를 지지하는 하나 이상의 세트업 조인트를 동시에 이동시킴으로써 전체 시스템의 배치를 매우 용이하게 한다. 상기 원하는 구성, 방향 또는 정렬상태는 많은 배치상태를 포함할 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 원하는 배치상태는 전개된 배치상태(deployed arrangement), 집어넣은 배치상태(stowed arrangement) 또는 부분적으로 집어넣은 배치상태(partially stowed arrangement)를 포함한다. 전개된 구성에서는, 머니퓰레이터가 하나 이상의 머니퓰레이터에서의 수술 공구의 교체를 포함할 수 있는 머니퓰레이터의 세트업을 위해 작업 공간으로 뻗어 있다. 집어넣은 구성과 부분적으로 집어넣은 구성에서는, 작업 공간을 덜 차지하기 위해서 머니퓰레이터가 적어도 부분적으로 수축되어 서로 맞닿게 접힐 수 있다. 상기 플랫폼에 의해 지지된 머니퓰레이터들 중의 하나, 몇 개 또는 전부의 독리적인 위치결정은 본 명세서에 기술된 여러 실시형태의 방법을 이용함으로써 상기 플랫폼에 대해 상기 머니퓰레이터들 중의 하나, 몇 개 또는 전부를 지지하는 수동적인 세트업 조인트 시스템의 제어된 운동을 통하여 선택적으로 제공될 수 있다.
하나의 실시형태에서, 본 발명에 따른 방법은 관성 효과와 조인트의 제어된 제동을 통하여 세트업 조인트의 제어된 운동을 달성한다. 예를 들면, 수술용 로봇 아암(예를 들면, 슬레이브 머니퓰레이터)을 지지하는 본 명세서에 기술된 세트업 조인트는 이러한 조인트가 드물게 이동되고 이러한 조인트에 대해 모터를 구동시킬 필요가 거의 없도록 수술을 위한 로봇 시스템의 세트업을 위해, 그리고 수술 후 상기 로봇 시스템의 로봇 아암을 집어넣기 위해서 통상적으로 사용된다. 이러한 세트업 조인트는 세트업 또는 집어넣기 동안 로봇 아암의 수동 조종 중에 조인트의 수동적인 운동이 가능하도록 조인트가 자유롭게 움직일 수 있고, 각각의 조인트 브레이크를 작용시키는 것에 의해서 제위치에 고정될 수 있도록 조인트 브레이크를 가진 수동적인 조인트로 구성되어 있다. 어떤 시라니오에서는, 수술을 위한 준비로 로봇 아암의 드레이핑(draping), 환자 카트 접기(patient cart roll-up), 그리고 수술후 로봇 아암의 집어넣기를 도와주기 위해서 로봇 아암을 미리 정해진 위치로 이동시키는 것이 바람직하다. 본 명세서에 기술된 예시적인 방법은, 로봇 아암의 세트업 조인트가 공통의 베이스에 장착되어 있는 플랫폼 링크장치(예를 들면, 배향 플랫폼)를 이동시키는 것에 의해서 그리고 세트업 조인트의 조인트 브레이크의 작용을 선택적으로 제어하는 것에 의해서, 상기 조인트의 수동 운동(manual movement)을 요하지 않고, 이러한 수동적인 세트업 조인트의 제어된 운동을 가능하게 한다.
어떤 실시형태에서는, 상기 방법이 세트업 조인트 링크장치의 수동 동역학(passive dynamics)을 활용하는 세트업 조인트 브레이크 컨트롤러를 포함한다. 예를 들면, 세트업 조인트가 장착되어 있는 배향 플랫폼은, 배향 플랫폼의 운동을 제어하는 하나 이상의 피구동 조인트의 구동을 통하여 배향 플랫폼을 이동시키는 것에 의해서 가속도를 유도하는 궤적을 통하여 조종될 수 있다. 세트업 조인트의 브레이크 컨트롤러는 (예를 들면, 조인트 상태 센서를 통하여) 자신의 대응하는 세트업 조인트의 상태, 세트업 조인트의 기준 상태(위치, 속도, 및/또는 가속도) 그리고 배향 플랫폼의 가속도를 받아들인다. 세트업 조인트 링크장치의 관성과 배향 플랫폼의 가속도가, 결합하여, 세트업 조인트 링크를 기준 상태쪽으로 가속시키기에 충분하면, 조인트 브레이크가 해제된다. 어떤 실시형태에서는, 조인트 브레이크가 각각의 조인트의 감지된 조인트 상태에 기초하여 조인트 브레이크가 부분적으로 해제되는지 또는 완전히 해제되는지를 결정한다. 예를 들어, 조인트 속도가 영으로 떨어지거나 또는 세트업 조인트의 운동의 원하는 방향과 반대 방향으로 향하는 경우, 배향 플랫폼의 가속도가 유리한 상황일 때(favorable)까지 조인트 브레이크가 작용될 수 있다. 조인트 브레이크 컨트롤러는 또한 각각의 조인트를 원하는 위치에 고정시키도록 기준 상태에 도달할 때 조인트 브레이크가 작용되도록 구성될 수 있다. 다른 실시형태에서, 조인트 브레이크 컨트롤러는 수동적인 조인트가 기준 상태쪽으로 이동할 때 수동적인 조인트의 수동적인 운동을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 수동적인 조인트의 속도가 기준 속도를 초과하면, 부분적인 브레이크 작용이 세트업 조인트의 원하는 위치로의 보다 원활하고 보다 순조로운 이동을 제공하기 위해서 대응하는 링크장치의 속도를 억제할 수 있다.
본 발명의 상기한 여러 실시형태는 본 명세서에 상세하게 기술되어 있는 것과 같은 원격 수술 조종 시스템의 다중 로봇 아암의 전개 및 집어넣기를 제공하는 방법에서 특히 유용하다. 많은 이러한 시스템은 로봇 아암의 세트업 및 집어넣기에 도움이 되는 하나 이상의 수동적인 세트업 조인트를 가지고 있는 로봇 아암을 포함하고 있다. 로봇 아암의 세트업, 작동 및 집어넣기의 작업 흐름은 종종 로봇 아암이 특정의 집어넣은 구성 및 전개된 구성에 배치될 것을 요한다. 이것은 불충분하게 작동되는 세트업 조인트의 수동 운동(manual movement)에 의해 달성될 수 있지만, 이러한 방식은 문제가 될 수 있다. 예를 들면, 이러한 시스템에서는, 대체로 사용자가 손으로 세트업 조인트 브레이크를 해제하여야 하고 손으로 각각의 로봇 아암의 다양한 조인트를 이동시켜야 하는데, 이것은 시간 소모가 클 수 있고 시스템의 사용의 편의성을 현저하게 감소시킬 수 있다. 게다가, 상기 장치가 수술하는 동안 변경되거나 부분적으로 집어넣어질 필요가 있다면, 로봇 아암이 살균 드레이프(sterile drape)로 드레이핑될 수 있을 때, 본 명세서에 기술된 방법은 비-살균 구역에 있는 사용자나 외과의사가 수동적인 세트업 조인트의 운동을 제어할 수 있게 해주고 로봇 아암을 변경하거나 부분적으로 집어넣을 수 있게 해준다. 이러한 방법은 대상 조인트(subject joint)의 조인트 제동과 함께 다른 조인트의 구동에 의해 조인트에 가해진 관성력을 이용하여 조인트의 수동적인 운동을 제어하는데 사용될 수 있다. 이러한 방법이 적용될 수 있는 시스템은 아래에서 상세하게 설명한다.
최소 침습 로봇 수술
도면을 참고하면, 여러 도면에 걸쳐서 유사한 참고 번호가 유사한 부분을 나타내며, 도 1은 수술대(14)에 누워 있는 환자(12)에 대해 최소 침습 진단 또는 수술을 수행하는데 통상적으로 사용되는 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, 내시경(28)에 의해 얻을 수 있고, 내시경(28)은 내시경(28)을 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.
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 1에 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 1에 도시되어 있음)와 동일한 자유도를 제공할 수 있다. 이를 위해서, 입력 제어 장치(36)를 통하여 상기 공구(26)로부터의 위치, 힘, 그리고 촉각적인 느낌을 외과의사의 손으로 전달하기 위해서 위치 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 장소에 배치될 수 있다.
도 3은 전자장치 카트(24)의 사시도이다. 전자장치 카트(24)는 내시경(28)과 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, 촬영 장치의 촬영 오차를 보상하기 위해 사전에 결정된 카메라 보정 파라미터의 사용을 포함할 수 있다.
도 4는 로봇 수술 시스템(50)(도 1의 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(10)과 같은 것)을 개략적으로 나타내고 있다. 상기한 바와 같이, 외과의사의 콘솔(52)(도 1의 외과의사의 콘솔(16)과 같은 것)은 최소 침습 수술을 하는 동안 환자측 카트(수술용 로봇)(54)(도 1의 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 1의 전자장치 카트(24)와 같은 것)에 출력하기 위해서, 입체 내시경과 같은, 촬영 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)에 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.
프로세서(58)는 통상적으로 하드웨어와 소프트웨어의 결합 형태를 포함할 것이고, 소프트웨어는 본 명세서에 기능적으로 기술된 제어의 방법 단계들을 수행하기 위한 컴퓨터 판독가능 코드 명령어를 수록하는 유형의 매체를 포함한다. 하드웨어는 통상적으로 하나 이상의 데이터 처리 보드를 포함하고, 이 데이터 처리 보드는 같은 장소에 배치될 수 있지만 본 명세서에 기술된 로봇 구조들 사이에 분포된 구성요소를 종종 가질 것이다. 소프트웨어는 종종 비휘발성 매체를 포함할 것이고, 모놀리식 코드(monolithic code)를 포함할 수도 있지만 보다 통상적으로는 매우 다양한 분산 데이터 처리 아키텍쳐들 중의 임의의 것으로 선택적으로 작동하는 다수의 서브루틴을 포함할 것이다.
도 5a 및 도 5b는 환자측 카트(22) 및 수술 공구(62)를 각각 나타내고 있다. 수술 공구(62)는 수술 공구(26)의 한 예이다. 도시된 환자측 카트(22)는 세 개의 수술 공구(26)와 수술 부위의 영상을 촬영하는데 사용되는 입체 내시경과 같은 촬영 장치(28)의 조종을 제공한다. 조종은 다수의 로봇 관절을 가지는 로봇 기구에 의해 행해진다. 촬영 장치(28)와 수술 공구(26)는, 절개부의 사이즈를 최소화하기 위해서 운동학적인 원격 중심(kinematic remote center)이 절개부에 유지되도록 환자의 절개부를 통하여 배치되고 조작될 수 있다. 수술 부위의 영상은, 수술 공구(26)의 원위 단부가 촬영 장치(28)의 시야 내에 위치되어 있을 때 수술 공구(26)의 원위 단부의 영상을 포함할 수 있다.
수술 공구(26)는 절개부, 인체 구멍(natural orifice), 피부 천공부(percutaneous penetration) 등과 같은 최소 침습 접근 개구를 통하여 관형상의 캐뉼라(64)를 삽입함으로써 환자 내부로 삽입된다. 캐뉼라(64)는 로봇 머니퓰레이터 아암에 장착되고 수술 공구(26)의 샤프트는 캐뉼라의 루멘(lumen)을 통과한다. 상기 로봇 머니퓰레이터 아암은 캐뉼라가 로봇 머니퓰레이터 아암에 장착되었다는 것을 나타내는 신호를 전송할 수 있다.
로봇 수술 시스템 및 모듈형 머니퓰레이터 지지부
도 6은 다수의 실시례에 따른 로봇 수술 시스템(70)의 개략적인 사시도이다. 상기 로봇 수술 시스템(70)은 장착 베이스(72), 지지 링크장치(74), 배향 플랫폼(76), 복수의 외부 세트업 링크장치(78)(2개 도시되어 있음), 복수의 내부 세트업 링크장치(80)(2개 도시되어 있음), 그리고 복수의 수술 기구 머니퓰레이터(82)를 포함하고 있다. 복수의 수술 기구 머니퓰레이터(82)의 각각은 머니퓰레이터(82)에 장착되어 있으며 삽입 축을 따라서 환자 내부로 삽입가능한 수술 기구를 선택적으로 관절운동시키도록 작동할 수 있다. 복수의 수술 기구 머니퓰레이터(82)의 각각은 상기 세트업 링크장치(78, 80) 중의 하나에 부착되어 지지되어 있다. 복수의 외부 세트업 링크장치(78)의 각각은 제1 세트업 링크장치 조인트(84)에 의해 배향 플랫폼(76)에 회전가능하게 결합되어 있으며 배향 플랫폼(76)에 의해 지지되어 있다. 복수의 내부 세트업 링크장치(80)의 각각은 배향 플랫폼(76)에 고정되게 부착되어 있으며 배향 플랫폼(76)에 의해 지지되어 있다. 배향 플랫폼(76)은 지지 링크장치(74)에 회전가능하게 결합되어 있으며 지지 링크장치(74)에 의해 지지되어 있다. 그리고 지지 링크장치(74)는 장착 베이스(72)에 고정되게 부착되어 있으며 장착 베이스(72)에 의해 지지되어 있다.
다수의 실시례에서, 장착 베이스(72)는 이동가능한 바닥 지지 구조로 되어 있어서, 예를 들면, 수술실 내에서 전체 수술 시스템(70)의 선택적인 재위치결정(repositioning)을 가능하게 한다. 장착 베이스(72)은 조종가능한 바퀴 조립체(steerable wheel assembly) 및/또는 장착 베이스(72)가 선택된 위치로부터 이동하는 것을 선택적으로 방지하는 것뿐만 아니라 선택적인 재위치결정을 제공하는 임의의 다른 적절한 지지 구조를 포함할 수 있다. 장착 베이스(72)는 다른 적절한 구성, 예를 들면, 천장 장착부(ceiling mount), 고정된 바닥/받침대 장착부(pedestal mount), 벽 장착부, 또는 임의의 다른 적절한 장착면에 의해 지지되도록 구성된 접속부를 가질 수도 있다.
지지 링크장치(74)는 배향 플랫폼(76)를 장착 베이스(72)에 대해 선택적으로 위치시키도록 및/또는 배향시키도록 작동할 수 있다. 지지 링크장치(74)는 기둥 베이스(86), 병진운동가능한 기둥 부재(88), 쇼울더 조인트(90), 붐 베이스 부재(boom base member)(92), 붐 제1 단 부재(94), 붐 제2 단 부재(96), 그리고 손목부 조인트(98)를 포함하고 있다. 기둥 베이스(86)는 장착 베이스(72)에 고정되게 부착되어 있다. 병진운동가능한 기둥 부재(88)는 기둥 베이스(86)에 대해 병진운동할 수 있도록 기둥 베이스(86)에 슬라이딩이동가능하게 결합되어 있다. 다수의 실시례에서, 병진운동가능한 기둥 부재(88)는 수직방향으로 배향된 축을 따라서 기둥 베이스(86)에 대해 병진운동한다. 붐 베이스 부재(92)는 쇼울더 조인트(90)에 의해 병진운동가능한 기둥 부재(88)에 회전가능하게 결합되어 있다. 쇼울더 조인트(90)는 붐 베이스 부재(92)를 기둥 베이스(86)와 장착 베이스(72)에 대해 일정한 각 방향(angular orientation)을 가지고 있는 병진운동가능한 기둥 부재(88)에 대해 수평면으로 선택적으로 배향시키도록 작동할 수 있다. 붐 제1 단 부재(94)는, 다수의 실시례에서 붐 베이스 부재(92)와 붐 제1 단 부재(94)의 양자 모두와 일렬로 정렬되어 있는, 수평 방향으로 붐 베이스 부재(92)에 대해 선택적으로 병진운동가능하다. 붐 제2 단 부재(96)는 마찬가지로, 다수의 실시례에서 붐 제1 단 부재(94)와 붐 제2 단 부재(96)의 양자 모두와 일렬로 정렬되어 있는, 수평 방향으로 붐 제1 단 부재(94)에 대해 선택적으로 병진운동가능하다. 따라서, 지지 링크장치(74)는 쇼울더 조인트(90)와 붐 제2 단 부재(96)의 원위 단부 사이의 거리를 선택적으로 설정하도록 작동할 수 있다. 손목부 조인트(98)는 붐 제2 단 부재(96)의 원위 단부를 배향 플랫폼(76)에 회전가능하게 결합시킨다. 손목부 조인트(98)는 배향 플랫폼(76)의 장착 베이스(72)에 대한 각 방향을 선택적으로 설정하도록 작동할 수 있다.
상기 세트업 링크장치(78, 80)의 각각은 대응하는 머니퓰레이터(82)을 배향 플랫폼(76)에 대해 선택적으로 위치시키도록 및/또는 배향시키도록 작동할 수 있다. 상기 세트업 링크장치(78, 80)의 각각은 세트업 링크장치 베이스 링크(100), 세트업 링크장치 연장 링크(102), 세트업 링크장치부(104), 세트업 링크장치 수직 링크(106), 제2 세트업 링크장치 조인트(108), 그리고 머니퓰레이터 지지 링크(110)를 포함하고 있다. 외부 세트업 링크장치(78)의 세트업 링크장치 베이스 링크(100)의 각각은 제1 세트업 링크장치 조인트(84)의 작동을 통하여 배향 플랫폼(76)에 대해 선택적으로 배향될 수 있다. 도시된 실시례에서, 내부 세트업 링크장치(80)의 세트업 링크장치 베이스 링크(100)의 각각은 배향 플랫폼(76)에 고정되게 부착되어 있다. 내부 세트업 링크장치(80)의 각각은 외부 세트업 링크장치와 유사하게 추가적인 제1 세트업 링크장치 조인트(84)를 통하여 배향 플랫폼(76)에 회전가능하게 부착될 수도 있다. 세트업 링크장치 연장 링크(102)의 각각은, 다수의 실시례에서 대응하는 세트업 링크장치 베이스 링크 및 세트업 링크장치 연장 링크(102)와 일렬로 정렬되어 있는, 수평 방향으로 대응하는 세트업 링크장치 베이스 링크(100)에 대해 병진운동가능하다. 세트업 링크장치부(104)의 각각은 세트업 링크장치 수직 링크(106)를 수직으로 배향된 상태로 유지하면서 세트업 링크장치 수직 링크(106)를 수직 방향으로 선택적으로 병진운동시키도록 구성되어 있고 작동할 수 있다. 예시적인 실시례에서, 세트업 링크장치부(104)의 각각은 제1 조인트(112), 결합 링크(114), 그리고 제2 조인트(116)를 포함하고 있다. 제1 조인트(112)는 결합 링크(114)를 세트업 링크장치 연장 링크(102)에 회전가능하게 결합시킨다. 제2 조인트(116)는 세트업 링크장치 수직 링크(106)를 결합 링크(114)에 회전가능하게 결합시킨다. 세트업 링크장치 수직 링크(106)가 선택적으로 수직으로 병진운동하는 동안 세트업 링크장치 수직 링크(106)가 수직으로 배향된 상태를 유지시키기 위해서 세트업 링크장치 연장 링크(102)에 대한 결합 링크(114)의 회전이 결합 링크(114)에 대한 세트업 링크장치 수직 링크(106)의 반작용 회전(counteracting rotation)과 대등하게 되도록 제1 조인트(112)는 제2 조인트(116)에 회전가능하게 결합되어 있다. 제2 세트업 링크장치 조인트(108)는 머니퓰레이터 지지 링크(110)를 세트업 링크장치 수직 링크(106)에 대해 선택적으로 배향시키도록 작동할 수 있고, 이것에 의해 대응하는 부착된 머니퓰레이터(82)를 세트업 링크장치 수직 링크(106)에 대해 선택적으로 배향시킨다.
도 7은 다수의 실시례에 따른 로봇 수술 시스템(120)의 개략적인 사시도이다. 상기 로봇 수술 시스템(120)은 도 6의 수술 시스템(70)의 구성요소들과 유사한 구성요소들을 포함하고 있기 때문에, 동일한 참고 번호가 유사한 구성요소에 대해 사용되고 상기한 유사한 구성요소의 대응하는 설명은 상기 로봇 수술 시스템(120)에 적용할 수 있으므로 반복을 피하기 위해서 이 실시례에서는 생략한다. 상기 로봇 수술 시스템(120)은 장착 베이스(72), 지지 링크장치(122), 배향 플랫폼(124), 복수의 세트업 링크장치(126)(4개 도시되어 있음), 그리고 복수의 수술 기구 머니퓰레이터(82)를 포함하고 있다. 복수의 수술 기구 머니퓰레이터(82)의 각각은 이 수술 기구 머니퓰레이터(82)에 장착되어 있으며 삽입 축을 따라서 환자 내부로 삽입가능한 수술 기구를 선택적으로 관절운동시키도록 작동할 수 있다. 복수의 수술 기구 머니퓰레이터(82)의 각각은 복수의 세트업 링크장치(126) 중의 하나에 부착되어 있으며 복수의 세트업 링크장치(126) 중의 하나에 의해 지지되어 있다. 복수의 세트업 링크장치(126)의 각각은 제1 세트업 링크장치 조인트(84)에 의해 배향 플랫폼(124)에 회전가능하게 결합되어 있으며 배향 플랫폼(124)에 의해 지지되어 있다. 배향 플랫폼(124)은 지지 링크장치(122)에 회전가능하게 결합되어 있으며 지지 링크장치(122)에 의해 지지되어 있다. 그리고 지지 링크장치(122)는 장착 베이스(72)에 고정되게 부착되어 있으며 장착 베이스(72)에 의해 지지되어 있다.
지지 링크장치(122)는 배향 플랫폼(124)을 장착 베이스(72)에 대해 선택적으로 위치시키도록 및/또는 배향시키도록 작동할 수 있다. 지지 링크장치(122)는 기둥 베이스(86), 병진운동가능한 기둥 부재(88), 쇼울더 조인트(90), 붐 베이스 부재(92), 붐 제1 단 부재(94), 그리고 손목부 조인트(98)를 포함하고 있다. 지지 링크장치(122)는 쇼울더 조인트(90)와 붐 제1 단 부재(94)의 원위 단부 사이의 거리를 선택적으로 설정하도록 작동할 수 있다. 손목부 조인트(98)는 붐 제1 단 부재(94)의 원위 단부를 배향 플랫폼(124)에 회전가능하게 결합시킨다. 손목부 조인트(98)는 배향 플랫폼(124)의 장착 베이스(72)에 대한 각 방향을 선택적으로 설정하도록 작동할 수 있다.
복수의 세트업 링크장치(126)의 각각은 대응하는 수술 기구 머니퓰레이터(82)를 배향 플랫폼(124)에 대해 선택적으로 위치시키도록 및/또는 배향시키도록 작동할 수 있다. 복수의 세트업 링크장치(126)의 각각은 세트업 링크장치 베이스 링크(100), 세트업 링크장치 연장 링크(102), 세트업 링크장치 수직 링크(106), 제2 세트업 링크장치 조인트(108), 토네이도 메카니즘 지지 링크(128), 그리고 토네이도 메카니즘(tornado mechanism)(130)을 포함하고 있다. 세트업 링크장치(126)의 세트업 링크장치 베이스 링크(100)의 각각은 대응하는 제1 세트업 링크장치 조인트(84)의 작동을 통하여 배향 플랫폼(124)에 대해 선택적으로 배향될 수 있다. Each of the 세트업 링크장치 수직 링크(106)의 각각은 대응하는 세트업 링크장치 연장 링크(102)에 대해 수직 방향으로 선택적으로 병진운동가능하다. 제2 세트업 링크장치 조인트(108)는 토네이도 메카니즘 지지 링크(128)를 세트업 링크장치 수직 링크(106)에 대해 선택적으로 배향시키도록 작동할 수 있다.
토네이도 메카니즘(130)의 각각은 토네이도 조인트(132), 결합 링크(134), 그리고 머니퓰레이터 지지부(136)를 포함하고 있다. 결합 링크(134)는 머니퓰레이터 지지부(136)를 토네이도 조인트(132)에 고정되게 결합시킨다. 토네이도 조인트(130)는 머니퓰레이터 지지부(136)를 토네이도 축(136) 둘레로 토네이도 메카니즘 지지 링크(128)에 대해 회전시키도록 작동할 수 있다. 토네이도 메카니즘(128)은 머니퓰레이터(82)의 원격 조종 중심(RC)이 토네이도 축(136)에 의해 교차되도록 머니퓰레이터 지지부(134)를 위치시키고 배향시키도록 구성되어 있다. 따라서, 토네이도 조인트(132)의 작동은 대응하는 원격 조종 중심(RC)을 환자에 대해 이동시키기 않고서 대응하는 수술 기구 머니퓰레이터(82)를 환자에 대해 재배향시키기 위해서 사용될 수 있다.
도 8은 도 7의 로봇 수술 시스템(120)의 개략도와 합치되는 다수의 실시례에 따른 로봇 수술 시스템(140)의 개략도이다. 상기 로봇 수술 시스템(140)은 도 7의 로봇 수술 시스템(120)와 합치되기 때문에, 유사한 구성요소에 대해서 동일한 참고 번호가 사용되며 상기한 유사한 구성요소의 대응하는 설명은 상기 로봇 수술 시스템(140)에 적용될 수 있으므로 반복을 피하기 위해 상기한 유사한 구성요소의 대응하는 설명은 이 실시례에서는 생략한다.
지지 링크장치(122)는 다중 세트업 구조 축 방향의 지지 링크장치(122)의 링크들 사이의 상대 이동을 통하여 배향 플랫폼(124)을 장착 베이스(72)에 대해 선택적으로 위치시키고 배향시키도록 구성되어 있다. 병진운동가능한 기둥 부재(88)는 다수의 실시례에서 수직으로 배향되어 있는 제1 세트업 구조(SUS) 축(142)을 따라 기둥 베이스(86)에 대해 선택적으로 재배치될 수 있다. 쇼울더 조인트(90)는 다수의 실시례에서 수직으로 배향되어 있는 제2 세트업 구조(SUS) 축(144) 둘레로 붐 베이스 부재(92)를 병진운동가능한 기둥 부재(88)에 대해 선택적으로 배향시키도록 작동할 수 있다. 붐 제1 단 부재(94)는 다수의 실시례에서 수평으로 배향되어 있는 제3 세트업 구조(SUS) 축(146)을 따라 붐 베이스 부재(92)에 대해 선택적으로 재배치될 수 있다. 그리고 손목부 조인트(98)는 다수의 실시례에서 수직으로 배향되어 있는 제4 세트업 구조(SUS) 축(148) 둘레로 배향 플랫폼(124)을 붐 제1 단 부재(94)에 대해 선택적으로 배향시키도록 작동할 수 있다.
복수의 세트업 링크장치(126)의 각각은 다중 세트업 조인트(SUJ) 축 방향의 세트업 링크장치(126)의 링크들 사이의 상대 이동을 통하여 대응하는 머니퓰레이터(82)를 배향 플랫폼(124)에 대해 선택적으로 위치시키고 배향시키도록 구성되어 있다. 제1 세트업 링크장치 조인트(84)의 각각은 다수의 실시례에서 수직으로 배향되어 있는 제1 세트업 조인트(SUJ) 축(150) 둘레로 대응하는 세트업 링크장치 베이스 링크(100)를 배향 플랫폼(124)에 대해 선택적으로 배향시키도록 작동할 수 있다. 세트업 링크장치 연장 링크(102)의 각각은 다수의 실시례에서 수평으로 배향되어 있는 제2 세트업 조인트(SUJ) 축(152)을 따라 대응하는 세트업 링크장치 베이스 링크(10)에 대해 선택적으로 재배치될 수 있다. 세트업 링크장치 수직 링크(106)의 각각은 다수의 실시례에서 수직으로 배향되어 있는 제3 세트업 조인트(SUJ) 축(154)을 따라 대응하는 세트업 링크장치 연장 링크(102)에 대해 선택적으로 재배치될 수 있다. 제2 세트업 링크장치 조인트(108)의 각각은 제3 세트업 조인트(SUJ) 축(154) 둘레로 토네이도 메카니즘 지지 링크(128)를 세트업 링크장치 수직 링크(106)에 대해 선택적으로 배향시키도록 작동할 수 있다. 토네이도 조인트(132)의 각각은 대응하는 수술 기구 머니퓰레이터(82)를 대응하는 토네이도 축(138) 둘레로 회전시키도록 작동할 수 있다.
도 9a는 다수의 실시례에 따른 세트업 링크장치(126)의 배향 플랫폼(124)에 대한 회전 방향 한계를 나타내고 있다. 복수의 세트업 링크장치(126)의 각각이 배향 플랫폼(124)에 대해 시계방향 제한 배치상태(clockwise limit orientation)로 도시되어 있다. 대응하는 반시계방향 제한 배치상태(counter-clockwise limit orientation)는 수직으로 배향된 거울면에 대해 도 9의 거울상에 의해 나타내어진다. 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 두 개의 내부 세트업 링크장치(126)의 각각은 한 방향으로 수직 기준선(156)으로부터 5도에서 반대 방향으로 수직 기준선(156)으로부터 75도까지 배향될 수 있다. 그리고 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 두 개의 외부 세트업 링크장치의 각각은 대응하는 방향으로 수직 기준선(156)으로부터 15도에서 95도까지 배향될 수 있다. 하나의 실시형태에서, 도 9a에 도시되어 있는 것과 같이, 세트업 링크장치들이 자신들의 대응하는 한계나 그 근처에 위치되어 있는 배치상태는 초기 세트업을 위한 전개된 배치형태에 적합할 수 있는데, 그 이유는 이러한 위치결정은 하나 이상의 머니퓰레이터에서 공구의 교체를 용이하게 하거나 수술대에 있는 환자에 대해서 하나 이상의 공구를 손으로 위치시키기 위해서 상기 아암의 각각에 대해 환자측 보조자의 쉬운 접근을 허용하기 때문이다.
도 9b 및 도 9c는 머니퓰레이터들이 수축되어(contracted) 서로 근처에 또는 근접하여 위치되도록 세트업 링크장치의 방향과 위치가 정해져 있는 배치상태를 나타내고 있다. 이러한 배치상태는 머니퓰레이터가 보다 작은 작업 공간을 차지하는 집어넣은 배치형태(stowed configuration)에 적합할 수 있다. 이것은 수술대를 조정하거나 수술대에 환자를 위치시키는 환자측 보조자의 추가적인 여유공간(clearance)을 허용할 수 있다. 어떤 실시형태에서는, 상기 시스템이, 도 9c에 도시되어 있는 것과 같이, 머니퓰레이터들이 보다 작은 작업 공간을 차지하기 위해서 충분히 가까이 있지만 머니퓰레이터들 중의 하나 이상에 위치될 수 있는 임의의 수술용 드레이프(surgical drape)에 대해 여유공간을 허용하기 위해서 서로 충분히 떨어져 있도록 세트업 조인트가 위치되고 배향되어 있는, 부분적으로 집어넣은 배치형태(예를 들면, 살균부 집어넣기(sterile stow) 배치형태)를 활용할 수 있다. 이러한 살균부 집어넣기 배치형태는 상기 시스템의 하나 이상의 구성요소가 살균 상태에 있는 것으로 검출된 것에 대응하여 실행될 수 있고, 상기 살균 상태는 수술용 드레이프가 살균 구성요소(sterile component)에 존재하는 것을 나타낼 수 있다. 다른 실시형태에서는, 상기 시스템이, 도 9b에 도시되어 있는 것과 같이, 머니퓰레이터에 의해 차지된 작업 공간를 실질적으로 최소화하기 위해서 아암들이 맞닿게 수축되거나 서로 바로 인접하도록 세트업 조인트가 위치되고 배향되어 있는, 완전히 집어넣은 배치형태(예를 들면, 전체 집어넣기 배치형태)를 활용할 수 있다.
세트업 조인트의 수동적인 운동 제어하기
하나의 실시형태에서는, 상기한 바와 같이 세트업 조인트의 수동적인 운동을 제어하는 것에 의해 상기 시스템의 세트업 구조의 원하는 구성이 실현될 수 있다. 특정 사용예에서는, 이것이 세트업 조인트를 자유롭게 움직이게 하고 세트업 조인트를 원하는 장소로 손으로 이동시키는 것에 의해서 초래되지만, 이러한 과정은, 특히 고도로 변경가능하고(highly configurable) 여유 자유도를 가지는 다중 로봇 아암을 포함하는 세트업 구조에 있어서, 복잡하고 시간이 많이 소모될 수 있다. 원하는 구성을 달성하기 위해 수동적인 운동을 가지는 세트업 조인트를 이용하는데 있어서 편의성 및 사용성 및 효율성을 향상시키기 위해서, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 방법은 세트업 구조의 어떤 다른 조인트를 능동적으로 구동시키는 것과 함께 수동적인 조인트의 조정된 제동(coordinated braking)에 의해 수동적인 조인트 운동을 제어한다. 어떤 실시형태에서는, 세트업 구조의 원하는 구성과 부합하는 세트업 조인트의 기준 상태가 결정되고 세트업 조인트의 기준 상태로부터의 변위를 결정하기 위해서 조인트 상태 센서가 사용된다. 세트업 구조를 구동시키고 세트업 조인트와 관련된 링크장치에 힘 및/또는 모멘트를 부여하기 위해서 세트업 구조의 하나 이상의 다른 조인트가 능동적으로 구동된다. 세트업 조인트의 수동적인 운동은 링크장치가 강체로서 작용하도록 플랫폼 링크장치가 가속을 시작할 때 조인트 브레이크에 의해서 저지된다. 세트업 조인트의 수동적인 운동이 기준 상태쪽으로 이동할 수 있도록 링크장치에 힘 및/또는 모멘트가 작용하면, 상기 링크장치에 작용하는 힘 및/또는 모멘트의 관성에 의해 초래된 조인트의 수동적인 운동을 촉진시키기 위해서 적어도 부분적으로 브레이크가 해제된다. 하나의 실시형태에서는, 움직이는 링크장치의 관성이 원하는 방향으로 조인트 운동을 초래하는 각각의 링크장치를 추진시키거나 내몰도록 해당 링크장치에 작용하는 힘 및/또는 모멘트가 임계 크기를 넘어서면 특정 세트업 조인트의 브레이크가 해제된다.
어떤 실시형태에서는, 상기 제어 방법이 하나 이상의 피구동 조인트를 통하여 세트업 구조를 구동시키는 것에 의해서 부여된 해당 링크장치에 작용하는 힘 및/또는 모멘트로부터 조인트에 작용하는 관성력에 기초하여 수동적인 조인트에 브레이크를 선택적으로 작용시킨다. 하나의 실시형태에서, 조인트에 작용하는 관성력이 수동적인 조인트를 기준 상태로부터 멀어지게 이동시키는 수동적인 운동을 초래하면 수동적인 조인트가 제동되고 조인트에 작용하는 관성력이 기준 상태쪽으로 수동적인 운동을 초래하면 수동적인 조인트가 움직일 수 있게 된다. 하나의 실시형태에서는, 관성력에 의해 초래된 조인트의 수동적인 운동이 수동적인 조인트를 원하는 기준 위치로 완전히 이동시키기에 충분하지 않을 수 있기 때문에, 이에 대응하여 제공된 수동적인 조인트의 수동적인 운동이 완전한 이동을 초래할 때까지 하나 이상의 피구동 조인트가 순환될 수 있다. 세트업 구조의 다양한 피구동 조인트가 각각 대응하는 조인트 한계 또는 조인트 운동 범위를 가지고 있는 것을 고려하면, 하나 이상의 피구동 조인트가 한 방향으로 미리 정해진 변위로 구동된 다음 반전되어 반대쪽 방향으로 구동될 수 있다. 필요한 조인트의 수동적인 운동을 실행시키기에 충분한 관성을 제공하기 위해서 특정 크기의 힘 및/또는 모멘트가 필요할 수 있기 때문에, 로봇 아암에 작용하는 필요한 힘 및/또는 모멘트는 수동적인 조인트 운동을 실행시키는데 필요한 원하는 힘을 초래하는 시미 운동(shimmying movement) 또는 다양한 다른 운동과 같은 계산된 운동에 따라 하나 이상의 모터 피구동 조인트의 제어된 구동에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 예를 들면, 특정 토크를 가진 연쇄(kinematic chain)를 따라서 연속적으로 배치된 평행한 축을 가진 두 개의 레볼류트 조인트(revolute joint)의 각각을 구동시키면, 두 개의 구동된 레볼류트 조인트 중의 어느 하나에만 동일한 방향으로 토크를 작용시킬 수 있는 것보다 상기 연쇄의 보다 원위의 링크장치(more distal linkage)에 더 큰 관성력 및/또는 모멘트를 초래할 수 있다. 피구동 조인트들의 복합 운동(combined movement)을 이용하면 보다 근위의 조인트(more proximal joint)의 토크 능력(torque capability) 또는 조인트 운동 범위에 있어서의 한계는 극복하는데 유용할 수 있다. 다른 실시형태에서는, 보다 큰 조인트 변위에 걸쳐서 보다 근위의 링크장치를 가속시키는 것 또는 증가된 가속도에 의해 보다 큰 관성력 및/또는 모멘트가 달성될 수 있다.
어떤 실시형태에서는, 특정 범위 내에서 수동적인 조인트에 작용하는 토크를 감지하는 것에 대응하여 수동적인 조인트를 움직일 수 있게(float) 하고 수동적으로 이동시킬 수 있도록 브레이크 해제의 타이밍이 맞추어진다. 예를 들면, 브레이크는, 보다 빠른 조인트 속도 또는 가속도를 달성하기 위해서 조인트에 증가된 관성을 허용하기 위해 감지된 토크가 최소 임계값을 넘을 때 해제될 수 있고, 수동적인 운동 동안 조인트의 지나치게 빠른 속도 또는 가속도를 방지하기 위해서 감지된 토크가 최대 임계값을 넘을 때, 적어도 부분적으로, 작용될 수 있다. 조인트 브레이크는 수동적인 운동 동안 조인트의 속도를 대체로 일정한 속도로 유지시키기 위해서 반작용 토크를 최대값으로 유지시키기 위해 작용될 수 있거나 조인트가 원하는 기준 상태 근처에 있을 때 수동적인 운동 동안 조인트의 대체로 일정한 감속을 제공하기 위해서 가변 제동력이 작용될 수 있다. 어떤 실시형태에서는, 브레이크의 작용이, 적어도 부분적으로, 수동적인 조인트에 대한 감지된 토크 및 원하는 기준 조인트 상태로부터 실제 조인트 상태의 변위(예를 들면, 오차(error))에 기초한다. 이러한 방식은 조인트가 기준 상태로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 기초하여 수동적인 운동 동안 수동적인 조인트의 속도 및/또는 가속도에 대한 제어를 허용한다. 예를 들면, 조인트가 기준 조인트 상태로부터 미리 정해진 변위를 넘어서서 있을 때, 수동적인 조인트의 대체로 일정한 조인트 속도를 제공하도록 브레이크의 작용이 조절되고(수동적인 조인트가 기준 조인트 상태쪽으로 이동하고 있을 때), 그리고 조인트 변위가 기준 조인트 상태에 충분히 가까이(예를 들면, 미리 정해진 변위 내에) 있을 때에는, 조인트가 원하는 기준 상태에 도달할 때까지 대체로 일정한 감속도를 제공하기 위해서 가변 제동력이 작용된다.
하나의 실시형태에서는, 수동적인 조인트가 일단 원하는 기준 상태에 도달하면, 브레이크가 완전히 작용되어 수동적인 조인트를 상기 기준 상태에 고정시킨다. 다른 실시형태에서는, 상기 시스템이, 특히 원하는 기준 상태에 있는 조인트에 대해서도, 각각의 로봇 아암과 관련된 모든 수동적인 조인트가 대체로 자신들의 각각의 기준 상태나 그 근처에 있을 때까지, 세트업 구조와 관련된 모든 수동적인 조인트가 대체로 자신들의 각각의 기준 상태나 그 근처에 있을 때까지, 브레이크를 부분적으로 작용시킬 수 있다. 이러한 방식은, 세트업 구조의 작동 플랫폼 또는 다른 링크장치의 전후로 번갈아 일어나는(alternating) 운동 동안 다중 로봇 아암이 강체로서 스윙(swing) 운동할 수 있는 세트업 구조의 근위 조인트에서 발생할 수 있는 상당히 큰 반작용 토크를 방지하거나 감소시킬 수 있다. 힘과 모멘트의 크기 및 감지는 조인트 상태 센서, 또는 토크 센서를 이용하여 결정될 수 있다. 감지된 힘 및/또는 모멘트 최소 임계값 이상일 때 조인트 브레이크를 해제하면, 보다 큰 및/또는 보다 빠른 수동적인 조인트 운동을 실행시키는 것과 관련된 증가된 관성을 초래한다. 대체 실시형태로서, 감지된 힘이 최대 임계값보다 크면 조인트 브레이크를 작용시키는 것에 의해서, 과도하거나 불필요하게 빠른 수동적인 조인트 운동이 방지될 수 있다. 몇몇 실시형태에서는, 상기 시스템이 수동적인 조인트에 대한 반작용 토크를 감지하는 것에 의해서 힘 및/또는 모멘트에 대응하여 수동적인 조인트의 속도 및/또는 가속도를 결정한다.
상기 예시적인 배치형태인, 전개된 배치형태, 살균부 집어넣기 배치형태 및 전체 집어넣기 배치형태의 각각은 특정 세트업 조인트의 수동적인 운동을 어떤 기준 상태, 통상적으로 세트업 조인트의 위치 및/또는 방향에 대해 제어함으로써 달성될 수 있다. 어떤 실시례는 하나 이상의 세트업 조인트에 관한 것이지만, 본 명세서에 기술된 여러 실시형태 중의 임의의 실시형태는 수동적인 운동을 제공할 수 있는 조인트를 가진 임의의 링크장치에 적용될 수 있으며 원하는 상태(예를 들면, 위치, 방향, 속도 및/또는 가속도)를 달성하기 위해서 상기와 같은 조인트의 수동적인 운동을 제어하기 위해서 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 통상적으로는, 본 명세서에 기술되어 있는 것과 같이, 하나 이상의 피구동 조인트가 제어되는 수동적인 조인트에 대해서 보다 근위부에 있지만, (예를 들면, 스윙 펌핑형 기구(swing pumping type mechanism)에 있어서) 수동적인 조인트에 대해 보다 원위부에 있는 하나 이상의 구동 조인트의 운동이 수동적인 조인트의 운동을 제어하기에 충분한 반작용력을 수동적인 조인트에 유도할 수 있다는 것을 알 수 있다; 하지만, 그 관성이 수동적인 조인트를 원하는 상태로 이동시키기 위해서 선택적인 제동에 의해 사용되는, 보다 원위의 조인트의 돌발형 움직임(flinging type motion)을 유도하기 위해서 통상적으로 수동적인 조인트의 근위부에 있는 하나 이상의 피구동 조인트를 이용하는 것이 보다 효율적이다.
상기한 개념을 보다 심도있게 설명하기 위해서, 특정 실시형태를 아래의 예에서 보다 상세하게 기술한다.
도 10a는 모터 구동식 조인트(motor driven joint)에 의해 위치 및 방향이 조절되는 배향 플랫폼에 대한 세트업 조인트의 단순화된 2차원 그림을 나타내고 있다. 상기 세트업 조인트는 수동적인 조인트 운동을 제공할 수 있는 수동적인 조인트와 수동적인 조인트 운동을, 부분적으로 또는 전적으로, 선택적으로 제동시킬 수 있는 조인트 브레이크이다. 배향 플랫폼이 이동함에 따라, 조인트 브레이크가 세트업 조인트에 작용되는 동안, 세트업 조인트 링크는 강체로서 배향 플랫폼과 함께 병진이동하고 회전한다. 조인트 브레이크가 해제되면, 세트업 조인트 링크의 운동은 세트업 조인트 링크의 관성 파라미터(m 및 J), 배향 플랫폼의 가속도 및 세트업 조인트에서의 마찰에 의해 통제된다.
도 10b는 조인트 브레이크가 해제된 상태의 도 10a의 세트업 조인트 링크의 자유 물체도(free body diagram)를 나타내고 있다. 단순화를 기하기 위해서 조인트에서의 마찰이 생략되면, 가속계(acceleration of the frame)는 병진운동 항(translational term)과 회전운동 항(rotational term)에 각각 비례하는 힘과 모멘트를 발생시킨다. 반면에, 링크장치에 작용하는 모멘트는 조인트 브레이크가 해제된 상태에서 수동적인 가속도를 결정하기 위해 조인트에 대해서 합해질 수 있다. 가속도의 병진운동 성분은 토크 ma(t)Lsin(θ(t))에 기여하고 가속도의 병진운동 성분은 J(a b (t)) 에 기여한다.
하나의 실시형태에서, 조인트 브레이크는, 예를 들면, 전압 신호 입력에 의해 전기적으로 작동된다. 조인트는 전압 입력의 크기에 비례하여 부분적으로 결합하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은 브레이크의 전압 제어를 제동력을 뉴턴 미터(Newton-meters)의 토크에 대해 전압과 관련시키는 알려진 곡선을 이용함으로써 결정되게 하므로, 상기 브레이크가 하나의 토크 방향으로만 제어될 수 있는 토크 모터(torque motor)와 유사한 방식으로 이용될 수 있다. 추가적으로, 관성력이 기준 상태로의 조인트의 원하는 운동을 실행시키기에 충분한 토크를 제공하기에 불충분할 수 있기 때문에, 보다 근위의 링크장치(예를 들면, 배향 플랫폼 링크장치)는, 유도된 토크가 조인트가 기준 상태에 있을 때까지 각각의 사이클에 있어서의 기준 상태쪽으로 수동적인 조인트 운동을 실행시키기에 적합한 크기와 방향의 토크인 경우 브레이크가 선택적으로 해제될 수 있도록 사이클식 운동(cycled movement)에 따라 앞뒤로 구동될 수 있다. 따라서, 조인트의 수동적인 운동은 연쇄 방향의 하나 이상의 능동적으로 구동되는 조인트의 피구동 운동과 조율된 선택적인 제동에 의해 제어된다.
도 11은 하나 이상의 피구동 조인트를 가진 대응하는 세트업 구조를 구동시키는 것에 의해서 로봇 아암의 세트업 조인트(SUJ)의 운동을 제어하는 예시적인 방법을 개략적으로 나타내고 있다. 통상적으로 로봇 아암의 원하는 자세 또는 구성에 대응하는, 원하는 세트업 조인트 상태를 얻기 위해서 사용자로부터 명령을 수신하는 것에 대응하여, 시스템이 세트업 조인트 제어 모드를 개시한다. 상기 시스템은, 예를 들면, 조인트 상태 센서의 사용에 의해서 세트업 조인트의 현재 상태를 결정하고, 세트업 조인트가 원하는 상태에 있지 않으면, 수동적인 조인트 운동의 제어를 통하여 세트업 조인트를 원하는 상태로 이동시키기 위해서 사용될 수 있는 세트업 구조 운동이 계산된다. 예를 들어, 세트업 조인트가 하나 이상의 자유도를 따라서 원하는 상태로부터 변위되면, 힘 및/또는 모멘트를 수동적인 세트업 조인트를 기준 상태로 이동시키기 위해서 활용될 수 있는 세트업 조인트와 관련된 링크장치에 부여하기 위해서 대응하는 자유도를 따라서 세트업 구조의 운동이 계산될 수 있다. 그 다음에 세트업 구조를 지지하는 하나 이상의 모터 구동식 조인트를 구동시킴으로써 세트업 구조가 계산된 운동에 따라 구동된다. 이러한 운동 동안, 세트업 조인트들 중의 임의의 조인트(이동하는 것이 가능하다면)의 수동적인 조인트 운동이 원하는 기준 상태쪽으로 향하면, 상기 특정 세트업 조인트에 대해서 조인트 브레이크를 부분적으로 또는 완전히 해제하는 것에 의해서 조인트가 움직일 수 있게 된다. 세트업 구조 운동 동안, 세트업 조인트들 중의 임의의 조인트(이동하는 것이 가능하다면)의 수동적인 조인트 운동이 영(zero)이거나 원하는 상태로부터 멀어지게 향하면, 조인트가 제공된다. 세트업 조인트의 조인트 상태가 다시 평가되고, 세트업 조인트들 중의 임의의 조인트가 여전히 원하는 상태에 있지 않으면, 상기 시스템이 모든 세트업 조인트가 원하는 상태에 있는 것을 결정할 때까지 상기 임의의 조인트에 대해서 상기 과정이 반복되고, 상기 시스템이 모든 세트업 조인트가 원하는 상태에 있는 것을 결정하는 시점에서 제어 모드가 종료된다. 다수의 이러한 실시례에서, 예를 들면, 본 명세서에 기술된 머니퓰레이터 구조에서는, 이러한 전체 과정이 1분보다 짧은 시간에, 종종 약 10초 이내에 일어난다. 그러나, 상기 과정이 일어나는 시간은 가속도 및 관련된 조인트 변위뿐만 아니라 특정 시스템의 기구학(kinematics)에 따라 당연히 바뀐다. 하나의 실시형태에서는, 도 11의 방법이, 결국에는 동시에 일어나는, SUS에 대해서 하나와 SUJ에 대해서 다른 하나가 있도록, 제2 경로의 실행을 포함할 수 있다. 움직임을 없애는 것을 도와 주기 위해서 두 개의 SUS와 SUJ의 사이에서 토크 요구가 SUS로 전달되고, 브레이크를 해제할 것인지 또는 작용시킬 것인지와 브레이크를 해제하거나 작용시키는 때를 결정하기 위해서 SUS 가속도가 SUJ로 전달된다.　
어떤 실시례에서는, 상기 방법을 실행하는 일정 기간 내에, 예를 들면, 약 20초 내에 모든 세트업 조인트가 자신들의 대응하는 기준 상태에 도달하지 않으면, 상기 방법이 종료될 수 있다. 모든 조인트가 원하는 기준 상태에 있지 않은 것은 아니라는 통지가 사용자에게 제공될 수 있고, 선택적으로, 조인트들이 자신들의 대응하는 기준 상태로부터 변위된 상태에 있다는 것을 식별할 수 있다. 그 다음에 사용자는 세트업 조인트를 대응하는 기준 상태로 손으로 관절운동시킬 수 있거나, 머니퓰레이터 또는 세트업 구조의 하나 이상을 다른 구성으로 바꾸고 상기 모드를 재개하고 상기 과정을 다시 실행할 수 있다. 몇몇 시스템에서는, 예를 들면, 여유공간의 부족 또는 머니퓰레이터들 사이의 충돌로 인해 특정 세트업 조인트의 수동적인 운동을 저지할 수 있는 특정 구성이 있을 수 있다. 상기 구성이 식별될 수 있는, 그런 경우에, 상기 방법은 본 명세서에 기술된 것과 같은 수동적인 조인트의 제어된 운동을 시도하기 전에 자동적으로 세트업 구조 또는 하나 이상의 머니퓰레이터를 상기 구성으로부터 멀어지게 만드는 것을 포함할 수 있다.
어떤 실시형태에서, 상기한 방법은, 하나 이상의 로봇 아암의 하나 이상의 조인트의 수동적인 운동을 머니퓰레이터 또는 세트업 구조 하나 이상의 원하는 배치상태에 대응하는 원하는 기준 상태로 제어하는 하나 이상의 모드에 사용될 수 있다. 상기 기준 상태는 통상적으로 로봇 아암의 원하는 배치형태에 대응한다. 예를 들어, 특정 로봇 아암이 원하는 배치형태(예를 들면, 전개된 배치형태, 집어넣은 배치형태, 살균부 집어넣기 배치형태)에 있으면, 상기 로봇 아암의 각각의 수동적인 세트업 조인트가 특정 기준 상태(예를 들면, 위치)를 가진다. 추가적으로, 조인트가 자신의 원하는 상태의 위치로 이동할 때 각각의 조인트의 기준 상태는 기준 속도 및/또는 가속도를 포함할 수 있다. 각각의 모드는, 사용자에 의한 추가적인 입력 또는 수동 조종없이 조인트의 수동적인 운동의 원하는 기준 상태로의 제어 및 피구동 조인트의 자동적인 운동을 실행시키는 버튼을 누르는 것에 의해서 개시될 수 있다.
도 12a는 공구(170)와 결합된 제1 머니퓰레이터와 공구(172)와 결합된 제2 머니퓰레이터(82)의 각각의 세트업 조인트(78)의 운동을 일으키기 위해 배향 플랫폼을 구동시키는 방법을 개략적으로 나타내고 있다. 각각의 세트업 조인트의 기준 상태는, 로봇 시스템의 세트업 조인트의 제어된 수동적인 운동에 의해 각각의 머니퓰레이터 사이의 보다 큰 여유 공간을 허용하는 위치(파선으로 표시되어 있음)로 수축되어 있는, 머니퓰레이터와 각각의 공구의 위치에 대응한다. 세트업 조인트의 기준 상태는 작업 공간과 관련하여 또는 특정 머니퓰레이터의 또는 머니퓰레이터들 사이의 다양한 다른 조인트와 관련하여 세트업 조인트 자체의 다양한 위치, 속도, 및/또는 가속도뿐만 아니라 머니퓰레이터의 임의의 갯수의 배치형태에 대응할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 하나의 실시형태에서, 상기 시스템은, 머니퓰레이터 또는 대응하는 세트업 구조의 원하는 운동, 배치형태 또는 자세를 초래하도록 세트업 조인트를 임의의 갯수의 기준 상태로 이동시키기 위해 세트업 조인트의 수동적인 운동을 제어하기 위해서 본 명세서에 기술된 방법이 사용될 수 있는, 다양한 모드를 포함하고 있다. 본 명세서에 사용된 "머니퓰레이터" 라는 용어는 수술 기구를 조종하는데 사용될 수 있거나, 예를 들면, 내시경 또는 다양한 다른 공구를 위해 사용될 수 있는 다양한 다른 로봇 아암을 포함할 수 있는 로봇 아암을 지칭한다.
배향 플랫폼 운동 명령의 계산
하나의 실시형태에서, 세트업 조인트의 수동적인 운동은, 하나 이상의 피구동 조인트, 통상적으로 세트업 조인트의 상류부에 있는 조인트를 구동시키는 것에 의해서 달성된 세트업 구조의 운동에 의해 링크장치에 부여된 관성력 및/또는 운동에 의해 초래된다. 하나의 실시형태에서, 세트업 구조의 운동은, 아래의 예에서 보다 상세하게 기술되어 있는 것과 같이, 하나의 자유도에서의 배향 플랫폼의 계산된 운동, 통상적으로 구동 시스템을 이용하는 수직 레볼류트 축에 대한 배향 플랫폼(124)의 전후 피벗 운동에 의해 제공된다. 다른 실시형태에서는, 수동적인 조인트의 원하는 기준 상태를 달성하기 위해서 상기 방법이 수동적인 조인트의 바람직한 조인트 운동은 활용하고 바람직하지 않은 운동은 저지하기 때문에, 머니퓰레이터의 임의의 특별한 구성에 따라 맞추는데 있어서 배향 플랫폼의 운동이 필요하지 않다. 바람직하게는, 배향 플랫폼의 전적으로 자동적인 운동(예를 들면, 배향 플랫폼을 전후로 가속시키는 전후 회전)은, 많은 갯수의 머니퓰레이터 또는 세트업 구조 배치형태를 달성하기 위해서 수동적인 조인트의 원하는 기준 상태쪽으로의 운동을 제어하는데 있어서, 본 명세서에 기술된 임의의 방법에 사용될 수 있다.
도 12b 및 도 12c는 x축, y축, 그리고 z축 방향으로 세트업 구조의 운동을 가능하게 하는 배향 플랫폼(124)의 구동 시스템을 나타내고 있다. x축, y축, z축 그리고 θ축을 따라서 하나 이상의 방향을 따라 속도 및/또는 가속도를 발생시키기 위해서 하나 이상의 모터 구동식 조인트를 이동 구동시키는 것에 의해서, 세트업 조인트(198)의 수동적인 운동을 초래하는 세트업 조인트(198)와 관련된 링크장치에 있어서의 대응하는 운동이 실행될 수 있다. 상기한 것과 같은 카트 장착식 세트업 구조에 의해 지지된 배향 플랫폼과 함께, 천장 장착식 세트업 구조(190) 및 한 개, 두 개, 세 개, 네 개, 또는 그 이상의 자유도를 가진 다른 피구동 로봇 링크장치가 사용될 수 있다. 따라서, 상기 시스템은 수 개의 예시적인 로봇 운동 구조와 관련하여 기술될 수 있지만, 제어 기술은 여유 자유도 및/또는 많은 수의 조인트를 가지는 다양한 다른 로봇 시스템에도 적용될 수 있는데, 능동 조인트와 수동 조인트의 혼합 형태를 가지는 시스템; 세트업하는 동안 구동되는 한 세트의 조인트와 수술하는 동안 구동되는 (몇 가지 겹치는 부재를 가지거나 가지지 않는) 다른 상이한 세트의 조인트를 가지는 시스템; 개별 머니퓰레이터 제어장치가 단지 제한된 상태 정보만 교환하는 시스템; 기타 같은 종류의 시스템을 고려할 때 특히 흥미롭다.
하나의 실시형태에서, 세트업하는 동안 상기 시스템의 로봇 능력을 이용하기 위해서, 로봇 시스템의 프로세서는 본 명세서에 기술된 수동적인 조인트 제어 모드 동안 로봇 구조가 배향 플랫폼과 머니퓰레이터 원격 중심 사이의 원하는 관계 또는 자세를 향해서 구동되거나 및/또는 상기 원하는 관계 또는 자세를 유지시키는 모드를 실행하는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 이러한 알고리즘은, 활성 상태에 있을 때, 배향 플랫폼과 머니퓰레이터의 원격 중심 사이의 실제 관계와 원하는 관계를 자신의 입력으로 받아들이고, 선택적으로 머니퓰레이터 원격 중심의 위치와 방향을 흐트러뜨리지 않고서, 실제 자세를 원하는 자세로 만든다. 다시 말해서, 수동적인 조인트가 이동할 때, 능동 축(active axes)은 특정 로봇 자세를 달성하거나 유지시키도록 선택적으로 추종할 수 있다.
다른 실시형태에서는, 본 명세서에 기술된 것과 같은 수동적인 조인트의 운동이 제어되는 모드가 다중 하위-모드(multiple sub-mode) 또는 상기 시스템의 하나 이상의 변수 또는 속성에 기초하여 이러한 개념이 적용되는 방법에 있어서의 변형형태를 포함할 수 있다. 예를 들면, 수동적인 운동은 수동적인 조인트가 원하는 기준 상태로부터 상당히 변위되어 있을 때(예를 들면, FAR 모드)에는 특정 방법에 따라 제어될 수 있고 수동적인 조인트가 원하는 기준 상태에 충분히 가까이 있을 때(예를 들면, NEAR 모드)에는 다른 방법에 따라 제어될 수 있다. 예를 들면, 보다 큰 및/또는 보다 빠른 수동적인 운동을 가능하게 하는 배향 플랫폼 링크장치의 보다 큰 운동 또는 보다 빠른 가속도는, 조인트가 자신의 각각의 기준 상태로부터 미리 정해진 변위보다 더 크게 변위되어 있을 때 사용될 수 있다. 그리고, 배향 플랫폼 링크장치의 보다 작은 운동 또는 보다 느린 속력과 가속도는, 보다 미세하게 조정된 수동적인 조인트 운동을 가능하게 하고 세트업 구조를 지지하는 보다 근위의 조인트에 과도한 반작용 토크가 작용하는 것을 피하기 위해서 세트업 조인트가 자신의 원하는 상태에 충분히 가까이 있을 때 사용될 수 있다.
하나의 실시형태에서, 시미 FAR 모드에서 세트업 조인트에 대한 "기준" 또는 "목표" 위치는 SUS의 시미 운동(shimmy motion)이 없는 기준 조인트 위치를 지칭한다.　 그 의미는 고정되지 않고 최종 목표 위치 근처를 맴도는 것이다. 기준이 원래의 조인트 위치(raw joint position)라면, 컨트롤러는 SUS의 각각의 시미 사이클(shimmy cycle) 동안 전후로 상기 위치를 효과적으로 추적할 수 있을 것이다. 한 가지 접근방식에 있어서, SUS 시미에 의해서 유발된 조인트 오차(error)는 정현파적 운동(sinusoidal motion)의 진동수로 노치 필터링(notch filtering)하는 것에 의해서 효과적으로 제거될 수 있다. 그러나, 이 효과는 다양한 다른 방식으로 달성될 수 있다는 것을 알 수 있다. 　 대조적으로, 시미 NEAR 모드에서는, 특정 조인트 구성을 정확하게 목표로 삼기를 원하기 때문에 조인트 위치는 아무런 보상없이 사용될 수 있다. 　
도 13은 세트업 조인트의 기준 상태로부터의 변위에 따라서 상이한 두 개의 이러한 하위-모드(FAR 모드 및 NEAR 모드)를 이용하는 불충분하게 작동되는 조인트 제어 모드를 나타내고 있다. 도 13에 표시되어 있는 것과 같이, 전체 집어넣기 배치형태(full stow configuration)를 초래하기 위해 사용자가 버튼을 누른 후, 유니버설 서지컬 머니퓰레이터(USM:universal surgical manipulator)의 각각은 피구동 조인트 운동에 의해 집어넣기에 적절한 배치형태로 이동된다. 수직축 방향의 세트업 조인트(SUJ-Z)는 자신의 가장 상부 위치 범위로 작동된다. 그 다음에 상기 시스템은 세트업 조인트(SUJ)의 조인트 상태를 감지하고 상기 시스템이 본 명세서에서 "시미(shimmy)" 라고 칭하는 배향 플랫폼의 교호 운동에 의해 SUJ 조인트를 이동시킬 필요가 있는지 여부를 결정한다. 시미가 필요하지 않으면, 세트업 구조(SUS)는 완전히 집어넣어진다(통상적으로, 수평 붐(horizontal boom)을 베이스에 있는 수직 지지 기둥쪽으로 밀어넣는 것에 의해서 완료된다). 상기 시스템이 SUJ 조인트를 조정할 필요가 있다고 결정하면, SUS는 시미 위치로 전개한다. SUS를 시미 위치로 전개할 때, 배향 플랫폼은, 머니퓰레이터가 시스템의 베이스에 있는 보다 근위의 지지 기둥으로부터 충분한 간격을 가지지만, 시미 운동 동안 보다 근위의 조인트에 과도한 반작용 토크가 작용하는 것을 피하기에 충분한 것보다 더 멀리 뻗지 않도록 위치되어야 한다. SUJ 브레이크는, 조인트가 나중에 구속해제될 때, 관성력 및/또는 모멘트가 세트업 조인트를 효율적인 방식으로 기준 상태로 밀어넣거나 이동시키기에 충분하도록 배향 플랫폼의 시미 운동이 강체인 세트업 조인트 링크장치와 머니퓰레이터를 통하여 힘 및/또는 모멘트를 부여하도록 작용된다. 그 다음에 SUS가 시미 운동하기 시작하고 SUJ의 결과적으로 초래되는 수동적인 운동은, 본 명세서에 기술되어 있는 것과 같이, 모든 SUJ가 자신들 각각의 기준 상태로부터 한계 변위 내에 있을 때까지, 각각의 SUJ의 선택적인 제동을 통하여 제어된다. 그 다음에 SUJ의 운동이 원하는 기준 상태에 도달할 필요가 덜하기 때문에, 상기 시스템은 SUS 시미가 보다 작은 가속도 또는 보다 작은 교호하는 조인트 변위를 가지는 NEAR 모드로 바뀐다. 이것은, SUJ 브레이크가 잠기고 SUS 시미가 종료된 후, SUJ가 자신의 각각의 기준 상태에 도달하기 때문에 보다 미세하게 조정된 운동을 가능하게 한다. SUJ 조인트는 이제 자신의 각각의 기준 상태에 고정되기 때문에, 붐의 수평방향의 오므리기에 의해 SUS가 완전히 집어넣어질 수 있다.
하나의 실시형태에서, 수동적인 운동을 제공하는 조인트의 브레이크는 통상적인 모터 토크 컨트롤러와 유사한 방식으로 수동적인 운동에 의해 조인트에 유도된 감지된 토크를 작용시키기 위해서 조인트 브레이크 컨트롤러에 의해서 제어된다. 이러한 접근방식은 조인트 브레이크의 제어 특징을 변경함으로써, 예를 들면, 추가적인 소프트웨어를 통하여 비례 미분 컨트롤러와 같은 종래의 모터 토크 컨트롤러를 가지고 있는 시스템에서 사용될 수 있기 때문에 유리하다. 이러한 접근방식은 도 14a, 도 14b(도 14a의 박스 A의 상세도) 및 도 14c(도 14b의 박스 B의 상세도)에서 보다 상세하게 설명한다.
도 14a는 세트업 조인트의 수동적인 운동이 비례 미분 컨트롤러(PD 컨트롤러)로 제어되는, 사용 방법이 종래의 전동 조인트 제어 루프(motorized joint control loop)에서와 유사한, 피드백 제어 루프를 나타내고 있다. Bm은 구성된 한계(configured limit)에 대한 최대 브레이크 토크/힘이고, ε은 임계 속도이고, 이 임계 속도보다 낮은 속도에서는 브레이크가 해제된 상태이 있어야 한다. 상기 시스템은 기준 상태를 PD 컨트롤러로 입력되는 실제 위치와 비교함으로써 세트업 조인트의 오차(e)를 결정하고, PD 컨트롤러는 기준 상태를 달성하는데 필요한 조인트 토크를 발생시키기 위해서 제어 신호(u)를 계산한다. 종래의 모터 구동식 조인트에서, "u" 신호는 필요한 토크를 가진 해당 조인트 모터를 기준 상태로 구동시키기 위해서 모터 조인트 동역학 제어장치(motor joint dynamics control)로 입력된다. 그러나, 수동적인 조인트에서, 조인트는 구동될 수 없다. 연쇄의 다양한 다른 링크장치의 운동으로 인해, 수동적인 조인트와 관련된 링크장치에 부여된 힘 및/또는 모멘트는 수동적인 조인트 내에 조인트를 원하는 기준 상태로 이동시키는 수동적인 운동을 초래하는데 사용될 수 있는 토크를 발생시킨다.
도 14b는 조인트 브레이크의 선택적인 작용에 의해 수동적인 운동을 제어하는데 사용하는 종래의 모터 구동식 조인트에서의 모터/조인트 동역학(motor/joint dynamics)을 시뮬레이션하는 브레이크 제어 루프를 나타내고 있다(도 14a의 박스 A의 상세도). 도 14b의 브레이크 제어 루프에서는, 모터 토크 제어 신호가 세트업 조인트에서 감지된 실제 토크와 비교된 다음, 시간의 경과에 따른 임펄스를 얻기 적분되고, 속도(v)의 방향 또는 표시(sign)를 평가하는 로직(logic)이 적용되고, (sign(u) = -sign(v)), (v)의 표시가 상기 기준쪽을 향하는 방향에 있으면, 조인트에 존재하는 토크는 일정 기간에 걸쳐서 조인트 브레이크의 해제 또는 부분적인 해제에 의해서 격감된다. 수동적인 운동으로 인해 조인트에 존재하는 토크가 (종종) 조인트를 기준 상태로 이동시키는데 필요한 토크보다 작을 수 있기 때문에, 상기 제어 루프는 조인트의 구동에 의한 배향 플랫폼의 각각의 순환 운동(cycling)과 함께 여러번 반복될 수 있다. 배향 플랫폼의 이러한 순환 운동은, 배향 플랫폼이 양의 변위(positive displacement)와 음의 변위(negative displacement) 사이에서 전후로 가속하여 이동하도록 플랫폼 링크장치의 조인트를 반대 방향으로 연속적으로 전후로 구동시키는 것에 의해서(예를 들면, 정현파적 신호 입력을 사용하는 것에 의해서) 초래되는 "시미(shimmy)" 운동이라고 지칭될 수 있다. 토크를 이용하는 상기한 조인트 브레이크 제어 루프는 세트업 조인트가 세트업 조인트를 제위치에 고정시키도록 브레이크가 작용되는 기준 상태에 도달할 때까지 배향 플랫폼의 각각의 순환 운동 또는 시미 운동과 함께 수동적인 운동에 의해 세트업 조인트에서 발생하였다. 상기한 것과 같이 수동적인 운동을 제어하는데 사용된 대응하는 조인트 브레이크 컨트롤러를 각각 가지고 있는, 다중 세트업 조인트를 가진 시스템에서는, 배향 플랫폼이 한 방향으로 운동하는 동안 어떤 세트업 조인트는 원활하게 움직이는 상태(floating)에 있을 수 있는 반면에, 다른 어떤 조인트는 제동될 수 있다.
도 14c는, 본 발명의 실시형태에 따른 예에 있어서, 도 14b의 블록 B의 상세도를 나타내고 있다. 블록 B는 (한 쪽의)조인트 속도를 고려하여 물리적으로 달성가능한 제동력을 결정하는 블록과 이용가능한 제동력(braking effort)에 대하여 힘 또는 토크 요구를 클리핑(clip)하는 다른 블록을 포함하고 있다. 하나의 제어 루프에서 전체 임펄스를 만족시킬 수 있는 힘 또는 토크를 알아내기 위해서 원하는 임펄스가 제어-시스템의 샘플 레이트(sample rate)(예를 들면, 0.75ms)인 Ts로 나누어진다는 것을 주의해야 한다. 한계값 Bm이 최대 브레이크 마찰일 수 있지만, 통상적으로 SUS에 부여된 부하를 감소시키기 위해서 보다 낮은 값으로 낮추어진다. 엡실론 임계값(epsilon threshold)은 조인트 속도가 작을 때는 언제든지 제동력을 영으로 만들고, 이것에 의해 조인트가 시미 FAR 모드에 잠금(lock up)되는 것을 방지한다.
어떤 실시형태에서는, 제동력의 작용을 결정하는데 사용된 로직(logic)이 연속적인 범위(continuous spectrum)를 따라서 최대 제동값까지 선택적인 제동 또는 가변 제동을 작용시킬 수 있다. 가변 제동을 작용시키는 것에 의해 조인트 브레이크가 수동적인 세트업 조인트의 보다 조절된 운동을 달성할 수 있게 한다. 예를 들면, 제동력 대 세트업 조인트의 조인트 상태를 나타내는 도 14d의 그래프에 도시되어 있는 것과 같이, 수동적인 세트업 조인트에 유도된 토크가 지지하는 배향 플랫폼의 전후 시미 운동 동안 방향이 바뀌기 때문에, 변하는 제동력은 수동적인 조인트가 이동하고 있을 때 수동적인 조인트를 대체로 일정한 속도로 이동할 수 있게 한다. 추가적으로, 상기 로직은, 다양한 다른 조절된 운동을 달성하기 위해서, 예를 들면, 세트업 조인트가 기준 상태쪽으로 이동하고 있고 세트업 조인트가 기준 상태에 충분히 가까이(예를 들면, 임계 변위 내에) 있을 때 세트업 조인트의 일정한 감속을 제공하기 위해서 가변 제동력을 작용시킬 수 있다. 어떤 실시례에서는, 도 14d에 도시되어 있는 것과 같이, 세트업 조인트 변위가 변위 임계값(t)보다 큰 경우에는 일정한 속도 제어부가 "시미 원거리 모드(Shimmy Far Mode)"에서 사용되고 세트업 조인트의 기준 상태로부터의 변위가 임계값 내에 있는 경우에는 일정한 감속도 제어부가 사용된다.
도 14d는 본 발명의 여러 실시형태에 따른 한 예에 있어서 시미 근거리 모드(shimmy near mode)의 여러 단계를 나타내고 있다. 파선으로 그려진 정현파적 오차(sinusoidal error)는 목표 위치에 대한 제동되지 않은 경우의 궤적이다.　 지점 1과 지점 2에서는, 접선이 차후에 어느 지점에서도 x-축과 교차하지 않기 때문에, 일정한 감속도 프로파일(deceleration profile)이 없다.　 지점 3에서는, 목표값으로 수렴하는 일정한 감속도가 원하는 것보다 작고 제어가능한 제동력 수준보다 작을 수 있다. 　지점 4에서는, 수렴하는 일정한 감속도가 소프트웨어에서의 조정가능한 원하는 값과 일치하고 제동 작용을 시작한다. 브레이크는 목표지점에서 정지하도록 조절되고 - 이것은 궤적의 정점이 영(zero)에 있고 컨트롤러가 브레이크를 조절함에 따라 궤적의 위 아래로 편차가 있는 매끄러운 포물선형 궤적을 제공한다.　 이 그림에서 컨트롤러에 의해서 이루어진 이러한 결정은 편안한 감속도로 정지할 수 있는 지점에서 제동하는 것과 원하는 위치에서 정지하도록 브레이크를 조절하는 것을 제공한다.
다른 다양한 변형이 본 발명의 기술사상 내에 있다. 따라서, 본 발명은 다양한 수정형태와 대체 실시형태의 구조로 될 수 있으며, 이들의 예시된 특정 실시례가 도면에 도시되어 있으며 위에 상세하게 설명되어 있다. 그러나, 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한할 의도는 없으며, 오히려, 첨부된 청구범위에 한정되어 있는 것과 같이, 본 발명의 기술사상 및 기술영역 내에 있는 모든 수정형태, 대체 실시형태의 구조 및 균등물을 포함하고자 한다는 점을 이해하여야 한다.
본 발명을 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 본 발명의 실시례를 보다 이해하기 쉽게 하기 위한 것이며 본 발명의 영역에 제한을 두기 위한 것은 아니다. 본 명세서의 어떠한 언어도 본 발명의 실시에 본질적인 것으로서 임의의 청구되지 않은 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 발명을 실행하는 데 있어서 발명자들에게 알려진 최선의 유형을 포함하여, 본 발명의 바람직한 실시례가 본 명세서에 기술되어 있다. 상기 설명을 이해하면, 바람직한 실시례의 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 본 발명이 본 명세서에 특정적으로 기술된 것과 다르게 실시되기를 원한다. 따라서, 본 발명은 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 본 발명에 포함된다.
본 명세서에 언급된 공개공보, 특허 출원 및 특허를 포함하는 모든 참고문헌은, 각각의 참고문헌이 개별적으로 그리고 특정적으로 참고문헌으로 포함되는 것으로 표시되어 있거나 그 전체 내용이 본 명세서에 개시되어 있는 것과 같은 정도로 참고문헌으로 포함된다.

Claims (40)

  1. 원격수술 시스템을 구성하는 방법으로서,
    플랫폼 링크장치를 지지하는 하나 이상의 피구동 조인트를 구동시키는 것에 의해서 제1 로봇 아암을 지지하는 플랫폼 링크장치를 가속시켜서, 힘 및/또는 모멘트를 제1 로봇 아암에 부여하는 것;
    제1 로봇 아암에 작용하는 힘 및/또는 모멘트에 대응하여 제1 조인트의 수동적인 운동이 제1 조인트를 제1 로봇 아암의 원하는 구성에 대응하는 제1 조인트의 기준 상태로부터 멀어지게 이동시킬 때 제1 로봇 아암의 제1 조인트의 수동적인 운동을 저지하는 것; 그리고
    제1 로봇 아암에 작용하는 힘 및/또는 모멘트에 의한 제1 조인트의 수동적인 운동이 제1 조인트를 제1 조인트의 기준 상태쪽으로 이동시키는 동안 제1 조인트의 수동적인 운동을 촉진시키는 것;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 조인트가 기준 상태에 있을 때 제1 로봇 아암의 제1 조인트의 수동적인 운동을 멈추는 것;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 원하는 구성은 로봇 아암의 신장된 전개된 구성, 로봇 아암의 수축된 집어넣은 구성, 그리고 로봇 아암의 부분적으로 집어넣은 구성 중의 임의의 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 조인트의 조인트 토크를 감지하는 것에 의해서 제1 조인트의 수동적인 운동이 기준 상태로부터 멀어지게 향할 때, 제1 조인트의 수동적인 운동이 기준 상태쪽으로 향할 때, 또는 제1 조인트의 수동적인 운동이 기준 상태에 배치되어 있을 때를 결정하는 것;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  5. 제5항에 있어서, 제1 조인트의 수동적인 운동을 저지하는 것은 제1 조인트에 대해 제동을 작용시키는 것을 포함하고, 제1 조인트의 수동적인 운동을 촉진시키는 것은 제1 조인트에 작용된 제동을 적어도 부분적으로 해제하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 제1 조인트의 수동적인 운동을 촉진시키는 것은 제1 조인트를 기준 속도로 가속시키기 위해서 선택적으로 제동을 해제하고 상기 기준 속도를 유지시키거나 제1 조인트를 기준 감속도로 감속시키기 위해서 선택적으로 제동을 작용시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 제1 조인트의 수동적인 운동을 촉진시키는 것은 제1 조인트의 감지된 토크가 임계 토크를 넘어서는 것에 대응하여, 적어도 부분적으로, 제1 조인트의 조인트 브레이크를 해제하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 플랫폼 링크장치를 가속시키는 것은 적어도 하나의 자유도를 가지는 피구동 조인트 운동에 의해 플랫폼 링크장치를 반대로 향하는 양 방향으로 가속시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 플랫폼 링크장치를 반대로 향하는 양 방향으로 가속시키는 것은 가속시키는 동안 제1 조인트의 반작용 토크가 번갈아 발생하도록 관성력 및/또는 모멘트를 제1 로봇 아암에 부여하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 기준 상태는 조인트 위치 및/또는 조인트 방향을 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 조인트 위치가 작업 공간 내의 위치 및/또는 플랫폼 링크장치 및 제1 로봇 아암을 포함하는 세트업 구조의 하나 이상의 다른 조인트에 대한 위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    플랫폼 링크장치를 반대로 향하는 양 방향으로 가속시키는 동안 제1 조인트가 기준 상태에 도달할 때까지 제1 조인트의 수동적인 운동을 저지하는 것과 제1 조인트의 수동적인 운동을 촉진시키는 것을 번갈아 일으나게 하는 것;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  13. 제8항에 있어서, 플랫폼 링크장치를 가속시키는 것은 플랫폼 링크장치를 수직으로 뻗어 있는 피벗 축에 대해서 피벗운동시키기 위해서 레볼류트 조인트를 구동시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 플랫폼 링크장치의 가속 운동 동안 플랫폼 링크장치가 대체로 수평상태에 있는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 제1 조인트가 제1 조인트 축 둘레로 회전하는 레볼류트 조인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 제1 조인트 축이 수직으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 제1 조인트의 레볼류트 축이 플랫폼 링크장치의 운동을 제공하는 피구동 조인트의 축과 평행한 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  18. 원격수술 시스템을 구성하는 방법으로서,
    플랫폼 링크장치를 지지하는 하나 이상의 피구동 조인트를 구동시키는 것에 의해서 제1 로봇 아암을 지지하는 플랫폼 링크장치를 가속시켜서, 힘 및/또는 모멘트를 제1 로봇 아암에 부여하는 것을 포함하고 있고, 상기 제1 로봇 아암은 복수의 조인트를 포함하고 있고, 상기 복수의 조인트의 각각의 조인트는 각각의 조인트에 대한 조인트 브레이크의 선택적인 작용에 의해 수동적인 조인트 운동을 선택적으로 허용하도록 구성되어 있고, 상기 복수의 조인트의 각각의 조인트는 제1 로봇 아암의 원하는 구성에 대응하는 각각의 기준 상태를 가지고 있고;
    제1 로봇 아암에 작용하는 힘 및/또는 모멘트에 대응하여 각각의 조인트의 수동적인 운동이 각각의 조인트를 각각의 조인트의 기준 상태로부터 멀어지게 이동시킬 때 제1 로봇 아암의 복수의 조인트의 각각의 조인트의 수동적인 운동을 저지하는 것; 그리고
    제1 로봇 아암에 작용하는 힘 및/또는 모멘트에 의한 제1 조인트의 수동적인 운동이 제1 조인트를 각각의 조인트의 기준 상태쪽으로 이동시키는 동안 제1 로봇 아암의 복수의 조인트의 각각의 조인트의 수동적인 운동을 촉진시키는 것;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    각각의 조인트가 기준 상태에 있을 때 제1 로봇 아암의 복수의 조인트의 각각의 조인트의 수동적인 운동을 멈추는 것;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 조인트의 수동적인 운동의 방향과 하나 이상의 자유도에 대응하는 하나 이상의 자유도를 따라서 플랫폼 링크장치를 반대로 향하는 양 방향으로 가속시키는 동안, 각각의 기준 상태로부터 변위된 경우, 상기 복수의 조인트의 각각의 조인트의 수동적인 운동을 저지하는 것과 촉진시키는 것을 번갈아 일으나게 하는 것;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  21. 제1항에 있어서, 플랫폼 링크장치가 제2 로봇 아암을 지지하고, 상기 방법이
    제2 로봇 아암에 작용하는 힘 및/또는 모멘트에 대응하여 제1 조인트의 수동적인 운동이 제1 조인트를 제1 로봇 아암 및 제2 로봇 아암의 원하는 구성에 대응하는 기준 상태로부터 멀어지게 이동시킬 때 제2 로봇 아암의 제1 조인트의 수동적인 운동을 저지하는 것; 그리고
    제2 로봇 아암에 작용하는 힘 및/또는 모멘트에 의한 제1 조인트의 수동적인 운동이 제1 조인트를 기준 상태쪽으로 이동시킬 때 제2 로봇 아암의 제1 조인트의 수동적인 운동을 촉진시키는 것;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    각각의 조인트가 기준 상태에 도달할 때 제1 로봇 아암의 복수의 조인트의 각각의 조인트의 수동적인 운동을 멈추는 것;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 복수의 조인트의 수동적인 운동의 방향과 하나 이상의 자유도에 대응하는 하나 이상의 자유도를 따라서 플랫폼 링크장치를 반대로 향하는 양 방향으로 가속시키는 동안, 각각의 기준 상태로부터 변위된 경우, 상기 복수의 조인트의 각각의 조인트의 수동적인 운동을 저지하는 것과 촉진시키는 것을 번갈아 일으나게 하는 것;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  24. 제21항에 있어서, 제1 로봇 아암 및 제2 로봇 아암의 원하는 구성은, 제1 로봇 아암과 제2 로봇 아암이 신장되어 이격되어 있는 전개된 구성, 제1 로봇 아암과 제2 로봇 아암이 수축되어 맞닿게 배치되거나 서로 바로 인접해 있는 집어넣은 구성, 그리고 제1 로봇 아암과 제2 로봇 아암이 부분적으로 수축되어 상기 집어넣은 구성보다 더 떨어져서 배치된 로봇 아암의 부분적으로 집어넣은 구성 중의 임의의 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  25. 제1항에 있어서, 플랫폼 링크장치를 가속시키는 것이
    제1 조인트의 기준 상태로부터의 변위가 미리 정해진 변위를 초과하는 경우 플랫폼 링크장치를 적어도 제1 속력으로 가속시키는 것; 그리고
    제1 조인트의 기준 상태로부터의 변위가 미리 정해진 변위 내에 있는 경우 플랫폼 링크장치가 적어도 제1 속력으로 가속될 때 부여되는 것보다 더 작은 관성력 및/또는 모멘트를 제1 조인트에 부여하기 위해서 플랫폼 링크장치를 제1 속력보다 느린 제2 속력으로 가속시키는 것;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 제1 조인트의 수동적인 운동을 저지하는 것은 조인트 브레이크로 제1 조인트를 제동하는 것을 포함하고, 제1 조인트의 수동적인 운동을 촉진시키는 것은 조인트 브레이크로 제동하는 것을 적어도 부분적으로 해제하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 특정 조인트의 감지된 상태와 플랫폼 링크장치의 감지된 상태의 결합이 조인트 브레이크의 해제에 의해서 초래된 조인트의 수동적인 운동에 의해 특정 조인트를 기준 상태로 이동시키기에 충분한 시스템의 관성에 대응할 때 특정 조인트의 해제가 실행되는 것을 특징으로 하는 원격수술 시스템을 구성하는 방법.
  28. 조인트의 수동적인 운동을 제어하는 방법으로서,
    제1 조인트의 실제 상태와 제1 조인트의 기준 상태 사이의 오차를 결정하는 것;
    제1 조인트를 실제 상태로부터 기준 상태로 구동시키기에 충분한 조인트 모터 토크를 결정하는 것;
    결정된 조인트 모터 토크를 작용시키는 모터 토크 제어 신호를 출력하는 것;
    상기 모터 토크 제어 신호를 수신하고 상기 모터 토크 제어 신호를 토크의 적어도 일부분이 제1 조인트를 기준 상태쪽으로 이동시키도록 제1 조인트의 감지된 토크의 방향에 부분적으로 기초하여 조인트 브레이크로 제1 조인트를 선택적으로 제동하는 제동 제어 신호로 변환시키는 것; 그리고
    상기 제동 제어 신호를 조인트 브레이크로 출력하는 것;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 조인트의 수동적인 운동을 제어하는 방법.
  29. 제28항에 있어서, 모터 토크 제어 신호를 조인트 제동 제어 신호로 변환시키는 것은 임펄스를 얻기 위해 조인트 모터 토크를 적분하고 제동력과 작용된 토크 사이의 관계에 기초하여 일정 기간에 걸쳐서 임펄스를 발생시키는 선택적인 제동 작용을 결정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 조인트의 수동적인 운동을 제어하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 일정 기간은 10초 미만인 것을 특징으로 하는 조인트의 수동적인 운동을 제어하는 방법.
  31. 제28항에 있어서,
    상기 오차가 미리 정해진 변위를 초과하는 경우 기준 상태쪽으로 이동하는 동안 제1 조인트의 수동적인 운동이 제1 조인트를 대체로 일정한 속도로 이동시키도록 감지된 토크의 방향과 크기에 기초하여 선택적으로 제동을 작용시키기 위해서 제동 신호를 계산하는 것;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조인트의 수동적인 운동을 제어하는 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 오차가 미리 정해진 변위 내에 있는 경우 제1 조인트의 수동적인 운동이 제1 조인트를 대체로 일정한 감속도로 기준 상태쪽으로 이동시키도록 감지된 토크의 크기에 기초하여 가변 제동을 작용시키기 위해서 제동 신호를 계산하는 것;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조인트의 수동적인 운동을 제어하는 방법.
  33. 로봇 수술용 시스템으로서,
    조인트 브레이크의 선택적인 작용에 의해 수동적인 조인트 운동을 선택적으로 허용하도록 구성된 적어도 제1 세트업 조인트를 가진 제1 로봇 아암;
    제1 머니퓰레이터를 지지하는 배향 플랫폼;
    상기 배향 플랫폼를 지지하는 지지 구조로서, 하나 이상의 피구동 조인트로 배향 플랫폼을 구동시키기 위해서 상기 지지 구조에 작동가능하게 결합된 구동 시스템 및 베이스를 포함하는 상기 지지 구조; 그리고
    상기 지지 구조의 하나 이상의 피구동 조인트 및 제1 조인트의 조인트 브레이크에 작동가능하게 결합된 프로세서;
    를 포함하고 있고, 상기 프로세서는
    상기 프로세서가
    상기 지지 구조의 하나 이상의 피구동 조인트를 구동시키는 것에 의해 제1 로봇 아암을 지지하는 배향 플랫폼을 가속시켜서 힘 및/또는 모멘 트를 제1 로봇 아암에 부여하고;
    제1 로봇 아암에 작용하는 힘 및/또는 모멘트에 대응하여 제1 조인트 의 수동적인 운동 제1 조인트를 제1 로봇 아암의 원하는 구성에 대응 하는 제1 조인트의 기준 상태로부터 멀어지게 이동시킬 때 조인트 브 레이크를 작용시키는 것에 의해 제1 로봇 아암의 제1 조인트의 수동적 인 운동을 저지하고; 그리고
    제1 로봇 아암에 작용하는 힘 및/또는 모멘트에 의한 제1 조인트의 수 동적인 운동이 제1 조인트를 제1 조인트의 기준 상태쪽으로 이동시키 는 동안 조인트 브레이크를, 적어도 부분적으로, 해제하는 것에 의해 서 제1 로봇 아암의 제1 조인트의 수동적인 운동을 촉진시키는
    하나 이상의 모드를 가지도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 수술용 시스템.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 프로세서에 작동가능하게 결합된 조인트 브레이크의 선택적인 작용에 의해 수동적인 조인트 운동을 선택적으로 허용하도록 구성된 적어도 제1 세트업 조인트을 가진 제2 로봇 아암을 더 포함하고 있고, 상기 제2 로봇 아암은 배향 플랫폼을 가속시키면 힘 및/또는 모멘트를 제2 로봇 아암에 부여하도록 배향 플랫폼에 의해 지지되어 있고,
    상기 하나 이상의 모드에서, 상기 프로세서는 또한
    제2 로봇 아암에 작용하는 힘 및/또는 모멘트에 대응하여 제1 조인트 의 수동적인 운동 제1 조인트를 제2 로봇 아암의 원하는 구성에 대응 하는 제1 조인트의 기준 상태로부터 멀어지게 이동시킬 때 조인트 브 레이크를 작용시키는 것에 의해 제1 로봇 아암의 제1 조인트의 수동적 인 운동을 저지하고; 그리고
    제2 로봇 아암에 작용하는 힘 및/또는 모멘트에 의한 제1 조인트의 수 동적인 운동이 제1 조인트를 제1 조인트의 기준 상태쪽으로 이동시키 는 동안 조인트 브레이크를, 적어도 부분적으로, 해제하는 것에 의해 서 제2 로봇 아암의 제1 조인트의 수동적인 운동을 촉진시키도록
    구성되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 수술용 시스템.
  35. 제33항에 있어서, 제1 머니퓰레이터가 복수의 세트업 조인트를 포함하고 있고, 상기 복수의 세트업 조인트는 각각 상기 프로세서와 작동가능하게 결합된 대응하는 조인트 브레이크의 선택적인 작용에 의해 수동적인 조인트 운동을 선택적으로 허용하도록 구성되어 있으며 각각 기준 상태를 가지고 있고; 그리고
    상기 하나 이상의 모드에서, 상기 프로세서는 또한
    각각의 기준 상태로부터 변위된 경우, 상기 복수의 세트업 조인트의 각각에 대해 각각의 기준 상태로부터 멀어지게 수동적인 운동을 저지 하는 것과 각각의 기준 상태쪽으로 수동적인 운동을 촉진시키는 것을 번갈아 일으나게 하고, 그리고
    상기 복수의 세트업 조인트의 변위에 대응하는 하나 이상의 자유도를 따라서 반대로 향하는 양 방향으로 플랫폼 링크장치를 가속시키도록
    구성되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 수술용 시스템.
  36. 제33항에 있어서, 상기 하나 이상의 모드가
    제1 로봇 아암과 제2 로봇 아암의 제1 조인트의 기준이 제1 로봇 아암과 제2 로봇 아암이 작업 공간으로 신장되어 이격되어 있는 구성에 대응하는 전개 모드;
    제1 로봇 아암과 제2 로봇 아암의 제1 조인트의 기준이 제1 로봇 아암과 제2 로봇 아암에 의해 차지된 작업 공간의 크기를 대체로 최소화하도록 제1 로봇 아암과 제2 로봇 아암이 수축되어 맞닿게 배치되거나 서로 바로 인접해 있는 구성에 대응하는 집어넣기 모드; 그리고
    제1 로봇 아암과 제2 로봇 아암의 제1 조인트의 기준이 작은 작업 공간을 차지하도록 제1 로봇 아암과 제2 로봇 아암이 적어도 부분적으로 수축되어 서로 가까이 배치되어 있는 구성에 대응하는 일부 집어넣기 모드;
    의 일부 또는 전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 수술용 시스템.
  37. 조인트 브레이크 컨트롤러로서,
    조인트 브레이크가 해제되면 제1 조인트의 수동적인 운동이 허용되고 조인트 브레이크가 작용되면 제1 조인트의 수동적인 운동이 저지되도록 수동적인 운동을 제공하는 제1 조인트의 조인트 브레이크에 작동가능하게 결합된 기구; 그리고
    프로세서;
    를 포함하고 있고,
    상기 프로세서는
    실제 상태와 기준 상태 사이의 오차에 기초하여 실제 상태로부터 기준 상태로 조인트를 구동시키는 모터 토크 제어 신호를 수신하고;
    제1 조인트의 감지된 조인트 토크를 수신하고;
    상기 모터 토크 제어 신호를 토크의 적어도 일부분이 제1 조인트를 기 준 상태쪽으로 이동시키도록 제1 조인트의 감지된 토크에 부분적으로 기초하여 제1 조인트를 선택적으로 제동시키는 제동 신호로 변환시키 고; 그리고
    상기 제동 신호를 조인트 브레이크로 출력하도록
    구성되어 있는 것을 특징으로 하는 조인트 브레이크 컨트롤러.
  38. 제37항에 있어서, 상기 프로세서는 또한
    임펄스를 얻기 위해서 조인트 모터 토크를 적분하고 제동력과 작용된 토크 사이의 관계에 기초하여 일정 기간에 걸쳐서 상기 임펄스를 발생시키는 선택적인 제동 작용을 결정하는 것에 의해서 상기 모터 토크 제어 신호를 조인트 제동 제어 신호로 변환시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 조인트 브레이크 컨트롤러.
  39. 제37항에 있어서, 상기 프로세서는 또한
    상기 오차가 미리 정해진 변위를 초과하는 경우 기준 상태쪽으로 이동하는 동안 제1 조인트의 수동적인 운동이 제1 조인트를 대체로 일정한 속도로 이동시키도록 감지된 토크의 방향과 크기에 기초하여 선택적으로 제동을 작용시키기 위해서 제동 신호를 계산하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 조인트 브레이크 컨트롤러.
  40. 제37항에 있어서, 상기 프로세서는 또한
    상기 오차가 미리 정해진 변위 내에 있는 경우 제1 조인트의 수동적인 운동이 제1 조인트를 대체로 일정한 감속도로 기준 상태쪽으로 이동시키도록 감지된 토크의 크기에 기초하여 가변 제동을 작용시키기 위해서 제동 신호를 계산하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 조인트 브레이크 컨트롤러.
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