KR20200071745A - 외과용 로봇 아암의 어드미턴스 제어 - Google Patents

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Abstract

특정 양태는 외과용 로봇 아암의 어드미턴스 제어를 위한 시스템 및 기법에 관한 것이다. 일 양태에서는, 로봇 아암 및 프로세서를 포함하는 시스템이 제공된다. 프로세서는 토크 센서의 출력에 기초하여 로봇 아암 상의 기준점에서의 힘을 결정하고 기준점의 이동 방향의 표시를 수신하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 또한 힘의 성분이 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다고 결정하고, 로봇 아암의 움직임에 대한 목표 저항을 나타내는 적어도 하나의 파라미터를 생성하며, 적어도 하나의 파라미터에 기초하여, 목표 저항에 따라 로봇 아암을 움직이도록 모터를 제어할 수 있다.

Description

외과용 로봇 아암의 어드미턴스 제어
본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 외과용 로봇 아암의 어드미턴스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로봇 아암에 가해지는 힘에 기초하여 로봇 아암의 포즈를 제어하는 기법에 관한 것이다.
내시경 검사(예를 들면, 기관지 내시경 검사)와 같은 의료 시술에는 진단 및/또는 치료 목적으로 의료용 툴을 환자의 루멘 네트워크(luminal network)(예를 들면, 기도)에 삽입하는 것이 포함될 수 있다. 특정 시술에서는, 하나 이상의 로봇 아암(들)이 시술을 개시하기 전에 환자와 정렬된다. 로봇 아암(들)의 정렬은 로봇 아암(들)의 위치를 환자와 연관시키는 위치 정보를 시스템에 제공한다. 로봇 아암(들)은 환자와 로봇 아암(들)의 정렬 중에 시스템의 사용자에 의해 수동으로 재배치될 수 있다.
본 발명의 시스템, 방법, 및 디바이스는 각각 몇 가지 혁신적인 양태를 가지며, 이들 중 어느 것 하나도 본 명세서에 개시된 바람직한 속성들을 단독으로 감당하지는 않는다.
일 양태에서는, 적어도 2개의 링크장치(linkages), 적어도 2개의 링크장치를 연결하는 적어도 하나의 조인트, 적어도 2개의 링크장치 사이의 토크를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 토크 센서, 및 적어도 2개의 링크장치의 위치를 조정하도록 구성된 적어도 하나의 모터를 포함하는 (a) 로봇 아암; (b) 프로세서; 및, 프로세서로 하여금: 토크 센서의 출력에 기초하여 로봇 아암 상의 기준점에서의 힘을 결정하고, 기준점의 이동 방향의 표시(indication)를 수신하며, 힘의 성분이 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다고 결정하고, 힘의 성분이 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다는 결정에 기초하여, 로봇 아암의 움직임에 대한 목표 저항(target resistance)을 나타내는 적어도 하나의 파라미터를 생성하며, 및 적어도 하나의 파라미터에 기초하여, 목표 저항에 따라 로봇 아암을 움직이도록 모터를 제어하게 하는 컴퓨터 실행 가능 명령을 저장하는 (c) 메모리를 포함하는, 시스템이 제공된다.
다른 양태에서는, 실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스로 하여금: 토크 센서의 출력에 기초하여 토크 센서를 포함하는 로봇 아암 - 로봇 아암은 2개의 링크장치, 2개의 링크장치를 연결하는 조인트, 및 2개의 링크장치의 위치를 조정하도록 구성된 모터를 더 포함하고, 토크 센서는 2개의 링크장치 사이의 토크를 검출하도록 구성됨 - 상의 기준점에서의 힘을 결정하고; 기준점의 이동 방향의 표시를 수신하며; 힘의 성분이 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다고 결정하고; 힘의 성분이 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다는 결정에 기초하여, 로봇 아암의 움직임에 대한 목표 저항을 나타내는 적어도 하나의 파라미터를 생성하며; 및, 적어도 하나의 파라미터에 기초하여, 목표 저항에 따라 로봇 아암을 움직이도록 모터를 제어하게 하는 명령이 저장된, 비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체가 제공된다.
또 다른 양태에서는, 토크 센서의 출력에 기초하여 토크 센서를 포함하는 로봇 아암 - 로봇 아암은 2개의 링크장치, 2개의 링크장치를 연결하는 조인트, 및 2개의 링크장치의 위치를 조정하도록 구성된 모터를 더 포함하고, 토크 센서는 2개의 링크장치 사이의 토크를 검출하도록 구성됨 - 상의 기준점에서의 힘을 결정하는 단계; 기준점의 이동 방향의 표시를 수신하는 단계; 힘의 성분이 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다고 결정하는 단계; 힘의 성분이 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다는 결정에 기초하여, 로봇 아암의 움직임에 대한 목표 저항을 나타내는 적어도 하나의 파라미터를 생성하는 단계; 및, 적어도 하나의 파라미터에 기초하여, 목표 저항에 따라 로봇 아암을 움직이도록 모터를 제어하는 단계를 포함하는, 로봇 아암을 위치시키는 방법이 제공된다.
개시된 양태들을 제한하는 것이 아니라 예시하도록 제공되며 동일한 부재 번호들이 동일한 요소들을 나타내는 첨부된 도면들과 연계하여 개시된 양태들이 이하에 설명될 것이다.
도 1은 진단 및/또는 치료용의 기관지 내시경 검사 시술을 위해 배치된 카트 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 2는 도 1의 로봇 시스템의 다른 양태를 도시한다.
도 3은 요관경 검사(ureteroscopy)를 위해 배치된 도 1의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 4는 혈관 시술을 위해 배치된 도 1의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 5는 기관지 내시경 검사 시술을 위해 배치된 테이블 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 6은 도 5의 로봇 시스템의 대체의 도면을 제공한다.
도 7은 로봇 아암(들)을 수납하도록 구성된 예시적인 시스템을 도시한다.
도 8은 요관경 검사 시술용으로 구성된 테이블 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 9는 복강경 검사 시술용으로 구성된 테이블 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 10은 피치 또는 틸트 조정을 갖는 도 5 내지 도 9의 테이블 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 11은 도 5 내지 도 10의 테이블 기반의 로봇 시스템의 컬럼과 테이블 사이의 인터페이스의 상세 예시를 제공한다.
도 12는 예시적인 기기 드라이버(instrument driver)를 도시한다.
도 13은 페어링된 기기 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기기를 도시한다.
도 14는 구동 유닛의 축들이 기기의 세장형 샤프트 축에 평행한, 기기 드라이버 및 기기의 대체의 설계를 도시한다.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 도 13 및 도 14의 기기의 위치와 같은, 도 1 내지 도 10의 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치 특정 시스템(localization system)을 예시하는 블록도를 도시한다.
도 16은 본 발명의 양태에 따른, 어드미턴스 제어 모드에서 로봇 아암의 움직임을 제어하도록 구성된 카트 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다.
도 17은 본 발명의 양태에 따른, 기관지 내시경 검사 시술을 위한 예시적인 셋업 절차의 특징을 도시하는 흐름도이다.
도 18은 본 발명의 양태에 따른, 로봇 아암에 가해지는 힘을 결정하고 결정된 힘에 기초하여 로봇 아암을 움직이기 위한 예시적인 절차를 도시하는 흐름도이다.
도 19는 본 발명의 양태에 따른, 로봇 아암에 가해지는 힘을 계산하기 위한 기법을 예시하는 로봇 아암의 자유물체도(free-body diagram)이다.
도 20은 본 발명의 양태에 따른, 로봇 아암 상의 기준점에서 검출된 힘을 로봇 아암의 움직임을 제어하기 위한 입력으로 사용하기 위한 예시적인 절차를 도시하는 블록도이다.
도 21은 본 발명의 양태에 따른, 측정된 기준점 힘에 적용될 수 있는 데드밴드 함수(deadband function)의 예를 도시하는 그래프이다.
도 22는 본 발명의 양태에 따른, 외과용 로봇 시스템 또는 그 컴포넌트(들)에 의해 작동 가능한 예시적인 어드미턴스 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
1. 개요
본 발명의 양태는 복강경 검사와 같은 최소 침습성 시술 및 내시경 검사와 같은 비침습성 시술 양자 모두를 포함하는 다양한 의료 시술을 수행할 수 있는 로봇 작동식(robotically-enabled) 의료 시스템에 통합될 수 있다. 내시경 검사 시술 중에서, 본 시스템은 기관지 내시경 검사, 요관경 검사, 위 내시경 검사 등을 수행할 수 있다.
폭넓은 시술을 수행하는 것 외에, 본 시스템은 의사를 지원하기 위한 향상된 이미징 및 가이던스와 같은 추가 이점을 제공할 수 있다. 또한, 본 시스템은 어색한 팔 동작 및 위치를 필요로 함이 없이 인체 공학적 위치에서 시술을 수행할 수 있는 능력을 의사에게 제공할 수 있다. 또한, 본 시스템은 시스템의 하나 이상의 기기가 단일 사용자에 의해 제어될 수 있도록 개선된 사용 용이성으로 시술을 수행할 수 있는 능력을 의사에게 제공할 수 있다.
다양한 실시예가 예시의 목적으로 도면들과 연계하여 아래에 설명될 것이다. 개시된 개념들의 많은 다른 구현이 가능하고, 개시된 구현에 의해 다양한 이점이 달성될 수 있음을 이해해야 한다. 참조를 위해서 및 다양한 섹션의 위치 파악을 돕기 위해 제목이 여기에 포함된다. 이들 제목은 이와 관련하여 설명된 개념들의 범위를 제한하고자 함이 아니다. 이러한 개념들은 본 명세서 전체에 걸쳐서 적용 가능할 수 있다.
A. 로봇 시스템 - 카트
로봇 작동식 의료 시스템은 특정 시술에 따라 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 도 1은 진단 및/또는 치료용의 기관지 내시경 검사 시술을 위해 배치된 카트 기반의 로봇 작동식 시스템(10)의 실시예를 도시한다. 기관지 내시경 검사 중에, 시스템(10)은 진단 및/또는 치료용 툴을 전달하기 위해 자연적인 오리피스 접근점(즉, 본 예에서는 테이블 상에 위치된 환자의 입)에, 기관지 내시경 검사를 위한 시술 고유의 기관지경(bronchoscope)일 수 있는 조종 가능한 내시경(13)과 같은 의료 기기를 전달하기 위한 하나 이상의 로봇 아암(12)을 갖는 카트(11)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 접근점에 대한 접근을 제공하기 위해 환자의 몸통 상부(upper torso)에 근접하여 위치될 수 있다. 유사하게, 로봇 아암(12)은 접근점에 대해 기관지 내시경을 위치시키도록 작동될 수 있다. 도 1의 배치는 위장관(gastro-intestinal: GI) 시술을 위한 특수 내시경인 위 내시경으로 GI 시술을 수행할 때도 또한 이용될 수 있다. 도 2는 카트의 예시적인 실시예를 보다 상세하게 도시한다.
도 1을 계속 참조하면, 카트(11)가 올바르게 위치되고 나면, 로봇 아암(12)은 조종 가능한 내시경(13)을 로봇식, 수동식, 또는 이들의 조합으로 환자 내부로 삽입할 수 있다. 도시된 바와 같이, 조종 가능한 내시경(13)은 내측 리더 부분(inner leader portion) 및 외측 쉬드 부분(outer sheath portion)과 같은 적어도 2개의 텔레스코핑 부분(telescoping parts)을 포함할 수 있는데, 각 부분은 기기 드라이버(28) 세트의 개별 기기 드라이버에 결합되고, 각 기기 드라이버는 개별 로봇 아암의 원위 단부에 결합된다. 리더 부분을 쉬드 부분과 동축으로 정렬하는 것을 용이하게 하는 기기 드라이버들(28)의 이러한 선형 배열은 하나 이상의 로봇 아암(12)을 상이한 각도 및/또는 위치로 조작함으로써 공간에서 재배치될 수 있는 "가상 레일"(29)을 생성한다. 본 명세서에 기재된 가상 레일들은 파선을 사용하여 도면에 도시되며, 그에 따라 파선은 시스템의 물리적 구조를 나타내지는 않는다. 가상 레일(29)을 따라서의 기기 드라이버들(28)의 병진은 외측 쉬드 부분에 대해 내측 리더 부분을 텔레스코프 형식으로 이동시키거나, 내시경(13)을 환자로부터 후퇴 또는 전진시킨다. 가상 레일(29)의 각도는 임상 적용 또는 의사의 선호도에 기초하여 조정, 병진, 및 선회될 수 있다. 예를 들어 기관지 내시경 검사에서, 도시된 가상 레일(29)의 각도 및 위치는 내시경(13)을 환자의 입 안으로 구부림으로 인해 발생되는 마찰을 최소화하면서 내시경(13)에 대한 의사의 접근을 제공하는 것 사이의 절충점을 나타낸다.
내시경(13)은 삽입 후 로봇 시스템으로부터의 정확한 명령을 사용하여 타겟 목적지 또는 수술 부위에 도달할 때까지 환자의 기관(trachea) 및 폐(lung)의 하류로 유도될 수 있다. 환자의 폐 네트워크를 통한 내비게이션을 향상시키고 및/또는 원하는 타겟에 도달하기 위해, 내시경(13)은 관절운동을 증대시키고 굽힘 반경을 보다 크게 하기 위해 외측 쉬드 부분으로부터 내측 리더 부분을 텔레스코프 방식으로 연장하도록 조작될 수 있다. 개별 기기 드라이버들(28)의 사용은 또한 리더 부분과 쉬드 부분이 서로 독립적으로 구동될 수 있게 한다.
예를 들어, 내시경(13)은 생검 바늘(biopsy needle)을 예를 들면, 환자의 폐 내의 병변 또는 결절과 같은 타겟에 전달하도록 지시될 수 있다. 바늘은 병리학자에 의해 분석될 조직 샘플을 수득하기 위해 내시경의 길이에 걸쳐 이어진 작업 채널(working channel)의 하류로 전개될 수 있다. 병리학 결과에 따라, 추가 생검을 위해 추가 툴이 내시경의 작업 채널의 하류로 전개될 수도 있다. 결절이 악성임을 식별한 후에, 내시경(13)은 잠재적인 암성 조직(cancerous tissue)을 절제하기 위한 툴을 내시경에 의해 전달할 수 있다. 어떤 경우에는, 진단 처치와 치료 처치가 별개의 시술로 제공될 필요가 있을 수 있다. 이러한 상황에서, 내시경(13)은 타겟 결절의 위치를 또한 "표시"하기 위한 기준점을 제공하는 데에도 또한 사용될 수 있다. 다른 경우에는, 진단 처치와 치료 처치가 동일한 시술 중에 제공될 수도 있다.
시스템(10)은 제어장치, 전자장치, 유체공학, 광학, 센서, 및/또는 카트(11)에 대한 전력의 지원을 제공하기 위해 지원 케이블을 통해 카트(11)에 연결될 수 있는 가동 타워(movable tower)(30)를 또한 포함할 수 있다. 이러한 기능을 타워(30)에 배치하는 것은 수술의 및/또는 그 직원에 의해 보다 용이하게 조정 및/또는 재배치될 수 있는 보다 작은 폼팩터(form factor)의 카트(11)를 가능케 한다. 또한, 카트/테이블과 지원 타워(30) 사이의 기능의 분할은 수술실 혼잡을 줄이고 임상적 작업 흐름(clinical workflow)의 개선을 촉진한다. 카트(11)는 환자에 근접하여 위치될 수 있는 한편, 타워(30)는 시술 중에 방해되지 않도록 원격 위치에 수납될 수 있다.
전술한 로봇 시스템을 지원하기 위해, 타워(30)는 예를 들어, 영구 자기 스토리지 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브 등과 같은 비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령을 저장하는 컴퓨터 기반의 제어 시스템의 컴포넌트(들)를 포함할 수 있다. 타워(30)에서 실행되는지 또는 카트(11)에서 실행되는지에 관계없이 이들 명령의 실행은 전체 시스템 또는 그 서브시스템(들)을 제어할 수 있다. 예를 들면 컴퓨터 시스템의 프로세서에 의해 실행될 때, 명령은 로봇 시스템의 컴포넌트들이 관련 캐리지 및 아암 마운트를 작동시키고, 로봇 아암을 작동시키며, 의료 기기를 제어하게 할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호를 수신하는 것에 응답하여, 로봇 아암의 조인트의 모터들은 아암을 특정 자세로 위치시킬 수 있다.
타워(30)는 내시경(13)을 통해 전개될 수 있는 시스템에 제어된 관주(controlled irrigation) 및 흡인 능력을 제공하기 위해 펌프, 유량계, 밸브 제어장치, 및/또는 유체 액세스를 또한 포함할 수 있다. 이들 컴포넌트도 또한 타워(30)의 컴퓨터 시스템을 사용하여 제어될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 관주 및 흡인 능력은 개별 케이블(들)을 통해 내시경(13)으로 직접 전달될 수 있다.
타워(30)는 카트(11)에 필터링 및 보호된 전력을 제공하도록 설계된 전압 및 서지 프로텍터를 포함할 수 있으며, 이에 의해 카트(11)에 전력 변압기 및 다른 보조 전력 컴포넌트들의 배치를 회피할 수 있고, 그래서 보다 소형이며 보다 가동성의 카트(11)가 될 수 있게 한다.
타워(30)는 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 전개된 센서들을 위한 지원 장비를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 타워(30)는 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 광학 센서들 또는 카메라들로부터 수신되는 데이터를 검출, 수신, 및 처리하기 위한 광전자 장비를 포함할 수 있다. 제어 시스템과 결합하여, 이러한 광전자 장비는 타워(30)를 포함하여 시스템 전체에 걸쳐 전개된 임의의 개수의 콘솔에 디스플레이하기 위한 실시간 이미지를 생성하는데 사용될 수 있다. 유사하게, 타워(30)는 전개된 전자기(electromagnetic: EM) 센서들로부터 수신되는 신호들을 수신 및 처리하기 위한 전자 서브시스템을 또한 포함할 수 있다. 타워(30)는 의료 기기 내의 또는 의료 기기 상의 EM 센서들에 의한 검출을 위한 전자계(EM field) 발생기를 수용 및 위치시키는 데에도 또한 사용될 수 있다.
타워(30)는 시스템의 나머지 부분에서 이용 가능한 다른 콘솔들, 예를 들면 카트의 상단에 장착된 콘솔 외에 콘솔(31)을 또한 포함할 수 있다. 콘솔(31)은 의사 조작자를 위한 사용자 인터페이스 및 터치스크린과 같은 디스플레이 스크린을 포함할 수 있다. 시스템(10)의 콘솔들은 일반적으로 내시경(13)의 내비게이션 및 위치 특정 정보와 같은 시술의 수술 전 및 실시간 정보뿐만 아니라 로봇 제어를 제공하도록 설계된다. 콘솔(31)이 의사에게 이용 가능한 유일한 콘솔이 아닌 경우에, 환자의 건강 또는 바이털(vitals) 및 시스템의 작동을 모니터링할 뿐만 아니라 내비게이션 및 위치 특정 정보와 같은 시술 고유의 데이터를 제공하기 위해 간호사와 같은 제2 조작자에 의해서도 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 콘솔(30)은 타워(30)와 별개인 몸체에 수용된다.
타워(30)는 하나 이상의 케이블 또는 연결부(미도시)를 통해 카트(11) 및 내시경(13)에 결합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 타워(30)로부터의 지원 기능은 단일 케이블을 통해 카트(11)에 제공될 수 있으며, 그래서 수술실을 단순화하고 및 혼잡도를 없앤다. 다른 실시예에서, 특정 기능은 별도의 케이블 및 연결부로 결합될 수도 있다. 예를 들어, 전력은 단일 전력 케이블을 통해 카트에 공급될 수 있는 한편, 제어장치, 광학, 유체공학, 및/또는 내비게이션에 대한 지원은 별도의 케이블을 통해 제공될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 카트 기반의 로봇 작동식 시스템의 카트의 실시예의 상세 예시를 제공한다. 카트(11)는 일반적으로 세장형 지지 구조체(14)(종종 "컬럼"으로 지칭됨), 카트 베이스(15), 및 컬럼(14)의 상단에 있는 콘솔(16)을 포함한다. 컬럼(14)은 하나 이상의 로봇 아암(12)(도 2에는 3개가 도시됨)의 전개를 지지하기 위한 캐리지(17)(또는 달리 "아암 지지부")와 같은 하나 이상의 캐리지를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 환자에 대한 보다 양호한 위치 설정을 위해 로봇 아암(12)의 베이스를 조정하기 위해 수직 축을 따라 회전하는 개별적으로 구성 가능한 아암 마운트를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 캐리지(17)가 컬럼(14)을 따라 수직으로 병진할 수 있게 하는 캐리지 인터페이스(19)를 또한 포함한다.
캐리지 인터페이스(19)는 캐리지(17)의 수직 병진을 안내하기 위해 컬럼(14)의 상반 측면(opposite sides)에 배치된 슬롯(20)과 같은, 슬롯을 통해 컬럼(14)에 연결된다. 슬롯(20)은 카트 베이스(15)에 대해 다양한 수직 높이로 캐리지를 위치시키고 유지하기 위한 수직 병진 인터페이스를 포함한다. 캐리지(17)의 수직 병진은 카트(11)가 다양한 테이블 높이, 환자의 크기, 및 의사의 선호도를 충족시키도록 로봇 아암(12)의 도달 거리(reach)를 조절할 수 있게 한다. 유사하게, 캐리지(17) 상의 개별적으로 구성 가능한 아암 마운트는 로봇 아암(12)의 로봇 아암 베이스(21)가 다양한 구성으로 각이 질 수 있게 한다.
몇몇 실시예에서, 슬롯(20)에는 캐리지(17)가 수직으로 병진함에 따라 컬럼(14)의 내부 챔버들 및 수직 병진 인터페이스 내로의 먼지 및 유체의 유입을 방지하기 위해 슬롯 표면과 동일면을 이루며 이에 평행한 슬롯 커버들이 부가될 수 있다. 슬롯 커버들은 슬롯(20)의 수직 상단 및 하단 근처에 위치된 스프링 스풀 쌍(pairs of spring spools)을 통해 배치될 수 있다. 커버들은 캐리지(17)가 수직으로 상하로 병진함에 따라 그 감겨진 상태로부터 연장 및 후퇴되도록 전개될 때까지 스풀 내에 감겨 있다. 스풀의 스프링 하중은 캐리지(17)가 스풀 쪽으로 병진할 때 커버를 스풀 내로 후퇴시키는 힘을 제공하면서, 캐리지(17)가 스풀로부터 멀어지게 병진할 때 타이트한 밀봉을 또한 유지한다. 커버들은 캐리지(17)가 병진할 때 커버의 적절한 연장 및 후퇴를 보장하기 위해, 예를 들면 캐리지 인터페이스(19)의 브래킷들을 사용하여 캐리지(17)에 연결될 수 있다.
컬럼(14)은 사용자 입력, 예를 들면 콘솔(16)로부터의 입력에 응답하여 생성된 제어 신호들에 응답하여 캐리지(17)를 기계화된 방식으로 병진시키기 위해 수직으로 정렬된 리드 스크류를 사용하도록 설계된, 기어 및 모터와 같은 메커니즘을 내부에 포함할 수 있다.
로봇 아암(12)은 일반적으로 일련의 조인트(24)에 의해 연결된 일련의 링크장치(23)에 의해 분리된 로봇 아암 베이스들(21)과 엔드 이펙터들(22)을 포함할 수 있으며, 각각의 조인트는 독립적인 액추에이터를 포함하고, 각각의 액추에이터는 독립적으로 제어 가능한 모터를 포함한다. 각각의 독립적으로 제어 가능한 조인트는 로봇 아암에 이용 가능한 독립적인 자유도를 나타낸다. 아암들(12) 각각은 7개의 조인트를 가지며, 그래서 7의 자유도를 제공한다. 복수의 조인트는 복수의 자유도를 유발하며, 그래서 "여분의(redundant)" 자유도를 가능케 한다. 여분의 자유도는 로봇 아암(12)이 상이한 링크장치 위치 및 조인트 각도를 사용하여 공간에서 특정 위치, 배향, 및 궤도에 그 각각의 엔드 이펙터(22)를 위치시킬 수 있게 한다. 이는 시스템이 원하는 공간 지점으로부터 의료 기기를 위치시키고 유도할 수 있게 하면서, 의사가 아암의 충돌을 회피하면서 보다 나은 접근을 위해 아암 조인트를 환자로부터 멀리 떨어진 임상적으로 유리한 위치로 이동할 수 있게 한다.
카트 베이스(15)는 컬럼(14), 캐리지(17), 및 아암(12)의 무게를 바닥 위에서 균형화시킨다. 따라서, 카트 베이스(15)는 전자장치, 모터, 전원장치와 같은 보다 무거운 컴포넌트들뿐만 아니라 카트를 이동 가능케 하고 및/또는 고정시킬 수 있는 컴포넌트들을 수용한다. 예를 들어, 카트 베이스(15)는 카트가 시술 전에 (진료)실을 쉽게 이동할 수 있게 하는 구름운동 가능한 휠 형상의 캐스터(25)를 포함한다. 적절한 위치에 도달한 후에, 시술 중에 카트(11)를 적소에 유지하기 위해 캐스터(25)는 휠 록(lock lock)을 사용하여 고정될 수 있다.
컬럼(14)의 수직 단부에 위치된 콘솔(16)은 사용자 입력을 수신하기 위한 사용자 인터페이스 및 디스플레이 스크린(또는 터치스크린(26)과 같은 이중 목적 디바이스) 양자 모두를 가능케 하여, 수술 전 및 수술 중 데이터 양자 모두를 의사 사용자에게 제공할 수 있다. 터치스크린(26) 상의 잠재적인 수술 전 데이터는 수술 전 계획, 수술 전 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캔으로부터 도출된 내비게이션 및 매핑 데이터, 및/또는 수술 전 환자 인터뷰로부터의 노트를 포함할 수 있다. 디스플레이 상의 수술 중 데이터는 툴로부터 제공되는 광학 정보, 센서들로부터의 센서 및 좌표 정보뿐만 아니라 호흡, 심박수, 및/또는 맥박과 같은 중요한 환자 통계를 포함할 수 있다. 콘솔(16)은 의사가 캐리지(17) 반대편의 컬럼(14) 측으로부터 콘솔에 접근할 수 있도록 위치되고 틸팅될 수 있다. 이 위치로부터, 의사는 카트(11) 뒤에서 콘솔(16)을 조작하면서 콘솔(16), 로봇 아암(12), 및 환자를 볼 수 있다. 도시된 바와 같이, 콘솔(16)은 카트(11)의 조종 및 안정화를 돕는 핸들(27)을 또한 포함한다.
도 3은 요관경 검사를 위해 배치된 로봇 작동식 시스템(10)의 실시예를 도시한다. 요관경 검사 시술에서, 카트(11)는 환자의 요도 및 요관을 횡단하도록 설계된 시술 고유의 내시경인 요관경(32)을 환자의 하복부 영역으로 전달하도록 위치될 수 있다. 요관경 검사에서는, 그 영역의 민감한 해부학적 구조에 대한 마찰 및 힘을 저감시키기 위해 요관경(32)이 환자의 요도와 직접 정렬되는 것이 바람직할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 요관경(32)을 환자의 요도에 대한 직접적인 선형 접근을 위해 위치시킬 수 있도록 테이블의 발에 정렬될 수 있다. 테이블의 발로부터, 로봇 아암(12)은 요관경(32)을 가상 레일(33)을 따라 요도를 통해 환자의 하복부에 직접 삽입할 수 있다.
요도 내로 삽입된 후에, 기관지 내시경 검사에서와 유사한 제어 기법을 사용하여 요관경(32)은 진단 및/또는 치료 적용을 위해 방광, 요관, 및/또는 신장으로 내비게이션될 수 있다. 예를 들어, 요관경(32)은 요관 및 신장 내로 유도되어, 요관경(32)의 작업 채널의 하류로 전개된 레이저 또는 초음파 쇄석 디바이스(lithotripsy device)를 사용하여 신장 결석의 축적을 파괴할 수 있다. 쇄석이 완료된 후에, 발생된 결석 파편들은 요관경(32)의 하류로 전개된 바스켓을 사용하여 제거될 수 있다.
도 4는 혈관 시술을 위해 유사하게 배치된 로봇 작동식 시스템의 실시예를 도시한다. 혈관 시술에서, 시스템(10)은 카트(11)가 조종 가능한 카테터(steerable catheter)와 같은 의료 기기(34)를 환자의 다리의 대퇴 동맥의 접근점으로 전달할 수 있도록 구성될 수 있다. 대퇴 동맥은 내비게이션을 위한 보다 큰 직경뿐만 아니라 환자의 심장으로의 비교적 덜 우회적인 사행 경로(less circuitous and tortuous path)를 제공하는데, 이는 내비게이션을 단순화한다. 요관경 검사 시술에서와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 가상 레일(35)에 환자의 대퇴/고관절 영역의 대퇴 동맥 접근점으로의 직접 선형 접근을 제공할 수 있도록, 환자의 다리 및 하복부 쪽으로 위치될 수 있다. 동맥 내로 삽입된 후에, 의료 기기(34)는 기기 드라이버(28)를 병진시킴으로써 유도 및 삽입될 수 있다. 혹은, 카트는 예를 들면, 어깨와 손목 근처의 경동맥 및 상완 동맥과 같은 다른 혈관 접근점에 도달하기 위해 환자의 상복부 주위에 위치될 수도 있다.
B. 로봇 시스템 테이블
로봇 작동식 의료 시스템의 실시예는 환자의 테이블을 또한 통합할 수 있다. 테이블의 통합은 카트를 제거함으로써 수술실 내 자본 장비(capital equipment)의 수량을 저감시키는데, 이는 환자에 대한 접근을 보다 향상시킨다. 도 5는 기관지 내시경 검사 시술을 위해 배치된 이러한 로봇 작동식 시스템의 실시예를 도시한다. 시스템(36)은 바닥 위에 플랫폼(38)( "테이블" 또는 "침대"로 도시됨)을 지지하기 위한 지지 구조체 또는 컬럼(37)을 포함한다. 카트 기반의 시스템과 마찬가지로, 시스템(36)의 로봇 아암(39)의 엔드 이펙터들은 기기 드라이버들(42)의 선형 정렬로부터 형성된 가상 레일(41)을 통해 또는 이를 따라 도 5의 기관지 내시경(40)과 같은 세장형 의료 기기를 조종하도록 설계된 기기 드라이버들(42)을 포함한다. 실제에서는, 형광 투시 영상을 제공하기 위한 C 아암이 이미터와 검출기를 테이블(38) 주위에 배치함으로써 환자의 상복부 영역 위에 위치될 수 있다.
도 6은 논의 목적으로 환자 및 의료 기기가 없는 시스템(36)의 대체 도면을 제공한다. 도시된 바와 같이, 컬럼(37)은 시스템(36)에 링 형상으로 도시된 하나 이상의 캐리지(43)를 포함할 수 있으며, 이에 하나 이상의 로봇 아암(39)이 기초할 수 있다. 캐리지(43)는 로봇 아암(39)이 환자에게 도달하도록 위치될 수 있는 상이한 유리한 지점을 제공하기 위해 컬럼(37)의 길이를 따라 이어진 수직 컬럼 인터페이스(44)를 따라 병진할 수 있다. 캐리지(들)(43)는 로봇 아암(39)이 예를 들면, 환자의 양측과 같이 테이블(38)의 복수의 측면에 접근할 수 있도록 컬럼(37) 내에 위치된 기계 모터를 사용하여 컬럼(37)을 중심으로 회전할 수 있다. 복수의 캐리지를 갖는 실시예에서, 캐리지들은 컬럼 상에 개별적으로 위치될 수 있고 다른 캐리지들과 독립적으로 병진 및/또는 회전할 수 있다. 캐리지들(43)은 컬럼(37)을 둘러쌀 필요가 없고 또는 심지어는 원형일 필요도 없으나, 도시된 바와 같은 링 형상은 구조적 균형을 유지하면서 컬럼(37)을 중심으로 한 캐리지(43)의 회전을 용이하게 한다. 캐리지들(43)의 회전 및 병진은 시스템이 내시경 및 복강경과 같은 의료 기기들을 환자의 상이한 접근점에 정렬시킬 수 있게 한다. (도시되지 않은) 다른 실시예에서, 시스템(36)은 환자 테이블 또는 침대를 따라 연장되는 바(bar) 또는 레일 형태의 조정 가능한 아암 지지대를 갖는 환자 테이블 또는 침대를 포함할 수 있다. 하나 이상의 로봇 아암(39)은 (예를 들면, 팔꿈치 조인트를 갖는 어깨를 통해), 수직으로 조정될 수 있는 조정 가능한 아암 지지대에 부착될 수 있다. 수직 방향의 조정을 제공함으로써, 로봇 아암들(39)은 환자 테이블 또는 침대의 아래에 컴팩트하게 유리하게 수납될 수 있고, 그 후 시술 중에는 들어 올려질 수 있다.
아암들(39)은 로봇 아암들(39)에 추가 구성 가능성을 제공하기 위해 개별적으로 회전 및/또는 텔레스코프 방식으로 연장될 수 있는 일련의 조인트를 포함하는 아암 마운트(45) 세트를 통해 캐리지들 상에 장착될 수 있다. 또한, 캐리지들(43)이 적절하게 회전될 때, 아암 마운트들(45)이 (도 6에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 동일한 측면에, (도 9에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 상반 측면에, 또는 테이블(38)의 인접한 측면들에(도시되지 않음) 위치될 수 있도록, 아암 마운트들(45)은 캐리지들(43) 상에 위치될 수 있다.
컬럼(37)은 테이블(38)에 대한 지지 및 캐리지들의 수직 병진을 위한 경로를 구조적으로 제공한다. 내부적으로, 컬럼(37)은 캐리지들의 수직 병진을 안내하기 위한 리드 스크류, 및 리드 스크류에 기초하여 상기 캐리지들의 병진을 기계화하기 위한 모터가 구비될 수 있다. 컬럼(37)은 캐리지(43) 및 그 위에 장착된 로봇 아암(39)에 전력 및 제어 신호들을 전달할 수 있다.
테이블 베이스(46)는 도 2에 도시된 카트(11)의 카트 베이스(15)와 유사한 기능을 하며, 테이블/침대(38), 컬럼(37), 캐리지(43), 및 로봇 아암(39)의 균형을 잡기 위해 보다 무거운 컴포넌트들을 수용한다. 테이블 베이스(46)는 또한 시술 중에 안정성을 제공하기 위해 강성 캐스터(rigid casters)를 통합할 수 있다. 테이블 베이스(46)의 바닥으로부터 전개될 때, 캐스터들은 베이스(46)의 양 측면에서 상반 방향으로 연장될 수 있고, 시스템(36)이 이동될 필요가 있을 때에는 후퇴될 수 있다.
도 6을 계속하면, 시스템(36)은 테이블의 폼 팩터 및 육중함을 저감시키기 위해 시스템(36)의 기능을 테이블과 타워 사이로 분할하는 타워(도시되지 않음)를 또한 포함할 수 있다. 이전의 개시된 실시예들에서와 같이, 타워는 처리, 계산, 및 제어 능력, 전력, 유체공학, 및/또는 광학 및 센서 처리와 같은 다양한 지원 기능을 테이블에 제공할 수 있다. 타워는 또한 의사의 접근을 개선하고 수술실의 혼잡을 해소하기 위해 환자로부터 멀리 떨어져 위치되도록 이동될 수도 있다. 또한, 타워에 컴포넌트들을 배치하는 것은 잠재적인 로봇 아암의 수납을 위해 테이블 베이스에 더 넓은 저장 공간을 확보할 수 있게 한다. 타워는 키보드 및/또는 펜던트와 같은 사용자 입력을 위한 사용자 인터페이스뿐만 아니라 실시간 이미징, 내비게이션, 및 추적 정보와 같은 수술 전 및 수술 중 정보를 위한 디스플레이 스크린(또는 터치스크린) 양자 모두를 제공하는 마스터 컨트롤러 또는 콘솔을 또한 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 타워는 흡입용으로 사용되는 가스 탱크용 홀더를 또한 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 테이블 베이스는 사용 중이지 않을 때 로봇 아암들을 수납 및 보관할 수 있다. 도 7은 테이블 기반의 시스템의 실시예에서 로봇 아암들을 수납하는 시스템(47)을 도시한다. 시스템(47)에서, 캐리지들(48)은 로봇 아암들(50), 아암 마운트들(51), 및 캐리지들(48)을 베이스(49) 내에 수납하기 위해 베이스(49) 내로 수직으로 병진될 수 있다. 베이스 커버들(52)은 컬럼(53) 주위에 캐리지들(48), 아암 마운트들(51), 및 아암들(50)을 전개하기 위해 병진 및 후퇴되어 개방될 수 있고, 사용 중이지 않을 때에는 이들을 보호하기 위해 수납되도록 닫혀질 수 있다. 베이스 커버들(52)은 닫혀질 때 먼지 및 유체의 유입을 방지하기 위해 그 개구의 에지를 따라 멤브레인(54)으로 밀봉될 수 있다.
도 8은 요관경 검사 시술용으로 구성된 로봇 작동식의 테이블 기반의 시스템의 실시예를 도시한다. 요관경 검사에서, 테이블(38)은 컬럼(37) 및 테이블 베이스(46)로부터 환자를 비스듬히 위치시키기 위한 스위블 부분(swivel portion)(55)을 포함할 수 있다. 스위블 부분(55)은 스위블 부분(55)의 하단 부분을 컬럼(37)으로부터 멀리 위치시키기 위해 (예를 들면, 환자의 두부의 아래에 위치된) 선회점을 중심으로 회전 또는 선회할 수 있다. 예를 들어, 스위블 부분(55)의 선회는 C 아암(도시되지 않음)이 테이블(38) 아래의 컬럼(도시되지 않음)과 공간을 놓고 경합함이 없이 환자의 하복부의 위에 위치될 수 있게 한다. 컬럼(37)을 중심으로 캐리지(35)(도시되지 않음)를 회전시킴으로써, 로봇 아암들(39)은 요도에 도달하기 위해 가상 레일(57)을 따라 요관경(56)을 환자의 서혜부(groin area) 내로 직접 삽입할 수 있다. 요관경 검사에서는, 시술 중에 환자의 다리 위치를 지지하고 환자의 서혜부에 대한 명확한 접근을 허용하기 위해 테이블(38)의 스위블 부분(55)에 스터럽(stirrup)(58)이 또한 고정될 수 있다.
복강경 검사 시술에서는, 환자의 복벽의 작은 절개부(들)를 통해 최소 침습성 기기들이 환자의 해부학적 구조 내에 삽입될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 최소 침습성 기기들은 환자 체내의 해부학 구조에 접근하는 데 사용되는 샤프트와 같은 세장형 강성 부재를 포함한다. 환자의 복강을 팽창시킨 후에, 종종 복강경이라고 지칭되는 기기들이 파지, 절단, 절제, 봉합 등과 같은 수술 작업을 수행하도록 유도될 수 있다. 도 9는 복강경 검사 시술용으로 구성된 로봇 작동식의 테이블 기반의 시스템의 실시예를 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 로봇 아암(39)의 쌍들을 테이블(38)의 상반 측면에 위치시키기 위해 시스템(36)의 캐리지들(43)이 회전되고 수직으로 조정될 수 있으며, 그래서 기기들(예를 들면, 복강경들)(59)이 환자의 양측의 최소 절개부를 통과하여 그 복강에 도달하도록 아암 마운트들(45)을 사용하여 위치될 수 있다.
복강경 검사 시술에 대처하기 위해, 로봇 작동식의 테이블 시스템은 플랫폼을 원하는 각도로 또한 틸팅시킬 수 있다. 도 10은 피치 또는 틸트 조정을 갖는 로봇 작동식 의료 시스템의 실시예를 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 시스템(36)은 테이블의 한 부분을 다른 부분보다 바닥으로부터 더 먼 거리에 위치시키기 위해 테이블(38)의 틸트를 수용할 수 있다. 또한, 아암 마운트들(45)은 아암들(39)이 테이블(38)과 동일 평면 관계를 유지하도록 틸트와 매칭되도록 회전할 수 있다. 보다 가파른 각도를 수용하기 위해, 컬럼(37)은 테이블(38)이 바닥에 닿거나 베이스(46)와 충돌하는 것을 방지하기 위해 컬럼(37)의 수직 연장을 허용하는 텔레스코핑 부분(60)을 또한 포함할 수 있다.
도 11은 테이블(38)과 컬럼(37) 사이의 인터페이스의 상세 예시를 제공한다. 복수의 자유도로 컬럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하기 위해 피치 회전 메커니즘(61)이 구성될 수 있다. 피치 회전 메커니즘(61)은 컬럼-테이블 인터페이스에서의 직교 축들(1, 2)의 위치 설정에 의해 가능하게 될 수 있으며, 각각의 축은 전기 피치 각도 명령에 응답하여 개별 모터(3, 4)에 의해 작동된다. 하나의 스크류(5)에 따른 회전은 하나의 축(1)에서 틸트 조정을 가능케 할 수 있는 한편, 다른 스크류(6)에 따른 회전은 다른 축(2)을 따라서 틸트 조정을 가능케 할 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 복수의 자유도로 컬럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하기 위해 볼 조인트가 사용될 수 있다.
예를 들어, 피치 조정은 하복부 수술을 위해 테이블을 트렌델렌부르크 자세(Trendelenburg positioin)로 배치하려고 할 때, 즉 환자의 하복부를 환자의 하복부보다 바닥으로부터 더 높은 위치에 배치하려고 할 때 특히 유용하다. 트렌델렌부르크 자세는 환자의 내장이 중력을 통해 그 상복부 쪽으로 슬라이드되게 하며, 그래서 최소 침습성 툴이 들어가서 복강경 전립선 절제술과 같은 하복부 수술 시술을 수행할 수 있게 복강을 비우게 된다.
C. 기기 드라이버 및 인터페이스
시스템의 로봇 아암의 엔드 이펙터들은 (i) 의료 기기를 작동시키기 위한 전기-기계 수단을 통합한 기기 드라이버(혹은 "기기 구동 메커니즘" 또는 "기기 디바이스 매니퓰레이터(Instrument Device Manipulator: IDM)"라고도 지칭됨), 및 (ii) 모터와 같은 임의의 전기-기계 컴포넌트들이 없을 수 있는 분리 가능 또는 착탈식 의료 기기를 포함한다. 이러한 이분법은 의료 시술에 사용되는 의료 기기들을 멸균해야 할 필요성, 및 그 복잡한 기계 조립체 및 민감한 전자장치로 인해 고가의 자본 장비를 적절히 멸균할 수 없음에 의해 초래될 수 있다. 따라서, 의료 기기들은 의사 또는 의사의 직원에 의한 개별 멸균 또는 폐기를 위해 기기 드라이버(및 그에 따라 시스템)로부터 분리, 제거, 및 교환되도록 설계될 수 있다. 대조적으로, 기기 드라이버들은 변경 또는 멸균될 필요가 없으며 보호를 위해 드레이프로 커버될 수 있다.
도 12는 예시적인 기기 드라이버를 도시한다. 로봇 아암의 원위 단부에 배치되는 기기 드라이버(62)는 구동 샤프트(64)를 통해 의료 기기에 제어된 토크를 제공하기 위해 평행 축들과 함께 배치된 하나 이상의 구동 유닛(63)을 포함한다. 각 구동 유닛(63)은 기기와 상호 작용하기 위한 개별 구동 샤프트(64), 모터 샤프트의 회전을 원하는 토크로 변환하기 위한 기어 헤드(65), 구동 토크를 발생시키기 위한 모터(66), 모터 샤프트의 속도를 측정하고 제어 회로에 피드백을 제공하는 인코더(67), 및 제어 신호들을 수신하고 구동 유닛을 작동시키기 위한 제어 회로(68)를 포함한다. 각 구동 유닛(63)은 독립적으로 제어되고 전동화되므로, 기기 드라이버(62)는 복수(도 12에 도시된 바와 같이 4개)의 독립적인 구동 출력부를 의료 기기에 제공할 수 있다. 작동시, 제어 회로(68)는 제어 신호를 수신하고, 모터 신호를 모터(66)에 전송하며, 인코더(67)에 의해 측정된 발생 모터 속도를 원하는 속도와 비교하고, 원하는 토크를 발생시키기 위해 모터 신호를 변조하게 된다.
무균 환경이 요구되는 시술의 경우에, 로봇 시스템은 기기 드라이버와 의료 기기 사이에 있는, 무균 드레이프(sterile drape)에 연결된 무균 어댑터와 같은 구동 인터페이스를 통합할 수 있다. 무균 어댑터의 주 목적은 구동 샤프트와 구동 입력부 사이에 물리적인 분리 및 그에 따른 무균성을 유지하면서 기기 드라이버의 구동 샤프트로부터 기기의 구동 입력부로 각 운동(angular motion)을 전달하는 것이다. 따라서, 예시적인 무균 어댑터는 기기 드라이버의 구동 샤프트 및 기기의 구동 입력부와 감합하도록 의도된 일련의 회전 입력부 및 출력부를 포함할 수 있다. 무균 어댑터에 연결되는, 투명 또는 반투명 플라스틱과 같이 박형의 유연한 재료로 구성된 무균 드레이프는 기기 드라이버, 로봇 아암, 및 카트(카트 기반의 시스템에서) 또는 테이블(테이블 기반의 시스템에서)과 같은 자본 장비를 덮도록 설계된다. 드레이프의 사용은 자본 장비가 멸균을 필요로 하지 않는 영역(예를 들면, 비무균 지역)에 여전히 배치되면서 환자에 근접하게 위치될 수 있게 한다. 무균 드레이프의 반대 측에서, 의료 기기는 멸균을 필요로 하는 영역(즉, 무균 필드)에서 환자와 인터페이스할 수 있다.
D. 의료 기기
도 13은 페어링된 기기 드라이버를 갖는 예시적인 기기를 도시한다. 로봇 시스템과 함께 사용하도록 설계된 다른 기기들과 마찬가지로, 의료 기기(70)는 세장형 샤프트(71)(또는 세장형 몸체) 및 기기 베이스(72)를 포함한다. 의사에 의한 수동 상호 작용을 위한 그 의도된 설계로 인해 "기기 핸들"이라고도 또한 지칭되는 기기 베이스(72)는 일반적으로, 로봇 아암(76)의 원위 단부에서 기기 드라이버(75) 상의 구동 인터페이스를 통해 연장되는 구동 출력부(74)와 감합하도록 설계된 회전 가능한 구동 입력부(73), 예를 들면 리셉터클, 풀리 또는 스풀을 포함할 수 있다. 물리적으로 연결, 래치, 및/또는 결합될 때, 기기 베이스(72)의 감합된 구동 입력부(73)는 구동 출력부(74)로부터 구동 입력부(73)로 토크의 전달이 가능하도록 기기 드라이버(75)의 구동 출력부(74)와 회전축을 공유할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 구동 출력부(74)는 구동 입력부(73) 상의 리셉터클과 감합하도록 설계된 스플라인을 포함할 수 있다.
세장형 샤프트(71)는, 예를 들어 내시경 검사에서와 같이 해부학적 개구부 또는 루멘을 통해 또는, 예를 들어 복강경 검사에서와 같이 최소 침습성 절개부를 통해 전달되도록 설계된다. 세장형 샤프트(66)는 가요성(예를 들면, 내시경과 유사한 특성을 가짐) 또는 강성(예를 들면, 복강경과 유사한 특성을 가짐) 중 어느 하나일 수 있으며, 또는 가요성 부분과 강성 부분 양자 모두의 맞춤형 조합을 포함할 수 있다. 복강경 검사용으로 설계될 때, 강성의 세장형 샤프트의 원위 단부는 적어도 1의 자유도를 갖는 클레비스(clevis)로 형성된 관절형 손목(jointed writst)으로부터 연장되는 엔드 이펙터, 및 기기 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신되는 토크에 응답하여 구동 입력부가 회전함에 따라 힘줄(tendon)로부터의 힘에 기초하여 작동될 수 있는 예를 들면, 그래스퍼(grasper) 또는 가위와 같은 외과용 툴 또는 의료 기기에 연결될 수 있다. 내시경 검사용으로 설계될 때, 가요성의 세장형 샤프트의 원위 단부는 기기 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신되는 토크에 기초하여 관절 운동될 수 있고 굽혀질 수 있는 조종 가능한 또는 제어 가능한 굽힘 섹션(bending section)을 포함할 수 있다.
기기 드라이버(75)로부터의 토크는 샤프트(71)를 따라 힘줄을 사용하여 세장형 샤프트(71)의 하류로 전달된다. 풀 와이어(pull wires)와 같은 이들 개별 힘줄은 기기 핸들(72) 내의 개별 구동 입력부(73)에 개별적으로 고정될 수 있다. 핸들(72)로부터, 힘줄은 세장형 샤프트(71)를 따라 하나 이상의 풀 루멘(pull lumen)의 하류로 유도되며, 세장형 샤프트(71)의 원위 부분에 또는 세장형 샤프트의 원위 부분에서 손목에 고정된다. 복강경 검사, 내시경 검사, 또는 하이브리드 시술과 같은 시술 중에, 이들 힘줄은 손목, 그래스퍼, 또는 가위와 같은, 원위에 장착된 엔드 이펙터에 결합될 수 있다. 이러한 배치 하에서, 구동 입력부(73)에 가해지는 토크는 힘줄에 장력을 전달하게 되며, 그에 의해 엔드 이펙터가 소정 방식으로 작동하게 한다. 몇몇 실시예에서, 외과 시술 중에, 힘줄은 조인트를 축을 중심으로 회전시킬 수 있으며, 그에 의해 엔드 이펙터를 일 방향 또는 타 방향으로 이동시킬 수 있다. 혹은, 힘줄은 세장형 샤프트(71)의 원위 단부에서 그래스퍼의 하나 이상의 조(jaw)에 연결될 수 있는데, 힘줄로부터의 장력은 그래스퍼가 닫히게 한다.
내시경 검사에서, 힘줄은 접착제, 제어 링, 또는 다른 기계적 고정을 통해 세장형 샤프트(71)를 따라 (예를 들면, 원위 단부에) 위치된 굽힘 또는 관절운동 섹션에 결합될 수 있다. 굽힘 섹션의 원위 단부에 고정 부착될 때, 구동 입력부(73)에 가해지는 토크는 힘줄의 하류로 전달되며, 그래서 보다 연질의 굽힘 섹션(때로는 관절 운동 가능 섹션 또는 영역으로도 지칭됨)이 굽혀지거나 관절 운동하게 한다. 비굽힘 섹션을 따라서, 풀 와이어의 장력으로 인해 발행하는 반경방향의 힘을 균형화하기 위해 개별 힘줄을 내시경 샤프트의 벽을 따라(또는 내부에서) 안내하는 개별 풀 루멘(pull lumens)을 나선형 또는 나선으로 하는 것이 유리할 수 있다. 나선의 각도 및/또는 그 사이의 간격은 특정 목적을 위해 변경되거나 설계될 수 있는데, 보다 타이트한 나선은 하중력(load force) 하에서 보다 적은 샤프트 압축을 나타내는 하편, 보다 적은 양의 나선은 하중력 하에서 보다 큰 샤프트 압축을 발생하지만 또한 굽힘을 제한한다. 스펙트럼의 타단에서, 원하는 굽힘 또는 관절 운동 가능 섹션에서 제어된 관절 운동이 가능하도록 풀 루멘은 세장형 샤프트(71)의 길이방향 축에 평행하게 지향될 수 있다.
내시경 검사에서, 세장형 샤프트(71)는 로봇 시술을 보조하기 위한 다수의 컴포넌트를 수용한다. 샤프트는 외과용 툴(또는 의료 기기), 관주, 및/또는 흡인을 샤프트(71)의 원위 단부의 수술 영역에 전개하기 위한 작업 채널을 포함할 수 있다. 샤프트(71)는, 광학 카메라를 포함할 수 있는 원위 선단(distal tip)의 광학 조립체에/로부터 신호들을 전송하기 위해 와이어 및/또는 광섬유를 또한 수용할 수 있다. 샤프트(71)는 발광 다이오드와 같은 근위에 위치한 광원으로부터 샤프트의 원위 단부로 광을 운반하기 위한 광섬유를 또한 수용할 수 있다.
기기(70)의 원위 단부에서, 원위 선단은 진단 및/또는 치료, 관주, 및 흡인을 위한 툴을 수술 부위로 전달하기 위한 작업 채널의 개구부를 또한 포함할 수 있다. 원위 선단은 내부의 해부학적 공간의 이미지를 캡처하기 위해 파이버스코프(fiber scope) 또는 디지털 카메라와 같은 카메라용 포트를 또한 포함할 수 있다. 관련하여, 원위 선단은 카메라를 사용할 때 해부학적 공간을 조명하기 위한 광원을 위한 포트도 또한 포함할 수 있다.
도 13의 예에서, 구동 샤프트의 축, 및 그에 따른 구동 입력부의 축은 세장형 샤프트의 축에 직교한다. 하지만, 이 배치는 세장형 샤프트(71)의 롤 능력(roll capabilities)을 복잡하게 한다. 구동 입력부(73)를 정적으로 유지하면서 세장형 샤프트(71)를 그 축을 따라 롤링(rolling)하는 것은 힘줄이 구동 입력부(73)로부터 연장되어 세장형 샤프트(71) 내의 풀 루멘에 들어갈 때 바람직하지 않은 힘줄의 뒤엉킴을 초래한다. 이러한 힘줄의 결과적인 뒤엉킴은 내시경 검사 시술 중에 가요성의 세장형 샤프트(71)의 움직임을 예측하도록 의도된 임의의 제어 알고리즘을 혼란시킬 수 있다.
도 14는 구동 유닛의 축들이 기기의 세장형 샤프트 축에 평행한, 기기 드라이버 및 기기의 대체의 설계를 도시한다. 도시된 바와 같이, 원형의 기기 드라이버(80)는 로봇 아암(82)의 단부에서 그 구동 출력부(81)가 평행하게 정렬된 4개의 구동 유닛을 포함한다. 구동 유닛 및 그 각각의 구동 출력부(81)는 회전 조립체(83) 내의 구동 유닛들 중 하나에 의해 구동되는 기기 드라이버(80)의 회전 조립체(83)에 수용된다. 회전 구동 유닛에 의해 제공되는 토크에 응답하여, 회전 조립체(83)는 회전 조립체(83)를 기기 드라이버의 비회전 부분(84)에 연결하는 원형 베어링을 따라 회전한다. 브러시형 슬립 링(brushed slip ring) 연결(도시되지 않음)에 의해 회전을 통해 유지될 수 있는 전기 접점을 통해 기기 드라이버(80)의 비회전 부분(84)으로부터 회전 조립체(83)로 전력 및 제어 신호들이 전달될 수 있다. 다른 실시예에서, 회전 조립체(83)는, 회전 불가능 부분(84)에 통합되며 그에 따라 다른 구동 유닛들과 평행하지 않은 별개의 구동 유닛에 응답할 수 있다. 회전 메커니즘(83)은 기기 드라이버(80)가 구동 유닛 및 그 각각의 구동 출력부(81)를 단일 유닛으로서 기기 드라이버 축(85)을 중심으로 회전시키게 할 수 있다.
앞서 개시된 실시예들과 마찬가지로, 기기(86)는 세장형 샤프트 부분(88) 및 기기 드라이버(80) 내의 구동 출력부(81)를 수용하도록 구성된 (리셉터클, 풀리, 및 스풀과 같은) 복수의 구동 입력부(89)를 포함하는 (논의 목적으로 투명한 외부 스킨으로 도시된) 기기 베이스(87)를 포함할 수 있다. 이전에 개시된 실시예들과 달리, 기기 샤프트(88)는 도 13의 설계에서와 같이 직교하는 것이 아니라 구동 입력부(89)의 축에 실질적으로 평행한 축으로 기기 베이스(87)의 중심으로부터 연장된다.
기기 드라이버(80)의 회전 조립체(83)에 결합될 때, 기기 베이스(87)와 기기 샤프트(88)를 포함하는 의료 기기(86)는 기기 드라이버 축(85)을 중심으로 회전 조립체(83)와 함께 회전한다. 기기 샤프트(88)는 기기 베이스(87)의 중심에 위치되므로, 기기 샤프트(88)는 부착될 때 기기 드라이버 축(85)과 동축을 이룬다. 그래서, 회전 조립체(83)의 회전은 기기 샤프트(88)가 그 자신의 길이방향 축을 중심으로 회전하게 한다. 또한, 기기 베이스(87)가 기기 샤프트(88)와 함께 회전하므로, 기기 베이스(87)의 구동 입력부(89)에 연결된 어떠한 힘줄도 회전 중에 뒤엉키지 않는다. 따라서, 구동 출력부(81), 구동 입력부(89), 및 기기 샤프트(88)의 축들의 평행성은 어떠한 제어 힘줄의 뒤엉킴도 없이 샤프트의 회전을 가능케 한다.
E. 탐색 및 제어
전통적인 내시경 검사는 수술자인 의사에게 관내 안내(endoluminal guidance)를 제공하기 위해 (예를 들면, C 아암을 통해 제공될 수 있는) 형광 투시법 및 다른 형태의 방사선 기반의 이미징 방식을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 대조적으로, 본 발명에 의해 구상되는 로봇 시스템은 방사선에 대한 의사의 노출을 저감시키고 수술실 내의 장비의 수량을 저감시키기 위해 비방사선 기반의 내비게이션 및 위치 특정 수단을 제공할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "위치 특정(localization)"이라는 용어는 기준 좌표계에서 물체의 위치를 결정 및/또는 모니터링하는 것을 지칭할 수 있다. 방사선이 없는 수술 환경을 달성하기 위해 수술 전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터와 같은 기술이 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 방사선 기반의 이미징 방식이 여전히 사용되는 다른 경우에서는, 방사선 기반의 이미징 방식을 통해서만 획득되는 정보를 개선하기 위해 수술 전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터가 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 기기의 위치와 같은 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치 특정 시스템을 예시하는 블록도이다. 위치 특정 시스템(90)은 하나 이상의 명령을 실행하도록 구성된 하나 이상의 컴퓨터 디바이스의 세트일 수 있다. 컴퓨터 디바이스들은 위에서 논의된 하나 이상의 컴포넌트의 프로세서(또는 프로세서들) 및 컴퓨터 가독 메모리에 의해 실시될 수 있다. 한정이 아니라 예로서, 컴퓨터 디바이스들은 도 1에 도시된 타워(30), 도 1 내지 도 4에 도시된 카트, 도 5 내지 도 10에 도시된 침대 등에 있을 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 위치 특정 시스템(90)은 의료 기기의 원위 선단에 대한 위치 데이터(96)를 생성하기 위해 입력 데이터(91 내지 94)를 처리하는 위치 특정 모듈(95)을 포함할 수 있다. 위치 데이터(96)는 기준 프레임에 대한 기기의 원위 단부의 위치 및/또는 배향을 나타내는 데이터 또는 로직일 수 있다. 기준 프레임은 환자의 해부학적 구조 또는 전자계 발생기(전자계 발생기에 대해서는 아래의 논의 참조)와 같은 알려진 물체에 대한 기준 프레임일 수 있다.
이제 다양한 입력 데이터(91 내지 94)가 보다 상세히 설명된다. 수술 전 매핑은 저선량 CT 스캔의 컬렉션의 사용을 통해 달성될 수 있다. 수술 전 CT 스캔은 3차원 이미지로 재구성되는데, 이들 이미지는 예를 들면, 환자의 내부 해부학적 구조의 절취도(cutaway view)의 "슬라이스"로 시각화된다. 종합적으로 분석될 때, 환자의 폐(lung) 네트워크와 같은 환자의 해부학적 구조의 강(cavities), 공간, 및 구조에 대한 이미지 기반의 모델이 생성될 수 있다. 모델 데이터(91)(수술 전 CT 스캔만을 사용하여 생성될 때에는 "수술 전 모델 데이터"라고도 또한 지칭됨)로 지칭되는 환자의 해부학적 구조의 3차원 볼륨을 작성하기 위해 중심선 지오메트리(center-line geometry)와 같은 기법이 CT 이미지로부터 결정 및 근사화될 수 있다. 중심선 지오메트리의 사용은 미국 특허 출원 제14/523,760호에 논의되어 있으며, 상기 특허 출원의 내용은 그 전체가 본 명세서에 통합되어 있다. 네트워크 토폴로지 모델도 또한 CT 이미지로부터 도출될 수 있으며, 특히 기관지 내시경 검사에 적합하다.
몇몇 실시예에서, 기기에는 비전 데이터(92)를 제공하기 위한 카메라가 구비될 수 있다. 위치 특정 모듈(95)은 하나 이상의 비전 기반의 위치 추적을 가능케 하기 위해 비전 데이터를 처리할 수 있다. 예를 들어, 수술 전 모델 데이터는 의료 기기(예를 들면, 내시경 또는 내시경의 작업 채널을 통한 기기의 전진)의 컴퓨터 비전 기반의 추적을 가능케 하기 위해 비전 데이터(92)와 연계되어 사용될 수 있다. 예를 들면, 수술 전 모델 데이터(91)을 사용하여, 로봇 시스템은 내시경의 예상되는 이동 경로에 기초한 모델로부터 예상되는 내시경 이미지의 라이브러리를 생성할 수 있으며, 각각의 이미지는 모델 내의 위치에 링크된다. 수술 중에, 이 라이브러리는 위치 특정을 지원하기 위해 카메라(예를 들면, 내시경의 원위 단부에 있는 카메라)에서 캡처된 실시간 이미지를 이미지 라이브러리 내의 이미지와 비교하기 위해 로봇 시스템에 의해 참조될 수 있다.
다른 컴퓨터 비전 기반의 추적 기법은 카메라의 움직임 및 그에 따른 내시경의 움직임을 결정하기 위해 특징 추적(feature tracking)을 사용한다. 위치 특정 모듈(95)의 몇몇 특징은 해부학적 루멘에 대응하는 수술 전 모델 데이터(91) 내의 원형의 기하학적 구조를 식별하고 이들 기하학적 구조의 변화를 추적하여, 어느 해부학적 루멘이 선택되었는지 뿐만 아니라 카메라의 상대적인 회전 및/또는 병진 운동을 결정할 수 있다. 토폴로지 맵의 사용은 비전 기반의 알고리즘 또는 기법을 더욱 향상시킬 수 있다.
다른 컴퓨터 비전 기반의 기법인 광학 흐름(optical flow)은 카메라의 움직임을 유추하기 위해 비전 데이터(92) 내의 비디오 시퀀스에서 이미지 픽셀의 변위 및 병진을 분석할 수 있다. 광학 흐름 기법의 예는 모션 검출, 객체 세그멘테이션 계산, 휘도, 모션 보상 인코딩, 스테레오 디스패리티 측정 등을 포함할 수 있다. 복수 회의 반복에 걸친 복수의 프레임의 비교를 통해, 카메라(및 그에 따라 내시경)의 움직임 및 위치가 결정될 수 있다.
위치 특정 모듈(95)은 수술 전 모델에 의해 표현되는 환자의 해부학적 구조에 등록될 수 있는 글로벌 좌표계에서의 내시경의 실시간 위치를 생성하기 위해 실시간 EM 추적을 사용할 수 있다. EM 추적에서, 의료 기기(예를 들면, 내시경 검사 툴)에 하나 이상의 위치 및 배향으로 내장된 하나 이상의 센서 코일을 포함하는 EM 센서(또는 트래커)는 알려진 위치에 배치된 하나 이상의 정적 전자계(EM field) 발생기에 의해 발생된 전자계의 변동을 측정한다. EM 센서들에 의해 검출된 위치 정보는 EM 데이터(93)로서 저장된다. 전자계 발생기(또는 송신기)는 내장 센서가 검출할 수 있는 저강도(low intensity) 자계를 발생시키기 위해 환자 가까이에 배치될 수 있다. 자계는 EM 센서의 센서 코일에 작은 전류를 유도하는데, 이는 EM 센서와 전자계 발생기 사이의 거리와 각도를 결정하기 위해 분석될 수 있다. 이들 거리 및 배향은 좌표계 내의 단일 위치를 환자의 해부학적 구조의 수술 전 모델의 위치와 일치시키는 기하학적 변환을 결정하기 위해 환자의 해부학적 구조(예를 들면, 수술 전 모델)에 수술 중에 "등록"될 수 있다. 등록되고 나면, 의료 기기의 하나 이상의 위치(예를 들면, 내시경의 원위 선단)에 내장된 EM 트래커가 환자의 해부학적 구조를 통한 의료 기기의 진행 상황의 실시간 표시를 제공할 수 있다.
로봇 시스템에 위치 특정 데이터(96)를 제공하기 위해 위치 특정 모듈(95)에 의해 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)가 또한 사용될 수 있다. 관절 운동 명령으로 인해 발생하는 디바이스의 피치 및 요(yaw)는 수술 전 교정 중에 결정될 수 있다. 수술 중에, 이들 교정 측정치는 기기의 위치를 추정하기 위해 알려진 삽입 깊이 정보와 합동으로 사용될 수 있다. 혹은, 이들 계산은 네트워크 내에서 의료 기기의 위치를 추정하기 위해 EM, 비전, 및/또는 토폴로지 모델링과 합동으로 분석될 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 다수의 다른 입력 데이터가 위치 특정 모듈(95)에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시되지는 않았으나, 형상 감지 섬유(image-sensing fiber)를 이용하는 기기는 위치 특정 모듈(95)이 기기의 위치 및 형상을 결정하기 위해 사용할 수 있는 형상 데이터를 제공할 수 있다.
위치 특정 모듈(95)은 입력 데이터(91 내지 94)를 조합하여 사용할 수 있다. 몇몇 경우에, 이러한 조합은 위치 특정 모듈(95)이 입력 데이터(91 내지 94) 각각으로부터 결정된 위치에 신뢰도 가중치를 할당하는 확률적 접근법을 사용할 수 있다. 그래서, (EM 간섭이 존재하는 경우일 수 있는) EM 데이터가 신뢰할 수 없는 경우, EM 데이터(93)에 의해 결정된 위치의 신뢰도는 저하될 수 있으며, 위치 특정 모듈(95)은 비전 데이터(92) 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)에 보다 심하게 의존할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 본 명세서에서 논의되는 로봇 시스템은 상기 기술들 중 하나 이상의 기술의 조합을 통합하도록 설계될 수 있다. 타워, 침대 및/또는 카트를 기반으로 한 로봇 시스템의 컴퓨터 기반의 제어 시스템은, 실행시 시스템이 센서 데이터 및 사용자 명령을 수신 및 분석하고, 시스템 전체에서 제어 신호들을 생성하며, 글로벌 좌표계 내에서의 기기의 위치, 해부학적 맵 등과 같은 내비게이션 및 위치 특정 데이터를 디스플리이하게 하는 컴퓨터 프로그램 명령을 예를 들면, 영구 자기 스토리지 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브 등과 같은 비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체 내에 저장할 수 있다.
2. 로봇 아암 어드미턴스 제어 기법
본 발명의 실시예들은, 예를 들어 외과용 로봇 시스템의 사용자(예를 들면, 임상의)로부터 수신된 입력에 기초하여 하나 이상의 로봇 아암의 움직임을 제어하기 위한 시스템 및 기법에 관한 것이다. (예를 들면, 아암들 중 하나에 직접 힘을 가함으로써) 외과용 로봇 시스템의 하나 이상의 로봇 아암의 직접 제어가 사용자에게 바람직한 상황이 있을 수 있다. 예를 들어, 의료 시술을 위한 외과용 로봇 시스템의 셋업은 적어도 하나의 로봇 아암을 정렬 디바이스 및/또는 환자에 정렬되도록 특정 포즈로 움직히는 것을 포함할 수 있다. 로봇 아암을 잡고 이에 힘을 가함으로써, 사용자는 로봇 아암의 위치를 직관적인 방식으로 직접 제어할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "어드미턴스 제어 모드"(또는 간단히 "어드미턴스 모드")라는 용어는 사용자가 로봇 아암에 힘을 가함으로써 로봇 아암의 움직임을 제어하는 외과용 로봇 시스템의 제어 모드를 지칭할 수 있다.
로봇 아암은 로봇 아암의 현재 포즈를 재배치하고 유지하도록 구성된 구동 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 그래서, 어드미턴스 제어 기능을 제공하기 위해, 시스템은 사용자에 의해 로봇 아암에 부여된 힘을 측정하고 측정된 힘을 입력 값으로 사용하여 구동 컴포넌트들 중 하나 이상을 작동시킬 수 있다.
사용자 입력(즉, 사용자에 의해 로봇 아암에 부여되는 힘)에 대한 적절한 해석이 없으면, (예를 들면, 로봇 아암이 사용자가 로봇 아암에 가하는 힘에 상응하지 않는 방식으로 가속/감속하는 경우에) 구동 컴포넌트들에 의한 로봇 아암의 작동 및 움직임은 사용자에게 자연스럽거나 직관적인 "느낌"을 갖지 않을 수 있다. 그래서, 보통(normal) 내지 가벼운 터치로 제어가 가능하고, 즉각 반응하는 움직임을 제공하며, 시스템 지연을 최소화하고, 제어 감각을 제공하는 등의 방식으로 사용자에 의해 아암에 가해지는 힘에 기초하여 로봇 아암의 움직임을 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 본 명세서에 개시된 기법들에 대한 추가 이점은: 낮은 경시적 힘(force-over-time) 값(예를 들면, 문턱값 미만의 임펄스 값)으로 로봇 아암의 움직임(예를 들면, 병진 및/또는 회전)을 제공하는 것 - 이는 로봇 아암의 소규모 변위 및 대규모 변위 양자 모두를 제공할 수 있음 -; 가해진 힘에 비례하는 로봇 아암의 움직임 속도를 제공하는 것; 및, 임펄스 값이 0에 도달할 때 즉시 로봇 아암의 움직임을 종료하는 것을 포함하나, 이에 국한되지 않는다.
본 발명의 양태는 이들 이점 중 하나 이상을 달성하기 위해 사용자 입력을 측정하고 하나 이상의 로봇 아암의 움직임을 제어하기 위한 시스템 및 기법에 관한 것이다.
A. 어드미턴스 제어를 위한 예시적인 시스템
도 16은 본 발명의 양태에 따른 어드미턴스 제어 모드에서 로봇 아암의 움직임을 제어하도록 구성될 수 있는 카트 기반의 로봇 시스템의 실시예를 도시한다. 도 16은 로봇 아암(들)이 카트에 부착된 실시예에 대한 것이지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 본 명세서에 기재된 기법들은 예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이 환자 플랫폼을 지지하는 컬럼에 부착된 로봇 아암(들)에도 적용 가능하다.
도 16으로 돌아가면, 카트(105) 및 하나 이상의 로봇 아암(110 및 120)을 포함할 수 있는 시스템(100)이 제공된다. 카트(105)는 프로세서(도시되지 않음) 및 메모리(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 하지만, 실시예에 따라, 프로세서와 메모리 중 하나 이상은 도 1에 예시된 가동 타워(30) 상에와 같이 다른 디바이스 상에 또는 그 내부에 위치될 수도 있다. 도 16에는 의료 시술 전에 환자(도시되지 않음)에게 삽입될 수 있는 환자 도입기(introducer)(130)가 또한 도시되어 있다. 환자 도입기(130)는 의료 시술을 위해 조종 가능한 기기(도시되지 않음)를 환자 내부로 안내하도록 구성된 도입기 튜브(131)를 포함할 수 있다. 환자 도입기(130)는 환자 도입기(130)와 로봇 아암들(110 및 120) 중 하나 사이의 정렬을 용이하게 하도록 구성된 정렬 부재(133)를 또한 포함할 수 있다.
로봇 아암(110 및 120)은 각각 제1 로봇 아암(110) 및 제2 로봇 아암(120)을 포함할 수 있다. 하지만, 본 발명의 양태는 더 많거나 더 적은 수의 로봇 아암을 갖는 시스템에도 또한 적용 가능하다. 도 16의 실시예에서, 제1 로봇 아암(110)은 복수의 링크장치(111), 복수의 조인트(113), 및 IDM(115)을 포함한다. 조인트들(113) 각각은 2개의 인접한 링크장치(111)를 연결한다. 도시되지는 않았으나, 제1 로봇 아암(110)은 2개의 링크장치(111) 사이의 토크를 검출하도록 구성된 토크 센서를 또한 포함할 수 있다. 특정 구현예에서, 소정 조인트(113)는 이 소정 조인트(113)에 인접한 2개의 링크장치(111) 사이의 토크를 검출하도록 구성된 대응하는 토크 센서를 수용할 수 있다. 그래서, 토크 센서는 조인트(113)에 위치될 수 있고, 2개의 인접한 링크장치(111)에 결합될 수 있다. 제1 로봇 아암(110)을 카트(105)에 연결하는 조인트(113)에 토크 센서가 제공될 수도 있다. 특정 구현예에서, 토크 센서(들)는 대응하는 조인트(113)의 회전축을 따르지 않는 토크가 토크 센서의 출력에 영향을 미치는 것을 최소화하도록 구성된 복수의 스트레인 게이지를 통해 구현될 수 있다.
또한, 모터(도시되지 않음)가 조인트들(113) 각각에 위치될 수 있고, 2개의 인접한 링크장치(111)에 결합될 수 있다. 그래서, 소정의 조인트(113)는 2개의 인접한 링크장치(111)의 위치 설정을 조정하기 위해 2개의 인접한 링크장치(111) 사이(또는 링크장치(111)와 카트(105) 사이)에 힘을 가하도록 구성된 모터를 또한 수용할 수 있다. IDM(115)은 로봇 아암(110)의 원위 단부에 연결될 수 있다. 제1 로봇 아암(110)의 하나 이상의 조인트(113) 내의 모터를 작동시킴으로써, 모터는 (예를 들면, 제1 로봇 아암(110)의 하나 이상의 조인트(113)의 위치 및/또는 배향을 조정함으로써) 제1 로봇 아암(110)의 자세(posture) 또는 포즈(pose) 및 그에 따라 IDM(115)의 자세 또는 포즈를 조정하고, 그에 의해 IDM(115)에 부착된 조종 가능한 기기를 제어하도록 작동 가능할 수 있다.
조인트들(113) 각각은 2개의 인접한 링크장치(111)의 상대 위치를 측정하도록 구성된 위치 센서를 또한 수용할 수 있다. 그래서, 소정의 조인트(113)는 2개의 인접한 링크장치(111) 사이의 각도를 측정하도록 구성될 수 있는 위치 센서를 또한 수용할 수 있다. 시스템은 위치 센서들 각각의 출력에 기초하여 제1 로봇 아암(110) 내의 링크장치들(111) 각각의 위치를 결정할 수 있다. 또한, 아래에서 논의되는 바와 같이, 위치 센서의 출력은 제1 로봇 아암(110) 상의 기준점에 가해지는 힘을 결정하는데 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 소정의 위치 센서는 인코더를 포함할 수 있다. 인코더는 예를 들면, 모터 샤프트 상에 인쇄된 코드화된 시각 정보를 읽어들임으로써 모터 샤프트의 속도 및/또는 위치를 측정하도록 구성될 수 있고, 모터의 속도 및/또는 위치를 나타내는 피드백을 시스템에 제공할 수 있다.
제1 로봇 아암(110)과 유사하게, 제2 로봇 아암(120)은 복수의 링크장치(121), 인접한 링크장치들(121)을 연결하는 복수의 조인트(123), 및 IDM(125)을 포함할 수 있다. 조인트들(123) 각각은 대응하는 토크 센서, 모터, 및 위치 센서(도시되지 않음)를 수용할 수 있다. IDM(125)은 또한 조종 가능한 기기를 작동시키기 위해 조종 가능한 기기에 부착될 수 있다.
특정 실시예에서는, 조인트들(113 및 123) 각각에 별도의 토크 센서와 모터를 포함하는 대신에, 모터가 토크 센서로도 또한 기능할 수 있다. 예를 들어, 제1 로봇 아암(110)에 힘(예를 들면, 중력, 충돌력, 사용자에 의해 가해진 힘 등)이 가해질 때, 모터(들)는 제1 로봇 아암(110)의 위치를 유지하기 위해 조인트(113)에 반대의 및 대항하는 힘(들)을 가하도록 구성될 수 있다. 제1 로봇 아암(110)의 위치를 유지하기 위해 모터(들)에 요구되는 모터 전류는 대응하는 조인트(113)에 가해지는 토크에 대응할 수 있다.
B. 로봇 아암 셋업
하나 이상의 로봇 아암의 위치 설정은 의료 시술을 위해 외과용 로봇 시스템을 준비하기 위한 셋업 절차의 일부일 수 있다. 사용되는 구체적인 셋업 절차는 수행되는 의료 시술, 로봇 시스템의 구성(예를 들면, 아암이 카트에 부착되는지(도 16 참조) 또는 플랫폼을 지지하는 컬럼에 부착되는지(도 6 참조) 여부) 등에 따라 달라질 수 있다.
도 17은 본 발명의 양태에 따른 기관지 내시경 검사 시술을 위한 예시적인 셋업 절차의 특징을 도시하는 흐름도이다. 도 17에 도시된 방법(1700)은 단지 예시적인 구현예일뿐이며, 방법(1700)은 방법(1700)과 관련된 블록들 중 하나 이상을 추가, 제거, 및/또는 수정함으로써 수정될 수 있다. 도 17은 셋업 절차에 대한 설명을 용이하게 하기 위해 기관지 내시경 검사를 예시적인 의료 시술로 사용하고 있으나, 본 발명의 양태는 일반적으로 로봇 아암에 가해지는 힘의 사용을 통한 로봇 아암의 움직임에 관한 것이며, 그래서 다른 의료 시술 또는 단순히 로봇 아암의 움직임에 적용될 수 있다.
방법(1700)은 블록 1701에서 시작한다. 블록 1705에서, 방법(1700)은 카트를 초기 위치로 이동시키는 것을 포함한다. 예를 들어, 사용자는 카트를 환자의 접근점에 근접하게(예를 들면, 정의된 거리 내에) 위치되도록 이동할 수 있다. 카트가 적소로 이동되면, 사용자는 예를 들면, 카트의 캐스터를 잠금으로써 카트를 고정시킬 수 있다. 블록 1710은 사용자가 로봇 아암들 중 하나 이상을 초기 포즈로 배치할 수 있는 아암 셋업 단계를 포함할 수 있다.
특정 의료 시술에서는, 시술을 수행하기 전에 로봇 아암(들)(112)이 환자와 정렬될 필요가 있을 수 있다. 그래서, 아암 셋업 단계는 로봇 아암들(112) 중 하나 이상을 환자의 접근점과 정렬시키기 위한 정렬 스텝을 포함할 수 있다. 사용되는 접근점은 수행되는 의료 시술의 유형에 따라 다를 수 있으므로, 구체적인 정렬 절차는 의료 시술 유형에 따라 다를 수 있다. 기관지 내시경 검사의 예에서, 환자 도입기가 기관지 내시경을 환자의 입 안으로 안내하는 데 사용될 수 있다. 환자 도입기가 환자의 입 안으로 삽입될 수 있고, 로봇 아암을 환자 도입기와 정렬함으로써 로봇 아암은 환자와 정렬될 수 있다. 그래서, 기관지 내시경 검사 셋업 절차의 일 구현예에서, 사용자는 로봇 아암들 중 제1 아암을 환자 도입기와 정렬시킬 수 있다. 예를 들면, 제1 로봇 아암과 나머지 로봇 아암(들) 사이에 가상 레일을 유지함으로써, 나머지 로봇 아암(들)은 사용자에 의해 선택된 제1 로봇 아암의 포즈와 자동으로 정렬될 수 있다.
특정 구현예에서, 로봇 아암의 움직임은 특정 경계 내(예를 들면, 영역 또는 부피)로 제한될 수 있다. 시스템은 경계에서 "가상 벽"을 시뮬레이션함으로써 사용자가 IDM을 경계 밖으로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 특정 구현예에서, 경계는 환자와 정렬 상태에 있을 때의 로봇 아암의 포즈가 원하는 의료 시술를 수행할 수 있도록 로봇 아암의 충분한 움직임을 허용하도록 보장할 수 있다.
제1 로봇 아암이 환자 도입기와 정렬되고 난 후에, 블록 1715에서, 시스템은 로봇 아암(들)을 로드 기기(들) 포즈(load instrument(s) pose)로 후퇴시킨다. 몇몇 실시예에서, 시스템은 사용자로부터 로드 기기 포즈 입력을 수신하는 것에 응답하여 로봇 아암(들)을 로드 기기(들) 포즈로 후퇴시킬 수 있다. 이 입력은 사용자가 정렬 스텝을 완료하였으며 기기(예를 들면, 기관지 내시경의 쉬드 및 스코프)를 로봇 아암에 로드할 준비가 되었음을 나타낼 수 있다. 블록 1720에서, 사용자는 의료 기기를 대응하는 로봇 아암(들)에 로드한다. 방법(1700)은 블록 1725에서 종료된다.
C. 로봇 아암에 가해지는 힘의 결정
로봇 아암의 위치 설정은 사용자 또는 외과용 로봇 시스템에 의해 원격으로 제어될 수 있으나, 로봇 아암의 원격 제어는 로봇 아암들 중 적어도 하나가 환자와 정렬되는 정렬 단계 중에는 편리하지 않을 수 있다. 예를 들어 기관지 내시경 검사, 내시경 검사, 또는 유사한 시술 중에, 하나 이상의 로봇 아암이 환자 도입기와 정렬될 수 있는데, 이는 시스템의 로컬 좌표계 내에서 환자 도입기의 위치를 식별하는 것을 포함할 수 있다. 도 16을 다시 참조하면, 정렬 절차는 IDM(115)이 정렬 부재(133)와 접촉하도록 제1 로봇 아암(110)을 움직이는 것을 포함할 수 있다. 정렬 부재(133)는 정렬을 위한 IDM(115)의 특정 위치 및 배향을 정의함으로써 IDM(115)과의 정렬을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 특정 실시예에서, 정렬 부재(133)는 IDM(115)의 형상에 상보적인 형상 및 IDM(115)의 회전 위치를 정의하는 하나 이상의 마킹을 가질 수 있다. IDM(115)은 환자 도입기(130) 상의 마킹과 매칭될 수 있는 대응하는 마킹(들)을 포함할 수 있다.
정렬은 제1 로봇 아암(110)의 정밀한 움직임 및 위치 설정뿐만 아니라 정렬 부재(133)와 IDM(115)의 마킹 및/또는 상보적인 형상의 정렬의 시각적 확인을 필요로 할 수 있기 때문에, 사용자는 정렬 부재(133)와 IDM(115) 양자 모두가 보이는 위치에 있는 것이 유리할 수 있다. 그래서, 적어도 하나의 구현예에서, 시스템(100)은 어드미턴스 제어 모드에서 사용자에 의해 제1 로봇 아암(110)에 직접 가해지는 힘의 형태로 사용자 입력을 수신하도록 구성될 수 있다. 로봇 아암들 중 하나 이상(예를 들면, 정렬 중에 사용될 수 있는 제1 로봇 아암(110))은 어드미턴스 제어 모드로 들어가고 및/또는 빠져나가기 위해 사용자에 의해 작동될 수 있는 어드미턴스 제어 버튼을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 어드미턴스 제어 버튼은 IDM(115)의 정의된 거리 내에 또는 로봇 아암(110)의 다른 부분에 위치될 수 있다. 하지만, 다른 구현예에서, 시스템(100)은 시스템(100)의 다른 곳에 위치된 어드미턴스 제어 버튼에 기초하여 또는 터치스크린, 페달 등을 통해서와 같이, 버튼 이외의 다른 유형의 입력을 통해 어드미턴스 모드로 들어가기/빠져나가기에 관한 입력을 사용자로부터 수신하도록 구성될 수 있다. 또한, 어드미턴스 제어 버튼 또는 유사한 입력 컴포넌트의 작동은 하나의 로봇 아암(예를 들면, 제1 로봇 아암(110)) 또는 복수의 로봇 아암(예를 들면, 로봇 아암들(110 및 120))에 대한 어드미턴스 제어 모드를 활성화할 수 있다.
특정 외과용 로봇 시스템은 해당 로봇 아암의 기준점에서 겪는 힘을 측정하기 위해 로봇 아암들 각각에 힘 센서(force sensor)를 통합할 수 있다. 일례에서, 기준점은 IDM(115)과 같은 IDM 상에 위치될 수 있다. 예를 들어, 힘 센서는 IDM(115)에 가해지는 힘을 측정하기 위해 도 16의 제1 로봇 아암(110)의 IDM(115) 상에 또는 근처에(예를 들면, 정의된 거리 내에) 위치될 수 있다. 하지만, 가해진 힘을 충분한 정확도로 측정할 수 있는 힘 센서는 고가일 수 있다. 그래서, 특정 구현예에서, 시스템은 토크 센서들로부터 출력된 토크 값들을 사용하여 IDM(115)(또는 로봇 아암(110) 상의 임의의 기준점)에서의 힘을 결정할 수 있다.
도 18은 본 발명의 양태에 따른, 어드미턴스 모드에서 로봇 아암에 가해지는 힘을 결정하고 결정된 힘에 기초하여 로봇 아암을 움직이기 위한 예시적인 절차를 도시하는 흐름도이다. 도 18에 도시된 방법(1800)은 단지 예시적인 구현예일뿐이며, 방법(1800)은 방법(1800)과 관련된 블록들 중 하나 이상을 추가, 제거, 및/또는 수정함으로써 수정될 수 있다. 편의상, 방법(1800)은 시스템(예를 들면, 도 16의 외과용 로봇 시스템(100))에 의해 수행되는 것으로 설명될 것이다. 하지만, 방법(1800)의 특정 양태들은 예를 들면, 메모리에 저장된 컴퓨터 실행 가능 명령에 기초하여 시스템의 하나 이상의 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 또한, 방법(1800)은 단일 로봇 아암과 연계하여 설명될 것이다. 하지만, 어드미턴스 모드에서 시스템에 포함된 로봇 아암들 각각에 의해 겪게 되는 힘을 결정하기 위해서는 유사한 방법이 수행될 수 있다.
방법(1800)은 블록 1801에서 시작한다. 블록 1805에서, 시스템은 어드미턴스 제어 모드로 들어가기 위한 입력을 사용자로부터 수신한다. 예를 들어, 시스템은 사용자에 의해 버튼이 작동될 때 생성되는 사용자 입력 신호를 수신할 수 있다. 일 구현예에서, 로봇 아암은 작동될 때 시스템을 어드미턴스 제어 모드로 전이시키는(transition) 어드미턴스 버튼을 포함할 수 있다. 블록 1810에서, 시스템은 로봇 아암의 토크 및 위치 값들을 수신한다. 시스템은 로봇 아암에 포함된 토크 센서들 각각으로부터 토크 값들을 수신할 수 있다. 또한, 시스템은 로봇 아암 내의 링크장치들 각각의 위치를 나타내는 메모리에 저장된 위치 데이터로부터 위치 값들을 검색할 수 있다. 예를 들어, 로봇 아암들은 조인트들 각각에 형성된 인코더와 같은 위치 센서를 더 포함할 수 있다. 인코더는 모터 샤프트 상에 인쇄된 코드화된 시각 정보를 읽어들임으로써 모터 샤프트의 속도 및/또는 위치를 측정하도록 구성될 수 있고, 모터의 속도 및/또는 위치를 나타내는 피드백을 시스템에 제공할 수 있다. 시스템은 인코더들로부터의 피드백에 기초하여 조인트들 각각의 위치를 결정하도록 구성될 수 있다. 로봇 아암 상의 인코더 위치들 각각으로부터의 정보를 사용하여, 시스템은 링크장치들 각각 및 IDM의 위치를 결정할 수 있다.
블록 1815에서, 시스템은 토크 값들 및 위치 값들에 기초하여 조인트들 각각에 대한 중력 보상 토크 값을 결정한다. 소정의 조인트에 대한 중력 보상 토크 값은 중력 이외의 힘들에 의한 조인트에서의 토크의 성분을 나타낼 수 있다. 일 구현예에서, 시스템은 대응하는 토크 센서의 출력에 기초하여 조인트에서 제1 토크 값을 측정할 수 있다. 시스템은 그 다음에 로봇 아암의 위치에 기초하여 조인트에서 제2 토크 값을 결정할 수 있다. 로봇 아암의 위치 데이터는 시스템이 조인트에 의해 연결된 2개의 링크장치의 위치 및 그 사이에 형성된 각도를 결정할 수 있게 하는 데이터를 포함할 수 있다. 제2 토크 값은 2개의 링크장치 사이의 토크의 중력 성분을 나타낼 수 있다. 시스템은 그 다음에 제1 및 제2 토크 값에 기초하여 중력 보상 토크 값을 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1 토크 값과 제2 토크 값의 차는 중력 보상 토크 값에 대응할 수 있다.
예를 들면, 블록 1820에서, 시스템은 조인트들 각각에 대한 중력 보상 토크 값들에 기초하여 로봇 아암 상의 기준점에서 로봇 아암에 가해지는 힘을 결정할 수 있다. 즉, 시스템은 제1 토크 값과 제2 토크 값 사이의 차에 기초하여 기준점에서의 힘을 결정할 수 있다. 결정된 힘은 따라서 중력으로 인해 로봇 아암에 의해 겪게 되는 힘들의 성분을 배제할 수 있다. 블록 1825에서, 시스템은 기준점에서의 결정된 힘에 기초하여 로봇 아암을 움직일 수 있다. 예를 들어, 시스템은 로봇 아암의 위치에 기초하여 기준점의 이동 방향을 결정할 수 있으며, 힘의 성분이 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다고 결정할 수 있다. 시스템은 힘의 성분이 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다는 결정에 기초하여 로봇 아암의 움직임에 대한 목표 저항(target resistance)을 나타내는 적어도 하나의 파라미터를 생성할 수 있고, 목표 저항에 따라 로봇 아암을 움직이기 위해 적어도 하나의 파라미터에 기초하여 로봇 아암 내의 적어도 하나의 모터를 제어할 수 있다. 결정된 힘을 로봇 아암의 움직임을 위한 입력으로 사용하는 추가적인 기법들이 아래에서 보다 상세히 설명될 것이다. 방법(1800)은 블록 1830에서 종료된다.
D. 로봇 아암의 자유물체도 및 어드미턴스 제어 모드
도 19는 본 발명의 양태에 따른, 로봇 아암에 가해지는 힘을 계산하기 위한 기법을 설명하기 위한 로봇 아암의 자유물체도를 도시한다. 로봇 아암(210)은 카트(211)에 부착될 수 있다. 로봇 아암(210)은 제1 링크장치(230), 제1 링크장치를 카트(211)에 연결하는 제1 조인트(240), 제2 링크장치(235), 제1 링크장치(230)와 제2 링크장치(235)를 연결하는 제2 조인트(245), 및 제2 링크장치(235)의 원위 단부에 연결된 IDM(250)을 포함할 수 있다. 로봇 아암(210)은 도 19에 간략화된 형태로 도시되고 있으나; 추가 조인트들에 의해 연결된 아암에 추가 링크장치들을 부가함으로써 유사한 방식으로 보다 복잡한 로봇 아암들이 분석될 수 있다. IDM(250)은 외력(F)이 로봇 아암(210)에 가해지는 것으로 모델링되는 기준점을 정의할 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 기준점은 로봇 아암(210)을 따라서의 임의의 다른 지점으로 설정될 수도 있다. 또한, 제1 및 제2 링크장치(230 및 235) 각각에 의해 겪게 되는 중력으로 인한 힘은 대응하는 링크장치(230 및 235)의 무게 중심에 가해지는 중력 벡터 g로 도면에 도시되어 있다.
도 20은 본 발명의 양태에 따른, 로봇 아암 상의 기준점에서 검출된 힘을 로봇 아암의 움직임을 제어하기 위한 입력으로 사용하기 위한 예시적인 절차를 도시하는 블록도이다. 절차(300)는 외과용 로봇 시스템 또는 그 컴포넌트(들)에 의해 작동될 수 있다. 도 20에 도시된 절차(300)는 로봇 아암에 가해지는 힘(F), 로봇 아암에 가해지는 중력에 의한 힘(g), 로봇 아암에 가해지는 모델링된 중력에 의한 힘(
Figure pct00001
), 로봇 아암의 조인트 위치(
Figure pct00002
)의 표시를 포함하는 다수의 입력을 수신하는 것을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 시스템은 명령 정보(θci)를 사용하여 로봇 아암을 움직이도록 구성된, 별도의 하드웨어를 통해 또는 프로세서로 구현될 수 있는 조인트 컨트롤러를 더 포함할 수 있다. 기법(300)은 로봇 아암 내의 모터(들)에게 로봇 아암을 새로운 포즈로 움직이도록 지시하기 위해 조인트 컨트롤러에 의해 사용될 수 있는 명령 정보(θci)를 출력하는 것을 포함할 수 있다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 조인트 컨트롤러는 명령 정보(θci)를 수신할 수 있고 로봇 아암의 조인트 위치(
Figure pct00003
)의 표시를 생성할 수 있는데, 이는 기법(300)에 대한 입력으로 피드백될 수 있다.
예를 들어, 도 19를 참조하면, 조인트(240 및 245) 각각은 측정된 토크 값(τmeasured)을 출력하도록 구성된 토크 센서를 포함할 수 있다. 조인트(240 및 245) 각각에서의 측정된 토크 값(τmeasured)은 다음의 수학식에 따라 결정될 수 있다:
Figure pct00004
여기서 τmeasured는 측정된 토크 값이고, τforce는 로봇 아암(210)에 가해지는 힘(F)으로 인한 조인트(240 또는 245)에서의 토크이며, τgravity는 중력(g)으로 인해 조인트(240 또는 245)에 가해지는 토크이다. 이 실시예에서, 로봇 아암(210)에 가해지는 힘(F)은 기준점으로서 IDM(250)에 가해지는 것으로 모델링된다. 하지만, 힘은 실시예에 따라 상이한 지점에서 로봇 아암(210)에 가해지는 것으로 모델링될 수도 있다.
기준점에 가해지는 힘(F)으로 인한 토크와 중력(g)에 의한 토크는 다음과 같이 결정될 수 있다:
Figure pct00005
Figure pct00006
여기서 J(θ)T는 로봇 아암(210)의 조인트(240 또는 245)의 위치에 기초하여 조인트(240 또는 245)로의 힘(F)의 전달을 나타내는 야코비안 전치 행렬(Jacobian transpose matrix)이고, G(θ,g)는 중력(g)에 의한 조인트(240 또는 245)로의 토크의 전달을 나타낸다. θ는 로봇 아암의 각각의 조인트의 각위치(angular position)(예를 들면, 로봇 아암의 위치)를 나타낸다. 수학식 2와 수학식 3을 수학식 1에 대입하면 다음이 얻어진다:
Figure pct00007
따라서, 기준점(예를 들면, IDM(250))에 가해지는 힘(F)은 측정된 토크(τmeasured), 야코비안 전치 행렬(J(θ)T), 및 중력에 의한 토크의 전달(G(θ,g))에 기초하여 해가 구해질 수 있다.
수학식 4는 도 20에 나타낸 바와 같이 시각화될 수 있는데, 여기서 토크 센서 측정 블록(320)은 야코비안 전치 행렬 블록(305)(예를 들면, J(θ)TF)과 중력 토크 전달 블록(310)(예를 들면, G(θ,g))의 출력의 합에 기초하여 결정될 수 있다. 야코비안 전치 행렬 블록(305)은 힘(F)을 입력으로 취하는 한편, 중력 토크 전달 블록(310)은 중력(g)의 값을 입력으로 취한다.
특정 실시예에서, 중력에 의한 토크(G(θ,g))는 중력에 의한 모델링된 토크(
Figure pct00008
)로서 모델링된다. 이는 모델링된 중력(
Figure pct00009
) 및 모델링된 조인트 위치(
Figure pct00010
)를 입력으로 취하는 도 20의 모델링된 중력 토크 전달 블록(315)으로 도시된다. 다음의 수학식에 나타내는 바와 같이 중력에 의한 모델링된 토크(
Figure pct00011
)에는 소정량의 불확실성이 있을 수 있다:
Figure pct00012
특정 구현예에서, 중력(g)은 모델링된 중력(
Figure pct00013
)과 대략적으로 같고, 모델링된 조인트 위치(
Figure pct00014
)는 θ+n과 같도록 정의될 수 있는데, 여기서 n은 조인트 위치 센서 측정치의 불확실성을 나타내는 값이다. 조인트 위치 센서 측정치의 불확실성(n)은 조인트 위치 측정치에 기여하는 센서들(예를 들면, 위치 센서들) 각각으로부터의 측정치의 노이즈 또는 불확실성을 반영할 수 있다. 따라서, 수학식 5는 다음과 같이 간략화될 수 있다:
Figure pct00015
그래서, 중력에 의한 모델링된 토크(ΔG)의 불확실성은 중력(g), 로봇 아암의 조인트들 각각의 각위치(θ), 및 조인트 위치 센서 측정치의 불확실성을 나타내는 값(n)의 함수일 수 있다.
시스템은 τ 값을 중력에 의한 모델링된 토크(ΔG)에 의해 교란되는 힘으로 인해 기준점에서 겪게 되는 토크로서 결정할 수 있다:
Figure pct00016
특정 구현예에서, 토크 센서들의 출력은 노이즈성(noisy)일 수 있으며 시간 경과에 따라 드리프트될 수 있다. 토크 센서들의 출력에서의 드리프트 에러에 대처하기 위해, 시스템은 로봇 아암이 정지 상태일 때(예를 들면, 로봇 아암에 작용하는 중력 외의 힘은 없음) 토크 센서의 출력을 0으로 조정함으로써 교정을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 시스템은 일정 기간에 걸쳐 토크 센서(들)로부터 수신된 출력에 기초하여 토크 센서를 교정할 수 있다. 예를 들어, 로봇 아암이 정지 상태에 있는 동안 로봇 아암의 각 조인트에 대해, 시스템은 특정 기간(예를 들면, 1초 동안)에 걸쳐 측정된 토크 값(τmeasured)을 평균화하고, 아암의 현재 포즈에 대한 중력 보상 토크를 결정하며, 중력 보상 토크에 대한 출력 값들을 0으로 설정 조정할 수 있다. 특정 구현예에서, 시스템은 어드미턴스 버튼이 작동될 때마다 토크 센서들의 이 교정을 수행할 수 있다. 하지만, 다른 구현예에서, 시스템은 다른 간격으로 토크 센서들을 교정할 수도 있다. 따라서, 시스템은 사용자 입력 신호를 수신(예를 들면, 어드미턴스 버튼의 작동)하는 것에 응답하여 및 토크 센서(들)로부터의 교정된 출력에 기초하여 기준점에서의 힘을 결정할 수 있다.
토크 센서의 교정은 다음과 같이 함수 B1으로 표현될 수 있다:
Figure pct00017
도 20으로 돌아가면, 토크 교정(B1) 블록(325)은 수학식 8과 일치되게, 토크 센서 측정 블록(320) 및 모델링된 중력 토크 전달 블록(315)의 출력에 적용된다.
특정 실시예에서는, 앞서 논의된 바와 같이, 로봇 아암이 기준점에 전용 힘 센서를 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 시스템은 다음의 수학식에 따라 겉보기 기준점 힘을 결정할 수 있다:
Figure pct00018
여기서
Figure pct00019
는 측정된 조인트 위치(
Figure pct00020
) 의 함수인 야코비안의 모델이다. 수학식 9 및 도 20에 나타낸 바와 같이, 모델링된 역야코비안 블록(330)이 측정된 조인트 위치(
Figure pct00021
)를 제2 입력으로 사용하여 교정된 토크 센서 출력(예를 들면, 토크 보정(B1) 블록(325)의 출력)에 적용된다.
시스템은 겉보기 기준점 힘(
Figure pct00022
)에 데드밴드(deadband)를 또한 적용할 수 있다. 특정 실시예에서, 데드밴드는 데드밴드 밖의 힘의 값에만 응답하도록 로봇 아암의 움직임을 제한할 수 있다. 데드밴드는 로봇 아암 또는 IDM에 가해지는 작고 잠재적으로는 의도치 않은 힘이 로봇 아암에 움직임을 초래하는 것을 방지함으로써 로봇 아암의 움직임을 제어함에 있어서 사용자의 경험을 향상시킬 수 있다. 데드밴드는 또한 로봇 아암의 움직임을 발생시키는 것으로 인한 토크 센서 출력의 임의의 노이즈를 제거하는 기능을 할 수 있다. 데드밴드에서의 전이는 사용자에 의해 로봇 아암에 부여된 힘(들) 또는 토크 센서 출력에서의 노이즈에 응답하여 로봇 아암이 움직임에 있어서 "점프"를 나타내는 것(예를 들면, 매우 신속하게 고속 움직임 속도로 가속되는 것)을 방지하기 위해 또한 평활화될 수 있다. 이러한 구현예는 로봇 아암의 보다 제어된 미세 운동을 용이하게 할 수 있다. 일 구현예에서, 데드밴드는 데드밴드의 경계에서의 힘 값들에 평활화 함수(smoothing function)를 적용함으로써 평활화된 에지를 갖는 ± 4 N의 범위로 형성될 수 있다. 그래서, 시스템은 평활화된 힘 값에 기초하여 로봇 아암의 움직임을 또한 제어할 수 있다. 예를 들면, 데드밴드에 평활화된 에지를 제공하기 위해 다음의 함수 B2가 겉보기 기준점 힘(
Figure pct00023
)에 대한 무단위 승수(unitless multiplier)로 사용될 수 있다.
Figure pct00024
Figure pct00025
여기서 값 1.5는 데드밴드의 에지에서의 전이를 조정하는 조정 가능한 파라미터(예를 들면, 전이의 "평활도"를 정의함)이고, x는 부여된 힘의 입력 값이며, 값 8은 데드밴드의 폭을 정의하는 조정 가능한 파라미터이다. 데드밴드의 적용이 데드밴드 함수(B2) 블록(335)으로 도시되어 있다. 도 21은 본 발명의 양태에 따른, 측정된 기준점 힘에 적용될 수 있는 데드밴드 함수의 예를 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 21에 도시된 데드밴드 함수는 -10 내지 10 사이의 범위의 x 값에 대한 수학식 11의 무단위 승수 y의 값을 예시한다.
시스템은 로봇 아암의 가상 모델을 사용하여 데드밴드가 적용된 겉보기 기준점 힘(
Figure pct00026
)에 기초하여 로봇 아암의 움직임을 제어할 수 있다. 실시예에 따라, 시스템은 가상 모델에서 사용하기 위한 로봇 아암의 움직임에 대한 목표 저항을 결정할 수 있다. 움직임에 대한 목표 저항은 예를 들면, 로봇 아암의 가상 질량을 정의하는 제1 파라미터, 및 로봇 아암의 가상 감쇠 계수(damping coefficient)를 정의하는 제2 파라미터를 포함할 수 있다. 그래서, 시스템은 로봇 아암의 모델, 즉 모터의 제어, 기준점에서의 힘, 제1 파라미터, 및 제2 파라미터 사이의 관계를 정의하는 모델에 기초하여 로봇 아암을 움직이도록 모터를 제어할 수 있다.
시스템은 로봇 아암의 움직임 방향에 기초하여 목표 저항을 또한 업데이트할 수 있다. 일 실시예에서, 시스템은 로봇 아암의 조인트 위치(θ)에 기초하여 로봇 아암의 기준점의 이동 방향을 결정할 수 있다. 다른 실시예에서, 이동 방향은 아래에 나타낸 바와 같이 로봇 아암의 데카르트 위치(Cartesian position) X(s)에 기초하여 결정될 수 있다.
시스템은 힘(예를 들면, 데드밴드 후의 겉보기 기준점 힘(
Figure pct00027
))의 방향 성분이 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있는지 여부를 또한 결정할 수 있다. 시스템은 데드밴드 후의 겉보기 기준점 힘(
Figure pct00028
)의 방향 성분이 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있는지 여부에 기초하여 움직임에 대한 목표 저항(예를 들면, 제1 및 제2 파라미터 중 하나 이상)을 조정할 수 있다. 일례에서, 시스템은 힘의 성분이 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다는 결정에 응답하여 제1 및 제2 파라미터를 저감시킬 수 있다. 시스템은 또한 힘의 성분이 기준점의 이동 방향과 반대 방향에 있다고 결정할 수 있고, 힘의 성분이 기준점의 이동 방향과 반대 방향에 있다는 결정에 응답하여 제1 및 제2 파라미터를 증가시킬 수 있다.
힘의 방향과 로봇 아암의 움직임 방향의 비교에 기초하여 제1 및 제2 파라미터를 조정함으로써, 시스템은 로봇 아암에 힘을 부여할 때 사용자의 의도를 추측할 수 있다. 즉, 사용자가 로봇 아암의 움직임 방향으로의 성분을 갖는 힘을 가할 때, 사용자의 의도는 힘의 방향으로 로봇 아암의 움직임을 가속화하는 것일 수 있다. 유사하게, 사용자가 로봇 아암의 움직임 방향과 반대의 방향으로 성분을 갖는 힘을 가할 때, 사용자의 의도는 힘의 방향으로 로봇 아암의 움직임을 감속시키는 것일 수 있다. 따라서, 시스템은 사용자의 의도와 일치하는 방식으로 로봇 아암의 움직임을 제어하도록 구성될 수 있다.
다시 도 20을 참조하면, 가상 질량 블록(240)과 가상 감쇠 블록(345)이 데드밴드 함수(B2) 블록(335)의 출력(예를 들면, 데드밴드 후의 겉보기 기준점 힘(
Figure pct00029
))에 적용될 수 있다. 이로 인해 사용자에게 개선된 피드백을 제공하는 로봇 아암의 가상 모델이 생성될 수 있다.
일 구현예에서, 가상 모델은 다음의 수학식과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00030
여기서:
Figure pct00031
여기서, s는 라플라스 변수이고
Figure pct00032
는 로봇 아암의 데카르트 속도이다.
Figure pct00033
및
Figure pct00034
는 로봇 아암 수준에서 지정될 수 있는 질량 및 감쇠 행렬이다. 질량 및 감쇠 파라미터는 사용자가 겪는 로봇 아암의 움직임의 느낌을 정의하도록 선택될 수 있다. 특정 실시예에서, 행렬
Figure pct00035
과
Figure pct00036
는 대각 행렬인데, 이는 단일 질량 파라미터 및 단일 감쇠 파라미터가 다음과 같이 각각의 데카르트 방향 및 배향에서 로봇 아암의 움직임의 느낌을 정의하도록 선택될 수 있게 한다:
Figure pct00037
특정 구현예에서, 시스템은 복수의 사용자 프로파일을 메모리에 저장할 수 있다. 사용자 프로파일 각각은 제1 및 제2 파라미터에 대한 값들을 정의할 수 있다. 예를 들어, 특정 사용자는 로봇 아암에 가해지는 힘에 대한 로봇 아암의 움직임의 원하는 응답과 일치하는 제1 및 제2 파라미터의 구성에 대한 선호를 가질 수 있다. 따라서, 시스템은 사용자 프로파일들 중 하나의 선택을 수신하고 수신된 선택에 기초하여 제1 및 제2 파라미터를 조정하도록 또한 구성될 수 있다. 예를 들어, 어드미턴스 모드로 들어가기 전에, 사용자는 선택된 사용자 프로파일을 나타내는 입력을 시스템의 터치스크린에 제공할 수 있고, 시스템은 선택된 사용자 프로파일에 기초하여 제1 및 제2 파라미터를 구성하여 사용자에게 선택된 움직임 응답 프로파일을 제공할 수 있다.
로봇 아암의 위치
Figure pct00038
를 결정하기 위해, 시스템은 적분 함수 블록(350)에서 로봇 아암의 속도
Figure pct00039
를 아래에 나타낸 바와 같이 적분할 수 있다:
Figure pct00040
로봇 아암에 대한 위치 정보 X(s)는 다음과 같이 조인트 위치(θ)를 조정하는데 사용되는 명령 정보(θci) - 명령 맵핑 함수 블록(355)에서 결정될 수 있음 - 를 결정하는데 사용될 수 있다.
Figure pct00041
여기서
Figure pct00042
는 데드밴드 후의 겉보기 기준점 힘(
Figure pct00043
)에 기초하여 결정된 로봇 아암에 대한 위치 정보 X(s)를 명령 정보(θci)에 매핑하는 명령 매핑 함수이다. 따라서, 수학식 1 내지 수학식 16에 나타낸 바와 같이, 시스템은 적어도 하나의 파라미터 및 힘에 기초하여 조인트 위치 명령 정보(θci)를 결정할 수 있다.
조인트 컨트롤러는 조인트 위치 명령 정보를 로봇 아암의 모터(들)에 전송할 수 있다. 로봇 아암을 움직이기 위한 명령을 제공함에 있어, 조인트 컨트롤러는 블록들(315 및 330)에 피드백으로서 제공될 수 있는 로봇 아암의 조인트 위치(
Figure pct00044
)의 표시를 위한 값을 결정할 수 있다. 시스템은 명령 정보에 기초하여 기준점의 이동 방향의 표시를 결정하도록 또한 구성될 수 있다. 예를 들어, 조인트 위치(
Figure pct00045
)의 표시를 위한 값의 현재 및 이전 샘플을 사용하여, 시스템은 로봇 아암 상의 기준점이 이동하는 방향을 결정할 수 있다.
상술한 기법(300)에 기초하여, 시스템은 사용자에게 직관적인 어드미턴스 제어 모드를 제공할 수 있다. 예를 들어, 데드밴드 함수(B2) 블록(335) 및 가상 질량 및 감쇠 블록(340 및 345)의 적용 후에, 시스템은 힘이 데드밴드 영역의 밖에 있을 때 로봇 아암의 움직임이 가해진 힘에 비례하는 로봇 아암의 움직임을 위한 명령 정보를 제공할 수 있다. 또한, 힘에 데드밴드를 적용함으로써, 로봇 아암에 가해지는 의도치 않은 힘이 움직임을 초래하는 것을 방지하며, 그래서 사용자에 의한 제어 감각을 향상시킨다. 데드밴드 문턱값의 적절한 적용은 로봇 아암이 사용자에 의해 부여된 비교적 작은 힘으로도 여전히 움직일 수 있게 한다.
특정 구현들에서, 시스템은 사용자에 의해 로봇 아암에 가해진 검출된 힘이 0으로 될 때 모든 움직임을 정지시키도록 또한 구성될 수 있다. 즉, 사용자가 로봇 아암을 놓으면, 시스템은 미리 정해진 속도로 정지할 때까지 움직임을 늦출 수 있다. 일 실시예에서, 시스템은 로봇 아암에 가해지는 힘이 문턱값 기간보다 더 오랜 기간 동안 문턱값 힘보다 작음을 검출할 수 있다. 로봇 아암에 가해지는 힘이 문턱값 기간보다 더 오랜 기간 동안 문턱값 힘보다 작음을 검출하는 것에 응답하여, 시스템은 로봇 아암의 추가 움직임을 멈추기 위해 로봇 아암의 모터들에 제동력을 가할 수 있다.
E. 예시적인 어드미턴스 제어 기법
하나의 예시적인 구현예에서, 외과용 로봇 시스템은 어드미턴스 제어 모드에서 로봇 아암에 가해지는 힘을 검출하고 검출된 힘을 로봇 아암의 움직임을 위한 입력으로 사용하도록 구성될 수 있다. 도 22는 본 발명의 양태에 따른 어드미턴스 제어 모드를 위한, 외과용 로봇 시스템 또는 그 컴포넌트(들)에 의해 작동 가능한 예시적인 방법을 도시한 흐름도이다. 예를 들어, 도 22에 도시된 방법(2200)의 스텝은 외과용 로봇 시스템의 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 편의상, 본 방법(2200)은 시스템의 프로세서에 의해 수행되는 것으로 설명된다.
방법(2200)은 블록 2201에서 시작한다. 블록 2205에서, 프로세서는 적어도 하나의 토크 센서의 출력에 기초하여 로봇 아암 상의 기준점에서의 힘을 결정한다. 로봇 아암은: 적어도 2개의 링크장치, 적어도 2개의 링크장치를 연결하는 적어도 하나의 조인트, 적어도 2개의 링크장치 사이의 토크를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 토크 센서, 및 적어도 2개의 링크장치의 위치를 조정하도록 구성된 적어도 하나의 모터를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 프로세서는 또한 위치 센서의 출력에 기초하여 힘을 결정할 수 있다. 이들 실시예에서, 위치 센서는 2개의 인접한 링크장치 사이의 각도를 측정하도록 구성될 수 있다.
블록 2210에서, 프로세서는 기준점의 이동 방향의 표시를 수신한다. 블록 2215에서, 프로세서는 힘의 성분이 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다고 결정한다. 블록 2220에서, 프로세서는 힘의 성분이 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다는 결정에 기초하여, 로봇 아암의 움직임에 대한 목표 저항을 나타내는 적어도 하나의 파라미터를 생성한다. 블록 2225에서, 프로세서는 목표 저항에 따라 로봇 아암을 움직이도록, 적어도 하나의 파라미터에 기초하여 모터를 제어한다. 방법(2200)은 블록 2230에서 종료된다.
3. 시스템 및 용어의 구현
본 명세서에 개시된 구현예들은 외과용 로봇 아암의 어드미턴스 제어를 위한 시스템, 방법, 및 장치를 제공한다. 이 제어 모드는 특정 실시예에서, 로봇 아암의 기준점에 가해지는 힘을 결정하는 것 및 결정된 힘을 입력으로 사용하여 로봇 아암의 움직임을 제어하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "결합하다", "결합하는", "결합된" 또는 결합이라는 단어의 다른 변형은 간접 연결 또는 직접 연결을 나타낼 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 제1 컴포넌트가 제2 컴포넌트에 "결합된" 경우, 제1 컴포넌트는 다른 컴포넌트를 통해 제2 컴포넌트에 간접적으로 연결되거나 제2 컴포넌트에 직접 연결될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 어드미턴스 제어 모드를 위한 기법은 프로세서 가독 또는 컴퓨터 가독 매체에 하나 이상의 명령으로서 저장될 수 있다. "컴퓨터 가독 매체"라는 용어는 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용 가능한 매체를 지칭한다. 예로서 비한정적으로, 이러한 매체는 랜덤 액세스 메모리(random access memory: RAM), 읽기 전용 메모리(read-only memory: ROM), 전기적으로 소거 가능한 프로그램 가능한 읽기 전용 메모리(elecrically erasable programmable read-only memory: EEPROM), 플래시 메모리, 컴팩트 디스크 읽기 전용 메모리(CD-ROM) 또는 다른 광 디스크 스토리지, 자기 디스크 스토리지 또는 다른 자기 스토리지 디바이스, 또는 명령 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드를 저장하는 데 사용될 수 있으며 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 기타 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 가독 매체는 유형적(tangible)이고 비일시적일 수 있음에 유의해야 한다. 본 명세서에서 사용되는 "코드(code)"라는 용어는 컴퓨팅 디바이스 또는 프로세서에 의해 실행 가능한 소프트웨어, 명령, 코드, 또는 데이터를 지칭할 수 있다.
본 명세서에 개시된 방법은 설명된 방법을 달성하기 위한 하나 이상의 스텝 또는 동작을 포함한다. 방법 단계들 및/또는 동작들은 청구범위의 범위로부터 일탈함이 없이 서로 교환될 수 있다. 다시 말하면, 설명되는 방법의 적절한 작동을 위해 특정 순서의 스텝 또는 동작이 요구되지 않는 한, 특정 스텝 및/또는 동작의 순서 및/또는 사용은 청구범위의 범위로부터 일탈함이 없이 변경될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "복수"라는 용어는 2개 이상을 나타낸다. 예를 들어, 복수의 컴포넌트는 2개 이상의 컴포넌트를 나타낸다. "결정하는"이라는 용어는 광범위한 동작을 포괄하며, 그래서 "결정하는"은 계산하는, 연산하는, 처리하는, 도출하는, 조사하는, 조회하는(예를 들면, 테이블, 데이터 베이스 또는 다른 데이터 구조에서 조회하는), 확인하는 것 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 수신하는(예를 들면, 정보를 수신하는), 액세스하는(예를 들면, 메모리의 데이터에 액세스하는) 것 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 해결하는, 선택하는, 선정하는, 확립하는 것 등을 포함할 수 있다.
"에 기초하여"라는 어구는 달리 명시되지 않는 한 "에만 기초하여"를 의미하지는 않는다. 다시 말하면, "에 기초하여"라는 어구는 "에만 기초하여" 및 "적어도 ~에 기초하여" 양자 모두를 기술한다.
개시된 구현예들의 전술한 설명은 본 기술분야의 통상의 기술자가 본 발명을 제작 또는 이용할 수 있게 하기 위해 제공된다. 이들 구현예에 대한 다양한 변경은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 용이하게 자명할 것이며, 본 명세서에 정의된 포괄적인 원리는 본 발명의 범위로부터 일탈함이 없이 다른 구현예에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 기술분야의 통상의 기술자는 툴 컴포넌트들의 고정, 장착, 결합, 또는 계합의 동등한 방법, 특정 작동 동작을 발생시키기 위한 동등한 메커니즘, 및 전기 에너지를 전달하기 위한 동등한 메커니즘과 같은, 다수의 대응하는 대체 및 동등한 구조적 상세 사항을 채용할 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 나타낸 구현예들에 국한되도록 의도되는 것이 아니라 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범위에 따르게 된다.

Claims (30)

  1. 시스템으로서,
    적어도 2개의 링크장치(linkages),
    상기 적어도 2개의 링크장치를 연결하는 적어도 하나의 조인트,
    상기 적어도 2개의 링크장치 사이의 토크를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 토크 센서, 및
    상기 적어도 2개의 링크장치의 위치를 조정하도록 구성된 적어도 하나의 모터:
    를 포함하는 (a) 로봇 아암;
    (b) 프로세서; 및
    상기 프로세서로 하여금:
    상기 토크 센서의 출력에 기초하여 상기 로봇 아암 상의 기준점에서의 힘을 결정하고,
    상기 기준점의 이동 방향의 표시(indication)를 수신하며,
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다고 결정하고,
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다는 결정에 기초하여, 상기 로봇 아암의 움직임에 대한 목표 저항(target resistance)을 나타내는 적어도 하나의 파라미터를 생성하며, 및
    상기 적어도 하나의 파라미터에 기초하여, 상기 목표 저항에 따라 상기 로봇 아암을 움직이도록 상기 모터를 제어하게:
    하는 컴퓨터 실행 가능 명령을 저장하는 (c) 메모리:
    를 포함하는, 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 로봇 아암은 상기 로봇 아암의 원위 단부에 연결된 기기 디바이스 매니퓰레이터(instrument device manipulator: IDM)를 더 포함하고, 상기 기준점은 상기 IDM 상에 위치되는,
    시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금:
    상기 토크 센서의 출력에 기초하여 상기 적어도 하나의 조인트에서 제1 토크 값을 측정하고;
    상기 로봇 아암의 위치에 기초하여 상기 적어도 하나의 조인트에서 제2 토크 값 - 상기 제2 토크 값은 상기 적어도 2개의 링크장치 사이의 상기 토크의 중력 성분을 나타냄 - 을 결정하며; 및
    상기 제1 토크 값과 상기 제2 토크 값 사이의 차에 기초하여 상기 기준점에서의 상기 힘을 결정하게:
    하는 컴퓨터 실행 가능 명령을 더 포함하는,
    시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금 상기 힘의 데드밴드(deadband)를 결정하게 하는 컴퓨터 실행 가능 명령을 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 파라미터에 기초하여 상기 모터를 제어하는 것은 상기 데드밴드 밖의 상기 힘의 값들에 응답하도록 로봇 아암의 움직임을 제한하는,
    시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금:
    상기 데드밴드의 경계에서의 힘 값들에 평활화 함수(smoothing function)를 적용하고; 및
    평활화된 상기 힘 값들에 기초하여 상기 로봇 아암을 움직이도록 상기 모터를 제어하게:
    하는 컴퓨터 실행 가능 명령을 더 포함하는,
    시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 로봇 아암은:
    사용자에 의해 작동되도록 구성된 버튼을 더 포함하고,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금:
    상기 버튼이 상기 사용자에 의해 작동될 때 생성되는 사용자 입력 신호를 수신하고; 및
    일정 기간에 걸쳐 상기 토크 센서로부터 수신된 출력에 기초하여 상기 토크 센서를 교정하게:
    하는 컴퓨터 실행 가능 명령을 더 포함하며,
    상기 기준점에서의 상기 힘을 결정하는 것은 상기 사용자 입력 신호를 수신하는 것에 또한 응답하고 상기 토크 센서로부터의 교정된 출력에 기초하는,
    시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 목표 저항은:
    상기 로봇 아암의 가상 질량을 정의하는 적어도 하나의 제1 파라미터; 및
    상기 로봇 아암의 가상 감쇠 계수를 정의하는 적어도 하나의 제2 파라미터:
    를 포함하고,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금 상기 로봇 아암의 모델 - 상기 모델은 상기 모터의 제어, 상기 기준점에서의 힘, 상기 제1 파라미터, 및 상기 제2 파라미터 사이의 관계를 정의함 - 에 기초하여 상기 로봇 아암을 움직이도록 상기 모터를 제어하게 하는 컴퓨터 실행 가능 명령을 더 포함하는,
    시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 파라미터는 복수의 제1 파라미터를 포함하고, 상기 제1 파라미터들 각각은 복수의 수직축 중 하나를 따라서의 상기 로봇 아암의 움직임에 대해 상기 로봇 아암의 상기 가상 질량을 정의하며,
    상기 적어도 하나의 제2 파라미터는 복수의 제2 파라미터를 포함하고, 상기 제2 파라미터들 각각은 상기 수직축들 중 하나를 따라서의 상기 로봇 아암의 움직임에 대해 상기 로봇 아암의 상기 가상 감쇠 계수를 정의하는,
    시스템.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금:
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있는지 또는 반대 방향에 있는지를 결정하고; 및
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있는지 또는 반대 방향에 있는지의 결정에 기초하여 상기 제1 및 제2 파라미터 중 적어도 하나를 조정하게:
    하는 컴퓨터 실행 가능 명령을 더 포함하는,
    시스템.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금:
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다는 결정에 응답하여 상기 제1 및 제2 파라미터를 저감시키게:
    하는 컴퓨터 실행 가능 명령을 더 포함하는,
    시스템.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금:
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 반대 방향에 있다고 결정하고; 및
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 반대 방향에 있다는 결정에 응답하여 상기 제1 및 제2 파라미터를 증가시키게:
    하는 컴퓨터 실행 가능 명령을 더 포함하는,
    시스템.
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 메모리는 복수의 사용자 프로파일을 더 포함하고, 상기 사용자 프로파일들 각각은 상기 제1 및 제2 파라미터에 대한 값들을 정의하는 것을 포함하며,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금:
    상기 사용자 프로파일들 중 하나의 선택을 수신하고; 및
    상기 수신된 선택에 기초하여 상기 제1 및 제2 파라미터를 조정하게:
    하는 컴퓨터 실행 가능 명령을 더 포함하는,
    시스템.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 로봇 아암은 상기 적어도 2개의 링크장치 사이의 각도를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 위치 센서를 더 포함하고,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금 상기 위치 센서의 출력에 기초하여 상기 힘을 결정하게 하는 컴퓨터 실행 가능 명령을 더 포함하며,
    상기 토크 센서, 상기 모터, 및 상기 위치 센서는 상기 조인트에 위치되고,
    상기 토크 센서, 상기 모터, 및 상기 위치 센서 각각은 상기 조인트에 연결된 상기 2개의 링크장치에 결합되는,
    시스템.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금:
    상기 적어도 하나의 파라미터 및 상기 힘에 기초하여 조인트 위치 명령 정보(joint position command information)를 결정하고;
    상기 조인트 위치 명령 정보를 상기 모터에 전송하며; 및
    상기 명령 정보에 기초하여 상기 기준점의 이동 방향의 표시를 결정하게:
    하는 컴퓨터 실행 가능 명령을 더 포함하는,
    시스템.
  15. 실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스로 하여금:
    토크 센서의 출력에 기초하여 상기 토크 센서를 포함하는 로봇 아암 - 상기 로봇 아암은: 2개의 링크장치, 상기 2개의 링크장치를 연결하는 조인트, 및 상기 2개의 링크장치의 위치를 조정하도록 구성된 모터를 더 포함하고, 상기 토크 센서는 상기 2개의 링크장치 사이의 토크를 검출하도록 구성됨 - 상의 기준점에서의 힘을 결정하고;
    상기 기준점의 이동 방향의 표시를 수신하며;
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다고 결정하고;
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다는 결정에 기초하여, 상기 로봇 아암의 움직임에 대한 목표 저항을 나타내는 적어도 하나의 파라미터를 생성하며; 및
    상기 적어도 하나의 파라미터에 기초하여, 상기 목표 저항에 따라 상기 로봇 아암을 움직이도록 상기 모터를 제어하게:
    하는 명령이 저장된, 비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체.
  16. 제15 항에 있어서,
    실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스로 하여금:
    상기 토크 센서의 출력에 기초하여 상기 적어도 하나의 조인트에서 제1 토크 값을 측정하고;
    상기 로봇 아암의 위치에 기초하여 상기 적어도 하나의 조인트에서 제2 토크 값 - 상기 제2 토크 값은 상기 적어도 2개의 링크장치 사이의 상기 토크의 중력 성분을 나타냄 - 을 결정하며; 및
    상기 제1 토크 값과 상기 제2 토크 값 사이의 차에 기초하여 상기 기준점에서의 상기 힘을 결정하게:
    하는 명령이 또한 저장된, 비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체.
  17. 제15 항에 있어서,
    실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스로 하여금:
    상기 힘의 데드밴드를 결정하고; 및
    상기 로봇 아암을 움직이도록 상기 모터를 제어하면서, 상기 데드밴드 밖의 상기 힘의 값들에 응답하도록 상기 로봇 아암의 움직임을 제한하게:
    하는 명령이 또한 저장된, 비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체.
  18. 제17 항에 있어서,
    실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스로 하여금:
    상기 데드밴드의 경계에서의 힘 값들에 평활화 함수를 적용하고; 및
    평활화된 상기 힘 값들에 기초하여 상기 로봇 아암을 움직이도록 상기 모터를 제어하게:
    하는 명령이 또한 저장된, 비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체.
  19. 제15 항에 있어서,
    실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스로 하여금:
    상기 로봇 아암 상의 버튼이 상기 사용자에 의해 작동될 때 생성되는 사용자 입력 신호를 수신하고;
    일정 기간에 걸쳐 상기 토크 센서로부터 수신된 출력에 기초하여 상기 토크 센서를 교정하며; 및
    상기 사용자 입력 신호를 수신하는 것에 또한 응답하고 상기 토크 센서로부터의 교정된 출력에 기초하여 상기 기준점에서의 상기 힘을 결정하게:
    하는 명령이 또한 저장된, 비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체.
  20. 제15 항에 있어서,
    상기 목표 저항은:
    상기 로봇 아암의 가상 질량을 정의하는 적어도 하나의 제1 파라미터; 및
    상기 로봇 아암의 가상 감쇠 계수를 정의하는 적어도 하나의 제2 파라미터:
    를 포함하고,
    실행될 때, 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스로 하여금:
    상기 로봇 아암의 모델 - 상기 모델은 상기 모터의 제어, 상기 기준점에서의 힘, 상기 제1 파라미터, 및 상기 제2 파라미터 사이의 관계를 정의함 - 에 기초하여 상기 로봇 아암을 움직이도록 상기 모터를 제어하게:
    하는 명령이 또한 저장된, 비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 목표 저항은:
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있는지 또는 반대 방향에 있는지를 결정하는 것; 및
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있는지 또는 반대 방향에 있는지의 결정에 기초하여 상기 제1 및 제2 파라미터 중 적어도 하나를 조정하는 것:
    을 포함하는,
    비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체.
  22. 제20 항에 있어서,
    상기 목표 저항은:
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다는 결정에 응답하여 상기 제1 및 제2 파라미터를 저감시키는 것:
    을 포함하는,
    비일시적 컴퓨터 가독 스토리지 매체.
  23. 로봇 아암을 위치시키는 방법으로서,
    토크 센서의 출력에 기초하여 상기 토크 센서를 포함하는 상기 로봇 아암 - 상기 로봇 아암은: 2개의 링크장치, 상기 2개의 링크장치를 연결하는 조인트, 및 상기 2개의 링크장치의 위치를 조정하도록 구성된 모터를 더 포함하고, 상기 토크 센서는 상기 2개의 링크장치 사이의 토크를 검출하도록 구성됨 - 상의 기준점에서의 힘을 결정하는 단계;
    상기 기준점의 이동 방향의 표시를 수신하는 단계;
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다고 결정하는 단계;
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다는 결정에 기초하여, 상기 로봇 아암의 움직임에 대한 목표 저항을 나타내는 적어도 하나의 파라미터를 생성하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 파라미터에 기초하여, 상기 목표 저항에 따라 상기 로봇 아암을 움직이도록 상기 모터를 제어하는 단계:
    를 포함하는, 방법.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 토크 센서의 출력에 기초하여 상기 적어도 하나의 조인트에서 제1 토크 값을 측정하는 단계;
    상기 로봇 아암의 위치에 기초하여 상기 적어도 하나의 조인트에서 제2 토크 값 - 상기 제2 토크 값은 상기 적어도 2개의 링크장치 사이의 상기 토크의 중력 성분을 나타냄 - 을 결정하는 단계; 및
    상기 제1 토크 값과 상기 제2 토크 값 사이의 차에 기초하여 상기 기준점에서의 상기 힘을 결정하는 단계:
    를 더 포함하는, 방법.
  25. 제23 항에 있어서,
    상기 힘의 데드밴드를 결정하는 단계; 및
    상기 로봇 아암을 움직이도록 상기 모터를 제어하면서, 상기 데드밴드 밖의 상기 힘의 값들에 응답하도록 상기 로봇 아암의 움직임을 제한하는 단계:
    를 더 포함하는, 방법.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 데드밴드의 경계에서의 힘 값들에 평활화 함수를 적용하는 단계; 및
    평활화된 상기 힘 값들에 기초하여 상기 로봇 아암을 움직이도록 상기 모터를 제어하는 단계:
    를 더 포함하는, 방법.
  27. 제23 항에 있어서,
    상기 로봇 아암 상의 버튼이 상기 사용자에 의해 작동될 때 생성되는 사용자 입력 신호를 수신하는 단계;
    일정 기간에 걸쳐 상기 토크 센서로부터 수신된 출력에 기초하여 상기 토크 센서를 교정하는 단계; 및
    상기 사용자 입력 신호를 수신하는 것에 또한 응답하고 상기 토크 센서로부터의 교정된 출력에 기초하여 상기 기준점에서의 상기 힘을 결정하는 단계:
    를 더 포함하는, 방법.
  28. 제23 항에 있어서,
    상기 목표 저항은:
    상기 로봇 아암의 가상 질량을 정의하는 적어도 하나의 제1 파라미터; 및
    상기 로봇 아암의 가상 감쇠 계수를 정의하는 적어도 하나의 제2 파라미터:
    를 포함하고,
    상기 방법은 상기 로봇 아암의 모델 - 상기 모델은 상기 모터의 제어, 상기 기준점에서의 힘, 상기 제1 파라미터, 및 상기 제2 파라미터 사이의 관계를 정의함 - 에 기초하여 상기 로봇 아암을 움직이도록 상기 모터를 제어하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  29. 제28 항에 있어서,
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있는지 또는 반대 방향에 있는지를 결정하는 단계; 및
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있는지 또는 반대 방향에 있는지의 결정에 기초하여 상기 제1 및 제2 파라미터 중 적어도 하나를 조정하는 단계:
    를 더 포함하는, 방법.
  30. 제28 항에 있어서,
    상기 힘의 성분이 상기 기준점의 이동 방향과 동일한 방향에 있다는 결정에 응답하여 상기 제1 및 제2 파라미터를 저감시키는 단계:
    를 더 포함하는, 방법.
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