KR20220082913A - 수술 로봇 시스템에서의 수술 도구의 결합 및/또는 호밍 - Google Patents

Abstract

수술 로봇 시스템에서 수술 도구의 모터 제어부를 위한 결합 및/또는 호밍이 제공된다. 2개 이상의 모터가 동일한 운동을 제어하는 경우, 모터는 물리적 정지부가 제공되지 않는 경우에도 결합을 검출하는 데 사용될 수 있다. 모터는 서로 반대로 또는 동일한 운동을 시도하지 않는 방식으로 작동하여, 결합 시에 모터들 중 하나가 다른 모터에 대한 정지부로서 작용하게 한다. 그러면, 모터 작동의 변화가 결합을 나타낸다. 결합된 모터 및 모터 구동부를 수술 도구에 링크시키는 트랜스미션의 알려진 각도는 수술 도구의 홈 또는 현재 위치를 나타낸다.

Description

수술 로봇 시스템에서의 수술 도구의 결합 및/또는 호밍

실시예는 수술 로봇 시스템(surgical robotic system)의 수술 로봇 아암(arm) 내의 하나 이상의 액추에이터(actuator)에 의해 수술 로봇 도구의 성공적인 결합 및/또는 호밍(homing)을 검출하기 위한 제어 유닛에 관한 것이다. 다른 실시예가 또한 기술된다.

수술 로봇 시스템은 수술 의사와 같은 조작자 또는 사용자에게 수술 로봇 시스템을 사용하여 수술 절차의 하나 이상의 동작을 수행하는 능력을 제공한다. 수술 로봇 시스템에서, 내시경, 클램프(clamp), 절단 도구, 스프레더(spreader), 바늘, 에너지 방출기 등과 같은 수술 도구 또는 기구가 수술 로봇 아암의 로봇 조인트(robot joint)에 기계적으로 커플링되어, 로봇 조인트의 이동 또는 작동이 도구의 일부의 회전, 피봇팅(pivoting), 또는 선형 이동(예컨대, 내시경 카메라의 회전, 파지기 조오(grasper jaw)의 피봇팅, 또는 바늘의 병진)을 직접 유발한다. 일단 도구가 아암 내의 도구 구동부(tool drive)에 부착되면(예컨대, 접촉함), 조작자 명령이 클램프 폐쇄, 내시경의 굽힘부 조절, 캐뉼러 벽(cannula wall) 외측으로의 기구 연장, 클램핑 도구를 사용한 압력 인가뿐만 아니라, 다른 이동 및 동작과 같은, 부착된 도구의 이동을 유발하고 그의 기능을 활성화할 수 있다.

수술 절차의 다양한 특성으로 인해, 수술 절차 전에 그리고 그 동안에 수술 로봇 시스템의 동일한 아암에 상이한 수술 도구 또는 기구가 선택적으로 부착될 수 있다. 수술 절차 동안 장비 오작동을 방지하기 위해, 수술 도구 또는 기구는 수술 로봇 아암의 로봇 조인트에 기계적 감각(mechanical sense)으로 부착될 뿐만 아니라 결합되는 것이 중요하다. 즉, 수술 도구가 수술 절차 동안 사용되기 전에, 기구 특징부의 운동을 부여하거나 그의 활성화를 가능하게 하는(예컨대, 개방, 폐쇄, 절단, 압력 인가 등) 수술 도구 내의 메커니즘이 수술 로봇 시스템의 아암의 도구 구동부 내에 있는 액추에이터에 기계적으로 결합되어야 한다.

서론으로, 후술되는 바람직한 실시예는 수술 로봇 시스템에서 수술 도구의 모터 제어부를 결합 및/또는 호밍하기 위한 방법, 시스템, 명령어, 및 컴퓨터 판독가능 매체를 포함한다. 2개 이상의 모터들이 동일한 운동을 제어하는 경우, 모터들은 물리적 정지부가 제공되지 않는 경우에도 결합을 검출하는 데 사용될 수 있다. 모터들은 서로 반대로 또는 동일한 운동을 시도하지 않는 방식으로 작동하여, 결합 시에 모터들 중 하나가 다른 모터에 대한 정지부로서 작용하게 한다. 그러면, 모터 작동의 변화가 결합을 나타낸다. 결합된 모터들 및 모터 구동부들을 수술 도구에 링크시키는(linking) 트랜스미션(transmission)의 알려진 각도들은 수술 도구의 홈(home) 또는 현재 위치를 나타낸다.

제1 태양에서, 수술 로봇 시스템에서 수술 도구의 모터 제어부를 결합하기 위한 방법이 제공된다. 각각 제1 및 제2 구동부 디스크들(drive discs)과 연결되는 제1 및 제2 모터들이 회전된다. 제1 및 제2 구동부 디스크들은 제1 및 제2 도구 디스크들(tool discs)과 접촉한다. 제1 및 제2 도구 디스크들 둘 모두는 수술 도구에 링크된다. 제1 및 제2 모터들은 제1 및 제2 구동부 디스크들이 수술 도구의 이동을 위해 서로 반대로 회전하도록 회전한다. 각각 제1 및 제2 디스크들과의 제1 및 제2 모터들의 결합은 제1 및 제2 모터들의 성능 변화로부터 검출된다.

제2 태양에서, 로봇 수술 시스템에서의 모터 제어부의 결합을 위한 수술 로봇 시스템이 제공된다. 수술 도구가 제1 및 제2 회전 도구 패드들(rotary tool pads)에 트랜스미션에 의해 연결된다. 수술 도구는 제1 및 제2 회전 도구 패드들의 회전이 수술 도구를 회전시키도록 연결된다. 도구 구동부가 제1 및 제2 회전 도구 패드들과 정합가능한 제1 및 제2 회전 구동부들을 갖는다. 프로세서가 신호의 변화에 의해 제1 및 제2 회전 구동부들과의 제1 및 제2 회전 도구 패드들의 정합을 검출하도록 구성된다.

제3 태양에서, 수술 로봇 시스템에서 수술 도구의 회전 위치를 호밍하기 위한 방법이 제공된다. 제1 및 제2 회전 구동부들과의 제1 및 제2 회전 도구 패드들의 결합이 검출된다. 제1 및 제2 회전 도구 패드들에 링크되는 수술 도구의 회전 각도가 일단 결합이 검출되면 제1 및 제2 회전 구동부들의 제1 및 제2 회전 각도들로부터 결정된다.

본 발명은 하기 청구범위에 의해 한정되고, 이 섹션의 어떤 것도 그러한 청구범위에 대한 제한으로 간주되지 않아야 한다. 본 발명의 추가 태양 및 이점은 바람직한 실시예와 함께 아래에서 논의되고, 이후에 독립적으로 또는 조합하여 청구될 수 있다.

본 발명의 실시예는 유사한 도면 부호가 유사한 요소를 나타내는 첨부 도면의 도면에서 제한이 아닌 예로서 예시된다. 본 개시의 발명의 "일" 또는 "하나의" 실시예에 대한 언급은 반드시 동일한 실시예에 대한 것은 아니며, 그들은 적어도 하나를 의미한다는 것에 유의하여야 한다. 또한, 간결함을 위하여 그리고 도면의 총수를 감소시키기 위하여, 주어진 도면은 본 발명의 하나 초과의 실시예의 특징을 예시하기 위해 사용될 수 있고, 도면의 모든 요소가 주어진 실시예에 대해 요구되지는 않을 수 있다.
도 1은 수술 아레나(operating arena)에서의 예시적인 수술 로봇 시스템의 그림을 이용한 도면.
도 2는 수술 로봇 아암의 도구 구동부에 대한 수술 도구의 결합을 검출하기 위한 시스템의 예시.
도 3은 수술 도구, 도구 구동부, 및 제어 유닛을 도시한 블록도.
도 4a 내지 도 4c는 결합 프로세스 동안 도구 디스크 및 구동부 디스크의 상이한 상태를 예시한 도면.
도 5a는 수술 도구를 도구 구동부와 결합시키기 위해 제어 유닛에 의해 수행되는 프로세스를 예시한 흐름도.
도 5b는 제어 유닛이 구동부 디스크를 구동하는 액추에이터의 하나 이상의 작동 파라미터에 기초하여 구동부 디스크에 대한 도구 디스크의 결합을 검출하기 위한 다른 프로세스를 예시한 흐름도.
도 5c는 제어 유닛이 수술 로봇 시스템의 도구 구동부와의 수술 도구의 결합을 검출하기 위한 다른 프로세스를 예시한 흐름도.
도 6은 피드백 루프(feedback loop)의 블록도.
도 7은 피드백 루프에 사용하기 위한 제어기의 블록도.
도 8은 모터와 대응하는 구동부 디스크, 도구 디스크, 및 수술 도구 사이의 회전 각도 관계의 예를 예시한 도면.
도 9는 결합에 사용되는 구동 전류의 일 실시예를 예시한 도면.
도 10은 제어 유닛이 결합을 검출하기 위한 그리고/또는 호밍을 위한 다른 프로세스를 예시한 흐름도.

수술 로봇 시스템의 수술 로봇 아암의 도구 구동부에 대한 분리가능한 수술 로봇 도구의 결합의 검출을 위한 장치, 시스템 및 방법의 실시예가 본 명세서에 기술된다. 하기 설명에서, 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 상세 사항이 기재된다. 그러나, 당업자는 본 명세서에 기술된 기법이 특정 상세 사항들 중 하나 이상 없이, 또는 다른 방법, 구성요소, 재료 등에 의해 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 경우에, 잘 알려진 구조, 재료, 또는 작동은 소정 태양을 모호하게 하는 것을 방지하기 위해 상세히 도시되거나 기술되지 않는다.

본 명세서 전체에 걸쳐 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예"에 대한 언급은 실시예와 관련하여 기술된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 다양한 곳에서의 어구 "하나의 실시예에서" 또는 "일 실시예에서"의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 상이한 도면에 도시된 것과 같은 특정 특징, 구조, 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.

도 1을 참조하면, 이는 수술 아레나에서의 예시적인 수술 로봇 시스템(100)의 그림을 이용한 도면이다. 수술 로봇 시스템(100)은 사용자 콘솔(user console)(102), 제어 타워(control tower)(103), 및 수술 플랫폼(surgical platform)(105), 예컨대 테이블, 베드 등에 있는 하나 이상의 수술 로봇 아암(104)을 포함한다. 수술 로봇 시스템(100)은 환자(106)에게 수술을 수행하는 데 사용되는 임의의 수의 장치, 도구, 또는 액세서리를 통합할 수 있다. 예를 들어, 수술 로봇 시스템(100)은 수술을 수행하는 데 사용되는 하나 이상의 수술 도구(107)를 포함할 수 있다. 수술 도구(107)는 절단, 파지, 포킹(poking), 또는 에너지 방출과 같은 수술 작동을 실행하기 위한, 그의 원위 단부(또한 수술 도구(107)가 부착된 로봇 수술 아암(4)의 원위 단부)에 있는 엔드 이펙터(end effector)를 가질 수 있다.

각각의 수술 도구(107)는 수술 동안 수동으로, 로봇으로, 또는 둘 모두로 조작될 수 있다. 예를 들어, 수술 도구(107)는 환자(106)의 내부 해부학적 구조에 진입하거나, 그것을 관찰하거나, 조작하는 데 사용되는 도구일 수 있다. 일 실시예에서, 수술 도구(106)는 환자의 조직을 파지할 수 있는 파지기이다. 수술 도구(106)는 베드측 조작자(bedside operator)(108)의 손에 의해 수동으로, 직접 제어될 수 있거나; 그것은 수술 도구(106)가 부착된 수술 로봇 아암(104)의 이동을 작동시키기 위한 전자 명령의 송신을 통해 로봇으로 제어될 수 있다. 수술 로봇 아암(104)은 테이블-장착식 시스템으로 도시되지만, 다른 구성에서 수술 로봇 아암(104)은 카트(cart), 천장 또는 측벽에, 또는 다른 적합한 구조적 지지물에 장착될 수 있다.

일반적으로, 의사와 같은 원격 조작자(remote operator)(109)가 수술 로봇 아암(104) 및 부착된 수술 도구(107)를 원격으로 조작하기 위해, 예컨대 원격조종(teleoperation)을 위해 사용자 콘솔(102)을 사용할 수 있다. 사용자 콘솔(102)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 나머지 수술 로봇 시스템(100)과 동일한 수술실 내에 위치될 수 있다. 그러나, 다른 환경에서, 사용자 콘솔(102)은 인접한 또는 인근의 방 내에 위치될 수 있거나, 그것은 원격 위치에, 예컨대 상이한 건물, 도시, 또는 지역에 있을 수 있다. 사용자 콘솔(102)은 좌석(110), 발-작동식 제어부(foot-operated control)(113), 하나 이상의 핸드헬드(handheld) 사용자 인터페이스 장치(user interface device, UID)(114), 및 예를 들어 환자(106) 내측의 수술 부위의 뷰(view)를 표시하도록 구성된 적어도 하나의 사용자 디스플레이(115)를 포함할 수 있다. 예시적인 사용자 콘솔(102)에서, 원격 조작자(109)는 수술 로봇 아암(104) 및 (수술 아암의 원위 단부 상에 장착된) 수술 도구(107)를 원격으로 제어하기 위해 발-작동식 제어부(113) 및 핸드헬드 UID(114)를 조작하면서 좌석(110)에 앉아 사용자 디스플레이(115)를 관찰한다.

일부 변형에서, 베드측 조작자(108)는 또한 수술 로봇 시스템(100)을 "오버 더 베드(over the bed)" 모드에서 작동시킬 수 있고, 여기서 베드측 조작자(108)(사용자)는 이제 환자(106)의 측면에 있고, i) 예컨대 한 손에 보유된 핸드헬드 UID(114)로 수술 로봇 아암(104)에 부착된 (엔드 이펙터를 갖는) 로봇-구동식 도구를, 그리고 ii) 수동 복강경 도구를 동시에 조작한다. 예를 들어, 베드측 조작자의 왼손은 수술 로봇 구성요소를 제어하기 위해 핸드헬드 UID를 조작할 수 있는 한편, 베드측 조작자의 오른손은 수동 복강경 도구를 조작할 수 있다. 따라서, 이들 변형에서, 베드측 조작자(108)는 환자(106)에게 로봇-보조식 최소 침습 수술 및 수동 복강경 수술 둘 모두를 수행할 수 있다.

예시적인 절차(수술) 동안, 환자(106)는 마취를 달성하기 위해 무균 방식으로 수술 준비되고 드레이핑된다(draped). 수술 부위에 대한 초기 접근은 수술 로봇 시스템(100)의 아암이 (수술 부위에 대한 접근을 용이하게 하기 위해) 적재된 구성(stowed configuration) 또는 인출된 구성(withdrawn configuration)에 있는 동안 수동으로 수행될 수 있다. 일단 접근이 완료되면, 그의 수술 로봇 아암(104)을 포함하는 수술 로봇 시스템(100)의 초기 위치설정 또는 준비가 수행될 수 있다. 다음으로, 수술은 사용자 콘솔(102)에 있는 원격 조작자(109)가 수술을 수행하기 위해 다양한 엔드 이펙터 및 아마도 이미징 시스템을 조작하도록 발-작동식 제어부(113) 및 UID(114)를 이용하는 것으로 진행한다. 수동 보조는 또한 무균 가운을 입은(sterile-gowned) 베드측 요원, 예컨대 조직 후퇴, 수동 재위치설정 수행, 및 수술 로봇 아암들(104) 중 하나 이상 상의 도구 교환과 같은 작업을 수행할 수 있는 베드측 조작자(108)에 의해, 수술 베드 또는 테이블에서 제공될 수 있다. 사용자 콘솔(102)에서 원격 조작자(109)를 보조하기 위한 비-무균 요원이 또한 있을 수 있다. 절차 또는 수술이 완료될 때, 수술 로봇 시스템(100) 및 사용자 콘솔(102)은 세정 또는 멸균 및 사용자 콘솔(102)을 통한 건강관리 기록 입력 또는 출력과 같은 수술후 절차를 용이하게 하기 위한 상태로 구성되거나 설정될 수 있다.

일 실시예에서, 원격 조작자(109)는 수술 로봇 시스템(100)에서 로봇 아암 액추에이터(117)를 이동시키기 위한 입력 명령을 제공하기 위해 UID(114)를 보유하고 이동시킨다. UID(114)는 예컨대 콘솔 컴퓨터 시스템(116)을 통해 나머지 수술 로봇 시스템(100)에 통신가능하게 커플링될 수 있다. UID(114)는 UID(114)의 이동, 예컨대 UID의 핸드헬드 하우징의 위치 및 배향에 대응하는 공간 상태 신호를 발생시킬 수 있고, 공간 상태 신호는 로봇 아암 액추에이터(117)의 운동을 제어하기 위한 입력 신호일 수 있다. 수술 로봇 시스템(100)은 액추에이터(117)의 비례 운동을 제어하기 위해 공간 상태 신호로부터 유도된 제어 신호를 사용할 수 있다. 일 실시예에서, 콘솔 컴퓨터 시스템(116)의 콘솔 프로세서가 공간 상태 신호를 수신하고 대응하는 제어 신호를 발생시킨다. 액추에이터(117)가 수술 로봇 아암(104)의 세그먼트(segment)를 이동시키기 위해 동력을 공급받는 방식을 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 조오가 환자(106)의 조직을 폐쇄하고 파지하게 하는 파지 제어 신호를 발생시킬 수 있다.

수술 로봇 시스템(100)은 수개의 UID(114)를 포함할 수 있고, 여기서 각각의 수술 로봇 아암(104)의 수술 도구(엔드 이펙터) 및 액추에이터를 제어하는 각각의 UID를 위한 각각의 제어 신호가 발생된다. 예를 들어, 원격 조작자(109)는 좌측 로봇 아암 내에 있는 액추에이터(117)의 운동을 제어하기 위해 제1 UID(114)를 이동시킬 수 있고, 여기서 액추에이터는 그러한 수술 로봇 아암(104) 내에서 링크장치(linkage), 기어 등을 이동시킴으로써 응답한다. 유사하게, 원격 조작자(109)에 의한 제2 UID(114)의 이동은 다른 액추에이터(117)의 운동을 제어하고, 이는 이어서 수술 로봇 시스템(100)의 다른 링크장치, 기어 등을 이동시킨다. 수술 로봇 시스템(100)은 환자의 우측으로 베드 또는 테이블에 고정된 우측 수술 로봇 아암(104), 및 환자의 좌측에 있는 좌측 수술 로봇 아암(104)을 포함할 수 있다. 액추에이터(117)가 하나 이상의 모터를 포함할 수 있고, 모터는 그들이 수술 로봇 아암(104)의 조인트의 회전을 구동시켜, 예를 들어 그러한 아암에 부착된 수술 도구(107)의 파지기 또는 내시경의 배향을 환자에 대해 변경하도록 제어된다. 동일한 수술 로봇 아암(104) 내의 수개의 액추에이터(117)의 운동은 특정 UID(114)로부터 발생된 공간 상태 신호에 의해 제어될 수 있다. UID(114)는 또한 각각의 수술 도구 파지기의 운동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 각각의 UID(114)는 환자(106) 내의 조직을 파지하기 위해 수술 도구(107)의 원위 단부에 있는 파지기의 조오를 개방하거나 폐쇄하는 액추에이터, 예컨대 선형 액추에이터의 운동을 제어하기 위한 각각의 파지 신호를 발생시킬 수 있다.

일부 태양에서, 수술 플랫폼(105)과 사용자 콘솔(102) 사이의 통신은 제어 타워(103)를 통해 이루어질 수 있고, 이는 사용자 콘솔(102)로부터(그리고 더욱 특정하게는 콘솔 컴퓨터 시스템(116)으로부터) 수신된 사용자 명령을 수술 플랫폼(105) 상의 수술 로봇 아암(104)으로 전송되는 로봇 제어 명령으로 변환할 수 있다. 제어 타워(103)는 또한 수술 플랫폼(105)으로부터 다시 사용자 콘솔(102)로 상태 및 피드백을 전송할 수 있다. 수술 플랫폼(105), 사용자 콘솔(102), 및 제어 타워(103) 사이의 통신 연결은 다양한 데이터 통신 프로토콜들 중 임의의 적합한 프로토콜을 사용하여, 유선 및/또는 무선 링크를 통해 이루어질 수 있다. 임의의 유선 연결부가 선택적으로 수술실의 바닥 및/또는 벽 또는 천장에 내장될 수 있다. 수술 로봇 시스템(100)은 수술실 내의 디스플레이뿐만 아니라 인터넷 또는 다른 네트워크를 통해 액세스가능한 원격 디스플레이를 포함하는 하나 이상의 디스플레이에 비디오 출력을 제공할 수 있다. 비디오 출력 또는 피드는 또한 프라이버시를 보장하기 위해 암호화될 수 있고, 비디오 출력의 전부 또는 부분들이 서버 또는 전자 건강관리 기록 시스템에 저장될 수 있다.

도 2는 수술 로봇 아암(220)의 도구 구동부(230)에 대한 수술 도구(240)의 결합을 검출하기 위한, 수술 로봇 시스템(100)의 서브시스템 또는 일부의 예시이다. 수술 로봇 아암(220)은 도 1과 관련하여 예시되고 논의된 수술 로봇 시스템(100)의 수술 로봇 아암들(104) 중 하나일 수 있다. 제어 유닛(201)은 예를 들어 도 1의 제어 타워의 일부일 수 있다. 본 명세서에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 결합은 도구 구동부(230) 내의 하나 이상의 액추에이터(예컨대, 액추에이터(238-j))의 하나 이상의 모터 작동 파라미터에 기초하여 제어 유닛(210)에 의해 검출될 수 있다.

상이한 수술 도구(예컨대, 수술 도구(240)뿐만 아니라, 다른 분리가능한 수술 도구 - 도시되지 않음)가 (한 번에 하나씩) 선택적으로 부착될 수 있는 도구 구동부(230)가 있다. 이는 예를 들어, 수술 도구(240)의 하우징을 자신의 손에 보유하고 하나 이상의 도구 디스크(예컨대, 도구 디스크(244-i))가 있는 수술 도구(240)의 외측 표면이 하나 이상의 구동부 디스크(예컨대, 구동부 디스크(234-j))가 있는 도구 구동부(230)의 외측 표면과 접촉할 때까지 수술 도구를 도시된 화살표(280)의 방향으로 이동시키는 사람 사용자에 의해 행해질 수 있다. 도시된 예에서, 도구 구동부(230)는 수술 로봇 아암(220)의 원위 단부 부분에 있는 수술 로봇 아암(220)의 세그먼트이다. 아암(220)의 근위 단부 부분이, 도 2에 도시되지 않지만 그의 예를 전술된 도 1에서 볼 수 있는 수술 테이블과 같은 수술 로봇 플랫폼에 고정된다.

제어 유닛(210)은 (구동부 디스크(234)를 포함하여) 수술 로봇 아암(220) 내의 다양한 동력화된 조인트의 운동의 제어를 담당하고, 이를 통해 사용자 입력 장치의 작동을 모방하는 엔드 이펙터(246)의 작동(그의 위치 및 배향뿐만 아니라 그의 수술 기능)이 달성된다. 이는 수술 도구(240)가 도구 구동부(230)로부터의 힘 또는 토크를 전달하기 위해 결합된 때 수술 도구(240) 내의 기계적 트랜스미션을 통해 달성된다. 제어 유닛(210)은 프로그래밍된 프로세서로서, 예를 들어 도 1의 제어 타워(103)의 일부로서 구현될 수 있다. 그것은 로컬 또는 원격 사용자 입력부(예컨대, 조이스틱, 터치 제어부, 웨어러블 장치(wearable device), 또는 콘솔 컴퓨터 시스템(116)을 통해 통신하는 다른 사용자 입력 장치)를 통해 수신된 하나 이상의 사용자 명령에 응답할 수 있다. 대안적으로, 제어 유닛(210)은 (예컨대, 제어 유닛(210) 또는 콘솔 컴퓨터 시스템(116)에 의해 실행되고 있는 훈련된 수술 기계 학습 모델로부터 수신된) 하나 이상의 자율 명령 또는 제어, 또는 이들의 조합에 응답할 수 있다. 명령은 로봇 아암(220)의 이동 및 그의 부착된 엔드 이펙터(246)의 작동을 지시한다.

엔드 이펙터(246)는 조오, 절단 도구, 내시경, 스프레더, 임플란트 도구(implant tool) 등과 같은 임의의 수술 기구일 수 있다. 상이한 엔드 이펙터를 각각 갖는 상이한 수술 도구가 수술 또는 다른 의료 절차 동안 사용하기 위해 로봇 아암(220)에 (한 번에 하나씩) 선택적으로 부착될 수 있다. 도 2의 예에 도시된 엔드 이펙터(246)는, 수술 도구(240)의 원위 단부에 위치되고 도시된 바와 같은 캐뉼러(예컨대, 수술 절차를 받는 환자 내로 삽입될 수 있는 얇은 튜브) 내로 후퇴되거나 캐뉼러 외부로 연장될 수 있는 조오이다.

로봇 아암(220)은 도구 구동부(230)를 포함하고, 도구 구동부 내에 액추에이터(238-j)와 같은 하나 이상의 액추에이터가 있다. 각각의 액추에이터는, 그의 구동 샤프트가 트랜스미션(예컨대, 주어진 기어 감속비를 달성하는 기어 트레인(gear train) - 도시되지 않음)을 통해 각각의 구동부 디스크(234-j)에 커플링될 수 있는 하나 이상의 각각의 전기 모터(예컨대, 브러시리스(brushless) 영구 자석 dc 모터)를 갖는 선형 또는 회전 액추에이터일 수 있다. 도구 구동부(230)는 도구 구동부(230)의 평면형 또는 평평한 표면 상에 배열될 수 있는 하나 이상의 구동부 디스크(234)를 포함하고, 여기서 도면은 평평한 표면의 동일한 평면 상에 배열된 수개의 그러한 구동부 디스크를 도시한다. 각각의 구동부 디스크(예컨대, 구동부 디스크(234-j))는 도구 구동부(230)의 외측 표면 상에 노출되고 수술 도구(240)의 정합하는 도구 디스크(244-j)와 기계적으로 결합하여(예컨대, 스냅(snap), 마찰, 또는 다른 정합 특징부를 통해 견고하게 체결되어), 이들 둘 사이의 직접 토크 전달을 가능하게 하도록 설계된다. 이는 일단 예를 들어 수술 도구(240)의 평면형 또는 평평한 표면과 도구 구동부(230)의 대응하는 또는 정합하는 평면형 또는 평평한 표면이 서로 접촉하게 되면 발생할 수 있다.

또한, 모터 구동기 회로(motor driver circuit)(도시되지 않지만, 예를 들어 도구 구동부(230) 내에 또는 수술 로봇 아암(220) 내의 다른 곳에 설치될 수 있음)가 액추에이터들(238) 중 하나 이상의 구성 모터의 입력 구동 단자에 전기적으로 커플링된다. 모터 구동기 회로는 예를 들어 모터 구동기 회로 입력에 따라, 제어 유닛(210)에 의해 설정되거나 제어될 수 있는 모터의 속도 또는 그의 토크를 조절하기 위해 모터에 의해 인출되는 전력을 조작하고, 이는 연관된 구동부 디스크(예컨대, 구동부 디스크(234-j))의 동력식 회전을 유발한다.

정합하는 구동부 디스크(234-j)가 각각의 도구 디스크(244-j)에 기계적으로 결합될 때, 구동부 디스크(234-j)의 동력식 회전은 도구 디스크(244-j)가 회전하게 하는데, 예컨대 이들 2개의 디스크는 일체로 회전하여, 트랜스미션 수단에 기계적으로 커플링될 수 있는 엔드 이펙터(246)의 이동 및 작동을 제어하기 위해, 예를 들어 수술 도구(240) 내의 링크장치, 기어, 케이블, 체인, 또는 다른 트랜스미션 수단에 운동을 부여할 수 있다.

상이한 수술 도구가 회전, 관절운동, 개방, 폐쇄, 연장, 후퇴, 압력 인가 등과 같은, 이동의 유형 및 그들의 엔드 이펙터에 의해 이동이 수행되는 자유도의 수에 기초하여 상이한 수의 도구 디스크를 가질 수 있다.

또한, 수술 도구(240) 내에서, 하나 초과의 도구 디스크(244)가 각각 정합하는 구동부 디스크(234)를 구동하는 2개 이상의 모터에 의한 부하 공유(load sharing)와 같은 목표를 달성하기 위해 엔드 이펙터(246)의 단일 운동에 기여할 수 있다.

다른 태양에서, 도구 구동부(230) 내에, 그들의 구동 샤프트가 동일한 출력 샤프트(또는 구동부 디스크(234))를 회전시키기 위해 (트랜스미션을 통해) 커플링되어 부하를 공유하는 2개 이상의 모터가 있을 수 있다.

또 다른 태양에서, 수술 도구(240) 내에, 동일한 자유도로 상보적인 동작을 수행하기 위해 (각각의 도구 디스크(244)를 통해) 2개의 구동부 디스크(234)로부터의 토크를 변환하는 트랜스미션이 있을 수 있는데, 예컨대 제1 구동부 디스크(234-i)가 케이블의 일 단부를 수용하도록 수술 도구(230)의 하우징 내에서 드럼을 회전시키고, 제2 구동부 디스크(234-j)가 케이블의 다른 단부를 수용하도록 수술 도구(230)의 하우징 내에서 다른 드럼을 회전시킨다. 다른 예로서, 단일 축을 따른 엔드 이펙터의 연장 및 단축은, 예를 들어 상이한 케이블을 통해, 하나가 연장을 수행하고 다른 하나가 후퇴를 수행하는 2개의 도구 디스크(234-i, 234-j)를 사용하여 달성될 수 있다. 이는 역시 1 자유도로 이동하지만(예컨대, 단일 이동 축을 따른 길이방향으로의 연장 및 단축) 그의 전체 이동 범위를 제어하기 위해 단일 도구 디스크만을 필요로 하는 이펙터와 대조된다. 다른 예로서, (예컨대, 리스트식 이동(wristed movement), 다수의 축을 따른 이동, 엔드 이펙터 이동에 더하여 에너지 방출기의 활성화 등과 같은) 다수의 자유도로 이동하는 이펙터가 수개의 도구 디스크(각각의 구동부 디스크에 각각 결합됨)의 사용을 필요로 할 수 있다. 다른 유형의 수술 도구(240)에서, 단일 도구 디스크(244)가 직접 입력부(예컨대, 기어)를 통해 연장 및 후퇴 운동 둘 모두를 수행하기에 충분하다. 다른 예로서, 엔드 이펙터(246)가 조오인 경우에, 본 명세서에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 2개 이상의 도구 디스크(244)가 부하 공유를 위해 조오의 운동을 협력적으로 제어할 수 있다.

일부 실시예에서, 수술 도구(240)가 처음으로 도구 구동부(230)에 부착되거나 그 상에 설치되어 (비록 도구 디스크와 구동부 디스크가 아마도 아직 성공적으로 결합되지는 않지만) 도구 디스크가 대응하는 구동부 디스크와 실질적으로 동일 평면상에 그리고 동축으로 정렬될 때, 제어 유닛(210)은 초기에 수술 도구(240)의 유형을 검출한다. 일 실시예에서, 수술 도구(240)는 도구 또는 엔드 이펙터 유형의 식별, 고유 도구 또는 엔드 이펙터 ID, 사용되는 도구 디스크의 수, (예컨대, 총 6개의 가능한 도구 디스크(244-e, f, g, h, i, j)로부터의) 사용되는 그러한 도구 디스크의 위치, 도구 디스크를 위한 트랜스미션의 유형(예컨대, 직접 구동, 케이블 구동식 등), 도구 디스크가 어떤 운동 또는 작동을 엔드 이펙터에 부여하는지, 하나 이상의 도구 교정 값(calibration value)(예컨대, 도구의 공장 시험/조립 동안 결정된 바와 같은 도구 디스크의 회전 위치), 엔드 이펙터의 운동이 최대 또는 최소 이동에 의해 제약되는지 여부, 및 다른 도구 속성 중 하나 이상과 같은, 그의 도구 또는 엔드 이펙터 정보를 식별하는, 솔리드 스테이트 메모리, RFID 태그, 바코드(2차원 또는 매트릭스 바코드를 포함함) 등과 같은 정보 저장 유닛(242)을 갖는다. 일 실시예에서, 정보 저장 유닛(242)은 제어 유닛(210)이 다양한 도구 속성의 검색을 수행하는 데 사용할 수 있는, 도구 ID와 같은 최소 정보를 식별한다.

도구 구동부(230)는 정보 저장 유닛(242)으로부터의 정보를 판독하고 정보를 제어 유닛(210)으로 전달하기 위한 통신 인터페이스(232)(예컨대, 메모리 라이터(memory writer), 근접 무선 통신(near field communication, NFC), 송수신기, RFID 스캐너, 바코드 리더(barcode reader) 등)를 포함할 수 한다. 또한, 일부 실시예에서, 각각의 도구 디스크(244)와 연관된 하나의 정보 저장 유닛과 같이, 수술 도구(240) 내에 하나 초과의 정보 저장 유닛이 있을 수 있다. 이러한 실시예에서, 도구 구동부(230)는 또한 주어진 도구 내에 존재할 각각의 가능한 정보 저장 유닛을 위한 대응하는 센서를 포함할 수 있다.

결합

수술 도구(240)가 도구 구동부(230)와 부착되어 (비록 반드시 기계적으로 결합될 필요는 없지만) 도구 디스크가 대응하는 구동부 디스크 상에 정렬되고 중첩된 후에, 그리고 도구 디스크 정보가 획득된, 예컨대 제어 유닛(210)에 의해 판독된 후에, 제어 유닛(210)은 각각의 구동부 디스크에 부착될 것으로 예상되는 도구 디스크들 전부가 그들 각각의 구동부 디스크와 기계적으로 결합될 때(예컨대, 그들의 기계적 결합이 달성되었거나, 도구 구동부가 이제 도구와 결합된 것으로 간주됨)를 검출하기 위해 결합 프로세스를 수행한다. 즉, 수술 도구(240)를 도구 구동부(230)와 부착하는 것은 (예컨대, 정합 특징부의 오정렬로 인해) 대응하는 구동부 디스크와의 도구 디스크의 기계적 결합에 필요한 적절한 정합을 반드시 보장하지는 않는다. 결합 프로세스는 대응하는 구동부 디스크(234-j)를 구동하는 액추에이터(예컨대, 액추에이터(238-j))의 하나 이상의 모터를 활성화하는 것을 포함할 수 있다. 이어서, 액추에이터(238-j)의 하나 이상의 모니터링된 모터 작동 파라미터에 기초하여, 액추에이터가 구동부 디스크(234-j)를 구동하는 동안, 아래에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 구동부 디스크(234-j)와의 도구 디스크(244-i)의 기계적 결합이 검출될 수 있다. 이러한 프로세스는 (예컨대, 현재 부착된 특정 수술 도구(240)에 대해 획득된 도구 디스크 정보에 기초하여 결정되는 바와 같은) 현재 각각의 도구 디스크(244)에 부착될 것으로 예상되는 (도구 구동부(230)의) 모든 구동부 디스크(234)에 대해 반복될 수 있다.

특정 유형의 수술 도구(240)가 도구 구동부(230)와 부착된 것을 검출할 때, 제어 유닛(210)은 그러한 유형의 수술 도구(240)와 이전에 연관되었던 도구 구동부(230)의 하나 이상의 액추에이터(예컨대, 모터)를 활성화한다. 일부 실시예에서, 수술 도구(240)의 대응하는 구동부 디스크(234)와 연관된 각각의 액추에이터는 동시에, 연속하여, 또는 동시 및 연속 활성화의 조합으로 활성화될 수 있다. 도 3은 그의 하우징의 정합 표면 상에 동일 평면상에 있는 방식으로 배열된, 도구 디스크(244-i)와 같은 4개의 도구 디스크를 이용하는 수술 도구(240)의 예를 예시한다. 각각의 도구 디스크는 엔드 이펙터(246)의 이동 및/또는 활성화의 적어도 일부분에 기여한다. 도구 구동부(230)와의 수술 도구(240)의 부착(예컨대, 각각의 하우징의 정합 표면의 결합)을 검출할 때, 제어 유닛(210)(또는 결합 제어(316)로서 메모리(314)에 저장된 명령어를 실행 중인 그의 프로세서(312))은 결합 프로세스를 수행하기 위해 구동부 디스크(234-j)와 같은 대응하는 4개의 구동부 디스크만이 회전될 필요가 있는 것으로(대응하는 액추에이터(238-j)가 활성화될 필요가 있음 - 도 2 참조) 결정하는 프로세스를 수행한다.

도 2로 돌아가면. 액추에이터(238-j)의 작동 동안, 도구 구동부(230)와의 수술 도구(240)의 검출된 부착 후에, 하나 이상의 센서(236-j)는 그의 모터가 이동하기 시작하도록 시그널링됨(signaled)에 따라 액추에이터(238-j)의 하나 이상의 모터 작동 파라미터를 측정한다. 일 실시예에서, 액추에이터(238-j)는 케이블 구동식 수술 도구를 위해 (비록 아직 결합되지는 않지만) 그의 부착된 도구 디스크(244-i)가 도구(240)의 트랜스미션 하우징 내에서 케이블을 권취시키게 하는 방향으로 회전할 것이다. 예로서, 도구 디스크(244)의 운동(445)이 케이블(446)의 권취해제를 방지하여, 도구 디스크(244)를 제위치로 유지하거나 (케이블(446)을 권취시키는) 운동(445)의 방향으로 도구 디스크(244)를 회전시키기 시작하는 도 4a를 참조한다. 도구 디스크(244)의 이러한 회전은 결합이 도 4b 및 도 4c와 관련하여 추가로 후술되는 바와 같이 달성될 때까지 계속된다.

다른 실시예에서, 선택된 액추에이터는 도구 디스크(244)에 연결된 엔드 이펙터(246)가 물리적 제약부를 향해 이동하도록(예컨대, 조오가 그것이 캐뉼러 벽에 대항하여 정지할 때까지 개방되고, 최대 운동 범위가 완전히 개방된 위치에서 하드 스톱(hard stop)에 대항하여 부딪칠 때 달성되는 등) 그의 부착된 도구 디스크(244)가 회전하게 하기 위해 회전하도록 시그널링된다. 카메라의 회전에 대항하는 하드 스톱이 없을 수 있는, 2개의 액추에이터가 내시경 카메라를 회전시키는 부하를 공유하는 내시경 실시예와 같은 또 다른 실시예에서, 선택된 액추에이터는 도구(240)의 트랜스미션 하우징 내에서 동일한 출력 샤프트에 또한 회전가능하게 커플링된 다른 도구 디스크(244-j)의 운동과 반대인 방향으로 그의 부착된 도구 디스크(244-i)를 회전시킨다. 그러한 경우에, 도구 디스크들(244-i, 244-j) 중 하나가 결합하자마자, 그것은 다른 도구 디스크에 대한 물리적 제약부로서 작용할 것이다. 다른 사전결정된 이동 방향이 또한 본 명세서의 논의와 일관되게 사용될 수 있다.

또한, 일부 실시예에서, 액추에이터의 이동은 제어 유닛(210)에 의해 점진적으로 램핑되거나(ramped) 증가된다(예컨대, 제어 유닛(210)은 이동의 시작 시에 느린 속도로 회전하기 시작하고 이어서 속도를 점진적으로 증가시키고, 이어서 결합의 검출 시에 속도를 점진적으로 감소시키도록 액추에이터에 시그널링하거나 명령한다).

일 실시예에서, 수술 도구(246)의 정보 저장 유닛(242)에 저장된 교정 값은 도구 결합을 촉진시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 교정 값은 제품 조립 또는 시험 동안 기록된, 특정 도구 디스크(244-j)의 공장 결정 위치(각도)를 포함할 수 있다. 결합 프로세스는 대응하는 구동부 디스크(234-j)의 홈 위치에 대한 지식을 가질 필요가 있을 수 있다. 이러한 지식은 제어 유닛(210)이, (제어 유닛이 구동부 디스크(234-j)를 작동시킴에 따라) 특정 구동부 디스크(234-j)가 홈 위치에 도달한 때를 결정하는 도구 구동기 교정 루틴을 수행함으로써 획득될 수 있어서, 그러한 구동부 디스크(234-j)의 위치는 이제 제어 유닛(210)에 의해 알려진다. 제어 유닛(210)은 도구 구동부(230) 내에 있는 위치 센서로부터의 출력에만 의존하면서 그렇게 행해질 수 있고, 도구(240) 자체는 그것이 내부에 전자 센서를 갖지 않는다는 점에서 수동적일 수 있음에 유의한다.

다음으로, 제어 유닛(210)은 구동부 디스크(234-j)의 위치 변수가 공장 결정 위치에 가까워질 때까지 구동부 디스크(234-j)가 고속으로 회전하도록 구동부 디스크(234-j)의 대응하는 액추에이터를 활성화할 수 있다. 도구 디스크와 구동부 디스크의 정합 특징부가 거의 정렬됨을 의미하는, 구동부 디스크가 공장 결정 위치(예컨대, 도구 디스크의 홈 위치)에 대한 임계 거리를 충족할 때, 그들의 초기 접촉 시에 정합 특징부가 서로 결합할 가능성을 증가시키도록 속도가 감소될 수 있다. 이러한 프로세스는 직접 트랜스미션뿐만 아니라 (도 4a에서와 같이) 이펙터를 구동하기 위해 케이블을 이용하는 도구 디스크 둘 모두에 대해 작동할 수 있다. 후자의 경우에, 교정 값은, 케이블의 권취의 최대 길이가 초과되지 않거나, 결합된 도구 디스크(244-j)와 구동부 디스크(234-j)의 회전 각도가 초과되지 않는 것을 보장하기 위해, 일단 결합이 검출되었으면, 구동부 디스크(234-j)의 계속된 회전을 제한하는 데 사용될 수 있는 회전 카운트(예컨대, 모터 구동 샤프트의 다수의 완전한 회전)를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, (센서(236)를 통해) 제어 유닛(210)에 의해 모니터링되는 모터 작동 파라미터는 구동부 디스크와의 도구 디스크의 성공적인 기계적 결합을 의미하는 것으로 해석된다. 이들은 토크 또는 힘 센서에 의해 측정되는 바와 같은 액추에이터(238-j)에 의해 인가된 토크의 측정치, 액추에이터를 소정의 속도로 이동시키기 위해 구동하도록 시도할 때 액추에이터(238-j)의 모터에 공급되는 전류의 측정치(예컨대, 여기서 센서(236-j)는 모터 입력 구동 단자와 직렬로 전류 감지 저항기를 포함할 수 있음), 모터를 소정의 속도로 이동시키기 위해 구동하도록 시도할 때 액추에이터의 모터의 입력 구동 단자로의 보이는 바와 같은 전기 임피던스의 측정치(예컨대, 여기서 센서(236-j)는 또한 모터 입력 구동 단자의 전압을 측정하기 위한 전압 감지 회로를 포함할 수 있음), 액추에이터(238-j)의 속도(예컨대, 여기서 센서(236-j)는 액추에이터(238-j)의 출력 샤프트 상의 또는 모터의 구동 샤프트 상의 위치 인코더(encoder)(센서)를 포함할 수 있음), 및 본 명세서에서 모터 작동 파라미터로 지칭되는 다른 파라미터를 포함할 수 있다. 특정 액추에이터의 하나 이상의 모터 작동 파라미터를 모니터링하는 동안, 이러한 파라미터들 중 하나 이상이 사전결정된 조건 또는 임계치를 충족할 때(예컨대, 충족하거나 도달함), 그러한 상황의 검출은 제어 유닛(210)에 의해 기계적 결합 이벤트로 해석될 수 있다. 사전결정된 조건을 충족시키는 것은 예를 들어, 모니터링된 작동 파라미터가 임계치에 따라, 동일한 액추에이터(238-j)의 일부이거나 결합 검출 프로세스 동안 제어 유닛(210)에 의해 동시에 제어되는 다른 액추에이터(238-i)의 일부인 다른 모터의 작동 파라미터에 대한 소정의 변화를 나타냄을 의미할 수 있음에 유의한다.

일부 실시예에서, i) 토크 임계치를 충족하는(예컨대, 상승하여 도달하는) 토크, ii) 전류 임계치를 충족하는(예컨대, 상승하여 도달하는) 모터 전류, iii) 임피던스 임계치 미만으로 떨어지는 임피던스, iv) 모터 속도 임계치 미만으로 떨어지는 모터 속도, 또는 이들의 조합 중 하나 이상과 같은, 액추에이터(238-j)의 작동 동안 소정의 모터 작동 파라미터의 검출은 구동부 디스크(234-j)에 대한 도구 디스크(244-j)의 기계적 결합이 발생한 것으로 결정하기 위해 제어 유닛(210)에 의해 사용된다. 하기는 그러한 프로세스의 일부 예이다.

일 실시예에서, 도구 디스크(244-j)가 그의 엔드 이펙터(246)의 이동을 제어하기 위해 케이블(446)을 사용하는 경우, (대응하는 구동부 디스크(234-j)를 구동하는) 액추에이터(238-j)는 케이블을 권취시키는 방향(여기서, 이전에 식별된 유형의 도구(240)를 갖는 것에 기초한, 제어 유닛(210)이 지식을 가질 수 있는 운동(445)의 방향)으로 이동할 것이다. 도 4a는 중공 원으로 도시된 그의 디스크 면 상에 한 쌍의 커플링 특징부(447a, 447b)를 갖는 그러한 도구 디스크(244)를 도시한다. 각각의 커플링 특징부(447a, 447b)는 디스크 면 내에 형성된 별개의 원통형 공동일 수 있다. 운동 방향(445)은 그것을 중심으로 케이블(446)을 권취시킬 것이고, 여기서 이러한 초기 조건에서, 케이블(446)은 케이블(446)이 운동 방향(445)으로 권취됨에 따라 사라질 도시된 바와 같은 약간의 슬랙(slack)을 갖는다.

구동부 디스크(234)가 도 4b에서 보이는 바와 같이, 도구 디스크(244)와 동심으로 정렬된다. 즉, 도 4b는 그들 각각의 디스크 면이 서로 접촉하도록 도구 디스크(244) 위에 정렬되고 중첩된 구동부 디스크(234)를 예시한다. 구동부 디스크(234)는 중실 원으로 도시된 그의 디스크 면 상에 한 쌍의 커플링 특징부(448a, 448b)를 갖는다. 각각의 커플링 특징부(448a, 448b)는 디스크 면 상에 형성된 별개의 원통형 핀일 수 있다. 이러한 특정 예에서, 커플링 특징부들(448) 각각은 (일단 2개의 상보적인 특징부가 정렬되면) 특징부들(447) 중 어느 하나 내로 용이하게 끼워맞춰지도록 크기설정된다. 도 4b에서, 특징부(447a, 447b) 및 특징부(448a, 448b)는 그들 각각의 도구 및 구동부 디스크의 면이 서로 접촉하더라도 오정렬된다. 다시 말해서, 도 4b에서, 특징부(447a-448a) 또는 특징부(447a-448b)와 같은, 하나 이상의 정합하는 또는 상보적인 쌍의 특징부는 아직 서로 기계적으로 결합되지 않는다. 그러한 조건 동안, 구동부 디스크(234)는 그의 액추에이터(238)에 의해 계속 구동되어, 도 4c에 도시된 조건에서 기계적 결합에 도달할 때까지 이동 방향(445)으로 이동(회전)한다.

도 4c에 예시된 바와 같이, 회전하고 있는 동안 구동부 디스크(234)는 커플링 특징부(447a-448a) 및 커플링 특징부(447b-448b) 둘 모두가 도시된 바와 같이 서로 기계적으로 결합되어 그들이 이제 (구동부 디스크(234)가 계속 회전하는 경우) 일체로 이동하는 지점에 도달하였다. 본 명세서의 예에서, 각각의 핀-공동 쌍은 이제 이러한 도면에 도시된 바와 같이 상호로킹된다(interlocked). 또한, 이러한 지점에서, 케이블(446)은 이제 권취된 후인 것으로 교시되고, 따라서 구동부 디스크(234)가 운동 방향(445)으로 계속 회전함에 따라 도구 디스크(244)를 제위치로 유지하는(그의 회전을 방지하는) 것을 돕는 역할을 할 수 있다. 도 4c의 조건에서의 구동부 디스크(234)의 추가 회전은 이제 결합된 구동부 디스크(234)의 이동 방향(445)으로의 추가 이동에 대항하는 물리적 제약부를 생성하는 하드 스톱에 도달할 때까지 케이블(446)이 그의 엔드 이펙터(246)를 당김에 따라 케이블(446) 내의 장력을 증가시킬 수 있다.

구동부 디스크(234)의 추가 회전에 대한 물리적 제약부는 제어 유닛(210)이 모터 작동 파라미터에 대한 그의 측정 및 결합을 나타내는 것으로 사전결정될 수 있는 하나 이상의 임계치에 대한 비교를 수행하게 함으로써 기계적 결합 이벤트의 검출을 가능하게 한다. 예를 들어, 하나 이상의 임계값 미만으로 떨어지는 모터의 속도/속력은 모터가 권취 방향으로의 추가 이동으로부터 제약되기 때문에 결합을 나타낸다. 다른 예로서, 모터에 의해 인가된 토크가 자유롭게 이동하는 모터보다 큰 그리고/또는 도구 디스크와 구동부 디스크 및/또는 부착 특징부가 결합 전에 서로에 대해 문질러지거나 활주하는 것에 기인한 마찰보다 큰 값으로 증가할 때 결합이 발생한다. 유사하게, 다른 실시예에서, 측정된 전류 및/또는 임피던스는 결합이 발생할 때 그리고 전력이 사전결정된 방향으로의 구동부 디스크의 이동을 계속하려는 시도로 모터에 계속 공급됨에 따라 최대 사전결정된 값에 가까워지고 도달할 수 있다. 이러한 임계치들 중 하나 이상이 충족될 때, 제어 유닛(210)은 도구 디스크와 구동부 디스크 사이에서 결합이 발생한 것으로 결론을 내릴 수 있다.

다른 형태의 물리적 제약부가 성공적인 구동부 디스크와 도구 디스크 결합을 검출하기 위해 제어 유닛(210)에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 엔드 이펙터의 조인트(예컨대, -45도로부터 45도까지 축을 중심으로 단지 회전할 수 있는 조인트)에 의해 부여되는 운동 범위의 기계적 제한부 또는 이동에 대한 물리적 장벽(예컨대, 엔드 이펙터의 이동을 저지하는 캐뉼러 벽)과 같은 운동 제약부가 또한 케이블 구동식 또는 비-케이블 구동식 도구에 대해 위에서 논의된 물리적 제약부/하드 스톱으로서 이용될 수 있다.

일부 실시예에서, 수술 도구(240)는 모터 작동 파라미터가 그로부터 측정될 수 있는 적어도 하나의 이동 자유도에서 물리적 제약부/하드 스톱을 갖지 않을 수 있다. 예를 들어, 도구 디스크(244-j)가 축을 중심으로 엔드 이펙터(246) 요소의 제약되지 않은 회전을 부여하는 것을 담당할 수 있다. 그러나, 그러한 제약되지 않은 이동에 의해서도, 제어 유닛(210)은 결합 검출 프로세스 동안 하나 이상의 모터 작동 파라미터의 변화를 검출함으로써 도구 디스크(244-j)에 대한 구동부 디스크(234-j)의 결합을 여전히 검출할 수 있다. 예를 들어, 특징부(488)를 지나 회전하는(그리고 그에 따라 서로 결합되지 않은) 특징부(447)에 의해 유발되는 반복 토크 급등(spike)과 같은 모터 작동 파라미터 패턴이 결합의 결여를 나타낸다. 따라서, (구동부 디스크(234-j)가 계속 회전하는 동안) 그러한 토크 급등 패턴의 정지 또는 비-존재는 제어 유닛(210)이 디스크 결합을 구동하기 위해 도구 디스크를 검출하였음을 의미한다.

일부 실시예에서, 물리적 제약부가 다수의 구동부 디스크의 이동의 조정의 사용에 의해, 그리고/또는 제2 구동부 디스크를 결합하기 전에 단일 구동부 디스크가 결합하게 함으로써 생성될 수 있다. 예를 들어, (수술 도구(240)의 동일한 하우징 내의) 2개 이상의 도구 디스크가 동일한 방향으로 회전할 때, 예컨대 절단 또는 클램핑 도구가 단일 액추에이터(238-j)가 공급할 수 있는 것 이상의 힘을 인가할 필요가 있을 때, 부하(엔드 이펙터(246))를 공유하기 위해 도구(240)의 하우징 내의 트랜스미션에 의해 연결되는 경우를 고려한다. 그러한 실시예에서, 동일한 방향으로 회전하고 있는 2개 이상의 액추에이터(그들 각각의 구동부 디스크가 동일한 방향으로 회전하고 있음)는 (대응하는 도구 디스크에 연결된 수술 도구(240) 내의 트랜스미션으로 인해) 수술 도구(240) 내측에 있는 동일한 출력 샤프트를 구동하고 있다. 이제 2개의 액추에이터가 반대 방향으로 이동하도록 시그널링되면, 구동부 디스크들 중 하나가 그의 대응하는 도구 디스크와 결합하자마자, 이는 (다른 구동부 디스크가 그의 대응하는 도구 디스크와 결합된 때) 다른 구동부 디스크에 대한 물리적 제약부가 된다. 2개 이상의 액추에이터들 중 하나가 결합할 때(그의 구동부 디스크가 그의 대응하는 도구 디스크와 결합함), 제어 유닛(210)은 결합된 액추에이터에, 예를 들어 위치 유지 상태에 진입하도록 시그널링함으로써 다른 액추에이터에 대한 제약부를 생성한다. 즉, 제1 액추에이터(238-j)가 제어 유닛(210)에 의해 그의 위치를 유지하도록 명령될 것인 한편, 다른 결합되지 않은 액추에이터(238-i)는 구동하도록 계속 시그널링되고 따라서 (그의 구동부 디스크(234-i)와 도구 디스크(244-i) 사이의 결합을 향해) 회전하거나 이동한다. 이러한 실시예에서, 액추에이터의 모터 작동 파라미터들 중 하나 또는 둘 모두는 도구 디스크와 구동부 디스크 쌍 사이의 결합을 검출하도록 모니터링될 수 있다. 또한, 하드 스톱이 존재하면(제어 유닛(210)은 이러한 특정 도구(240)가 하드 스톱을 갖는 것을 예상하거나 알고 있음), 결합된 구동부 디스크의 액추에이터는 하드 스톱이 검출될 때까지 동일한 방향으로 계속 구동하거나 회전하도록 시그널링될 수 있다. 이미 결합된 액추에이터가 하드 스톱에서 그의 위치를 유지하는 동안 다른 액추에이터는 계속 반대 방향으로 회전하고 결합하도록 시도할 수 있다.

도 2로 돌아가면. 그리고 위에서 논의된 바와 같이, 제어 유닛(210)에 의해 수행된 도구 식별은 제어 유닛이 수술 도구(240)의 엔드 이펙터(246)의 특성의 지식을 얻는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 제어 유닛(210)은 그러한 식별 프로세스를 사용하여, 도구(240) 내의 2개(또는 그 이상)의 도구 디스크가 협력하여 작용하여 엔드 이펙터 이동을 부여하는지 여부, 엔드 이펙터의 하나 이상의 이동에 하드 스톱 또는 물리적 제약부가 가해지는지 여부, 엔드 이펙터의 이동 범위가 어떠한지, 어떤 액추에이터가 도구(240)에 의해 사용될 것인지, 그리고 도구 디스크의 홈 위치와 같은 공장 한정 교정 값을 결정할 수 있다. 교정 값이 일정 범위, 예컨대 290도 +/- 4도를 포함할 수 있음에 유의한다. 그러한 교정 값, 예컨대 도구 디스크(244-i)의 홈 위치에 기초하여, 그리고 대응하는 구동부 디스크(234-i)의 현재 위치(도구 구동부(230)의 위치 인코더를 사용하여 결정됨)에 기초하여, 제어 유닛(210)은 (액추에이터가 회전하도록 시그널링됨에 따라) 결합 프로세스 동안 차이를 추적할 수 있다. 차이가 사전결정된 임계치보다 크기만 하면, 액추에이터는 빠르게 회전하도록 시그널링되고(빠른 회전), 차이가 임계치보다 작아지는 것에 응답하여(구동부 디스크가 교정 값 홈 위치에 가까워지고 있음을 의미함) 액추에이터는 느리게 회전하도록 시그널링된다(느린 회전). 그리고 이는 신뢰성 있는 결합이 검출될 가능성을 증가시키는 것으로 예상된다.

일부 실시예에서, 결합이 제어 유닛(210)에 의해 검출된 후, 제어 유닛(210)은 결합을 확인하기 위해 엔드 이펙터(246)에 대한 하나 이상의 추가 동작을 취할 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(210)은 결합을 시험하기 위해 하나 이상의 운동의 사전결정된 세트, 예컨대 방향을 역전시키도록 구동부 디스크에 시그널링하여 엔드 이펙터를 그것이 결합 프로세스 동안 행한 것과 반대 방향으로 이동시키는 것, 예상된 최대 운동도를 달성하기 위해 엔드 이펙터를 이동시키는 것 등을 엔드 이펙터에 가할 수 있다. 그러한 이동은 제어 유닛(210)이 예를 들어 도구 디스크와 구동부 디스크 사이의 기계적 결합을 확인하기 위해, 하나 이상의 모터 작동 파라미터에 기초하여 본 명세서에서 논의된 바와 같이 검출되는, 다시 하드 스톱에 도달하게 하거나 물리적 제약부에 도달하게 하는 것을 가능하게 한다.

또한, 일부 실시예에서, 제어 유닛(210)은 엔드 이펙터의 기준 위치를 설정하기 위해 하드 스톱 또는 물리적 제약부를 이용할 수 있다. 예를 들어, 엔드 이펙터가 소정 방향으로 270°의 회전에 도달할 때 하드 스톱이 존재하는 것을 알고 있으면, 제어 유닛(210)은 대응하는 액추에이터 또는 구동부 디스크의 위치에 대한 교정 값을 설정할 수 있다. 이어서, 액추에이터 또는 구동부 디스크의 이동이 구동부 디스크의 회전수, 모터 샤프트, 기어 비, 구동부 디스크/모터 인덱싱 등에 기초하여 추적될 수 있다.

또한, 일부 실시예에서, 제어 유닛(210)은 구동부 디스크와의 도구 디스크의 결합을 달성하려고 시도할 때 특정된 횟수, 특정된 회전수, 또는 이들의 조합을 위해 하나 이상의 모터에 의해 작동하도록 시그널링할 수 있다. 결합이 임계 시간량, 회전수 등 내에 달성되지 않을 때, 제어 유닛(210)은 수술 도구(240)를 분리하고 이어서 재부착하여 결합 프로세스를 재시작하기 위해 수술 로봇 시스템의 조작자(예컨대, 도 1의 시스템(100)의 조작자)에게 경고를 발행할 수 있다.

도구 디스크와의 구동부 디스크의 기계적 결합이 제어 유닛(210)에 의해 검출된 후에, 조작자가 수술 로봇 아암(220)의 하나 이상의 조인트의 운동을 명령할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 명령은, 엔드 이펙터의 포즈, 위치 또는 다른 상태를 변경할 도구 구동부(230)의 하나 이상의 액추에이터에 동력을 공급하기 위해 제어 유닛(210)이 제공하는 대응하는 제어 신호(예컨대, 원하는 모터 속도 또는 전류 및 회전 방향)로 변환되는 UID로부터의 공간 상태 신호로서, 하나 이상의 UID(예컨대, UID(114))로부터 수신되거나 그로부터 유래한다. 일 실시예에서, 2개 이상의 액추에이터가 엔드 이펙터의 운동을 협력적으로 제어하는 경우, 예컨대 2개 이상의 도구 디스크가 동일한 자유도로 엔드 이펙터의 운동을 부여할 때, 제어 유닛(210)은 액추에이터가 엔드 이펙터를 이동시킬 때 상보적인 방식으로 작동하는 것, 엔드 이펙터의 이동과 연관된 부하를 공유하는 것, 그러한 운동을 부여함에 있어서 서로 경쟁하지 않는 것, 액추에이터들 사이의 균형을 유지하여 하나의 액추에이터가 다른 액추에이터보다 많거나 적은 작업을 연속적으로 수행하지 않는 것 등을 보장하기 위해 협력적 제어 기법을 추가로 수행한다. 예를 들어, 2개 이상이 액추에이터가 엔드 이펙터(246)의 조오의 개방, 폐쇄, 및 파지력의 인가를 제어하는 데 사용될 때, 제어 유닛은 2개 이상의 액추에이터들 중 제1 액추에이터를 마스터 액추에이터로서 그리고 나머지 하나 이상의 액추에이터를 슬레이브 액추에이터로서 식별하는 다중-액추에이터 작동 제어 기법을 이용한다. 이어서, 엔드 이펙터(246)를 명령된 위치로 이동시키도록 마스터 액추에이터에 시그널링하기 위해 제공된 위치 명령이 또한 엔드 이펙터(246)를 동일한 명령된 위치로 이동시키도록 슬레이브 액추에이터에 시그널링하기 위해 제공된다. 예를 들어, 마스터 액추에이터와 슬레이브 액추에이터가 모사되면, 마스터 액추에이터가 주어진 엔드 이펙터 위치 명령을 충족시키기 위해 소정 극성(그의 모터의 회전 방향) 및 소정 모터 전류 값을 수신하는 경우, 동일한 극성 및 전류 값이 또한 슬레이브 액추에이터들 각각에 공급될 수 있다. 그러나 일부 실시예에서, 액추에이터의 운동이 서로 보완되는 방식에 대한 일부 보상, 예를 들어 본 명세서에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 마스터 및 슬레이브 액추에이터의 회전 방향이 상이할 때 슬레이브의 극성을 역전시키는 것, 모터의 속성이 상이할 때 (예컨대, 명령된 모터 전류의) 이득을 조절하는 것 등이 있을 수 있다.

도 3은 수술 도구(240), 도구 구동부(230), 및 제어 유닛(210)의 예를 도시한 블록도이다. 수술 도구(240)는 그들 각각의 하우징의 상보적인 또는 정합하는 표면을 서로 접촉하게 함으로써 도구 구동부(230)와 부착될 수 있다. 부착은 또한 하우징을 서로 체결하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 도구 구동부(230)의 하나 이상의 센서(도시되지 않음)가, 수술 도구(240)를 식별하는, 어느 도구 디스크(예컨대, 도구 디스크(244-j))가 엔드 이펙터(246)의 이동을 제어하는 데 사용되는지를 나타내는, 교정 값을 포함하는, 도구가 하드 스톱을 갖는지 여부를 나타내는, 또는 어느 도구 디스크가 수술 도구(240) 내의 다른 도구 디스크의 이동에 기여하거나 다른 도구 디스크에 트랜스미션에 의해 연결되는지를 나타내는 수술 도구(240)로부터의 데이터를 판독하는 것을 포함하여, 부착을 검출하기 위해 제어 유닛(210)에 의해 사용될 수 있다. 데이터는 제어 유닛(210)의 통신 인터페이스(318)와 도구 구동부(230) 내의 센서 판독 회로(도시되지 않음) 사이에 확립된 통신 링크(예컨대, 유선 또는 무선 링크)를 통해 제어 유닛(210)으로 전달될 수 있다. 데이터는 이어서 결합 제어 프로그램(결합 제어(316))의 일부로서 메모리(314)에 저장될 수 있고, 특정 수술 도구가 도구 구동부(230)에 부착되어 유지되는 한 그러한 특정 수술 도구(240)와 연관될 수 있다.

그의 프로그래밍된 프로세서(312)를 포함하는 제어 유닛(210)은, 예를 들어 제어 타워(103) 내의 공유된 마이크로프로세서 및 프로그램 메모리로서 수술 로봇 시스템(100)(도 1)에 통합될 수 있다. 대안적으로, 제어 유닛(210)은, 예컨대 수술실과 다른 방 내의, 또는 도 1에 도시된 수술 아레나와 다른 건물 내의 원격 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 제어 유닛(210)은 또한, 예시되지는 않지만, 로봇 아암 및 그의 부착된 도구(240), 전력 장치(예컨대, 배터리), 및 전형적으로 수술 로봇 시스템을 제어하기 위한 전자 장치와 연관된 다른 구성요소의 수동 제어를 가능하게 할 수 있는 사용자 인터페이스 하드웨어(예컨대, 키보드, 터치-스크린, 마이크, 스피커)를 포함할 수 있다.

프로세서(312)에 의한 실행을 위한 명령어를 저장하는 메모리(314)가 하나 이상의 프로세서(312)(본 명세서에서 간략함을 위해 일반적으로 "프로세서"로 지칭됨)에 커플링된다. 일부 실시예에서, 메모리는 비-일시적이고, 도구 제어(320) 및 결합 제어(316)를 포함하는 하나 이상의 프로그램 모듈을 저장할 수 있고, 그의 명령어는 본 명세서에 기술된 결합 프로세스를 수행하도록 프로세서(312)를 구성한다. 다시 말해서, 프로세서(312)는 도구 제어(320) 및 결합 제어(316)의 일부로서 메모리(314)에 저장된 프로그램, 루틴, 또는 명령어의 실행의 제어 하에 작동하여 본 명세서에 기술된 태양 및 특징에 따른 방법 또는 프로세스를 실행할 수 있다.

도구 구동부(230)와의 수술 도구(240)의 부착을 검출하는 것에 응답하여, 결합 제어(316)는 대응하는 구동부 디스크(구동되는 액추에이터)와의 도구 디스크의 기계적 결합, 예컨대 대응하는 구동부 디스크(334-i)와의 도구 디스크(344-i)의 결합을 검출하기 위한 프로세스를 수행한다(또는 더 정확하게는 수행하도록 프로세서(312)를 구성함).결합 제어(316)는 도구 구동부(230)의 액추에이터들 중 하나 이상이 그들 각각의 구동부 디스크의 운동을 부여함을 (도구 제어(320)을 통해) 시그널링할 수 있다. 일부 실시예에서, 이들 명령어 또는 신호는 소정 전압 명령, 전류 명령 등을 적용함으로써 모터가 특정 양의 토크를 생성하거나 인가하여 구동부 디스크가 특정 속도 및 방향으로 회전하게 할 수 있도록 모터에 동력을 공급하거나 활성화하거나 달리 전력을 제공하기 위한 명령어를 포함한다. 또한, 각각의 구동부 디스크의 운동은 결합 검출 프로세스 동안 초기에 빠르게 시작하고, 이어서 결합이 가까워지거나 정합 특징부의 정렬에 근접한 것이 검출되거나 결합을 검출함이 없이 사전결정된 시간 한계에 도달하면 느리게 램프 다운(ramp down)되도록 제어될 수 있다. 예를 들어, (알려진 교정 값에 기초할 수 있는) 도구 디스크에 대한 구동부 디스크의 상대 위치에 기초하여, 액추에이터 속도는 사전결정된 속도로 램프 다운된다(예컨대, 구동부 디스크가 정합 특징부가 정렬되는 곳의 임계 거리 내에 있을 때까지).

결합 제어(316)는 도구 구동부(230)의 액추에이터의 모터의 하나 이상의 모터 작동 파라미터를 모니터링한다. 위에서 논의된 바와 같이, 모터 작동 파라미터는 모터에 의해 부여된 토크, 모터에 공급된 전압, 모터를 소정 속도로 이동시키기 위해 구동하려고 시도할 때 모터의 입력 구동 단자에서 보이는 바와 같은 임피던스, 모터 속도, 및 다른 모터 작동 파라미터를 포함할 수 있다. 이러한 파라미터들 중 하나 이상은 그들을 임계치와 비교함으로써 모니터링될 수 있어서, 임계치에 도달할 때, 그러면 (예를 들어, 도구 디스크(344-i)와 구동부 디스크(334-i) 사이에서) 기계적 결합 이벤트가 발생한 것으로 간주된다. 위에서 논의된 바와 같이, 기계적 결합은 도구 디스크와 구동부 디스크의 대응하는 정합 특징부가 서로 정렬되고 체결되어 구동부 디스크의 그러한 회전이 예를 들어 (구동부 디스크와 일체로) 기계적으로 결합된 도구 디스크의 즉각적일 뿐만 아니라 비례적인 회전을 유발할 때 검출될 것으로 예상된다. 그러한 결합은 모터 작동 파라미터들 중 하나 이상이 임계치를 충족시킬 때(예컨대, 하드 스톱에 도달함을 나타내는 임계치, 최대 토크, 전압, 또는 임피던스 값, 도구(240)가 도구 구동부(230)에 처음 부착될 때 초기에 나타나는 마찰을 극복하기 위해 필요할 것보다 큰 토크, 전압, 또는 임피던스 값에 도달하거나 초과함) 검출될 것으로 예상된다. 따라서, 결합 제어(316)는 도구 디스크(344-i)와 구동부 디스크(334-j)가 서로 결합된 것(예컨대, 서로와의 각각의 디스크 정합 특징부의 체결)을 추론하거나 추정한다.

결합 제어(316)는 도구 구동부(230)로부터 이용가능한 모든 모터 파라미터에 대한 센서 판독치를 모니터링할 필요는 없음에 유의한다. 대신에 결합 제어(316)는 예를 들어, 결합과 연관된 임계치가 충족되는 때를 결정하기 위해, 수술 도구(240)에 임의의 하드 스톱 또는 물리적 이동 제약부가 가해지는지 여부, 하나 이상의 도구 디스크가 수술 도구(240)에 이동을 부여하기 위해 일제히(서로 협력하여) 작동하는지 여부, 도구 디스크가 수술 도구(240)에 케이블을 통해 또는 직접(예컨대, 기어 박스를 통해) 이동을 부여하는지 여부, 또는 이들의 조합에 기초하여 관심 대상의 하나 이상의 특성만을 모니터링할 수 있다.

일부 실시예에서, 결합 제어(316)는 구동부 디스크(234-j)가 기계적 결합 없이 도구 디스크(244-j) 위에서 회전하는 것의 결과인, 토크, 전압, 모터 속도, 임피던스 등의 패턴과 같은, 모터 작동 파라미터의 패턴을 모니터링한다. 즉, 자유롭게 이동하는 구동부 디스크(수술 도구(240)가 도구 구동부(230)에 부착되지 않은 경우)에 의해 나타나는 것보다 크고, 기계적으로 결합된 구동부 디스크(예를 들어, 도구와 도구 구동부 하우징이 접촉하지만 결합하지 않은 동안 도구와 구동부 디스크의 정합 특징부가 서로 통과할 때)보다 작은 토크, 힘, 전압 등의 소정 양이 측정될 수 있다. 검출된 바와 같은 이러한 모터 파라미터 패턴이, 예컨대 하드 스톱 또는 물리적 운동 제약부에 접촉한 것으로 인해 변경될 때, 결합 제어(316)는 기계적 결합을 검출한 것으로 언급된다. 패턴 기반 모터 작동 패턴을 모니터링하고 해석하는 것은 또한 하드 스톱 또는 운동 제약부가 이용가능하지 않거나, 구동부 디스크를 도구의 하드 스톱 또는 다른 운동 제약부로 구동해야 함이 없을 때에도, 결합 제어(316)가 (도구 디스크(344-j)와 구동부 디스크(334-j) 사이의) 결합을 검출하는 것을 가능하게 한다.

일부 실시예에서, 결합 제어(316)가 구동부 디스크와의 도구 디스크의 기계적 결합을 검출할 때, 그것은 또한 검출된 결합을 검증하기 위해, 도구 구동부(230)의 액추에이터가 하나 이상의 운동의 사전결정된 세트를 겪도록 시그널링되는 검증 프로세스 또는 결합 확인을 개시할 수 있다. 예를 들어, 액추에이터는 그들 각각의 구동부 디스크가 결합 방향과 반대인 방향으로 회전하게 하도록 지시될 수 있다(결합 방향은 결합이 예컨대 도 4a에서 보이는 운동 방향(445)으로 초기에 검출된 때 구동부 디스크가 회전한 방향임). 이어서, 구동부 디스크는 제2 결합이 검출될 때까지 다시 결합 방향으로 회전될 수 있다(예컨대, 특정 모터 파라미터가 하드 스톱 또는 운동 제약부에 도달한 도구 디스크와 일관되는 임계치에 도달할 때, 특정 모터 파라미터가 마찰(도구 디스크와 대응하는 구동부 디스크 사이의 마찰)만에 의해 유발되지 않은, 회전하는 도구 디스크에 대항하는 저항과 일관되는 임계치에 도달할 때, 또는 이들의 조합).

결합 제어(316)는, 구동부 디스크에 대한 도구 디스크의 결합을 검출한 것에 기초하여, 또는 결합을 검출함이 없이 만료된 카운트다운 타이머에 기초하여, 수술 로봇 시스템의 조작자에 대한 통지를 발생시킨다. 통지는 결합이 발생하여 수술 도구(240)가 사용할 준비가 되었음을, 또는 결합이 발생하지 않아서 수술 도구(240)가 재부착되어야 함을 나타낼 수 있다.

도 5a는 본 개시의 일 실시예에 따른, 수술 도구를 수술 로봇 시스템의 도구 구동부와 결합시키기 위한 프로세스(500)를 예시한 흐름도이다. 프로세스(500)는 메모리에 저장된 소프트웨어에 따라 구성된, 프로그래밍된 프로세서(본 명세서에서 처리 로직으로도 지칭됨)에 의해 수행될 수 있다(예컨대, 도 3의 프로세서(312) 및 메모리(314), 여기서 프로세서(312)는 도구 제어(320) 및 결합 제어(316)의 명령어에 따라 구성됨).

도 5a를 참조하면, 처리 로직은 도구 구동부의 구동부 디스크를 회전시키기 위해 도구 구동부의 액추에이터를 활성화함으로써 시작된다(처리 블록(502)). 예를 들어, 처리 로직은 구동부 디스크(예컨대, 구동부 디스크(234-j))를 회전시키거나 돌리기 위해 도구 구동부(예컨대, 도구 구동부(230))의 선형 또는 회전 액추에이터를 활성화할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의되는 바와 같이, 기계적으로 결합될 때, 구동부 디스크(예컨대, 디스크(234-j))의 회전은 수술 도구(예컨대, 수술 도구(240))의 대응하는 도구 디스크(예컨대, 디스크(244-j))의 즉각적인 또는 직접적인 회전을 유발할 것이다.

처리 로직은 모터를 활성화하는 동안 구동부 디스크의 회전을 유발하는 액추에이터의 하나 이상의 모터 작동 파라미터를 모니터링한다(처리 블록(504)). 일부 실시예에서, 모니터링되는 모터의 작동 파라미터는 토크, 모터 전류, 모터 속도, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

하나 이상의 모니터링된 모터 작동 파라미터에 기초하여, 처리 로직은 구동부 디스크가 도구 디스크와 기계적으로 결합될 때를 검출한다(처리 블록(506)). 일 실시예에서, 검출은 모니터링되는 하나 이상의 모터 작동 파라미터들 중 적어도 하나가 대응하는 조건 또는 임계치를 충족시킬 때 또는 그에 응답하여 발생한다. 예를 들어, 조건은 모터가 도구 디스크의 추가 회전에 대항하여 물리적 제약부에 도달함(예컨대, 이동에 대한 물리적 장벽에 접촉하고, 도구의 엔드 이펙터의 최대 이동도에 도달하고, 다른 활성화된 모터 액추에이터에 의한 저항이 발생하는 등일 때 운동 범위의 기계적 제한부에 도달함)에 응답하여 발생하는 모터 작동 파라미터의 값과 연관될 수 있다. 다른 예로서, 조건은 구동부 디스크가 회전 동안 도구 디스크에 대항하여 접촉하고 활주함으로 인해 마찰이 존재하지만 도구 디스크에 대한 구동부 디스크의 기계적 래칭 또는 체결이 없을 때 나타나는 모터 작동 파라미터를 나타낼 수 있다. 본 명세서에서 논의되는 실시예에서, 도구 디스크와의 구동부 디스크의 기계적 결합이 검출될 때, 시스템 또는 조작자 통지를 발생시키는 것, 하나 이상의 결합 검증 작동을 개시하는 것, 기준값을 저장하는 것 등과 같은 하나 이상의 추가 동작이 처리 로직에 의해 수행될 수 있다.

도 5b는 구동부 디스크를 구동하는 액추에이터의 하나 이상의 모터 작동 파라미터에 기초하여 구동부 디스크와의 도구 디스크의 결합을 검출하기 위한 프로세스(550)를 예시한 흐름도이다. 프로세스(550)는 하드와이어드 회로 및 프로그래밍된 프로세서의 임의의 조합을 포함할 수 있는 처리 로직에 의해 수행되고, 여기서 예를 들어 프로세스(550)는 전술된 도구 제어(320) 및 결합 제어(316)에 따라 프로그래밍된 프로세서(312)에 의해 수행될 수 있다. 프로세스는 분리가능한 수술 도구가 수술 로봇 시스템의 로봇 아암의 도구 구동부에 부착된 것을 검출하는 것으로 시작될 수 있다(처리 블록(552)). 부착은 도구 구동부의 센서가 무선 검출 범위 내에 들어오거나 분리가능한 수술 도구 내의 정보 저장 유닛과 전도가능하게 연결되는 것에 기초하여 검출될 수 있다. 본 명세서에서 논의되는 바와 같이, 정보 저장 유닛은 도구 식별자를 포함할 수 있고, 또한 추가 도구 속성, 예컨대 도구 하우징 내의 수개의 이용가능한 도구 디스크들 중 어느 것이 하우징 내의 트랜스미션에 의해 분리가능한 수술 도구 내의 엔드 이펙터에 실제로 연결되는지, 도구 내의 어떤 유형의 트랜스미션이 엔드 이펙터의 이동을 제어하는지(예컨대, 케이블 구동식, 직접 구동 등), 어떤 이동 또는 회전 방향이 허용되는지, 그러한 이동 또는 회전의 임의의 범위가 존재하는지, 교정 값(예컨대, 케이블 길이, 현재 케이블 길이, 도구 디스크의 최대 권취 회전 위치 또는 도구 디스크의 홈 위치 등)뿐만 아니라, 본 명세서에서 논의되는 다른 도구 속성을 포함할 수 있다.

도구 구동부의 적어도 하나의 모터가 이어서 활성화되어 적어도 하나의 모터가 (엔드 이펙터의 운동을 제어하기 위해 수술 도구 내의 트랜스미션에 의해 연결된) 도구 디스크에 대응하는 연관된 구동부 디스크를 회전하게 한다(처리 블록(554)). 일 실시예에서, 모터에 공급될 전류, 모터에 의해 달성될 토크, 또는 이동 방향이 도구 제어(320)에 시그널링되어, 모터는 구동부 디스크가 사전결정된 방향으로 사전결정된 속도로 회전하게 할 것이다. 다시 말해서, 처리 로직은 신호가 모터 구동기 회로로 송신되게 하여, 모터에 전력을 인가하거나 모터에 동력을 공급하기 위해 모터 구동기 회로에 명령한다. 일부 실시예에서, 사전결정된 속도는, 분리가능한 수술 도구와의 도구 구동부의 검출된 부착 시에, 예를 들어 도구의 유형, 도구 구동 트랜스미션 유형(예컨대, 케이블 구동식, 직접 구동 등), 접촉할 제약부의 유형(예컨대, 하드 스톱, 물리적 제약부, 반대 운동 제약부), 또는 그러한 인자의 조합의 결정에 기초하여 설정된다. 도구 구동부의 적어도 하나의 모터의 하나 이상의 모터 작동 파라미터가 이어서 모니터링된다(처리 블록(556)). 모니터링된 모터 작동 파라미터는 모터의 운동을 유발하기 위해 처리 로직에 의해 제어되는 것(예컨대, 토크, 속도)에 대응할 수 있다.

도 5b로 돌아가면, 처리 로직은 결합 조건이 충족되었는지, 예컨대 모니터링된 모터 작동 파라미터가 임계치에 도달했는지 여부를 알기 위해 반복적으로 확인한다(처리 블록(558)). 그렇다면, 기계적 결합 이벤트가 플래깅되어(flagged), 구동부 디스크가 그의 대응하는 도구 디스크와 기계적으로 결합되었음을 나타낸다(처리 블록(564)). 본 명세서에서 논의되는 바와 같이, 임계치는 구동부 디스크의 기계적 결합과 연관된 조건을 나타낸다. 예를 들어, 사전결정된 속도 또는 속력에서 모터와 연관된 토크, 전류, 또는 임피던스가 도구 구동부를 도구 디스크에 마찰만으로 접촉시키는 모터와 연관된 그들의 값을 초과할 때 기계적 결합이 예상된다. 임계치는 그러한 마찰을 극복하는 데 필요한 토크, 전압, 임피던스 등보다 큰 값일 수 있다. 다른 예로서, 엔드 이펙터의 이동에 조인트의 최대 운동 범위, (예컨대, 캐뉼러 벽에 의해 부여되는 바와 같은) 하드 스톱, 다른 구동부 디스크의 반대 운동, 및 다른 물리적 제약부와 같은 물리적 제약부가 가해질 수 있다. 그러한 경우에, 모터의 이동 속도 및 방향은 엔드 이펙터 또는 도구 디스크를 물리적 제약부를 향해 전진시키도록 선택된다. 이어서, 물리적 제약부에 도달할 때, 모니터링된 토크, 전류, 임피던스는 최대로 급등할 것인 반면, 속도는 0으로 떨어질 것이다. 이러한 예에서, 하나의 임계치는 그의 최대값 부근에 설정된 토크 또는 모터 전류를 지칭할 수 있고, 다른 임계치는 구동부 디스크의 회전 동안 모터의 공칭 속도보다 낮게 설정되는 속도, 예컨대 실질적으로 0을 지칭할 수 있다. 따라서, 2개의 임계치는 결합의 검출을 더욱 강건하게 하기 위해 서로에 대한 확인으로서 작용한다.

대응하는 도구 디스크와의 구동부 디스크의 검출된 결합에 응답하여, 구동부 디스크의 운동은 정지된다(처리 블록(566)). 일 실시예에서, 운동이 정지될 때, 엔드 이펙터의 그러한 위치 또는 상태와 연관된 하나 이상의 기준값은 이후의 참조 및 사용을 위해 저장될 수 있다. 예를 들어, 결합을 검출하기 위해 물리적 제약부가 사용된 경우, 그러한 순간에서의 모터의 인덱스 값, 회전 카운트 등이 저장되고, 물리적 제약부에서 또는 그 부근에서 엔드 이펙터를 재위치시키기 위해 이후에 사용될 수 있다. 물리적 제약부는 예컨대 최대 케이블 길이, 캐뉼러 벽, 최대 운동 범위 등일 수 있다. 또한, 케이블 구동식 도구의 경우에 케이블의 과도한 인장을 방지하기 위해, 블록(558)에서 수행된 검출에 응답하여 동시에 또는 거의 동시에 구동부 디스크의 운동이 정지되거나 모터가 비활성화될 수 있다.

일단 모든 관련 구동부 디스크(특정 수술 도구의 사용중인 도구 디스크에 대응하는 것)의 결합이 처리 블록(567)에서 검출되었으면(여기서 블록(554-556-558-564-566)에서 전술된 프로세스가 각각의 개별 구동부 디스크에 대해 수행되었을 수 있음), 도구 결합의 통지가 이어서 발생된다(처리 블록(568)). 통지는 시각적 통지(예컨대, 그래픽 사용자 인터페이스 통지), 가청 통지(예컨대, 톤(tone), 사운드 등), 감각(예컨대, 햅틱 통지), 또는 수술 로봇 시스템의 사용자 인터페이스 하드웨어에 의해 발생된 그러한 것의 조합일 수 있다.

간략히 처리 블록(558)으로 돌아가면, 결합 조건이 충족되지 않을 때(예컨대, 모니터링된 모터 작동 파라미터가 임계치를 충족하지 않아서, 도구 디스크와 대응하는 구동부 디스크의 기계적 결합이 발생하지 않았음), 시간 또는 회전 한계에 도달하였는지 여부의 결정이 수행된다(처리 블록(560)). 결합에 대한 실패가 파손된 케이블, 결합을 허용하기에 충분히 서로 가깝게 위치되지 않은 도구 디스크와 구동부 디스크 등에 기인할 수 있다. 시간 한계는 구동부 디스크가 도구 디스크와의 기계적 결합을 검출함이 없이 회전하도록 허용되는 사전결정된 최대 시간 간격(카운트다운 타이머 값)일 수 있다. 유사하게, 회전 한계는 그의 각각의 구동부 디스크의 하나 이상의 완전한 회전을 부여하는 데 필요한 다수의 모터 회전일 수 있다. 예를 들어, 회전 한계가 구동부 디스크의 하나의 완전한 회전과 연관되는 경우, 구동부 디스크의 단일 회전 내에서 결합이 발생할 것으로 가정된다. 시간 한계, 회전 한계, 또는 한계의 일부 조합에 도달하지 않은 경우(처리 블록(560)), 하나 이상의 모터 작동 파라미터 값의 모니터링은 계속된다(처리 블록(556)으로 복귀함). 그러나, 하나 이상의 한계에 도달할 경우(처리 블록(560)), 오류가 발생하고 도구 결합이 실패한, 처리 블록(568)의 통지와 유사한 통지가 발생된다(처리 블록(562)). 이러한 경우에, 수술 시스템의 조작자가 수술 도구를 도구 구동부로부터 분리하고, 이어서 그들을 재부착하여 도 5b의 결합 프로세스를 재시작하도록 지시될 수 있다.

이제 도 5c를 참조하면, 이는 수술 로봇 시스템의 일부로서, 수술 로봇 도구를 도구 구동부와 결합시키기 위해 제어 유닛에 의해 수행되는 프로세스의 도면이다. 시스템은, 도시된 바와 같이 그의 근위 단부에 있는 하나 이상의 도구 디스크 및 원위 단부에 있는 엔드 이펙터를 갖는, 도 2에 도시된 수술 로봇 도구(240)를 포함한다. 도구 구동부(예컨대, 도구 구동부(230))가 도시된 바와 같이 수술 로봇 아암(220)의 원위 단부에 장착되고, 여기서 도구 구동부(230)는 도구 구동부의 하우징 내의 회전 모터에 의해 각각 구동되는 하나 이상의 구동부 디스크(234)를 갖는다. 각각의 구동부 디스크(234)는 엔드 이펙터(246)에 운동을 부여하기 위해 수술 도구(240)의 도구 디스크(244)에 부착된다.

도 5c를 계속 참조하면, 도구 디스크를 구동부 디스크와 결합시키기 위한 프로세스는 제어 유닛에 의해, 특히 그렇게 하도록 구성된(또는 프로그래밍된) 제어 유닛의 하나 이상의 프로세서에 의해 수행된다. 작동은 수술 도구가 도구 구동부에 부착된 것을 검출하는 것으로 시작될 수 있고(블록(582)); 이는 도구 디스크가 대응하는 또는 각각의 구동부 디스크와 접촉하도록 도구 구동부와 접촉하게 된 도구의 식별 또는 다른 속성을 판독하는 프로세서에 의해 무선으로 유선 연결을 통해 행해질 수 있다. 제어 유닛은 이어서 회전 모터를 통해 각각의 구동부 디스크를 작동시키고(블록(584)), 작동 동안, 구동부 디스크가 각각의 도구 디스크에 결합된 것을 검출할 수 있으며(블록(586)); 구동부 디스크와 도구 디스크의 한 쌍의 커플링 특징부(하나 초과의 쌍이 있을 수 있음, 예컨대 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 2개, 또는 그보다 많음)가 상호로킹될 때 구동부 디스크가 도구 디스크에 결합된 것으로 언급된다. 결합을 검출하기 위해, 제어 유닛은 회전 모터의 속도가 사전결정된 속도 임계치 미만으로 떨어지고 회전 모터의 토크가 사전결정된 토크 임계치를 초과하여 상승하는 것을 포함하여, 모터 상태(액추에이터의 상태, 또는 그의 모터 작동 파라미터)의 감지된 변화를 인식한다. 속도 임계치는 모터가 실질적으로 정지되는 속도에 대응할 수 있고, 여기서 토크 임계치는 i) 결합 전에 구동부 디스크와 도구 디스크 사이의 마찰을 극복하기 위한 모터에 대한 최소 토크와 ii) 생성할 모터에 대한 최대 토크 사이의 값이다. 모터 상태의 변화는 조인트 한계에 도달한 엔드 이펙터, 엔드 이펙터에 대한 외력, 활성화될 도구 구동부의 다른 모터로 인한 운동 제약부, 및 이들의 조합 중 적어도 하나에 의해 유발될 수 있다. 특정 수술 도구에 따라, 엔드 이펙터를 작동시키기 위해 사용되는 하나 초과의 도구 디스크가 있을 수 있다. 그러한 경우에, 전술된 결합 프로세스는 또한 (도구 구동부 내의 대응하는 구동부 디스크를 갖는) 각각의 추가 도구 디스크에 대해 수행된다. 프로세스는 이어서 블록(588)으로 계속되고, 여기서 제어 유닛은 예를 들어, 수술 도구의 결합을, 특정 도구를 위해 사용되는 모든 도구 디스크가 그들 각각의 구동부 디스크와 결합된 것으로 검출된 경우에만 보고하도록 수술 로봇 시스템의 사용자 인터페이스 서브시스템에 시그널링한다.

일 실시예에서, 피드백 루프가 하나 이상의 모터 작동 파라미터를 모니터링하고 임계치에 도달한 때를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 도 6은 속도 피드백을 사용하여 도구 구동부의 모터의 속도를 제어하는 데 사용되는 피드백 루프의 블록도를 도시한다. 피드백 루프는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 속도 명령이 제어기(602)에 의해 수신된다. 제어기(602)는 예를 들어, (속도 설정값으로도 지칭되는) 속도 명령의 속도 및 방향으로 모터/액추에이터(604)를 구동하기 위해 적절한 모터 전류(예컨대, 제어기 출력(ctrlr out))를 제공하도록 루프/피드백 메커니즘을 제공하는 비례-적분-미분 제어기(예컨대, 도 7의 PID 제어기(702))일 수 있다. 예를 들어, 방향은 케이블 구동식 도구 디스크(244-j)의 권취 방향일 수 있다. 다른 예로서, 방향은 그의 부착된 도구 디스크(244-i)가 도구 디스크(244-j)와 협력하여야 하는 다른 모터의 운동과 반대일 방향일 수 있다. 또 다른 예로서, 방향은 모터가 엔드 이펙터를 하드 스톱, 예컨대 물리적 장벽 또는 운동 범위의 기계적 제한부를 향해 전진하게 하는 방향일 수 있다. 일 실시예에서, 제어기(602)는 모터/액추에이터(604)에 대한 제어기의 전류 출력을 발생시키기 위한 수단으로서, 속도를 달성하기 위한 원하는 토크, 속도를 달성하기 위한 전류, 속도를 나타내는 임피던스 등과 같은 다양한 값을 사용할 수 있다.

토크 센서, 속도 센서, 또는 센서의 조합과 같은 센서가 모터/액추에이터의 실제 속도를 측정한다. 실제 속도는 이어서 제어기(602)로 다시 피드백으로서 제공되고, 이는 모터의 실제 속도와 명령된 속도 사이의 차이에 기초하여 오류를 계산할 수 있다. 제어기(602)는 모터/액추에이터(604)가 속도 명령 또는 설정값을 향해 이동하게 할 그의 제어기 출력, 예컨대 모터/액추에이터(604)에 대한 모터 전류 명령, 모터/액추에이터(604)에 의해 달성될 토크, 임피던스 값 등을 조절함으로써 차이에 응답한다. 일부 실시예에서, 제어기(602)는 피드백 루프를 실행한 결과로서 계산된 토크, 전류, 임피던스, 속도 등과 같은 모터 작동 파라미터를 출력할 수 있다.

다른 실시예에서, 제어기(602)는 제어기 출력(예컨대, 모터 전류를 제어하는 값)이 임계치, 예컨대 전류 임계치, 토크 임계치, 임피던스 임계치를 초과하지 않는 것을 보장하기 위해 포화 블록(saturation block)(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 포화 블록에 의해 사용되는 또는 그에 입력되는 값은 이중 목적일 수 있는데, 즉 (결합 프로세스 동안 모니터링될 목적으로) 프로세서에 공급되는 모터 작동 파라미터 값으로서 또한 사용될 수 있다.

도 7은 도구 구동부의 모터의 속도를 제어하기 위한 제어기(702)를 포함하는 피드백 루프의 블록도를 도시한다. 일 실시예에서, 제어기(702)는 비례-적분(PI) 제어기이고 제어기(602) 내에 사용될 수 있으며, 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로서 부분적으로 구현될 수 있다.

속도 명령(예컨대, 제어 변수 설정값)이 제어기(702)에 의해 수신된다. 제어기(702)는 속도 명령/설정값의 속도 및 방향으로 모터/액추에이터(704)를 구동하기 위해 적절한 전류(예컨대, 제어기 출력)를 조절하고 제공하기 위한 루프/피드백 메커니즘을 제공한다. 예를 들어, 방향은 케이블 구동식 수술 도구의 도구 디스크의 권취 방향일 수 있다. 다른 예로서, 방향은 도구 구동부의 다른 모터의 운동과 반대일 방향일 수 있다. 또 다른 예로서, 방향은 모터가 엔드 이펙터를 하드 스톱, 예컨대 물리적 장벽 또는 운동 범위의 기계적 제한부를 향해 전진하게 하는 방향일 수 있다. 일 실시예에서, 제어기(702)는 모터/액추에이터(704)에 대한 제어기의 전류 출력을 발생시키기 위한 수단으로서, 속도를 달성하기 위한 원하는 토크, 속도를 달성하기 위한 전류, 속도를 나타내는 임피던스 등과 같은 다양한 값을 사용할 수 있다.

(예컨대, 피드백에 의해 결정된 바와 같은) 오류에 비례하여 속도를 조절하기 위한 비례 조절(예컨대, 블록( k _p )), 및 시간 경과에 따라 통합된 과거 오류를 고려하기 위해 속도를 조절하기 위한 적분 조절(예컨대, 블록( k _i ))과 같은, 원래 속도 명령에 대한 조절이 이루어진다. 적분 조절은 적분 조절의 값을 추가로 조절하기 위해, 안티-와인드업(anti-windup)을 위한 피드백 루프에 있는 블록( k _b )에 의해 발생된 복원 항을 사용하여 추가로 조절될 수 있다. 적분 조절된 값은 (예컨대, 비례 설정값 조절된 값에 추가되기 전에) 블록(1/s)에 의해 추가로 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 포화 블록이, 모터에 공급되는 전류를 제어하는 값이 임계치, 예컨대 전류 임계치, 토크 임계치, 임피던스 임계치 등을 초과하지 않는 것을 보장하기 위해, 도시된 바와 같이 제어기(702)에 사용될 수 있다. 위에서 논의된 블록에 의해 조절이 수행된 후에, 그리고 생성된 전류 명령 값이 포화 블록에 설정된 값을 초과하지 않으면, 전류 명령(예컨대, 피드백 및 PI 조절에 기초하여 보정된 조절된 명령)은 전류 증폭기에 공급되어, 모터 액추에이터(704)로의 명령된 전류가 인자에 의해 증폭될 수 있다. 인자는 모터/액추에이터(704)의 특성에 기초하여, 모터/액추에이터(704)로부터의 피드백 등에 기초하여, 기타 등등에 의해 고정될 수 있다. 모터/액추에이터(704)는 증폭된 전류에 따라 활성화되고, 모터/액추에이터(704)의 속도 응답에 대한 피드백(예컨대, 모터와 커플링된 센서에 의해 결정된 바와 같은 속도, 토크, 속력 등)은 도시된 바와 같이 제어기(702)에 의해 구현되는 피드백 루프에 제공된다.

위에서 논의한 바와 같이, 포화 블록에 의해 사용되는(또는 그에 입력되는) 값은 결합 프로세스 동안 모니터링의 목적으로, 예컨대 현재 모터 전류 또는 현재 모터 임피던스를 나타내는, 프로세서에 공급되는 모터 작동 파라미터 값으로서 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 피드백은 결합 프로세스 동안 모니터링의 목적으로 프로세서에 공급되는 모터 작동 파라미터 값으로 사용될 수 있다. 제어기(702)에서 계산된 (예컨대, 조절된 및 조절되지 않은) 다른 변수가 모니터링된 모터 작동 파라미터로서 사용될 수 있다.

위에서 논의된 일 실시예에서, 2개의 액추에이터는 내시경을 회전시키기 위해 부하를 공유하는 것과 같이, 수술 도구를 이동시키는 데 있어서 부하를 공유한다. 수술 도구(예컨대, 내시경)는 인코더가 없는 회전 조인트를 가질 수 있고, 따라서 위치는 모터 또는 액추에이터의 각도로부터 결정된다. 결합이 없으면, 수술 도구의 회전 각도는 결정될 수 없다. 회전 조인트 상에 기계적 하드 스톱이 없고, 따라서 하드 스톱이 호밍을 위해 사용되지 않을 수 있다. 회전 조인트는 도구 구동기 상에서 2개의 모터와 커플링된다. 정상 작동에서, 이들 2개의 모터는 회전 조인트를 구동하기 위해 협력적으로 작동한다. 예를 들어, 결합 및 호밍 후의 원격조종에서, 하나의 모터는 1차 모터이고 위치 모드에서 제어되고, 다른 모터는 2차 모터이고 위치 또는 전류(토크) 모드에서 제어된다. 둘 모두의 모터는 동일한 방향으로 수술 도구의 이동을 구동한다. 2개의 모터가 내시경 회전 조인트를 구동하기 전에, 모터는 둘 모두 회전 조인트에 결합되어야 하고, 내시경 조인트 각도는 결합의 완료 시에 모터 조인트 위치에 기초하여 계산된다(즉, 호밍됨).

도 2는 로봇 수술 시스템에서의 모터 제어부의 결합 및/또는 호밍을 위한 예시적인 수술 로봇 시스템을 도시한다. 일반적으로, 2개 이상의 구동부 디스크(234)가 각각의 2개 이상의 도구 패드 또는 디스크(244)와 결합한다. 패드는 플러스("+") 형상인 것과 같이, 디스크 이외의 다른 형상을 가질 수 있다. 본 명세서의 예는 디스크를 사용한다.

수술 도구(240)는 의료에 사용되거나 본 명세서에서 논의된 수술 도구들 중 임의의 것과 같은 수술 도구이다. 일 실시예에서, 수술 도구(240)는 내시경이다. 가위, 클램프, 또는 다른 도구를 갖기보다는, 수술 도구(240)는 엔드 이펙터(246)로서 원위 단부에 카메라를 갖는다. 내시경 샤프트는 하드 스톱 없이 360도 회전할 수 있다. 회전에 대한 하드 스톱 또는 물리적 제약부가 없기 때문에 임의의 수의 회전이 가능할 수 있다. 회전 또는 다른 이동을 위한 다른 도구가 사용될 수 있다.

로봇 수술 도구(240)는 근위 단부로부터 원위 단부로 하우징, 샤프트, 및 엔드 이펙터(246)를 포함한다. 도구 디스크(244)는 하우징 내에 위치되고 (예컨대, 케이블, 로드, 및/또는 다른 트랜스미션에 의해) 엔드 이펙터(246)에 링크되고, 엔드 이펙터는 적절하게 결합된 후에 도구 디스크(244) 및 트랜스미션을 통해 구동부 디스크(234)에 의해 구동된다.

회전 도구 디스크(244)는 수술 도구(240)를 회전시키기 위해 수술 도구(240)의 샤프트에 연결된다. 2개 이상의 회전 도구 디스크(244)가 도구 디스크(244)를 수술 도구(240)에 링크시키기 위해 트랜스미션을 통해 연결된다. 기어장치, 클러치, 케이블, 벨트, 및/또는 다른 링크장치가 수술 도구(240)를 회전시키기 위해 2개 이상의 도구 디스크(244)로부터 회전력과 같은 힘을 수용한다. 수술 도구를 회전시키기 위한 동력은 공유된다. 일 실시예에서, 동일한 방향으로 회전하는 둘 모두의 도구 디스크(244)는 둘 모두 수술 도구(240)를 동일한 또는 반대 방향으로 회전시키는 데 기여한다. 다른 실시예에서, 트랜스미션은 반대 방향으로 회전하는 2개의 도구 디스크(244)가 수술 도구(240)를 방향들 중 하나로 회전시키도록 링크된다.

도구 구동부(230)는 구동부 디스크(234)에 직접 또는 트랜스미션을 통해 연결된 액추에이터(238)(예컨대, 모터)를 포함한다. 액추에이터(238)와 구동부 디스크(234)는 도구 디스크(244)와 정합가능한(예컨대, 커플링 특징부(447, 448)를 결합하는) 회전 모터 구동부를 형성한다. 구동부 디스크(234)는 도구 디스크(244)와 정합된다. 결합 또는 정합은 일단 수술 도구(240)가 도구 구동부(230)에 연결되면 발생한다.

센서(236)는 하나 이상의 상이한 센서이다. 예를 들어, 센서(236)는 모터 샤프트 및/또는 구동부 디스크(234)의 각도 위치와 같은 위치를 검출하기 위한 인코더이다. 인코더는 프로세서가 위치의 시간 도함수로부터의 속도를 결정할 수 있도록 위치 정보를 출력할 수 있다. 다른 예로서, 센서(236)는 액추에이터(238)에 제공되고/되거나 그에 의해 인출되는 전류의 진폭의 검출을 위한 전류 센서(예컨대, 모터 입력 구동 단자와 직렬인 전류 감지 저항기)이다. 전류 센서 및 인코더 둘 모두를 제공하는 것과 같이, 각각의 액추에이터(238)에 대해 추가의, 상이한, 또는 더 적은 센서(236)가 제공될 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 전류 소스(901)가 제공될 수 있다. 전류 소스(901)는 액추에이터(238)로 전류를 출력한다. 제어 신호에 기초하여, 전류 소스(901)는 액추에이터(238)를 위치, 토크(예컨대, 전류) 또는 다른 제어 모드에서 이동시키기 위한 전류를 제공한다. 액추에이터(238)에는 주어진 각도 위치로의 회전을 유발하도록(위치 모드) 또는 주어진 속도로 이동하도록(예컨대, 전류 모드) 전류가 공급된다. 다른 제어 모드가 사용될 수 있다.

도 9에 도시된 일 실시예에서, 전류 소스(901)는 고주파(예컨대, 60 ㎐ 이상(예컨대, 100 ㎐)) 정현파 전류와 같은 디더링 전류(dithering current)(902)를 부가한다. 디더링 전류(902)는 최대 전류(908)의 10% 이하인 것과 같이, 저 진폭이다. 디더링 전류(902)는 액추에이터(238)에 제공된 램프-업 전류(ramp-up current)(900)에 부가된다. 디더링 전류(902)는 램프-업 전류의 초기 부분 동안 부가되고 램핑의 완료를 위해 제거된다. 다른 실시예에서, 디더링 전류(902)는 램프 업 전류를 개시한 후에 부가되고/되거나 정상 상태 전류(904)에 도달한 후에 제거되는 것과 같이, 다른 범위에 걸쳐 부가된다. 디더링 전류(902)는 결합을 위한 도구 디스크(244)와 구동부 디스크(234) 사이의 접촉 동안 정적 마찰을 감소시키는 데 도움을 줄 수 있다.

제어 유닛(210)의 프로세서(312)는 신호의 변화에 의해 각각의 회전 구동부(예컨대, 회전 구동부 디스크(234))와의 회전 도구 디스크(244)의 정합을 검출하도록 구성된다. 도구 디스크(244)와의 구동부 디스크(234)의 결합이 검출된다. 모터 또는 액추에이터(238)로부터의 동력 하의 구동부 디스크(234)는 결합될 때까지 도구 디스크(244)에 대해 활주할 수 있고, 이 지점에서 도구 및 구동부 디스크(234, 244)는 함께 회전한다.

프로세서(312)는 액추에이터(238)의 성능 또는 신호의 변화로부터 정합을 검출하도록 구성된다. 전류 및/또는 속도와 같은, 센서(236)로부터의 신호는 결합을 검출하기 위해 사용된다. 일단 결합되면, 신호는 변경된다. 예를 들어, 속도는 0 또는 임계 속도 미만으로 떨어진다. 다른 예로서, 전류는 급등하거나 임계 전류를 초과한다. 다른 예에서, 낮은 속도 및 전류 급등 둘 모두가 결합 또는 정합을 나타내는 것으로 검출된다.

2개 이상의 액추에이터(238)가 수술 도구(240)를 조합하여 구동하기 때문에, 결합을 검출하기 위한 신호의 변화는 둘 모두의 모터 구동부에 대해 수행될 수 있다. 예를 들어, 각각의 액추에이터(238)에 대한 전류 및/또는 속도가 정합을 검출하기 위해 모니터링된다. 각각의 액추에이터(238)에 대해 수술 도구(240)에 대한 정합이 검출된다.

하드 스톱이 제공되지 않는 경우, 액추에이터(238)는 서로 반대로 구동될 수 있다. 모터 구동부는 수술 도구(240)를, 함께 회전시키려고 시도하기보다는 서로 반대로, 반대 방향으로 그리고/또는 상이한 속도로 회전시키려고 시도할 수 있다. 각각의 액추에이터(238)는 수술 도구(240)를 구동시킨다. 서로 반대로 작동함으로써, 액추에이터(238)는 수술 도구(240)를 반대 방향으로 그리고/또는 상이한 속도로 회전시키려고 시도할 수 있다. 구동은 위치 제어 모드에 있지만, 전류 또는 다른 제어 모드가 사용될 수 있다.

초기 구동부 디스크(234)가 대응하는 도구 디스크(244)와 정합될 때, 그러한 액추에이터 또는 구동 모터에 대한 신호는 이러한 초기 구동부 디스크(234)가 도구를 회전시키는 유일한 구동부이기 때문에 많이 변경되지 않을 수 있다. 전류 및/또는 속도는 수술 도구(240)를 회전시키는 데 있어서의 저항으로 인해 변경될 수 있지만, 속도는 속도 임계치 미만으로 변경되지 않을 수 있고/있거나 전류는 전류 임계치를 초과하도록 급등하지 않을 수 있다. 일단 다른 또는 이후의 구동부 디스크(235)가 대응하는 도구 디스크(244)와 정합되면, 2개의 모터 구동부는 둘 모두 결합되고 수술 도구(240)를 반대 방향으로 그리고/또는 상이한 속도로 회전시키려고 시도한다. 그 결과, 둘 모두의 모터에 대한 속도는 임계치 미만으로 떨어지고 그리고/또는 둘 모두의 모터에 대한 전류는 급등한다. 모터 구동부는 서로 저항하여, 상호 하드 또는 소프트 스톱으로서 작용한다. 모터가 동일한 세기 또는 동력을 갖고 동일한 속도에서 서로 반대로 회전하면, 속도는 0으로 떨어지고 전류는 최대치로 급등한다. 모터가 설계 또는 허용 오차로 인한 상이한 동력 및/또는 상이한 속도를 갖는 경우, 여전히 각각 속도 임계치 미만인 그리고/또는 전류 임계치 초과인 상태에서 더 큰 속도 및/또는 더 적은 전류 급등이 제공될 수 있다.

프로세서(312)는 결합을 검증하도록 구성된다. 정합이 검출된 후에, 결합이 검증될 수 있다. 일단 결합되면 인코더가 도구 디스크(244)의 회전 위치를 나타낸다. 도구 디스크(244)가 동일한 수술 도구(240)에 링크되기 때문에, 도구 디스크는 서로에 대해 알려진 상대 회전을 갖는다. 예를 들어, 도구 디스크(244)는 수술 도구(240)의 임의의 주어진 회전 위치에 대해 동일한 각도를 갖지만 반대 부호를 갖도록 설계된다. 다른 예에서, 각도의 임의의 상대 조합이 사용될 수 있다. 결합으로 인해, 구동부 디스크(234)의 위치는 도구 디스크(244)의 위치에 대응한다. 결합 시의 각도가 설계된 각도와 일치하는 경우, 결합이 검증된다.

프로세서(312)는 수술 도구(240)의 회전 각도를 호밍하도록 구성된다. 일단 결합되면 수술 도구(240)의 현재 회전 각도가 결정된다. 수술 도구(240)는 수술 도구(240)의 각각의 회전 각도에 대한 회전 도구 디스크(244)의 각도가 알려지도록 교정된다. 결합 시에, 프로세서(312)는 정합됨에 따라 결합된 회전 구동부(예컨대, 액추에이터(238), 구동부 디스크(234), 및/또는 도구 디스크(244))의 회전 각도에 기초하여 수술 도구의 회전 각도를 결정한다. 교정은 결합된 회전 구동부의 각도를 수술 도구(240)의 각도에 관련시킨다. 도 8을 참조하면, 결합의 완료 시에, 조인트(예컨대, 도구 디스크) 각도는 수술 도구(예컨대, 내시경)가 홈(0) 위치(θT)에 있을 때 각각 α1 및 α2이다. α1 및 α2 둘 모두는 사전교정되고, 2개의 모터(M1, M2)의 각도(θ1, θ2)에 기초하여 인코더로부터 측정된다.

도 8 및 도 9는 수술 도구(240)의 동일한 이동을 제어하도록 작동하는 2개의 모터 구동부에 대한 결합의 검출의 다른 실시예를 도시한다. 위치 및 전류 제어 모드의 조합이 신호의 변화로부터 정합을 검출하기 위해 사용된다.

결합 후의 운동의 운동 방정식은 하기와 같이 표현될 수 있다:

이러한 운동 방정식은 결합 검출 및/또는 호밍에 사용될 수 있다.

제1 단계에서, 모터(M2)는 위치 제어 모드에서 작동하도록 설정된다. 목표 위치는 현재 위치로 설정되고, 따라서 모터(M2)는 정상 상태로 또는 현재 위치로 유지된다.

제2 단계에서, 모터(M1)는 전류 제어 모드에서 작동하도록 설정된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 전류(900)는 속도가 전류(900)의 수평 부분(904)에 의해 표현된 임계치에 도달할 때까지 램프 업된다. 수평 부분(904) 및 램프-업의 기울기에 대한 최대 전류(908)로부터의 오프셋은 실험적으로 결정될 수 있다.

디더링 전류(902)가 전류(900)에 부가된다. 예를 들어, 고주파(예컨대, 100 ㎐) 정현파 전류가 저 진폭 디더링을 제공하고, 램프-업 전류에 중첩된다. 이러한 고주파 전류는 디스크들(234, 244) 사이의 정적 마찰을 극복하는 데 도움이 된다. 액추에이터(238) 및 구동부 디스크(234)의 각속도(906)는 램프 업되고, 이어서 이러한 전류 제어에 기초하여 정상 상태로 유지된다. 전류 명령의 방향(즉, 회전 방향)은 임의적이다. 최대 전류 한계(908)는 모터만을 구동하기 위한 최대 전류와 커플링된 모터와 내시경을 구동하기 위한 최소 전류 사이에서 설정된다. 한계는 실험적으로 결정될 수 있다.

이러한 제2 단계 동안, 모터(M1)에 대한 결합이 검출된다. 모터(M1)가 결코 이동하지 않는 경우 결합이 검출된다 - 전류 명령은 최대 전류로 램프 업된다. 이는 도구 디스크(244)가 접촉하도록 배치되거나 연결될 때 구동부 디스크(234)에 정합하는 경우에 발생할 수 있다. 모터(M1)가 원하는 속도에 도달하기 전에 또는 원하는 속도에 도달한 후에 정지된 경우 결합이 검출된다. 모터(M1)가 인코더에 의해 검출된 완전한 회전 후에 정지하지 않는다면, 속도 한계는 (예컨대, ½만큼) 감소될 수 있고, 제2 단계는 반복된다. 제2 단계가 다시 결합을 검출하는 데 실패하면, 오류가 보고되고 프로세스가 정지된다.

제3 단계에서, 모터(M1)는 위치 모드로 설정되고, 목표 위치는 모터(M1)를 제위치로 유지하기 위해 현재 위치(θ1)로 설정된다. 제4 단계에서, 모터(M2)는 전류 제어 모드에 있도록 설정된다. 제2 단계에서 사용된 동일한 전류 프로파일(도 9 참조)이 사용된다. 전류에 대한 회전 방향은 -(θ1 - α1) + α2를 향해 더 짧은 방향이도록 설정된다. 동일한 속도 및/또는 운동 조건이 모터(M2)에 대해 결합이 발생하는지 여부를 결정하기 위해 사용된다.

제2 및 제4 단계에서, 정지에 대해 확인하는 대신에, 속도 변화가 결합 상태를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 일단 결합이 확인되면, 전류 명령은 즉시 0으로 설정되고, 다음 단계로 진행한다.

전류 포화에 의한 속도 폐-루프 제어가 제2 및 제4 단계에서 전류 램프 업 제어를 대체하기 위해 사용될 수 있다. 제2 단계에서, 모터(M1)는 속도 제어 모드로 설정되고, 목표 속도는 사전한정된 값으로 설정된다. 속도의 방향은 임의적으로 선택된다. 모터(M1)가 정지되거나 모터 전류 측정치의 급격한 점프가 있는 경우 결합 상태가 검출된다. 제4 단계에서, 모터(M2)는 속도 제어 모드로 설정되고, 목표 속도는 사전한정된 값으로 설정된다. 속도의 방향은 -(θ1 - α1) + α2로 더 짧은 거리에 있다.

제5 단계에서, 모터(M1)는 위치 제어 모드에서 유지되고, 모터(M2)는 전류 제어 모드에서 유지된다. 모터(M1, M2)의 조인트 각도는 운동 방정식이 충족됨을 검증하기 위해 확인된다. 각도가 설계 각도와 일치하는 경우 완전한 결합이 확인된다. 결합이 연속으로 2회 실패하고/하거나 검증이 실패하면, 결합 프로세스가 정지되고 오류가 보고될 수 있다.

성공적인 결합 후에, 호밍이 확립될 수 있다. 0 위치에 대한 내시경 조인트 각도는 운동 방정식을 사용하여 모터(M1) 조인트 각도로부터 계산될 수 있다.

도 10은 수술 로봇 시스템에서 수술 도구의 모터 제어부를 결합하기 위한 방법의 일 실시예를 도시한다. 방법은 또한 수술 로봇 시스템에서 수술 도구의 회전 위치를 호밍하는 것을 포함한다. 예를 들어, 도구 구동기 모터(M1, M2)와의 내시경의 결합 및/또는 호밍이 제공된다. 둘 모두의 모터 조인트 샤프트가 키이 및/또는 키이 구멍 또는 다른 커플링을 통해 내시경 샤프트와 견고하게 커플링될 때까지 결합이 모터를 구동한다. 호밍은 내시경 회전 조인트의 0 위치와 1차 조인트 인코더 위치 사이의 조인트 각도를 찾는다.

방법은 도 2 및 도 3의 수술 로봇 시스템 또는 다른 수술 로봇 시스템에 의해 수행된다. 방법은 2개의 모터가 내시경에 의한 동일한 방향으로의 회전과 같은 수술 도구의 동일한 운동을 구동하는 경우에 수행된다. 제어 유닛 또는 다른 제어기의 프로세서가 수술 도구(240)를 도구 구동부(230)에 연결할 때 방법을 수행한다. 일단 수술 도구(240)의 아이덴티티가 동일한 이동을 구동하기 위해 동력 또는 운동을 조합하는 2개 이상의 모터를 가진 것으로서 결정되면, 프로세서는 결합 검출 및/또는 호밍을 수행한다.

동작은 도시된 순서 또는 상이한 순서로 수행된다. 예를 들어, 동작(1002, 1004)은 동시에 수행된다. 다른 예로서, 상이한 모터의 결합을 검출하기 위해 동작(1002, 1004)이 반복된다. 추가의, 상이한, 또는 더 적은 동작이 제공될 수 있다. 예를 들어, 동작(1006 및/또는 1008)은 결합의 검출을 위해 제공되지 않는다. 다른 예로서, 동작(1002, 1004)은 다른 결합 검출이 사용되는 경우 제공되지 않는다. 또 다른 예에서, 동작(1006)은 제공되지 않는다. 다른 예에서, 결합되고 호밍된 내시경 또는 다른 수술 도구의 원격조종 또는 수술 사용을 위한 동작이 제공된다. 일 실시예에서, 도구 구동부에 대한 수술 도구의 부착이 검출되어(도 5b의 동작(552) 및 도 5c의 동작(582) 참조), 이어서 디스크의 결합의 검출을 트리거한다.

동작(1000)에서, 프로세서(예컨대, 제어기 또는 제어 유닛)는 각각의 2개 이상의 회전 구동부(예컨대, 액추에이터(238) 및 구동부 패드 또는 디스크(234))와의 2개 이상의 회전 도구 패드 또는 디스크(244)의 결합을 검출한다. 해제가능한(예컨대, 스프링 로딩식, 물리적 장벽, 또는 마찰 끼워맞춤) 끼워맞춤을 사용하여, 구동부 디스크(234)가 도구 디스크(244)와 정합된다.

동작(1002)에서, 모터(예컨대, 액추에이터(238))가 회전한다. 모터의 회전은 위치 제어 하에 수행되지만, 다른 제어 모드가 사용될 수 있다. 수술 도구를 하나의 방향으로 회전 또는 병진시키기 위한 원격조종 동안, 2개의 모터는 도구 디스크(244)로부터 수술 도구(240)로의 트랜스미션 또는 다른 링크장치에 따라 특정 방향으로 회전한다(예컨대, 둘 모두의 모터가 동일한 방향으로 회전하거나 하나의 모터가 하나의 방향으로 회전하고 다른 모터가 상이한 방향으로 회전함). 결합을 위해, 모터는 서로 반대로 회전한다. 예를 들어, 하나의 모터를 시계 방향으로 그리고 다른 모터를 반시계 방향으로 회전시킴으로써 내시경이 시계 방향으로 회전된다. 서로 반대로 회전시키기 위해, 모터는 동일한 방향으로 회전하여 하나의 모터가 내시경을 시계 방향으로 회전시키려고 시도하고 다른 하나가 내시경을 반시계 방향으로 회전시키려고 시도한다. 내시경에 회전에 대한 하드 스톱 또는 물리적 제한기가 없기 때문에, 이동 부담을 공유하는 모터의 반대 회전은 서로 저항하여, 일단 결합되면 정지부로서 작용한다.

모터 회전으로 인해, 모터에 직접 또는 기어장치를 통해 연결된 구동부 디스크(234)는 회전한다. 구동부 디스크(234)는 도구 디스크(244)와 마찰 접촉한다. 회전은 정적 마찰을 극복하기에 충분한 힘을 갖고, 따라서 구동부 디스크(234)는 수술 도구(예컨대, 수술 도구(240) 또는 내시경)에 링크된 도구 디스크(244)에 대해 회전한다. 회전은 결국 도구 및 구동부 디스크(234, 244) 상의 물리적 결합 메커니즘(예컨대, 돌출부 및 만입부, 형상화된 연장부 및 슬롯, 돌출부 및 정지부, 및/또는 스냅 끼워맞춤 홀더 및 연장부)의 결합을 생성할 것이다.

전류, 위치, 및/또는 다른 제어 모드에서의 디더링이 사용될 수 있다. 명령 신호를 디더링함으로써, 정적 마찰은 더욱 용이하게 극복될 수 있어서, 구동부 디스크(234)가 결합을 위해 도구 디스크(244)보다 큰 속도로 회전한다.

일단 2개의 또는 다수의 쌍의 도구 및 구동부 디스크(234, 244)가 정합되거나 결합되면, 반대 회전은 정지부로서 작용한다. 일단 결합되면, 각각의 모터로부터의 회전력은 도구 디스크(234)를 링크시키는 링크장치 또는 트랜스미션을 통해 전달되어, 이동의 저항을 유발한다.

대안적인 실시예에서, 모터들 중 하나는 다른 모터가 결합하기 위해 회전하는 동안 회전하지 않도록 위치 모드에서 제어된다. 일단 하나의 모터가 결합되면, 결합된 모터 구동부는 다른 모터가 결합하는 동안 회전하지 않는다. 예를 들어, 도 9를 참조하여 전술된 단계가 수행된다.

동작(1004)에서, 프로세서(예컨대, 제어 유닛 또는 제어기)는 각각의 도구 디스크(244)와의 모터(예컨대, 액추에이터(238))의 결합을 모니터링하고 검출한다. 검출은 모터의 성능의 변화를 모니터링하는 것에 기초한다. 변화는 차이, 예컨대 임계치 초과의 성능의 차이(예컨대, 전류가 두 배가 되거나 X를 넘는 양만큼 증가됨)로서 표현될 수 있다. 변화는 임계치에 대한 절대값, 예컨대 임계 속도 미만으로 전이되는 속도(예컨대, 0이 되는 속도) 및/또는 임계치 초과로 전이되는 전류(예컨대, 전류 급등)로서 표현될 수 있다.

일단 모터들 각각에 대한 하나 이상의 파라미터(예컨대, 전류 및 속도 둘 모두)를 사용한 성능 변화가 발생하면, 결합이 검출된다. 결합은 모터들 전부 또는 모터들의 하위-세트에 의한 결합으로서 검출될 수 있다. 일단 모터들 각각 또는 모터들의 하위-세트 각각의 성능 특성이 변화하면, 수술 도구의 결합이 검출된다. 대안적으로, 결합은 각각의 모터에 대해 별개로 검출된다. 일단 원하는 모터들 전부가 결합되면, 결합 프로세스는 종료된다.

동작(1006)에서, 프로세서(예컨대, 제어기 또는 제어 유닛)는 결합을 확인하거나 검증한다. 일단 결합이 검출되면, 적절한 결합을 검증하기 위해 확인이 수행된다. 확인은 도구 디스크(244)와 수술 도구(240) 사이의 트랜스미션 또는 링크장치에 의존한다. 둘 모두의 도구 디스크(244)가 동일한 운동을 구동하기 때문에, 서로에 대한 도구 디스크(244)의 각도는 고정되거나 허용 오차 범위 내에 있다. 결합을 위한 메커니즘은 도구 디스크(244) 및 구동부 디스크(234)에 대한 고정된 배향을 갖고, 따라서 결합된 도구 디스크(244)는 둘 모두가 결합된 경우 그러한 고정된 배향을 갖는다. 구동부 디스크(234) 및 대응하는 모터 샤프트의 각도는 센서(236)(예컨대, 인코더)에 의해 측정된다. 결합으로 인해, 각도는 도구 디스크(244)의 각도에 대응한다.

회전 각도가 비교된다. 예상된 각도 또는 임계치 내의 회전 각도가 검출되는 경우, 결합이 검증된다. 예를 들어, 도구 디스크들(244) 사이의 트랜스미션 또는 링크장치는 수술 도구(240)(예컨대, 내시경)의 임의의 회전 위치에 대해 반대 부호를 가진 동일한 각도를 갖도록 설계된다. 일단 결합되면, 모터 및 구동부 디스크(234)의 회전 위치는 동일한 각도(예컨대, 상이한 부호를 가진 동일한 절대 각도)를 갖는다. 다른 각도 조합이 사용될 수 있다.

동작(1008)에서, 프로세서(예컨대, 제어기 또는 제어 유닛)는 일단 결합되면 수술 도구의 현재 회전 각도를 결정한다. 이러한 호밍은 결합 시에 의료 기구의 회전 각도를 결정한다.

회전 각도는 모터 및 각각의 구동부 디스크(234)의 각도로부터 결정된다. 일단 결합되면, 센서(236)로부터의 구동부 디스크(234)의 각도는 도구 디스크(244)의 각도이다. 교정으로부터의 룩-업 테이블 또는 다른 함수가 도구 디스크(244)(및/또는 구동부 디스크(234))의 각도를 수술 도구의 각도에 매핑한다. 트랜스미션은 도구 디스크(244) 각도를 수술 도구 각도 또는 위치에 관련시키고, 교정은 관계를 측정한다. 일단 모터 구동부들 각각에 대해 디스크(234, 244)에 대한 각도가 결정되면, 교정은 수술 도구(240)의 각도를 찾기 위해 사용된다.

결합 및/또는 호밍 프로세스가 이어서 종료된다. 결합이 동작(1000)에서 검출되지 않은 경우, 결합은 동작(1006)의 확인에서 검증되지 않고, 그리고/또는 동작(1008)의 호밍이 실패하고, 결합을 위한 프로세스는 반복되거나 상이한 결합 프로세스가 수행될 수 있다. 다수의 실패가 발생하면, 오류 메시지가 송신된다. 결합 및/또는 호밍이 성공적으로 수행되면, 수술 도구(240) 및 모터 구동부는 수술에서 원격조종을 위해 준비된다.

요약서에서 후술되는 것을 포함하여, 본 발명의 예시된 실시예의 위의 설명은 완전한 것으로 또는 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하도록 의도되지는 않는다. 본 발명의 특정 실시예 또는 예가 예시의 목적으로 본 명세서에 기술되지만, 당업자가 인식할 바와 같이, 본 발명의 범주 내에서 다양한 변형이 가능하다. 예를 들어, 도 4a 내지 도 4c가 도구 디스크(244)를 엔드 이펙터(도시되지 않음)에 연결하는 케이블-구동식 트랜스미션을 갖는 수술 도구(240)를 도시하지만, 전술된 결합 프로세스는 또한 (반드시 케이블-구동식은 아닌) 상이한 트랜스미션을 갖는 다른 유형의 수술 도구에 적용가능하다. 이들 변형은 위의 상세한 설명을 고려하여 본 발명에 대해 이루어질 수 있다. 하기 청구범위에 사용되는 용어는 본 발명을 본 명세서에 개시된 특정 실시예로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 본 발명의 범주는 청구범위 해석의 확립된 원칙에 따라 해석되어야 하는 하기 청구범위에 의해 전적으로 결정되어야 한다.

Claims (21)

1. 수술 로봇 시스템(surgical robotic system)에서의 도구 결합을 위한 방법으로서,
   도구 구동부(tool drive)에 대한 수술 도구의 기계적 부착을 검출하는 단계로서, 상기 도구는 상기 도구 구동부의 각각 제1 구동부 디스크(drive disc) 및 제2 구동부 디스크와 결합될 제1 도구 디스크(tool disc) 및 제2 도구 디스크를 갖고, 상기 제1 및 제2 도구 디스크들은 상기 수술 도구의 엔드 이펙터(end effector)에 링크되는(linked), 상기 기계적 부착을 검출하는 단계;
   상기 제1 구동부 디스크와 상기 제2 구동부 디스크가 서로 반대로 회전하도록 상기 도구 구동부의 제1 모터에 의해 상기 제1 구동부 디스크를 그리고 제2 모터에 의해 상기 제2 구동부 디스크를 작동시키는 단계;
   상기 제1 및 제2 모터들의 성능을 모니터링하는 단계; 및
   상기 제1 및 제2 모터들의 상기 성능의 변화들에 기초하여 상기 제1 및 제2 구동부 디스크들과의 상기 제1 및 제2 도구 디스크들의 결합을 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
2. 제1항에 있어서, 작동시키는 단계는 상기 제1 및 제2 모터들을 위치 제어 모드로 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 구동부 디스크들을 작동시키는 단계는 상기 제1 및 제2 모터들을 동일한 방향으로 작동시키는 단계를 포함하고, 상기 수술 도구에 대한 상기 제1 및 제2 도구 디스크들 사이의 링크가 반대 방향들로의 상기 제1 및 제2 도구 디스크들의 회전을 사용하여 상기 수술 도구를 동일한 방향으로 회전시키는, 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 수술 도구의 이동은 하드 스톱(hard stop)이 없는 내시경의 회전을 포함하는, 방법.
5. 제1항에 있어서, 검출하는 단계는 상기 제1 및 제2 모터들에 대한 전류들의 급등들(spikes)을 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
6. 제1항에 있어서, 검출하는 단계는 각각 상기 제1 및 제2 모터들의 속도 임계치 미만의 제1 및 제2 속도들을 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 결합 시의 상기 제1 도구 디스크의 제1 회전 각도가 상기 결합 시의 상기 제2 도구 디스크의 제2 회전 각도와 반대 부호를 갖고서 임계량 내에 있다는 것을 확인하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 도구 디스크들과 결합되어 있는 동안 상기 제1 및 제2 모터들의 제1 및 제2 각도들로부터 상기 결합 시의 상기 수술 도구의 회전 각도를 결정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
9. 제8항에 있어서, 결정하는 단계는 교정(calibration)에 기초하여 상기 회전 각도를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
10. 결합을 위한 수술 로봇 시스템으로서,
    제1 및 제2 회전 도구 패드들(rotary tool pads)에 트랜스미션(transmission)에 의해 연결되는 수술 이펙터로서, 상기 제1 및 제2 회전 도구 패드들의 회전이 상기 수술 이펙터를 회전시키도록 연결되는, 상기 수술 이펙터;
    각각 상기 제1 및 제2 회전 도구 패드들과 정합가능한 제1 및 제2 회전 구동부들을 갖는 도구 구동부; 및
    신호의 변화에 의해, 각각 상기 제1 및 제2 회전 구동부들과의 상기 제1 및 제2 회전 도구 패드들의 정합을 검출하도록 구성되는 프로세서를 포함하는, 수술 로봇 시스템.
11. 제10항에 있어서, 상기 수술 이펙터는 길이방향 축을 중심으로 회전가능한 내시경을 포함하는, 수술 로봇 시스템.
12. 제10항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 제2 회전 도구 패드가 상기 제2 회전 구동부에 의해 구동되는 것과 반대 방향으로 상기 수술 이펙터를 회전시키기 위해 상기 제1 회전 도구 패드가 상기 제1 회전 구동부에 의해 구동되는 상기 정합을 검출하도록 구성되는, 수술 로봇 시스템.
13. 제12항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 제1 및 제2 회전 구동부들 둘 모두를 위치 제어 모드에서 구동하도록 구성되는, 수술 로봇 시스템.
14. 제10항에 있어서, 상기 수술 로봇 시스템은 상기 제1 및 제2 회전 구동부들과 연결되는 제1 및 제2 인코더들(encoders)을 추가로 포함하고, 상기 프로세서는 상기 제1 및 제2 인코더들로부터의 정보로부터의 제1 및 제2 속도들이 0의 임계량 내에 있다는 것으로서 상기 신호의 상기 변화를 검출하도록 구성되는, 수술 로봇 시스템.
15. 제10항에 있어서, 상기 수술 로봇 시스템은 상기 제1 및 제2 회전 구동부들에 대한 전류들을 검출하도록 연결되는 전류 센서들을 추가로 포함하고, 상기 프로세서는 상기 제1 및 제2 회전 구동부들에 대한 제1 및 제2 전류들이 급등한다는 것으로서 상기 신호의 상기 변화를 검출하도록 구성되는, 수술 로봇 시스템.
16. 제10항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 제1 회전 구동부의 제1 회전 각도를 상기 제2 회전 구동부의 제2 회전 각도와 비교함으로써 상기 정합을 검증하도록 구성되는, 수술 로봇 시스템.
17. 제10항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 제1 및 제2 회전 도구 패드들에 정합된 때의 상기 제1 및 제2 회전 구동부들의 회전 각도들에 기초하여 상기 수술 이펙터의 회전 각도를 결정하도록 구성되는, 수술 로봇 시스템.
18. 제10항에 있어서, 상기 수술 로봇 시스템은 상기 제1 회전 구동부에 대한 전류 제어 모드에서 전류 램프(current ramp)에 디더링 전류(dithering current)를 인가하도록 구성되는 전류 소스를 추가로 포함하고, 상기 프로세서는 상기 전류 제어 모드에 있는 동안 상기 제1 회전 구동부로부터의 상기 신호의 상기 변화로부터 상기 정합을 검출하도록 구성되는, 수술 로봇 시스템.
19. 수술 로봇 시스템에서 수술 도구의 회전 위치를 호밍(homing)하기 위한 방법으로서,
    제1 및 제2 회전 구동부들과의 제1 및 제2 회전 도구 패드들의 결합을 검출하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 회전 도구 패드들에 링크되는 상기 수술 도구의 회전 각도를 결정하는 단계로서, 상기 수술 도구의 상기 회전 각도는 일단 상기 결합이 검출되면 상기 제1 및 제2 회전 구동부들의 제1 및 제2 회전 각도들로부터 결정되는, 상기 회전 각도를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
20. 제19항에 있어서, 결정하는 단계는 교정 및 모터 인코더 센서로부터의 측정된 회전 각도에 기초하여 상기 수술 도구의 상기 회전 각도를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
21. 제19항에 있어서, 상기 결합을 검출하는 단계는 각각 상기 제1 및 제2 회전 도구 패드들과 접촉하는 상기 제1 및 제2 회전 구동부들을 회전시키는 단계로서, 상기 제1 및 제2 회전 도구 패드들 둘 모두는 상기 수술 도구에 링크되고, 상기 제1 및 제2 회전 구동부들은 상기 제1 및 제2 회전 도구 패드들이 상기 수술 도구의 회전을 위해 서로 반대로 회전하도록 회전하는, 상기 제1 및 제2 회전 구동부들을 회전시키는 단계, 및 상기 제1 및 제2 회전 구동부들의 성능의 변화로부터 각각 상기 제1 및 제2 회전 도구 패드들과의 상기 제1 및 제2 회전 구동부들의 상기 결합을 검출하는 단계를 포함하는, 방법.

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