KR20220012286A - 수술 로봇 아암 조작을 위한 근접 센서 - Google Patents

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KR20220012286A
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surgical robot
surgical
robot manipulator
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신 리우
버크 고넥
베른하드 에이. 퓨르스트
조스 루이스 코르도바
킬로이 파블로 이. 가르시아
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버브 서지컬 인크.
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Abstract

수술 로봇 시스템은, 수술 테이블; 수술 테이블에 결합되는 수술 로봇 조작기로서, 수술 로봇 조작기를 이동시키기 위해 서로에 대해 이동하도록 동작가능한 복수의 조인트들에 의해 함께 결합되는 복수의 링크들을 포함하고, 복수의 링크들 또는 복수의 조인트들 중 적어도 하나는 복수의 링크들 또는 복수의 조인트들 중 다른 하나와 대면하는 부분을 갖는, 상기 수술 로봇 조작기; 복수의 링크들 또는 복수의 조인트들 중 적어도 하나의 부분에 결합되는 근접 감지 조립체로서, 수술 로봇 조작기가 물체와 충돌하기 전에 물체를 검출하고 대응하는 검출 신호를 출력하도록 동작가능한, 상기 근접 감지 조립체; 및 대응하는 검출 신호를 수신하고 조작기 또는 물체가 충돌 회피 동작에 관여하게 하도록 동작가능한 프로세서를 포함한다.

Description

수술 로봇 아암 조작을 위한 근접 센서
로봇 시스템과 관련된 실시예들이 개시된다. 더 상세하게는, 수술 로봇 아암(surgical robotic arm) 및 충돌 회피를 위한 근접 센서(proximity sensor)에 관련된 실시예들이 개시된다.
내시경 수술은 환자의 신체 내를 들여다보고 내시경 및 다른 수술 도구를 사용하여 신체 내부에서 수술을 수행하는 것을 수반한다. 예를 들어, 복강경 수술은 복강에 접근하고 이를 관찰하기 위해 복강경을 사용할 수 있다. 내시경 수술은 로봇-조력식 구성요소 및 도구를 갖는 수술 로봇 시스템 및/또는 수동식 도구를 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 수술 로봇 시스템은 수술 테이블에 장착되고 외과적 시술을 수행하도록 조작되는 수술 로봇 아암을 포함한 다수의 수술 로봇 조작기(manipulator)를 포함할 수 있다. 그러나, 수술 로봇 아암들의 조작 동안, 이들이 사용되는 수술장 내의 다양한 구성요소와 이들이 충돌하지 않는 것이 중요하다.
수술 로봇 시스템은 조인트(joint)들에 의해 서로 연결되는 다수의 링크(link)들을 포함하는 수술 로봇 조작기, 예를 들어 수술 로봇 아암을 포함할 수 있다. 수술 로봇 아암 및 연관된 조인트들이 유동적인 움직임이 가능하고 용이하게 제어될 수 있는 것이 필수적이다. 게다가, 로봇 아암이 이동 동안에 예를 들어 사용자가 끼이는 것 및 다른 물체(예컨대, 다른 수술 로봇 아암, 수술 로봇 아암 링크, 보조자, 환자 등)와 충돌하는 것이 방지되는 것이 중요하다. 충돌을 회피 및/또는 방지하기 위해, 본 명세서에 개시된 수술 로봇 시스템은, 충돌이 일어나기 전에 충돌을 검출하기에 중요한 것으로 또는 충돌을 받기 쉬운 것으로 결정된 전략적 위치들에서, 수술 로봇 구성요소, 구체적으로 수술 로봇 아암 내에 통합된 용량성 호버 센서(capacitive hover sensor)들을 포함한다. 예를 들어, 용량성 호버 센서들은 수술 로봇 아암을 구성하는 링크들 사이에 막 끼이려던 손 또는 손가락과 같은 물체 및/또는 수술 로봇 아암에 의해 막 부딪치려던 다른 수술 로봇 아암 또는 수술 테이블과 같은 물체의 검출을 허용하는 수술 로봇 아암의 하나 이상의 부분에 위치될 수 있다.
하나의 태양에서, 용량성 호버 센서들이 용량성 감지 원리들을 사용하여 그리고 물체가 센서와 접촉하기 전에 센서에 대한 물체들의 존재, 위치 및/또는 배향을 검출할 수 있는 센서들일 수 있음이 고려된다. 예를 들어, 전도성 감지 패드(pad)들은 다양한 구성들로 수술 로봇 아암의 상이한 위치들에 부착될 수 있다. 패드가 전압원에 의해 여기될 때, 패드는 그 주위에 전기장을 생성한다. 전도성 물체가 패드에 접근할 때, 이는 전기장과 간섭하고 패드의 커패시턴스를 형성/변경한다. 상이한 패드들의 커패시턴스의 변화들을 모니터링함으로써, 물체의 위치 및 배향이 검출될 수 있다.
하나 이상의 용량성 호버 센서가 수술 로봇 아암의 부분 상에, 예를 들어 수술 로봇 아암의 하나 이상의 링크 또는 조인트의 표면 상에 장착될 수 있다. 센서들은, 수술 로봇 아암이 다른 수술 로봇 아암이 접근하고 있는지 여부를 검출하고 이어서 그 자신의 이동을 정지시키고/시키거나 알람을 촉발시킴으로써 잠재적인 충돌에 응답하도록 장착될 수 있다. 예를 들어, 용량성 호버 센서들은, 사용자의 손가락 또는 손이 서로를 향해 접근하는 2개의 링크들 사이에 있을 때를 검출할 수 있는 위치들에서, 수술 로봇 아암을 구성하는 하나 이상의 링크(예컨대, 인접 링크들) 상에 장착될 수 있다. 수술 로봇 시스템은 이어서 충돌 방지 또는 회피 동작들에 관여하여 링크들 사이에서의 손 또는 손가락의 끼임을 방지할 수 있다. 예를 들어, 수술 로봇 시스템은 수술 로봇 아암이 이동을 정지하게 하거나, 끼임을 방지하도록 링크들 중 하나 이상을 조작하게 하거나, 사용자가 그들의 손 또는 손가락을 경로 밖으로 이동시키도록 알람을 촉발하게 할 수 있다. 다른 경우들에서, 용량성 호버 센서는 다른 수술 로봇 아암, 테이블 표면, 환자 또는 스태프(staff)의 신체 등과 같은 근처의 물체를 검출할 수 있고, 잠재적 충돌들을 방지하도록 응답할 수 있다. 일부 경우에서, 수술 로봇 시스템은 수술 로봇 아암이 막 충돌하려 하는 물체의 유형을 결정하고, 물체의 유형에 따라 충돌 회피 및/또는 방지 동작들을 개시할 수 있다. 더 추가하여, 수술 로봇 아암의 사용자들은 위음성(false negative) 및 위양성(false positive) 검출들을 회피하기 위해 감지 조립체의 감지 범위, 감지 영역 또는 다른 감도 파라미터들을 원하는 수준으로 구성할 수 있다.
대표적으로, 하나의 태양에서, 수술 로봇 시스템은 수술 테이블, 수술 로봇 조작기, 근접 센서, 및 프로세서를 포함한다. 수술 로봇 조작기는 수술 테이블에 결합될 수 있고, 수술 로봇 조작기를 이동시키기 위해 서로에 대해 이동하도록 동작가능한 복수의 조인트들에 의해 함께 결합되는 복수의 링크들을 포함할 수 있으며, 복수의 링크들 또는 복수의 조인트들 중 적어도 하나는 수술 로봇 조작기를 이동시킬 때 복수의 링크들 또는 복수의 조인트들 중 다른 하나와 대면하는 부분을 갖는다. 근접 센서는 복수의 링크들 또는 복수의 조인트들 중 적어도 하나의 부분에 부착될 수 있고, 수술 로봇 조작기가 물체와 충돌하기 전에 물체를 검출하고 대응하는 검출 신호를 출력하도록 동작가능할 수 있다. 프로세서는 대응하는 검출 신호를 수신하고 수술 로봇 조작기 또는 물체가 충돌 회피 동작에 관여하게 하도록 동작가능할 수 있다. 일부 태양에서, 수술 로봇 조작기는 수술 로봇 아암을 포함할 수 있고, 근접 센서는 수술 로봇 아암이 외과적 시술을 수행하고 있을 때 수술 테이블과 대면하는 복수의 링크들 또는 복수의 조인트들 중 적어도 하나의 만곡된 부분에 결합된 용량성 호보 감지 조립체이다. 일부 태양에서, 수술 로봇 조작기는 수술 로봇 아암을 포함할 수 있으며, 복수의 조인트들에 의해 함께 결합되는 복수의 링크들은 피벗 조인트에 의해 함께 결합되는 제1 링크 및 제2 링크를 포함하고, 근접 센서는 제1 링크 또는 제2 링크가 피벗 조인트를 중심으로 피벗할 때 제2 링크와 대면하는 제1 링크의 부분에 결합된다. 수술 로봇 조작기는 수술 로봇 아암을 포함할 수 있고, 상기 부분은 복수의 링크들 중 적어도 2개의 링크들 사이에 있는 조인트의 부분이며, 상기 부분은 수술 로봇 아암이 이동하고 있을 때 링크들 중 적어도 하나와 대면한다. 또 다른 태양에서, 수술 로봇 조작기는 수술 로봇 아암에 결합되는 도구 구동부(tool drive)일 수 있고, 근접 센서는 도구 구동부에 결합된다. 도구 구동부는 근위(proximal) 부분 및 원위(distal) 부분을 포함할 수 있고, 원위 부분은 외과적 시술 동안에 근위 부분보다 수술 테이블로부터 더 멀리 있으며, 근접 센서는 근위 부분에 결합된다. 근접 센서는 패턴으로 배열된 복수의 용량성 패드들을 포함할 수 있고, 복수의 용량성 패드들은 용량성 패드들 중 하나 이상에서의 커패시턴스의 변화에 기초하여 수술 로봇 조작기에 대한 물체의 근접을 검출한다. 근접 센서는 수술 로봇 조작기에 대한 물체의 근접 및 물체 유형을 검출하도록 동작가능할 수 있고, 근접 및 물체 유형에 기초하여, 프로세서는 충돌 회피 동작을 결정한다. 프로세서는 수술 로봇 조작기가 충돌 회피 동작에 관여하게 할 수 있고, 충돌 회피 동작은 수술 로봇 조작기의 이동을 종료시키는 것을 포함한다. 프로세서는 물체가 충돌 회피 동작에 관여하게 할 수 있고, 충돌 회피 동작은 물체가 수술 로봇 조작기의 이동 경로 내에 있지 않도록 물체를 이동시키는 것을 포함한다. 프로세서는 검출 신호에 기초하여 사용자에게 임박한 충돌을 경고하는 알람을 개시하도록 또한 동작가능하다.
다른 태양에서, 수술 로봇 조작기를 위한 충돌 회피 방법은 근접 감지 조립체를 사용하여 수술 로봇 조작기에 대한 물체의 거리를 검출하는 단계로서, 수술 로봇 조작기는 수술 로봇 조작기를 이동시키기 위해 서로에 대해 이동하도록 동작가능한 복수의 조인트들에 의해 함께 결합되는 복수의 링크들을 포함하고, 근접 감지 조립체는 수술 로봇 조작기가 이동하고 있을 때 복수의 링크들의 다른 링크와 대면하는 복수의 링크들 중 적어도 하나의 부분에 결합되는, 상기 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 물체의 검출된 거리를 미리 결정된 충돌 회피 거리와 비교함으로써 물체와 수술 로봇 조작기 사이의 충돌이 임박한지 여부를 결정하는 단계로서, 미리 결정된 충돌 회피 거리는 충돌을 피하기 위해 물체와 수술 로봇 조작기 사이에서 유지될 미리 결정된 거리에 대응하는, 상기 결정하는 단계를 더 포함한다. 게다가, 결정하는 단계에 기초하여, 본 방법은 수술 로봇 조작기가 물체와 충돌하는 것을 방지하는 충돌 회피 동작에 수술 로봇 조작기 또는 물체가 관여하게 한다. 일부 태양에서, 결정하는 단계에 기초하여, 수술 로봇 조작기는 충돌 회피 동작에 관여하게 되고, 충돌 회피 동작은 수술 로봇 조작기의 이동을 종료시키는 것을 포함한다. 일부 태양에서, 본 방법은 근접 감지 조립체를 사용하여 물체 유형을 검출하는 단계, 및 물체의 거리 및 물체 유형에 기초하여 충돌 회피 동작을 결정하는 단계를 더 포함한다. 충돌 회피 동작은 물체 유형이 사람일 때 수술 로봇 조작기의 이동을 종료시키는 것 또는 물체 유형이 다른 수술 로봇 조작기일 때 물체의 이동을 야기하는 것을 포함할 수 있다. 미리 결정된 충돌 회피 거리는 물체 유형에 따라 상이할 수 있다. 본 방법은 근접 감지 조립체를 사용하여 복수의 조인트들에 의해 함께 결합되는 복수의 링크들 중 특정 링크에 대한 물체의 위치를 결정하는 단계, 및 수술 로봇 조작기에 대한 물체의 위치 및 물체의 거리에 기초하여, 충돌 회피 동작을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 태양에서, 복수의 링크들 중 적어도 하나는 제1 방향으로 이동하도록 동작가능하고, 근접 감지 조립체는 제1 방향을 향하는 복수의 링크들 중 적어도 하나의 만곡된 부분에 결합된다.
또 다른 태양에서, 수술 로봇 조작기는 적어도 7개의 링크들 및 적어도 7개의 링크들이 서로에 대해 이동하게 하는 적어도 7개의 조인트들을 포함하는 수술 로봇 아암을 포함하고, 근접 감지 조립체는 제1 링크가 제1 조인트를 중심으로 피벗할 때 제2 링크와 대면하는 제1 링크의 부분에 결합된다. 수술 로봇 조작기는 수술 테이블에 결합되는 수술 로봇 아암에 결합되는 도구 구동부를 포함할 수 있고, 근접 감지 조립체는 도구 구동부의 근위 부분 또는 원위 부분에 결합되며, 도구 구동부의 근위 부분은 수술 로봇 동작 동안 수술 테이블과 대면하거나 도구 구동부의 원위 부분은 수술 테이블로부터 멀리 향한다.
상기 발명의 내용은 본 발명의 모든 태양의 총망라한 목록을 포함하지 않는다. 본 발명이 위에 요약된 다양한 태양의 모든 적합한 조합으로부터 실시될 수 있는 모든 시스템 및 방법뿐만 아니라 아래의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 개시되고 본 출원과 출원된 청구범위에서 특히 지적된 것들을 포함함이 고려된다. 그러한 조합들은 상기 발명의 내용에서 구체적으로 언급되지 않은 특정 이점들을 갖는다.
본 발명의 실시예들은 유사한 도면 부호가 유사한 요소를 지시하는 첨부 도면의 도면들에서 제한으로서가 아니라 예로서 예시된다. 본 개시 내용에서의 본 발명의 "일" 또는 "하나의" 실시예에 대한 언급은 반드시 동일한 실시예에 대한 것은 아니며, 이들은 적어도 하나를 의미한다는 것에 유의하여야 한다. 또한, 간결함 및 도면들의 총 개수의 감소를 위하여, 주어진 도면은 본 발명의 하나 초과의 실시예의 특징들을 예시하기 위해 사용될 수 있고, 주어진 실시예에 대해 도면에서의 모든 요소가 요구되지는 않을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른, 수술장에서의 예시적인 수술 로봇 시스템의 그림 도면.
도 2는 일 실시예에 따른, 용량성 호버 감지 조립체를 포함하는 수술 로봇 아암의 그림 도면.
도 3은 다른 실시예에 따른 수술 로봇 아암의 그림 도면.
도 4는 일 실시예에 따른, 용량성 호버 감지 조립체를 사용하는 수술 로봇 아암의 충돌 방지를 위한 예시적인 프로세스의 블록도.
도 5는 일 실시예에 따른, 용량성 호버 감지 조립체를 사용하는 수술 로봇 아암의 충돌 방지를 위한 예시적인 프로세스의 블록도.
도 6은 일 실시예에 따른, 예시적인 용량성 호버 감지 조립체의 그림 도면.
도 7은 일 실시예에 따른, 용량성 호버 감지 조립체를 사용하는 수술 로봇 아암의 충돌 방지를 위한 예시적인 프로세스의 블록도.
다양한 실시예들에서, 도면들을 참조하여 설명이 이루어진다. 그러나, 소정 실시예들은 이들 특정 상세사항 중 하나 이상 없이, 또는 다른 공지된 방법들 및 구성들과 조합하여 실시될 수 있다. 하기의 설명에서, 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해, 특정 구성, 치수, 및 프로세스와 같은 다수의 구체적인 상세 사항이 제시된다. 다른 경우에, 잘 알려진 프로세스 및 제조 기술은 설명을 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 특별히 상세히 기술되지 않았다. 본 명세서 전체에 걸쳐 "하나의 실시예", "일 실시예" 등에 대한 언급은 기술된 특정 특징, 구조, 구성, 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 본 명세서 전체에 걸쳐 다양한 곳에서의 어구 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예" 등의 출현은 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조, 구성 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
게다가, 본 명세서에 사용되는 용어는 단지 특정 태양들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. "밑", "아래", "하부", "위", "상부" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어들은 도면에 예시된 바와 같은 다른 요소(들) 또는 특징부(들)에 대한 하나의 요소의 또는 특징부의 관계를 기술하기 위하여 설명의 용이함을 위해 본 명세서에 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어들이 도면에 도시된 배향에 더하여 사용 또는 동작 시에 장치의 상이한 배향들을 포함하도록 의도됨이 이해될 것이다. 예를 들어, 도면의 장치가 뒤집힌다면, 다른 요소 또는 특징부에 대해 "아래" 또는 "밑"에 있는 것으로 기술된 요소는 다른 요소 또는 특징부에 대해 "위"에 배향될 것이다. 따라서, 예시적인 용어 "아래"는 위 및 아래의 배향 둘 모두를 포함할 수 있다. 장치는 달리 배향될 수 있고(예컨대, 90도 또는 다른 배향들로 회전됨), 본 명세서에 사용되는 공간적으로 상대적인 서술어들은 그에 따라 해석된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 부정 관사("a," "an") 및 정관사("the")는 문맥이 다르게 나타내지 않는 한 복수 형태를 또한 포함하고자 하는 것이다. 용어 "포함하다" 및/또는 "포함하는"이 언급된 특징부, 단계, 동작, 요소, 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징부, 단계, 동작, 요소, 구성요소, 및/또는 군(group)의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 것이 또한 이해될 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "또는" 및 "및/또는"은 임의의 하나 또는 임의의 조합을 포함하거나 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C"는 "하기의 것: A; B; C; A 및 B; A 및 C; B 및 C; A, B 및 C 중 임의의 것"을 의미한다. 이러한 정의에 대한 예외는 요소들, 기능들, 단계들 또는 작용들의 조합이 일부 방식으로 본질적으로 상호 배타적일 때에만 발생할 것이다.
또한, 본 설명 전체에 걸친 상대적인 용어들의 사용은 상대 위치 또는 방향을 나타낼 수 있다. 예를 들어, "원위"는 기준점으로부터 멀어지는, 예컨대 사용자로부터 멀어지는 제1 방향을 나타낼 수 있다. 유사하게, "근위"는 제1 방향과 반대인 제2 방향으로의, 예컨대 사용자를 향하는 위치를 나타낼 수 있다. 그러나, 그러한 용어들은 상대적인 기준 프레임들을 확립하기 위해 제공되며, 임의의 특정 수술 로봇 구성요소의 사용 또는 배향을 하기의 다양한 실시예에 기술된 특정 구성으로 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1을 참조하면, 이는 수술장에서의 예시적인 수술 로봇 시스템(100)의 그림 도면이다. 수술 로봇 시스템(100)은 사용자 콘솔(102), 컨트롤 타워(103), 및 수술 로봇 플랫폼(105), 예컨대 수술 테이블, 침대 등에서의 하나 이상의 수술 로봇 아암(104)을 포함한다. 시스템(100)은 환자(106)에 대해 수술을 수행하는 데 사용되는 임의의 개수의 장치, 도구, 또는 액세서리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템(100)은 수술을 수행하기 위해 사용되는 하나 이상의 수술 도구(107)를 포함할 수 있다. 수술 도구(107)는 외과적 시술을 실행하기 위해 수술 아암(104)의 원위 단부에 부착되는 엔드 이펙터(end effector)일 수 있다.
각각의 수술 도구(107)는 수술 동안에 수동으로, 로봇식으로, 또는 둘 모두로 조작될 수 있다. 예를 들어, 수술 도구(107)는 환자(106)의 내부 해부학적 구조를 입력하거나, 관찰하거나, 조작하는 데 사용되는 도구일 수 있다. 일 실시예에서, 수술 도구(107)는 환자의 조직을 파지할 수 있는 파지기(grasper)이다. 수술 도구(107)는 침대 옆 조작자(108)에 의해 수동으로 제어될 수 있거나, 수술 도구는 그것이 부착되는 수술 로봇 아암(104)의 작동된 이동을 통해 로봇식으로 제어될 수 있다. 로봇 아암(104)들은 테이블-장착식 시스템으로서 도시되어 있지만, 다른 구성들에서, 아암(104)들은 카트, 천장 또는 측벽에, 또는 다른 적합한 구조적 지지체에 장착될 수 있다.
일반적으로, 외과 의사 또는 다른 조작자와 같은 원격 조작자(109)가 사용자 콘솔(102)을 사용하여 아암(104) 및/또는 부착된 수술 도구(107)를 원격으로 조작(예컨대, 원격 조종)할 수 있다. 사용자 콘솔(102)은 도 1에 도시된 바와 같이 시스템(100)의 나머지와 동일한 수술실에 위치될 수 있다. 그러나, 다른 환경들에서, 사용자 콘솔(102)은 인접한 또는 인근의 방에 위치될 수 있거나, 원격 위치에, 예컨대 상이한 건물, 도시, 또는 국가에 있을 수 있다. 사용자 콘솔(102)은 좌석(seat)(110), 발-작동식 제어부(113), 하나 이상의 핸드헬드 사용자 입력 장치(user input device, UID)(114), 및 예를 들어 환자(106) 내부의 수술 부위의 관찰을 표시하도록 구성된 적어도 하나의 사용자 디스플레이(115)를 포함할 수 있다. 예시적인 사용자 콘솔(102)에서, 원격 조작자(109)는 좌석(110)에 앉아 사용자 디스플레이(115)를 관찰하면서 발-작동식 제어부(113) 및 핸드헬드 UID(114)를 조작하여 아암(104) 및 수술 도구(107)(아암(104)의 원위 단부에 장착됨)를 원격으로 제어한다.
일부 변형에서, 침대 옆 조작자(108)는 또한 시스템(100)을 "침대 전역(over the bed)" 모드로 동작시킬 수 있는데, 여기서 침대 옆 조작자(108)(사용자)가 이제 환자(106)의 일측에 있고, 예컨대 한 손에 파지된 핸드헬드 UID(114)에 의해 로봇-구동식 도구(아암(104)에 부착된 바와 같은 엔드 이펙터)를 그리고 수동 복강경 도구를 동시에 조작하고 있다. 예를 들어, 침대 옆 조작자의 왼손은 핸드헬드 UID를 조작하여 로봇 구성요소를 제어하고 있을 수 있는 반면, 침대 옆 조작자의 오른손은 수동 복강경 도구를 조작하고 있을 수 있다. 따라서, 이들 변형에서, 침대 옆 조작자(108)는 환자(106)에 대해 로봇-보조식 최소 침습 수술 및 수동 복강경 수술 둘 모두를 수행할 수 있다.
예시적인 시술(수술) 동안, 환자(106)는 마취를 달성하기 위해 수술 준비되고 멸균 방식으로 드레이핑된다(draped). 수술 부위에 대한 초기 접근은, 로봇 시스템(100)의 아암들이 (수술 부위로의 접근을 용이하게 하기 위해) 수납된 구성 또는 후퇴된 구성에 있는 동안, 수동으로 수행될 수 있다. 일단 접근이 완료되면, 아암(104)들을 포함하는 로봇 시스템(100)의 초기 위치설정 또는 준비가 수행될 수 있다. 다음에, 다양한 엔드 이펙터 및 아마도 이미징 시스템을 조작하기 위해 발-작동식 제어부(113) 및 UID(114)를 이용하여 사용자 콘솔(102)에서 원격 조작자(109)에 의해 수술이 진행되어, 수술을 수행한다. 멸균 가운을 입은 침대 옆 직원, 예컨대 조직의 뒤당김, 수동 재위치설정의 수행, 및 로봇 아암(104)들 중 하나 이상에서의 도구 교환과 같은 작업들을 수행할 수 있는 침대 옆 조작자(108)에 의해, 시술 침대 또는 테이블에서 수동 보조가 또한 제공될 수 있다. 비-멸균 직원이 또한 사용자 콘솔(102)에서 원격 조작자(109)를 보조하기 위해 존재할 수 있다. 시술 또는 수술이 완료된 때, 시스템(100) 및 사용자 콘솔(102)은 사용자 콘솔(102)을 통한 의료 기록 입력 또는 인쇄 및 세척 또는 멸균과 같은 수술후 절차들을 용이하게 하는 상태로 구성 또는 설정될 수 있다.
하나의 실시예에서, 원격 조작자(109)는 UID(114)를 파지하고 이동시켜 입력 명령을 제공하여 로봇 시스템(100) 내의 로봇 아암 액추에이터(117)를 이동시킨다. UID(114)는, 예컨대 콘솔 컴퓨터 시스템(116)을 통해, 로봇 시스템(100)의 나머지에 통신적으로 결합될 수 있다. UID(114)는 UID(114)의 이동, 예컨대 UID의 핸드헬드 하우징의 위치 및 배향에 대응하는 공간 상태 신호를 생성할 수 있고, 공간 상태 신호는 로봇 아암 액추에이터(117)의 움직임을 제어하기 위한 입력 신호일 수 있다. 로봇 시스템(100)은 액추에이터(117)의 비례 움직임을 제어하기 위해, 공간 상태 신호로부터 유도된 제어 신호를 사용할 수 있다. 하나의 실시예에서, 콘솔 컴퓨터 시스템(116)의 콘솔 프로세서는 공간 상태 신호를 수신하고 대응하는 제어 신호를 생성한다. 아암(104)의 세그먼트 또는 링크를 이동시키기 위해 액추에이터(117)가 어떻게 동력공급되는지를 제어하는 이들 제어 신호에 기초하여, 아암에 부착된 대응하는 수술 도구의 이동은 UID(114)의 이동을 모방할 수 있다. 유사하게, 원격 조작자(109)와 UID(114) 사이의 상호작용은, 예를 들어 수술 도구(107)의 파지기의 조오(jaw)가 환자(106)의 조직에 접근하여 파지하게 하는 파지 제어 신호를 생성할 수 있다.
수술 로봇 시스템(100)은 몇몇 UID(114)를 포함할 수 있는데, 여기서 액추에이터들 및 각자의 아암(104)의 수술 도구(엔드 이펙터)를 제어하는 각자의 제어 신호들이 각각의 UID에 대해 생성된다. 예를 들어, 원격 조작자(109)는 제1 UID(114)를 이동시켜 좌측 로봇 아암에 있는 액추에이터(117)의 움직임을 제어할 수 있는데, 여기서 액추에이터는 그 아암(104) 내에서 링크 장치(linkage), 기어 등을 이동시킴으로써 응답한다. 유사하게, 원격 조작자(109)에 의한 제2 UID(114)의 이동은 다른 액추에이터(117)의 움직임을 제어하는데, 이는 이어서 로봇 시스템(100)의 다른 링크 장치, 기어 등을 이동시킨다. 로봇 시스템(100)은 환자의 우측으로 침대 또는 테이블에 고정되는 우측 아암(104), 및 환자의 좌측에 있는 좌측 아암(104)을 포함할 수 있다. 액추에이터(117)는 아암(104)의 조인트의 회전을 구동하여 예를 들어 환자에 대해 그 아암에 부착된 수술 도구(107)의 내시경 또는 파지기의 배향을 변화시키도록 제어되는 하나 이상의 모터를 포함할 수 있다. 동일한 아암(104) 내의 수 개의 액추에이터(117)의 움직임은 특정 UID(114)로부터 생성된 공간 상태 신호에 의해 제어될 수 있다. UID(114)들은 또한 각자의 수술 도구 파지기들의 움직임을 제어할 수 있다. 예를 들어, 각각의 UID(114)는 환자(106) 내의 조직을 파지하기 위해 수술 도구(107)의 원위 단부에 있는 파지기의 조오들을 개폐하는 액추에이터, 예컨대 선형 액추에이터의 움직임을 제어하기 위해 각자의 파지 신호를 생성할 수 있다.
일부 태양에서, 플랫폼(105)과 사용자 콘솔(102) 사이의 통신은 컨트롤 타워(103)를 통할 수 있는데, 컨트롤 타워는 사용자 콘솔(102)로부터(더 상세하게는 콘솔 컴퓨터 시스템(116)으로부터) 수신된 사용자 명령을 로봇 플랫폼(105) 상의 아암(104)에 전송되는 로봇 제어 명령으로 변환할 수 있다. 컨트롤 타워(103)는 또한 플랫폼(105)으로부터 다시 사용자 콘솔(102)로 상태 및 피드백을 전송할 수 있다. 로봇 플랫폼(105), 사용자 콘솔(102), 및 컨트롤 타워(103) 사이의 통신 연결은 다양한 데이터 통신 프로토콜 중 임의의 적합한 것을 사용하여 유선 및/또는 무선 링크를 통할 수 있다. 임의의 유선 연결부가 선택적으로 수술실의 바닥 및/또는 벽 또는 천장에 붙박이로 넣어질 수 있다. 로봇 시스템(100)은 수술실 내의 디스플레이들뿐만 아니라 인터넷 또는 다른 네트워크를 통해 접근가능한 원격 디스플레이를 포함한 하나 이상의 디스플레이에 비디오 출력을 제공할 수 있다. 비디오 출력 또는 피드(feed)는 또한 프라이버시를 보장하기 위해 암호화될 수 있고, 비디오 출력의 전부 또는 부분이 서버 또는 전자 의료 기록 시스템에 저장될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른, 용량성 호버 센서를 포함하는 수술 로봇 조작기의 그림 도면이다. 수술 로봇 조작기(200)는 제1 섹션(202) 및 제2 섹션(204)을 갖는 수술 로봇 아암을 포함할 수 있다. 제1 섹션(202)은 근위 단부(202a) 및 원위 단부(202b)를 포함할 수 있다. 제2 섹션(204)은 근위 단부(204a)(예컨대, 제1 섹션(202)의 원위 단부(202b)에 연결됨) 및 원위 단부(204b)를 더 포함할 수 있다. 수술 로봇 조작기(200)는 또한 제2 섹션(204)의 원위 단부(204b)에 결합된 피치(pitch) 조립체(220)를 포함할 수 있다. 도구 구동부(228)가 피치 조립체(220)에 결합될 수 있다. 도구 구동부(228)는 피치 조립체(220), 및 따라서 수술 로봇 아암을 구성하는 섹션(202, 204)들로부터 제거가능할 수 있거나 제거가능하지 않을 수 있다.
제1 섹션(202)의 근위 단부(202a)는 고정된(또는 상대적으로 고정된) 구조물(예를 들어, 수술 테이블)에 결합될 수 있고, 아암(200)의 제1 단부로 지칭될 수 있다. 제2 섹션(204)의 원위 단부(204b)는 아암(200)의 제2 단부로 지칭될 수 있다. 또한, 제1 섹션(202)은 본 명세서에서 "데카르트 아암(Cartesian arm)(202)"으로 지칭될 수 있는데, 그 이유는 (후술될 바와 같이) 제1 섹션(202)이 환자의 신체 상의 수술 부위에서 (예컨대, 3차원 공간 내의 xyz 좌표를 사용한) 위치로 제2 섹션(204)을 이동시키기 위해 사용될 수 있기 때문이다. 제2 섹션(204)은 때때로 본 명세서에서 "구형 아암(spherical arm)(204)"으로 지칭될 수 있다.
제1 섹션(202)은 제1 링크(206), 제2 링크(208), 제3 링크(210), 제4 링크(212), 및 제5 링크(214)를 포함한다. 도 2에 예시된 실시예에서, 이들 링크는 기부(base) 링크(206), 견부(shoulder) 피치 링크(208), 견부 롤(roll) 링크(210), 엘보우(elbow) 링크(212), 및 전완(forearm) 링크(214)로서 구현될 수 있고, 본 명세서에서 이로 지칭될 수 있다. 기부 링크(206)는 수술 테이블(250)과 같은 구조물에 제거가능하게 부착되도록 구성된다. 각각의 링크는 근위 단부(제1 섹션(202)의 근위 단부(202a)에 가장 가깝게 결합된 단부) 및 원위 단부(근위 단부(202a)로부터 가장 멀리 결합된 단부)를 갖고, 이 단부들은 다수의 자유도(degree of freedom, DOF)에 따라, 다양한 링크를 서로에 대해 이동시키도록 동작가능한 다수의 조인트(예컨대, 조인트(J0 내지 J5))를 형성하도록 인접 구조물 또는 링크에 결합된다.
유사하게, 제2 섹션(204)은 제1 링크(216), 제2 링크(218), 및 피치 조립체(220)를 포함한다. 피치 조립체(220)는 제1 링크(222) 및 제2 링크(224)를 포함한다. 도 2에 예시된 실시예에서, 제2 섹션(204)의 다양한 링크는 구형 아암 기부 링크(216), 구형 아암 롤 링크(218), 피치 A 링크(222), 및 피치 B 링크(224)로서 구현되고, 본 명세서에서 이로 지칭될 수 있다. 각각의 링크는 다수의 자유도(DOF)에 따라, 서로에 대한 하나의 링크의 이동을 허용하는 다수의 조인트 모듈(예컨대, 조인트(J5 내지 J7))을 형성하도록 인접 링크(또는 구조물)에 결합된다. 조인트(예컨대, J0 내지 J7)들 각각은 조인트를 따라 서로에 대한 하나의 링크의 이동을 구동하는 모터와 연관될 수 있다.
대표적으로, 링크(206)는 그의 근위 단부에서 초기 조인트(J0)에서 수술 테이블과 같은 구조물에 결합될 수 있고, 수술 테이블에 대한 링크(206)의 이동을 구동시키도록 동작가능한 (예컨대, 링크(206)의 하우징 내의) 모터와 연관될 수 있다. 링크(208)는 회전축(A)("축(A)")을 갖는 제1 조인트(J1)에서 링크(206)에 회전가능하게 결합되어, 연관된 모터가 축(A)을 중심으로 링크(208)를 피벗시킬 수 있다. 링크(210)는 회전축(B)("축(B)")을 갖는 제2 조인트(J2)에서 링크(208)에 회전가능하게 결합되어, 연관된 모터가 링크(210)로 하여금 축(B)을 중심으로 롤링하게 한다. 링크(212)는 회전축(C)("축(C)")을 갖는 제3 조인트(J3)에서 링크(210)에 회전가능하게 결합되어, 연관된 모터가 링크(212)로 하여금 축(C)을 중심으로 피벗하게 한다. 링크(214)는 회전축(D)("축(D)")을 갖는 제4 조인트(J4)에서 링크(212)에 회전가능하게 결합되어, 연관된 모터가 링크(214)로 하여금 축(D)을 중심으로 피벗하게 한다. 링크(214)(예컨대, 제1 섹션의 최원위 링크)는 회전축("축(E)")을 갖는 제5 조인트(J5)에서 링크(216)(예컨대, 제2 섹션(204)의 최근위 링크)에 결합되어, 연관된 모터가 링크(216)(및 결과적으로 구형 아암(204) 전체)로 하여금 축(E)을 중심으로 피벗하게 한다. 링크(216)는 회전축(F)("축(F)")을 갖는 제6 조인트(J6)에서 링크(218)에 결합되어, 연관된 모터가 링크(218)로 하여금 축(F)을 중심으로 롤링하게 할 수 있다. 피치 조립체(220)(예컨대, 피치 A 링크(222))는 회전축(G)("축(G)")을 갖는 제7 조인트(J7)에서 링크(218)에 회전가능하게 결합되어, 연관된 모터가 피치 조립체(220)(예컨대, 피치 A 링크(222))로 하여금 축(G)을 중심으로 피벗하게 한다. 피치 조립체(220)는 서로에 대한 링크(222, 224)들 중 하나의 링크의 이동을 허용하는, 인접 링크(222, 224)들에 의해 형성되는, 추가의 조인트, 예를 들어 제8 조인트(J8)를 갖는 것으로 또한 고려될 수 있다. 도구 구동부(228)는 이어서 (예컨대, 링크(224)를 통해) 피치 조립체(220)에 결합된다. 도구 구동부(228)는 투관침(trocar)(분리가능하고 교체가능함)과 맞물리고 그와 연관된 수술 도구(도시되지 않음)를 조작하도록 구성된다.
링크/조인트의 구성의 결과로서, 수술 로봇 아암(200)은 임의의 개수의 외과적 시술을 수행하도록 조작될 수 있다. 그러나, 그러한 조작은 또한 수술 로봇 아암(200)의 이동 범위 내에 있을 수 있는 주변 환경 내의 물체들에 위험을 제기할 수 있다. 대표적으로, 외과적 시술 동안, 사람(예컨대, 환자, 외과 의사, 보조자 등)은 수술 로봇 팔(200)의 이동 범위 내에 위치된 신체 부분을 가질 수 있다. 이 사람이 아암(200)의 이동을 인식하지 못하는 경우(예컨대, 보조자가 디스플레이, 수술 동안의 수술 테이블 상의 환자 등을 보고 있는 경우), 이들은 아암(200)이 하나의 구성으로부터 다른 구성으로 이동함에 따라 아암(200)의 일부분에 의해 부딪치게 될 위험에 처할 수 있다. 이 사람이 다른 링크를 향해 이동하는 링크(또는 조인트)에 너무 가깝게 배회하는 그들의 손 또는 다른 신체 부분을 갖는 경우, 그들의 손(또는 다른 신체 부분)이 심지어 링크들 사이에 끼일 수 있다. 더욱 추가하여, 수술 로봇 아암(200)의 이동 범위 내의 물체는 아암(200)을 용이하게 회피할 수 없거나 아암의 경로 밖으로 달리 이동할 수 없는 다른 수술 구성요소일 수 있다. 예를 들어, 이 수술 구성요소는 아암(200)이 결합되는 수술 테이블(250), 또는 다른 수술 로봇 아암(예컨대, 도 1의 아암(104) 참조)일 수 있다. 게다가, 충돌 회피는 여기에서의 경우와 같이 휴대용 수술 구성요소 또는 장치가 사용되고 있고 따라서 시스템이 용이하게 제어하고/하거나 피하며 동작할 수 있는 고정된 환경이 없는 수술 환경에서 특히 어려울 수 있다.
따라서, 수술장 내에서의 수술 로봇 아암(200)과 물체 사이의 충돌을 회피하기 위해, 수술 로봇 아암(200)은 따라서 수술 로봇 아암(200)의 충돌 검출 영역 또는 구역을 따라 전략적으로 위치되는 하나 이상의 용량성 호버 센서(252)를 더 포함한다. 수술 로봇 아암(200)의 충돌 검출 영역 또는 구역은 수술장 내의 의도하지 않은 물체와 접촉할 가능성이 있는 수술 로봇 아암(200)의 부분이거나, 충돌을 검출하기 위해 사용될 수 있도록 충돌 이전에 의도하지 않은 물체 부근에 있을 것이다. 다시 말하면, 충돌 검출 영역들 또는 구역들은, 예를 들어 사람이 수술 로봇 아암(200)을 제어하거나 조작하거나 달리 이동시키기 위해 의도적으로 사용할 수술 로봇 아암(200)의 부분들을 포함하도록 의도되지는 않는다.
대표적으로, 일 태양에서, 충돌 검출 영역들은 물체가 의도하지 않게 사이에 끼일 수 있도록 링크들이 조인트에서 구부러지거나 절첩되거나 접히거나 달리 관절운동하고 서로를 향해 이동할 때 서로 인터페이싱할 수 있는 수술 로봇 아암 링크(206, 208, 210, 212, 214, 216, 218)들, 핀치 조립체 링크(222, 224)들 및/또는 도구 구동부(228)의 하우징(예컨대, 패널)의 표면들 또는 부분들이다. 대표적으로, 충돌 검출 영역들은 수술 구성요소가 이동하고 있는 방향과 동일한 방향을 향하는 로봇 아암 링크(206, 208, 210, 212, 214, 216, 218)들, 피치 조립체 링크(222, 224)들 및/또는 도구 구동부(228)의 표면들 또는 부분들일 수 있다. 예를 들어, 충돌 검출 영역들은 내부 표면들 또는 부분들로 간주될 수 있는, 수술 로봇 아암 링크(206, 208, 210, 212, 214, 216, 218)들, 피치 조립체 링크(222, 224)들 및/또는 도구 구동부(228)의 만곡된 표면들 또는 부분들일 수 있거나, 링크 축(A 내지 F)들에 대해 내향이거나 이에 의해 경계지어지는 표면들 또는 부분들일 수 있다. 도 3은 도 3에 예시된, 축(A 내지 F)들 및 수술 테이블(250)에 대해 내향이거나 이에 의해 경계지어지거나 대체로 이들 사이인 것으로 간주되는 대표적인 내부 영역(302)을 예시한다. 따라서, 본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "내부" 또는 "내향" 표면 또는 부분은 수술 로봇 조작기의 내각(interior angle)(예컨대, 수술 로봇 조작기 및 수술 테이블에 의해 경계지어진 영역(302) 내의 각도)을 형성하는 수술 구성요소의 표면 또는 부분을 지칭하도록 의도될 수 있다. 달리 말하면, 충돌 검출 영역들은 외과적 시술 동안에 대체로 수술 테이블(250) 및/또는 테이블(250) 상의 환자를 향하는, 수술 로봇 아암 링크(206, 208, 210, 212, 214, 216, 218)들, 피치 조립체 링크(222, 224)들 및/또는 도구 구동부(228)의 만곡된 표면들 또는 부분들일 수 있다.
이제 도 2로 돌아가면, 대표적인 용량성 호버 감지 조립체(252)들이 링크(210, 214, 216)들의 내부 표면들 또는 부분들에서의 충돌 검출 영역들에 위치된 것으로 도시되어 있다. 대표적으로, 링크(214)는 화살표로 도시된 바와 같이 조인트(J3)를 중심으로 링크(210)를 향해 피벗할 수 있고, 링크(216)는 화살표에 의해 도시된 바와 같이 조인트(J5)를 중심으로 링크(210) 및/또는 링크(214)를 향해 피벗할 수 있다. 사람의 손이, 예를 들어 링크(210, 214 및/또는 216)들 중 임의의 하나, 조인트(J5), 및/또는 조인트(J3)가 서로를 향해 피벗하고 있는 동안에 이들 부근에 위치된다면, 사용자의 손은 링크들 사이에 끼일 수 있다. 따라서, 하나 이상의 용량성 호버 감지 조립체(252)는 이동 방향을 향하는 이동하는 링크(210, 214 및/또는 216)들 중 하나 이상의 링크의 표면 또는 부분에 위치될 수 있어, 용량성 호버 감지 조립체는 링크(210, 214 및/또는 216)가 손에 더 가까워지고 있음을 검출할 수 있고 예를 들어 사용자의 손이 더 이상 검출되지 않을 때까지 시스템이 현재 이동을 중지하게 하는 신호를 출력할 수 있도록 한다. 용량성 호버 감지 조립체(252)들이 링크(210, 214, 216)들에 도시되어 있지만, 이들이 충돌의 위험이 있는 수술 로봇 아암의 임의의 부분의 내부 표면 또는 내부 부분, 임의의 충돌 검출 영역에 있을 수 있음이 고려된다.
대표적으로, 하나의 태양에서, 용량성 호버 감지 조립체(252)들은 조인트(J0 내지 J8)들 중 하나 이상의 조인트의 내부 또는 내향 대면 표면들 또는 부분들에 의해 형성된 충돌 검출 영역들에 있을 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같은 피벗 조인트(J1, J3, J7)들의 내부 표면들은 인접 링크들이 서로를 향해 피벗하거나 회전하게 한다. 이러한 태양에서, 사용자의 손 또는 다른 물체가 다른 링크를 향해 회전하고 있는 하나의 링크 부근에 위치된다면, 각각의 조인트에서의 용량성 호버 감지 조립체(252)는 링크들 사이에서 손을 검출하거나 조인트가 손에 더 가까워지고 있음을 검출하고, 사용자의 손이 더 이상 검출되지 않을 때까지 시스템이 현재 이동을 중지하게 하는 신호를 출력할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 수술 로봇 아암(200)의 최원위 부분의 내부(또는 내향 대면) 부분, 외부(또는 외향 대면) 부분, 또는 다수의 다른 부분이 충돌 위험에 있을 수 있는데, 그 이유가 이 부분이 때때로 최대 이동 범위를 받고/받거나 수술장 내의 더 많은 물체 부근으로 갈 수 있기 때문임이 고려된다. 대표적으로, 수술 로봇 아암(200)이 예를 들어 수납된 구성으로부터 수술 위치로 이동되고 있을 때, 도구 구동부(228)는 상대적으로 큰 이동 범위를 경험할 수 있고, 수술장 내의 임의의 개수의 물체들 옆을 지나갈 수 있다. 게다가, 도구 구동부(228)는 수술 로봇 아암(200)을 구성하는 링크들/조인트들보다 더 멀리 돌출하거나 달리 내밀어져 도구 구동부를 더 충돌하기 쉽게 만들 수 있다. 게다가, 도구 구동부(228)가 투관침과 맞물리고 투관침은 이어서 수술 도구와 맞물리기 때문에, 도구 구동부(228)는 환자에 상대적으로 가까울 수 있다. 따라서, 도구 구동부(228)는 앞서 논의된 바와 같은 내부 하우징 표면 또는 부분(예컨대, 수술 테이블을 향하고/향하거나 영역(302) 내에 있는 표면), 외부 하우징 표면 또는 부분(예컨대, 수술 테이블로부터 멀리 향하고/향하거나 영역(302) 외부에 있는 표면), 또는 충돌의 위험에 있는 임의의 다른 표면을 따라 하나 이상의 용량성 호버 감지 조립체를 가질 수 있다. 예를 들어, 용량성 호버 감지 조립체(252)들은 도 2에 도시된 바와 같이 도구 구동부(228)의 상부 부분(260) 및 원위 부분(262)에 있을 수 있다. 이러한 태양에서, 사람(예컨대, 보조자)이 예를 들어 수동 도구를 환자에서, 따라서 도구 구동부(228) 부근에서 유지하거나 동작시키고 있는 경우, 수동 도구를 사용하고 있는 동안 사람을 향한 도구 구동부(228)(또는 도구 구동부(228)를 향한 사람)의 이동이 검출될 수 있고 충돌이 방지될 수 있다. 게다가, 용량성 호버 감지 조립체(252)들은 도구 구동부(228)의 근위 부분(264)을 따라, 또는 외과적 시술 동안 환자까지 직결선을 갖거나 달리 외과적 시술 동안 환자에게 가장 가까운 것으로 간주될 도구 구동 하우징의 임의의 다른 부분을 따라 위치될 수 있다. 그러나, 하나 이상의 용량성 호버 감지 조립체가 도구 구동부(228)의 하우징의 다른 부분, 예를 들어 저부 부분(266) 또는 측벽(268) 상에 위치될 수 있는 것이 고려된다.
용량성 호버 감지 조립체를 사용하여 물체를 검출하고 충돌을 방지하기 위한 하나의 대표적인 프로세스가 이제 도 4를 참조하여 논의될 것이다. 대표적으로, 도 4는 수술 로봇 아암(404)에 결합된 용량성 호버 감지 조립체(402)를 포함하는 용량성 호버 감지 시스템(400)을 도시한다. 용량성 호버 감지 조립체(402)는 물체의 임의의 부분이 센서와 물리적으로 접촉함이 없이 센서 부근의 물체의 용량성 감지를 허용하는 임의의 종류의 전도성 재료로 제조된 하나 이상의 용량성 패드, 라인, 영역 등을 포함할 수 있다. 대표적으로, 용량성 부재들 각각은 구리 재료로 제조될 수 있는데, 이는 수술 로봇 아암(404) 상에, 그 내에 형성되거나 달리 그에 결합된다. 용량성 부재들에 대한 전압의 인가는 용량성 부재들 각각에서의 정전기장의 형성을 가져온다. 전도성이거나 공기와는 상이한 유전상수를 갖는 물체, 예를 들어 사용자의 손의 임의의 부분이 용량성 부재들에 매우 근접하게 될 때, 이는 국소 전기장을 변화시키고, 이어서 부재들 각각에서 커패시턴스를 변화시킨다. 커패시턴스의 이러한 변화는 조립체(402)에 의해 검출되고 센서 신호로서 제어기/프로세서(414)로 출력되어, 조립체(402) 및 수술 로봇 아암(404)에 대한 물체(406)의 근접, 장소, 위치, 변위, 이동 등을 결정/측정할 수 있다. 제어기/프로세서(414)는 이어서 로봇 제어 신호를 수술 로봇 아암(404)에 전송하여, 수술 로봇 아암이 예를 들어 이동을 멈추게 하여 충돌이 회피되도록 할 수 있다.
이제 도 4에 예시된 용량성 호버 감지 시스템(400)을 더 상세하게 참조하면, 시스템(400)이 충돌을 피하기 위해 수술 로봇 아암(404)과 물체(406) 사이에서 유지될 원하는 최소 간격에 대응하는 충돌 회피 범위(408)를 포함한다는 것을 알 수 있다. 충돌 회피 범위(408)는 시스템(400) 내에 프로그래밍되는 미리 결정된 또는 교정된 범위일 수 있다. 시스템(400)은 수술 로봇 구성요소(404)와 검출된 물체(406) 사이의 실제 간격에 대응하는 실제 물체 범위(410)를 더 포함한다. 용량성 호버 감지 조립체(402)는 충돌을 피하기 위해 물체(406)와 수술 로봇 구성요소(404) 사이의 원하는 간격이 충족되는지 여부를 결정하는 데 사용될 수 있는 이들 검출 파라미터에 대응하는 신호, 예를 들어 출력 신호(418)를 출력하도록 구성된다. 대표적으로, 물체(406)가 조립체(402) 위에 배치될 때, 감지 조립체(402)는 연관된 용량성 부재들 중 임의의 하나 이상에서의 커패시턴스의 변화로서 물체(406)의 존재를 검출하며, 커패시턴스의 이러한 변화는 대응하는 출력 신호(418)로서 시스템 제어기(414)로 전송되고, 시스템 제어기는 이어서 이러한 정보를 사용하여 물체(406)와 감지 조립체(402) 사이의 실제 거리(D2)를 결정(예컨대, 측정)한다. 이어서, 충돌을 회피하는 데 필요한 최소 거리에 대응하는 충돌 회피 거리(D1)가 제어기(414)에 의해 실제 거리(D2)와 비교된다. 충돌 회피 거리(D1)는 감지 좌표/측정 시스템에서 회피 범위(408)를 나타내는 미리 정해진 고정 값 또는 값 범위(416)일 수 있다. 이러한 값 또는 범위(416)는 예를 들어 측정된 로봇 이동 속도에 따라 동작 전체에 걸쳐 고정 상태로 유지되거나 동적으로 조절될 수 있다. 거리(D1)에 대응하는 값 또는 범위(416)는 제어기(414)에 입력되고/되거나 그에 의해 저장될 수 있다. 실제 물체 거리(D2)가 충돌 회피 거리(D1)와 동일하거나 그 미만인 것으로 결정될 때, 시스템은 충돌이 임박하였음(또는 발생하였음)을 결정하고 충돌 회피 모드에 진입한다. 이 모드에서, 제어기(414)는 로봇 명령 신호(420)를 수술 로봇 아암(404)에 전송하여, 수술 로봇 아암(404)이 충돌 회피 동작에 관여하게 한다. 충돌 회피 동작은, 예를 들어 이동을 멈추게 하거나, 궤적을 변화시키거나, 충돌을 회피할 일부 다른 움직임에 관여하는 것일 수 있다. 게다가, 감지 조립체(402)가 수술 로봇 아암(404)의 어느 링크/조인트에 있는지가 추가로 알려져 있으므로, 수술 로봇 아암(404)에 대한 물체(406)의 근접을 결정할 수 있는 것에 더하여, 시스템(400)은 충돌의 대략적인 위치를 결정할 수 있고, 또한 충돌 위치 정보를 사용하여 적절한 충돌 회피 동작을 결정하여서 충돌을 회피할 수 있다. 예를 들어, 물체(406)가 수술 로봇 아암(404)의 원위 단부에서의 링크(예컨대, 링크(214, 216, 218)들 중 하나)가 아닌 수술 로봇 아암(404)의 근위 단부 부근의 링크(예컨대, 도 2의 링크(206, 208, 210, 212)들 중 하나)에 있는 감지 조립체(402) 부근에서 검출되는 경우, 시스템(400)은 충돌이 수술 로봇 아암(404)의 근위 단부 부근에서 발생할 가능성이 있다고 결정하고 그에 따라 적절한 회피 동작을 결정한다. 한편, 실제 물체 거리(D2)가 충돌 회피 거리(D1)보다 큰 것으로 결정될 때, 시스템은 물체가 수술 로봇 아암(404)으로부터 안전한 거리이고 충돌 회피 동작이 불필요하다고 결정한다(예컨대, 수술 로봇 아암(404)은 그의 현재 동작 모드에서 유지될 수 있음).
또 다른 실시예들에서, 물체(406)가 수술 로봇 시스템의 구성요소, 예를 들어 다른 수술 로봇 아암(예컨대, 도 1의 수술 로봇 아암(104) 참조), 수술 테이블, 도구 등일 때, 로봇 명령 신호(422)가 수술 로봇 아암(404) 대신에 또는 그에 더하여 물체(406)로 전송되어 물체가 충돌 회피 동작에 관여하게 할 수 있음이 고려된다. 충돌 회피 동작은 물체(406)가, 예를 들어 그 자체를 재위치시키거나, 궤적을 변경시키거나, 충돌을 피할 일부 다른 움직임에 관여하게 할 수 있다. 예를 들어, 수술장 내에서의 수술 로봇 아암(404)의 이동의 위치 및/또는 궤적은 제어기(414)에 의해 알려져 있다. 따라서, 다른 수술 로봇 아암이 수술 로봇 아암(404)의 경로 내에 있는 것으로 검출될 때, 시스템(400)은 로봇 명령 신호(422)를 그 다른 수술 로봇 아암으로 출력하여, 그 다른 수술 로봇 아암이 재구성되게 하거나 달리 이동하게 하여 그 다른 수술 로봇 아암이 수술 로봇 아암(404)의 이동 궤적의 밖에 있도록 한다. 게다가, 제어기(414)는 수술 로봇 아암(404)의 경로 내에 있는 것으로 검출되는 임의의 개수의 물체가 충돌을 회피하도록 이동되거나 달리 재구성되게 할 수 있다.
또한, 수술장 내의 수술 로봇 아암(404), 물체(406) 또는 다른 물체가 충돌 회피 동작에 자동으로 관여하게 하는 것에 더하여 또는 그 대신에, 일단 임박한 충돌이 검출되면, 제어기(414)는 충돌이 임박하다는 것을 사용자에게 경고하기 위해 알람(예컨대, 오디오, 햅틱 등)을 개시할 수 있다. 이어서, 사용자는 충돌을 피하는 최상의 작용 진로를 결정할 수 있다. 예를 들어, 알람은 사용자에게 사용자가 수술 로봇 아암(404)의 링크들 사이에 거의 끼이게 될 신체 부분을 가질 수 있음을 충분히 경고하는 가청 알람일 수 있고, 이러한 알람에 기초하여, 사용자는 시스템이 관여하고 있는 임의의 로봇 동작들을 중단시킴이 없이 충돌을 회피하도록 그들의 신체 부분을 이동시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 수술 로봇 아암에 대한 물체의 존재 및 위치를 검출하는 것에 더하여, 용량성 호버 감지 조립체가 물체의 유형, 및 용량성 호버 감지 조립체의 감도 및/또는 물체의 유형에 따라 조정된 전체 시스템의 응답을 결정하는 데 사용될 수 있음이 또한 고려된다. 용량성 호버 감지 조립체를 사용하여 물체의 유형을 검출하고 충돌을 방지하기 위한 하나의 대표적인 시스템이 이제 도 5를 참조하여 논의될 것이다. 대표적으로, 도 4와 유사하게, 도 5는 수술 로봇 아암(504)에 결합된 용량성 호버 감지 조립체(502), 및 감지 조립체(502)로부터 신호(512, 516, 518)들을 수신하고 대응하는 로봇 명령 신호(520)를 수술 로봇 아암(504)에 출력하기 위한 제어기(514)를 포함하는 시스템(500)을 도시한다. 그러나, 이러한 실시예에서, 용량성 호버 감지 조립체(502)에 의해 검출되는 물체(506, 508 또는 510)의 유형에 따라 변하는 다수의 충돌 회피 범위(522, 524, 526)가 있다. 대표적으로, 일부 경우에, 하나의 물체와의 충돌은 더 위험할 수 있거나, 전체 시스템 내에서 더 많은 위험을 생성할 수 있거나, 그렇지 않으면 다른 물체와의 충돌보다 방지하는 것이 더 필요할 수 있다. 예를 들어, 환자와의 충돌은 수술 테이블과의 충돌 또는 경로 밖으로 이동될 수 있는 다른 물체(예컨대, 다른 수술 로봇 아암)와의 충돌보다 더 위험한 것, 즉 더 많은 위험을 생성하고/하거나 방지하는 것이 더 필요한 것으로 간주될 수 있다. 따라서, 시스템(500)은 또한 물체의 유형을 결정하도록 구성될 수 있고, 더 낮은 안전 위험인 것으로 결정된 것보다 더 높은 안전 위험에 있는 것으로 결정된 물체와의 충돌에 더 민감할 수 있다. 물체의 유형은 용량성 호버 감지 조립체(502)에 의해 검출되는 바와 같이 그의 용량성 값에 기초하여 결정될 수 있다. 특히, 상이한 재료들로 제조된 물체들은 상이한 커패시턴스 값들을 가질 것이다. 예를 들어, 금속 표면에 대응하는 커패시턴스 값은 사람에 대응하는 커패시턴스 값보다 높을 것이다. 따라서, 물체(506)가 제1 재료를 포함하는 경우, 물체(508)는 제2 재료를 포함하고, 물체(510)는 제3 재료를 포함하고, 이들 각각은 상이한 커패시턴스 값(C1, C2, C3)들을 각각 가질 것이다. 이들 상이한 커패시턴스 값(C1, C2, C3)은 감지 조립체(503) 출력 신호(512, 516, 518)들로부터 제어기(514)에 의해 결정될 수 있다. 제어기(514)는 검출되는 커패시턴스 값(C1, C2 또는 C3)에 따라 물체(또는 가능성 있는 물체)를 결정하도록 또한 프로그래밍된다. 예를 들어, 커패시턴스 값(C1)은 높을 수 있으며, 따라서 금속 재료, 예를 들어 금속 수술 테이블을 포함한 물체에 대응하는 것으로 결정될 수 있다. 커패시턴스 값(C3)은 낮을 수 있으며, 사람인 물체에 대응하는 것으로 결정될 수 있다. 커패시턴스 값(C2)은 C1과 C3 사이의 어딘가에 있을 수 있고, 따라서 금속과 사람 사이의 어딘가의 커패시턴스 값을 갖는 재료를 포함할 수 있는 수술 로봇 아암과 같은 물체에 대응하는 것으로 결정될 수 있다.
시스템(500)의 충돌 감도 및/또는 응답은 물체에 따라 또한 조정될 수 있다. 예를 들어, 도 5는 3개의 상이한 유형의 물체(506, 508, 510)에 따라 조정된 시스템(500)의 감도를 예시한다. 대표적으로, 시스템(500)은 물체(506)와의 충돌에 가장 덜 민감하고(예컨대, 최소 충돌 위험), 물체(508)와의 충돌에 더 민감하며(예컨대, 더 큰 충돌 위험), 물체(510)와의 충돌에 가장 민감한(예컨대, 최대 충돌 위험) 것으로 도시되어 있다. 예를 들어, 물체(510)가 사람인 것으로 결정된(예컨대, 낮은 커패시턴스 값(C3)이 검출됨) 때, 시스템(500)은 수술 테이블인 것으로 결정된(예컨대, 더 높은 검출된 커패시턴스 값(C2)) 물체(508) 또는 수술 로봇 아암인 것으로 결정된(예컨대, 더 높은 검출된 커패시턴스 값(C1)) 물체(506)의 경우에서보다 더 빨리 충돌 모드로 진입하고 충돌 방지 작용에 관여할 것이다. 따라서, 물체(510)(예컨대, 환자)에 대한 충돌 회피 모드는, 감지 조립체(502)로부터 상대적으로 큰 거리(DC3)에서 설정된 충돌 회피 범위(526)(예컨대, 충돌을 회피하기 위한 요구되는 최소 간격)에서 물체(510)가 감지될 때 촉발된다. 한편, 물체(506)(예컨대, 수술 로봇 아암) 및 물체(508)(예컨대, 수술 테이블)에 대한 충돌 회피 모드는, 감지 조립체(502)로부터 각각 더 짧은 거리(DC1, DC2)들에서 설정된 충돌 회피 범위(522, 524)들에서 촉발될 수 있다. 다시 말하면, 수술 로봇 아암(404)은 충돌 회피 모드 및 임의의 충돌 회피 동작들을 촉발시키기 전에 물체(510)보다 물체(506, 508)들에 더 가까울 수 있다. 이것은 사실인데, 그 이유는, 앞서 논의된 바와 같이, 사람과 막 충돌할 때보다, 충돌을 회피하도록 그 자체가 이동되거나 재구성될 수 있는 무생물 물체(즉, 사람이 아님) 및/또는 다른 수술 로봇 구성요소(예컨대, 수술 로봇 아암 또는 수술 테이블)에 수술 로봇 아암(504)이 매우 근접할 때, 위험 수준이 더 낮은 것으로 간주되기 때문이다. 예를 들어, 수술 로봇 아암은 이제 테이블 또는 환자에게 부딪침이 없이 환자 내의 원하는 위치들에 도달할 수 있도록 재구성될 수 있다. 더 추가하여, 시스템(400)과 유사하게, 시스템(500)은 로봇 명령 신호를 수술 로봇 아암(504)에 전송하는 것 대신에 또는 그에 더하여, 로봇 명령 신호를 수술장 내의 다른 수술 로봇 구성요소 또는 다른 구성요소에 전송하여 그 구성요소가 충돌 회피 동작(예컨대, 이동, 그 자신의 재위치 등)에 관여하게 하도록 구성될 수 있다. 또한, 앞서 논의된 바와 같이, 수술 로봇 구성요소들 중 하나가 충돌 회피 동작에 자동으로 관여하게 하는 것에 더하여 또는 그 대신에, 일단 임박한 충돌이 검출되면, 시스템(500)은 충돌이 임박하다는 것을 사용자에게 경고하기 위해 알람(예컨대, 오디오, 햅틱 등)을 개시할 수 있다. 예를 들어, 물체가 동작을 보조하고 있는 사람인 것으로 결정되는 경우(예컨대, 사람이 도구 구동부의 원위 단부 부근에서 검출됨), 가청 알람은 시스템이 관여하고 있는 임의의 로봇 동작들을 중단함이 없이 충돌을 회피하기 위해 사용자에게 그들의 신체 부분을 이동시키도록 경고하는 데 필요한 전부일 수 있다.
이제 용량성 호버 감지 조립체를 더 상세하게 참조하면, 도 6은 앞서 논의된 시스템들 또는 구성요소들 중 임의의 하나 이상에 통합될 수 있는 용량성 호버 감지 조립체의 하나의 대표적인 실시예를 예시한다. 용량성 호버 감지 조립체(600)는 지지 부재(602), 및 용량성 부재(604)들의 설비를 포함할 수 있다. 용량성 부재(604)들은 물체의 임의의 부분이 센서와 물리적으로 접촉함이 없이 센서 부근의 물체의 용량성 감지를 허용하는 임의의 종류의 전도성 재료로 제조될 수 있다. 용량성 부재(604)들은 지지 부재에 대한 그들의 특정 크기, 형상 및/또는 구성에 따라 용량성 패드, 용량성 영역, 용량성 라인 등으로 본 명세서에서 지칭될 수 있다. 대표적으로, 용량성 부재(604)들 각각은 구리 재료로 제조될 수 있는데, 이는 절연 재료(예컨대, 플라스틱, 세라믹 등)로 제조된 임의의 구조물일 수 있는 지지 부재(602) 상에, 그 내에 형성되거나 달리 그에 결합된다. 용량성 부재(604)들에 대한 전압의 인가는 용량성 부재(604)들 각각에서의 정전기장의 형성을 가져온다. 전도성이거나 공기와는 상이한 유전상수를 갖는 물체(606), 예를 들어 사용자의 손의 임의의 부분이 용량성 부재(604)들에 매우 근접하게 될 때, 이는 국소 전기장을 변화시키고, 이어서 부재(604)들 각각에서 커패시턴스를 변화시킨다. 용량성 부재(604)들 각각에서의 커패시턴스의 이러한 변화는 조립체(600)에 의해 감지되고 센서 신호로서 수술 로봇 시스템(100)의 제어기/프로세서로 출력되어, 조립체(600) 및 센서 조립체(600)가 결합되는 임의의 수술 로봇 구성요소에 대한 물체(606)의 커패시턴스, 근접, 장소, 위치, 변위, 이동 등을 결정/측정할 수 있다. 제어기/프로세서는, 이어서, 물체(606)와 구성요소 사이의 직접 접촉 없이, 연관된 수술 로봇 구성요소가 충돌 회피 동작에 관여하게 할 수 있다.
이 실시예에서, 용량성 부재(604)들은 물체(606)의 선형 이동 및 각방향 이동 둘 모두의 검출을 허용하는 파이(pie) 패턴으로 배열된다. 예를 들어, 물체(606)의 선형 이동이 화살표(608)로 예시되어 있고, 각방향 이동이 화살표(610)에 의해 예시되어 있다. 이 태양에서, 용량성 부재(604)들은 원형 용량성 호버 감지 영역을 함께 구성하는 실질적으로 삼각형인 형상의 단편(piece)들로서 각각 형성된 용량성 부재(604A, 604B, 604C)들을 포함할 수 있다. 용량성 부재(604A 내지 604C)들 각각은 전도성 재료로 제조될 수 있으며, 이는 앞서 논의된 바와 같이 전압의 인가시 용량성 부재(604A 내지 604C)들 각각에서 정전기장을 형성할 수 있다. 물체(606)가 용량성 부재(604A 내지 604C)들에 매우 근접하게 될 때, 이는 국소 전기장을 변화시키고, 이어서 부재(604A 내지 604C)들 각각에서의 커패시턴스를 변화시킨다. 용량성 부재(604A 내지 604C)들 각각에서의 커패시턴스의 이러한 변화는 물체(606)가 구성요소와 물리적으로 접촉함이 없이, 물체(606)의 선형 이동(308) 및/또는 각방향 움직임(610)을 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 용량성 부재(604A, 604C)들 위에서의 물체(606)의 배회가 초기에 검출될 수 있고, 이어서 용량성 부재(604A, 604B)들 위에서의 물체(606)의 배회가 검출될 수 있다. 이는, 예를 들어, 초기에 사용자의 손바닥이 용량성 부재(604A) 위에 위치되고 손가락들이 용량성 부재(604C) 위에 위치되며 이어서 사용자가 (x-y 평면 내에서) 화살표(610)에 의해 나타낸 바와 같이 그들의 손을 우측으로 회전시켜, 손바닥이 용량성 부재(604A) 위에 남아 있는 동안, 손가락들이 이제 부재(604C)가 아닌 용량성 부재(604B) 위에 있게 하는 경우에 일어날 수 있다. 용량성 호버 감지 조립체(600)는 그러한 이동을, 예를 들어 부재(604A, 604C)들에서의 커패시턴스의 초기 변화, 뒤이은 부재(604B)에서의 커패시턴스의 변화, 및 그의 초기 상태로 복귀하는 부재(604C)로서 검출할 수 있다. 대응하는 신호(들)가 용량성 호버 감지 조립체(600)에 의해 수술 로봇 시스템 제어기/프로세서로 출력되어, 물체(606)가 너무 가깝고 충돌 회피 동작들이 필요한지 여부를 결정할 수 있다.
일부 실시예에서, 감지 조립체(600)가 본 명세서에서 논의된 수술 로봇 구성요소들 중 임의의 하나 이상에 통합될 수 있음이 또한 이해되어야 한다. 예를 들어, 용량성 부재(들)는 원하는 배열 또는 패턴으로 수술 로봇 아암(예컨대, 수술 로봇 아암(104 또는 200))의 표면(즉, 지지 부재) 상으로 직접 인쇄되거나, 수술 로봇 구성요소의 표면 내로 에칭되는 전도성 재료로 제조될 수 있다. 표면은 앞서 논의된 바와 같이 충돌의 위험이 있는 수술 로봇 구성요소의 임의의 표면 또는 부분일 수 있다. 예를 들어, 수술 로봇 구성요소가 수술 로봇 아암(200)인 경우, 표면은 수술 로봇 아암 링크 또는 조인트의 장식 패널 또는 외측 쉘의 충돌 검출 영역, 구역 또는 부분일 수 있다. 더 추가하여, 수술 로봇 구성요소가 수술 테이블인 경우, 표면은 수술 테이블의 측부를 따른 장식 패널의 충돌 검출 영역 또는 구역일 수 있다. 일부 태양에서, 지지 부재는 수술 로봇 구성요소의 장식 패널 또는 외부 쉘을 형성한다. 따라서, 감지 조립체(600)가 평평한 평면, 또는 임의의 다른 형상/크기로 제한되도록 의도되지 않으며, 오히려 임의의 수술 로봇 시스템 구성요소와 함께 사용하기에 적합한 임의의 크기 및 형상을 갖도록 형성되거나 제조될 수 있음이 이해되어야 한다.
도 7은 하나의 실시예에 따른 하나의 대표적인 충돌 회피 프로세스의 블록도를 예시한다. 프로세스(700)는 물체를 검출하는 동작(702)을 포함한다. 물체는 본 명세서에서 앞서 논의된 바와 같은 용량성 호버 감지 조립체를 사용하여 검출될 수 있다. 일단 물체가 검출되면, 물체 거리가 임계 충돌 회피 거리와 비교되고(동작 704), 이어서 2개의 거리가 비교되어 물체 거리가 충돌 회피 거리보다 작은지 여부를 결정할 수 있다(동작 708). 게다가, 프로세스(700)는 도 5와 관련하여 이전에 논의된 바와 같이 물체의 유형을 결정하는 추가적인 동작을 포함할 수 있다(동작 704). 물체 거리가 충돌 회피 거리보다 작지 않은 경우, 프로세스(700)는 동작(702)으로 복귀하고 물체 검출 동작을 계속한다. 물체 거리가 충돌 회피 거리보다 작은 경우, 시스템은 충돌 회피 모드에 진입한다(동작 710). 일부 실시예에서, 충돌 회피 모드 거리와 동일한 물체 거리가 충돌 회피 모드로의 진입을 추가로 야기할 수 있음이 또한 인식되어야 한다. 충돌 회피 모드(710)에서, 프로세스는 동작(712)에서 물체의 유형(예컨대, 동작(706)에 의해 결정되는 바와 같음)이 알려져 있는지 여부를 고려한다. 물체 유형이 알려져 있지 않은 경우, 수술 로봇 아암의 이동을 정지하라는 명령이 발생되어 수술 로봇 아암이 이동을 정지하게 한다(동작 714). 물체 유형이 알려져 있고 물체가 사람인 경우(동작 716), 프로세스는 동작(714)으로 복귀하여 수술 로봇 아암의 이동을 정지시키는 명령을 개시하여 수술 로봇 아암이 이동을 정지하게 한다. 물체가 사람이 아니라면, 프로세스(700)는 동작(718)으로 계속하여 물체가 이동가능한 수술 로봇 구성요소(예컨대, 다른 수술 로봇 아암)인지 여부를 결정한다. 물체가 이동가능한 구성요소(예컨대, 수술 로봇 아암에 연결된 수술 테이블)가 아닌 경우, 프로세스는 동작(714)으로 복귀하여 수술 로봇 아암의 이동을 정지시키는 명령을 개시하여 수술 로봇 아암이 이동을 정지하게 한다. 그러나, 물체가 이동가능한 수술 로봇 구성요소인 경우, 프로세스는 동작(720)으로 계속되고, 이동가능한 구성요소를 비충돌 위치로 이동, 재구성, 재위치시키는 명령을 개시하여 수술 로봇 아암이 이동가능한 수술 로봇 구성요소와 충돌하지 않도록 한다. 대안적으로 또는 상기 동작들 중 임의의 것에 더하여, 일단 물체가 검출되면, 시스템은 임박한 충돌의 사용을 경고하기 위해 가청 알람 또는 햅틱 응답과 같은 알람을 개시할 수 있다. 프로세스(700)의 동작들이 하나의 특정 순서로 기술되지만, 이들은 물체와 수술 로봇 아암의 충돌을 회피하기 위해 임의의 순서로 그리고 조합으로 수행될 수 있음이 이해되어야 한다.
전술한 명세서에서, 본 발명은 그의 구체적인 예시적인 실시예들을 참조하여 기술되었다. 하기 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 더 넓은 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 그에 대해 다양한 수정이 이루어질 수 있음이 명백할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미보다는 예시적인 의미로 여겨져야 한다.

Claims (20)

  1. 수술 로봇 시스템(surgical robotic system)으로서,
    수술 테이블;
    상기 수술 테이블에 결합된 수술 로봇 조작기(manipulator)로서, 상기 수술 로봇 조작기는 상기 수술 로봇 조작기를 이동시키기 위해 서로에 대해 이동하도록 동작가능한 복수의 조인트(joint)들에 의해 함께 결합되는 복수의 링크(link)들을 포함하고, 상기 복수의 링크들 또는 상기 복수의 조인트들 중 적어도 하나는 상기 수술 로봇 조작기를 이동시킬 때 상기 복수의 링크들 또는 상기 복수의 조인트들 중 다른 하나와 대면하는 부분을 갖는, 상기 수술 로봇 조작기;
    상기 복수의 링크들 또는 상기 복수의 조인트들 중 상기 적어도 하나의 상기 부분에 결합되는 근접 센서(proximity sensor)로서, 상기 수술 로봇 조작기가 물체와 충돌하기 전에 상기 물체를 검출하고 대응하는 검출 신호를 출력하도록 동작가능한, 상기 근접 센서; 및
    상기 대응하는 검출 신호를 수신하고 상기 수술 로봇 조작기 또는 상기 물체가 충돌 회피 동작에 관여하게 하도록 동작가능한 프로세서를 포함하는, 수술 로봇 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수술 로봇 조작기는 수술 로봇 아암(arm)을 포함하고, 상기 근접 센서는 상기 수술 로봇 아암이 외과적 시술을 수행하고 있을 때 상기 수술 테이블과 대면하는 상기 복수의 링크들 또는 상기 복수의 조인트들 중 적어도 하나의 만곡된 부분에 결합된 용량성 호보 감지 조립체(capacitive hover sensing assembly)인, 수술 로봇 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수술 로봇 조작기는 수술 로봇 아암을 포함하고, 상기 복수의 조인트들에 의해 함께 결합되는 상기 복수의 링크들은 피벗 조인트에 의해 함께 결합되는 제1 링크 및 제2 링크를 포함하고, 상기 근접 센서는 상기 제1 링크 또는 상기 제2 링크가 상기 피벗 조인트를 중심으로 피벗할 때 상기 제2 링크와 대면하는 상기 제1 링크의 부분에 결합되는, 수술 로봇 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수술 로봇 조작기는 수술 로봇 아암을 포함하고, 상기 부분은 상기 복수의 링크들 중 적어도 2개의 링크들 사이에 있는 조인트의 부분이며, 상기 부분은 상기 수술 로봇 아암이 이동하고 있을 때 상기 링크들 중 적어도 하나와 대면하는, 수술 로봇 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수술 로봇 조작기는 수술 로봇 아암에 결합되는 도구 구동부(tool drive)를 포함하고, 상기 근접 센서는 상기 도구 구동부에 결합되는, 수술 로봇 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 도구 구동부는 근위(proximal) 부분 및 원위(distal) 부분을 포함하고, 상기 원위 부분은 외과적 시술 동안에 근위 부분보다 상기 수술 테이블로부터 더 멀리 있으며, 상기 근접 센서는 상기 근위 부분에 결합되는, 수술 로봇 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 근접 센서는 패턴으로 배열된 복수의 용량성 패드(pad)들을 포함하고, 상기 복수의 용량성 패드들은 상기 용량성 패드들 중 하나 이상에서의 커패시턴스의 변화에 기초하여 상기 수술 로봇 조작기에 대한 상기 물체의 근접을 검출하는, 수술 로봇 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 근접 센서는 상기 수술 로봇 조작기에 대한 상기 물체의 근접 및 물체 유형을 검출하도록 동작가능하고, 상기 근접 및 상기 물체 유형에 기초하여, 상기 프로세서는 상기 충돌 회피 동작을 결정하는, 수술 로봇 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 수술 로봇 조작기가 상기 충돌 회피 동작에 관여하게 하고, 상기 충돌 회피 동작은 상기 수술 로봇 조작기의 이동을 종료시키는 것을 포함하는, 수술 로봇 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 물체가 상기 충돌 회피 동작에 관여하게 하고, 상기 충돌 회피 동작은 상기 물체가 상기 수술 로봇 조작기의 이동 경로 내에 있지 않도록 상기 물체를 이동시키는 것을 포함하는, 수술 로봇 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 검출 신호에 기초하여 상기 사용자에게 임박한 충돌을 경고하는 알람을 개시하도록 또한 동작가능한, 수술 로봇 시스템.
  12. 수술 로봇 조작기를 위한 충돌 회피 방법으로서,
    근접 감지 조립체를 사용하여 수술 로봇 조작기에 대한 물체의 거리를 검출하는 단계로서, 상기 수술 로봇 조작기는 상기 수술 로봇 조작기를 이동시키기 위해 서로에 대해 이동하도록 동작가능한 복수의 조인트들에 의해 함께 결합되는 복수의 링크들을 포함하고, 상기 근접 감지 조립체는 상기 수술 로봇 조작기가 이동하고 있을 때 상기 복수의 링크들의 다른 링크와 대면하는 상기 복수의 링크들 중 적어도 하나의 부분에 결합되는, 상기 검출하는 단계;
    상기 물체의 검출된 거리를 미리 결정된 충돌 회피 거리와 비교함으로써 상기 물체와 상기 수술 로봇 조작기 사이의 충돌이 임박한지 여부를 결정하는 단계로서, 상기 미리 결정된 충돌 회피 거리는 충돌을 피하기 위해 상기 물체와 상기 수술 로봇 조작기 사이에서 유지될 미리 결정된 거리에 대응하는, 상기 결정하는 단계; 및
    상기 결정하는 단계에 기초하여, 상기 수술 로봇 조작기가 상기 물체와 충돌하는 것을 방지하는 충돌 회피 동작에 상기 수술 로봇 조작기 또는 상기 물체가 관여하게 하는 단계를 포함하는, 충돌 회피 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 결정하는 단계에 기초하여, 상기 수술 로봇 조작기는 상기 충돌 회피 동작에 관여하게 되고, 상기 충돌 회피 동작은 상기 수술 로봇 조작기의 이동을 종료시키는 것을 포함하는, 충돌 회피 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 근접 감지 조립체를 사용하여 물체 유형을 검출하는 단계, 및 상기 물체의 상기 거리 및 상기 물체 유형에 기초하여 충돌 회피 동작을 결정하는 단계를 더 포함하는, 충돌 회피 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 충돌 회피 동작은 상기 물체 유형이 사람일 때 상기 수술 로봇 조작기의 이동을 종료시키는 것 또는 상기 물체 유형이 다른 수술 로봇 조작기일 때 상기 물체의 이동을 야기하는 것을 포함하는, 충돌 회피 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 미리 결정된 충돌 회피 거리는 상기 물체 유형에 따라 상이한, 충돌 회피 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 근접 감지 조립체를 사용하여 복수의 조인트들에 의해 함께 결합되는 상기 복수의 링크들 중 특정 링크에 대한 상기 물체의 위치를 결정하는 단계, 및 상기 수술 로봇 조작기에 대한 상기 물체의 상기 위치 및 상기 물체의 상기 거리에 기초하여, 상기 충돌 회피 동작을 결정하는 단계를 더 포함하는, 충돌 회피 방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 복수의 링크들 중 적어도 하나는 제1 방향으로 이동하도록 동작가능하고, 상기 근접 감지 조립체는 상기 제1 방향을 향하는 상기 복수의 링크들 중 상기 적어도 하나의 만곡된 부분에 결합되는, 충돌 회피 방법.
  19. 제12항에 있어서, 상기 수술 로봇 조작기는 적어도 7개의 링크들 및 상기 적어도 7개의 링크들이 서로에 대해 이동하게 하는 적어도 7개의 조인트들을 포함하는 수술 로봇 아암을 포함하고, 상기 근접 감지 조립체는 제1 링크가 제1 조인트를 중심으로 피벗할 때 제2 링크와 대면하는 상기 제1 링크의 부분에 결합되는, 충돌 회피 방법.
  20. 제12항에 있어서, 상기 수술 로봇 조작기는 수술 테이블에 결합되는 수술 로봇 아암에 결합되는 도구 구동부를 포함하고, 상기 근접 감지 조립체는 상기 도구 구동부의 근위 부분 또는 원위 부분에 결합되며, 상기 도구 구동부의 상기 근위 부분은 수술 로봇 동작 동안 상기 테이블과 대면하거나 상기 도구 구동부의 상기 원위 부분은 상기 수술 테이블로부터 멀리 향하는, 충돌 회피 방법.
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