KR20230003589A

KR20230003589A - 공구 축선을 위치설정 및 추적하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20230003589A
Application number: KR1020227043058A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 패트릭 보니; 조엘 주하스; 네이던 에이. 네트라발리
Original assignee: 씽크 써지컬, 인크.
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2023-01-06
Also published as: CN107405170A; JP2018514394A; EP3265010B1; US10792109B2; KR102479084B1; AU2016225968B2; EP3265010A1; JP6913021B2; CN111067623A; KR20170125023A; WO2016141378A1; US20180014888A1; AU2016225968A1; US20200375670A1; US11653983B2; JP2021118901A; EP3265010A4

Abstract

외부면을 갖는 본체를 구비하는 캘리브레이션 장치가 제공되며, 본체는 공구 축선을 갖는 공구를 중심으로 변위하도록 구성되고 본체가 공구 축선을 중심으로 회전한다. 적어도 하나의 기준 마커는 본체의 외부면 상에 위치하며, 추적 시스템과 통신한다. 추적 시스템과 또한 통신하는 고정 기준 마커 어레이가 제공된다. 캘리브레이션 공구는 기준 마커 어레이에 대하여 공구 축선을 규정한다. 또한 수술 시스템에는 추적 모듈이 제공되며, 추적 모듈은 공구 축선의 방향을 규정하기 위하여 원형 경로에 대한 법선 벡터 또는 회전 중심점을 계산하다. 수술 시스템을 이용하는 방법 및 기준 마커 어레이에 대하여 공구 축선을 규정하는 방법이 제공된다. 로봇 링크의 방향을 규정하기 위한 또는 의료 시술의 공구를 추적하기 위한 시스템과 기준 마커 어레이가 제공된다.

Description

공구 축선을 위치설정 및 추적하기 위한 방법 {METHODS FOR LOCATING AND TRACKING A TOOL AXIS}

관련 출원

본 출원은 2015년 3월 5일에 출원된 미국 가출원 제62/128,857호의 우선권 이익을 주장하며, 그 내용은 본원에 참조로써 원용되었다.

본 발명은 개괄적으로 컴퓨터 보조 수술 시스템 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로 설명하면, 추적 시스템에 대하여 공구를 캘리브레이션하기 위한 신규하고 유용한 장치 및 방법에 관한 것이다.

컴퓨터 지원 수술 시스템은 다양한 의료 시술을 수행하는 외과전문의를 보조하기 위하여 폭넓게 사용되고 있다. 이러한 예 중 하나는 인공고관절 전치환술(total hip arthroplasty; THA)에 있어서 대퇴관을 준비하는 외과의사를 지원하는 ROBODOC™ Surgical System(미국 캘리포니아 프레몬트 소재, Think Surgical™)이 있다. 관을 1밀리미터 이하의 정밀도로 준비하기 위하여, 공구의 중심점(TCP)과 공구의 중심 축선은 로봇 좌표 프레임에 대하여 정밀하게 캘리브레이션되어야 할 뿐만 아니라, 기타 다른 추적 시스템의 좌표 프레임에 대해서도 마찬가지다. 또한 추적 시스템은 해부 관심 영역 또는 기타 의료 장치와 같은 수술실 내 다른 물체를 위치설정 및 추적하는 것에도 사용될 수 있다. 그러므로, 추적된 모든 물체들 간의 관계는 합쳐져서 다이내믹한 방법으로 의료 시술을 개선하거나 보조할 수 있다.

추적 시스템은 한 셋트의 수동 또는 능동 기준 마커(fiducial marker)로부터 에너지를 검출하는 다수의 리시버를 포함하는 것이 일반적이다. 추적된 기준 마커의 어레이에 대하여 공구 방향과 말단 위치 사이에서 관계를 규정하기 위하여, 캘리브레이션 과정을 수행하여야 한다. 공구 말단 위치와 방향에 대하여 기준 마커 어레이를 캘리브레이션하는 방법은 다양하게 많이 존재하지만, 그 과정은 일반적으로 시간 소모적이고, 많은 비용이 발생하며 및/또는 특정 외과 수술에 대해서는 충분하게 정밀하지 못하다.

종래의 캘리브레이션 방법 중 하나는 공장 캘리브레이션 단계가 후속되는 공구 상에 어레이를 정밀한 위치와 방향으로 제조하는 것이다. 그러나, 이 방법은 수술 셋팅에서 사용될 수 있는 모든 공구 상에서 어레이의 정밀한 배치를 필요로 하므로, 전체 비용을 증가시킨다. 또 다른 방법으로는 수술실 내부에서 어레이에 대하여 공구를 캘리브레이션하는 것이 있다. 기계적으로 또는 광학적으로 추적되는 디지타이저(digitizer)를 수동으로 위치설정하여 공구 상에서 다수의 포인트를 수집하여 공구와 어레이 사이에 기하학적 관계를 규정한다. 그러나, 광학적으로 추적된 커팅 공구를 단일의 측정치로 캘리브레이션하는 경우에, 추적 시스템은 시스템의 고유 에러를 기초하여 캘리브레이션 장치로서 사용되기에 충분하게 정밀하지 못하다. 또한, 디지털화 과정은 사용자에 대하여 고된 일이며 전체 작동 시간을 증가시킨다.

기준 마커와 공구 사이의 관계를 알고 있으면, 공구의 위치 및 방향은 의료 시술 동안에 정밀하게 추적될 수도 있다. 그러나, 통상의 추적 시스템이 갖는 또 다른 문제는 추적 동안에 3차원 공간에서 기준 마커 각각을 위치설정하는 것에 있어서의 고유한 에러이며, 이는 측정 정밀도에 영향을 끼칠 수 있다. 이러한 에러는 삼각 측량, 샘플링 시간, 기준 마커 사이의 기하학적 관계에서의 제조 에러, 그리고 마커가 다른 마커에 대하여 고정 상태에 있는 사실의 함수일 수 있다. 매우 정밀한 외과수술에 대한 필요성을 고려하면, 추적 시스템의 정밀도를 향상시킬 수 있는 어떤 방법이 매우 요구되고 있다.

따라서, 당업계에서 컴퓨터 지원 수술 시스템과 고도의 정밀도를 요하는 기타 다른 로봇 어플리케이션에 있어서 추적 어레이에 대하여 공구 말단의 위치와 방향을 신속하고 정밀하게 규정할 수 있는 캘리브레이션 장치에 대한 필요성이 존재한다. 또한, 외과 수술의 결과와 수술 시스템 또는 기타 로봇 어플리케이션의 신뢰성을 향상시키기 위하여 추적의 정밀도를 개선할 필요성이 존재한다.

외부면(exterior surface)을 갖는 본체를 구비하는 캘리브레이션 장치가 제공된다. 본체는 공구 축선을 갖는 공구를 중심으로 변위하도록 구성되어 본체가 공구 축선을 중심으로 회전한다. 적어도 하나의 기준 마커는 본체의 외부면 상에 위치하며, 추적 시스템과 통신한다. 또한 추적 시스템과 통신하는 고정 기준 마커 어레이가 제공된다. 캘리브레이션 공구는 기준 마커 어레이에 대하여 공구 축선을 규정한다.

또한 공구와, 추적 모듈을 구비하는 수술 시스템이 제공된다. 기준 마커 어레이는 공구에 고정되며 추적 모듈과 통신한다. 캘리브레이션 장치는 본체에 위치하는 적어도 하나의 기준 마커를 가진 본체를 구비하며, 상기 본체는 본체가 공구를 중심으로 변위하도록 구성되어 본체가 공구 축선을 중심으로 회전한다. 본체의 회전에 응답하여, 추적 모듈에 의하여 추적되는 적어도 하나의 기준 마커에 의하여 하나 또는 그 이상의 원형 경로가 생성되고, 상기 추적 모듈은 공구에 고정된 기준 마커 어레이에 대하여 그리고 추적 모듈에 대하여 공구 축선의 방향을 규정하기 위하여 원형 경로에 대한 법선 벡터와 회전 중심점 중 적어도 어느 하나를 계산한다. 수술 시스템을 이용하는 방법은 두 개 또는 그 이상의 회전된 기준 마커에 의하여 추적된 원형 경로에 대한 법선 벡터의 평균, 두 개 또는 그 이상의 회전된 기준 마커에 의하여 추적된 원형 경로의 중심점 사이에서 법선 벡터의 평균을 계산하거나 또는 전술한 두 개의 옵션의 평균을 계산하는 것을 포함한다.

기준 마커 어레이에 대하여 공구 축선을 규정하는 방법이 또한 제공되며, 이 방법은 기준 마커 어레이를 공구에 고정하는 것을 포함한다. 적어도 하나의 기준 마커를 갖는 캘리브레이션 장치는 공구에 부착된다. 캘리브레이션 장치는 공구 축선을 중심으로 회전된다. 적어도 하나의 기준 마커의 회전은 추적 모듈을 이용하여 추적된다. 기준 마커 어레이에 대하여 공구 축선의 방향을 규정하기 위하여 기준 마커 회전에 의하여 추적된 하나 또는 그 이상의 원형 경로로부터 법선 벡터와 중심점을 계산한다.

또한 로봇 링크의 방향을 규정하기 위한 시스템이 제공되며, 이 시스템은 말단 링크와, 상기 말단 링크에 부착된 기단 링크를 포함한다. 프로세서가 말단 링크 상에 제1 좌표계를 규정할 수 있도록 한 셋트의 기준 마커로부터 3개의 기준 마커가 추적 모듈에 보이도록, 추적 모듈과 한 셋트의 기준 마커는 말단 링크 상에 배치된다.

의료 시술을 보조하기 위하여 공구를 추적하기 위한 시스템이 또한 제공되며, 상기 시스템은 추적 모듈이 장착된 수술 공구를 구비한다. 공구의 축선과 일치하는 회전체가 제공된다. 회전체는 적어도 하나의 기준 마커를 구비하며, 적어도 하나의 기준 마커가 공구 축선을 중심으로 회전할 때 상기 추적 모듈은 적어도 하나의 기준 마커의 위치를 기록한다.

수술 로봇을 고려하여 물체를 추적하기 위한 기준 마커 어레이가 제공되며, 상기 기준 마커 어레이는 단단한 본체와, 추적 모듈과 통신하는 적어도 하나의 기준 마커를 포함하며, 상기 추적 모듈은 회전하면서 단단한 본체의 영역 상에 원형 경로를 생성하여, 적어도 하나의 기준 마커가 기준 마커의 회전 중심으로부터 일정 거리 오프셋되어 있다.

본 발명은 소정의 본 발명의 양태를 예시하는 하기의 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 하지만, 이것은 본 발명의 실시에 대한 제한으로서 해석되어서는 안된다.
도 1은 수술대 또는 수술실을 고려하여 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 주요 구성을 도시하는 도면이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 기준 마커(fiducial marker)에 대한 공구 축선의 방향을 규정하기 위한 캘리브레이션 장치와 방법을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공구 상에 고정할 수 있는 캘리브레이션 장치를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 기준 마커 어레이에 대한 공구 말단 중심점을 규정하는 캘리브레이션 장치의 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 링크 축선과 링크 회전각을 결정하는 방법을 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 추적 공구가 일체화된 회전 기준 마커를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 추적 정확도를 향상시키기 위하여 기준 마커 어레이 상에서 회전하는 기준 마커를 도시한다.

본 발명은 의료 시술 시에 보조할 수 있는 기준 마커 어레이(fiducial marker array)에 대한 공구 위치 및 방향을 정확하고 효율적으로 규정하기 위한 시스템 및 방법으로서 유용성을 갖는다. 하기의 본 발명의 여러 가지 실시예에 대한 설명은 본 발명을 그러한 특정 실시예에 제한하고자 하는 것이 아니라 오히려 당업자가 그러한 예시적인 양태를 통해서 본 발명을 제조 및 실시할 수 있도록 하는 것이다.

어떤 경우에 있어서는 범위가 그 범위의 종점값을 포함할 뿐만 아니라, 명백하게는 그 범위 내에 포함되면서 그 범위의 마지막 중요한 값 만큼 변화하기 때문에, 그 범위의 중간값도 포함하는 것을 의미하는 것으로 알 수 있다. 예를 들면, 인용 범위가 1 내지 4이면, 1 내지 2, 1내지 3, 2 내지 4, 3 내지 4, 그리고 1 내지 4를 포함하는 것을 의미한다.

본원에서 사용된 바와 같이, 기준 마커란 추적 시스템에 의하여 검출 가능한 기준점을 말하는 것으로, 예를 들면, 발광다이오드(LED) 또는 전자기 이미터와 같은 능동 트랜스미터, 또는 역반사 필름을 갖는 플라스틱 구체와 같은 수동 리플렉터일 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 적용 가능한 실시예에 대하여 특별한 종류의 기준 마커를 사용하는 것이 분명히 드러나 있다. 기준 마커 어레이란 소정의 기하학적 형상을 갖는 단단한 본체 내부에 또는 그 위에서 공지된 기하학적 관계에 있는 두 개 또는 그 이상의 기준 마커의 배치를 의미한다; 별도로 지정되어 있는 경우에, 단단한 본체의 6개의 모든 자유도를 해결하기 위하여 세 개의 기준 마커를 배치할 수도 있다.

공구(tool)라는 용어는 외부 물체 상에서 작업을 수행할 수 있는 어떠한 기기일 수 있다. 이러한 공구로는, 조직 접촉 기기(예를 들면, 드릴에 결합되고 하우징 내부에 조립되어 있는 커터로써, 상기 하우징은 로봇 매니퓰레이터 아암(robotic manipulator arm)의 말단부에 부착될 수 있다)를 수납 및/또는 작동시키기 위한 어떠한 조립체 뿐만 아니라, 예시적으로 탐침, 드릴, 커터, 버어, 또는 톱날을 포함한다.

본원에서 사용된 통신이라는 용어는 무선 또는 전기 접속을 통해서 데이터 및/또는 에너지를 송신 및/또는 수신하는 것을 말한다.

추적 시스템을 이용하는 것이 본원에 개시되어 있다. 추적 시스템은 기준 마커로부터 조사되거나 반사된 에너지를 검출하기 위하여 적어도 하나의 리시버를 구비하는바, 리시버는 기준 마커 또는 기준 마커 어레이의 위치 및/또는 방향(POSE)을 처리하기 위한 프로세서를 갖는 추적 모듈에 연결된다. 추적 모듈은 기준 마커 어레이와 공구 사이의 관계에 기초하여 공구 위치를 생성할 수 있으며, 상기 관계는 본원에 기술된 캘리브레이션 기술을 이용하여 결정된다. 특정 실시예에 있어서, 캘리브레이션 기술은 공구의 위치를 결정하기 위한 적어도 하나의 기준점(reference point)을 제공하기 위하여 추적 모듈과 통신하는 캘리브레이션 장치를 이용한다. 검출 가능한 에너지는 예를 들면, 광, 전자기, 적외선, 자외선, 자력, 광섬유, 초음파 및 조준 가시광일 수 있지만, 이것에 제한 받지 않는다. 광학 추적 시스템의 예로는 폴라리스 스펙트라™ 옵티컬 트랙킹 시스템(Polaris Spectra™ Optical Tracking System)(NDI Medical)이 있다.

컴퓨터 보조 수술 시스템 또한 본원에 참조되며, 이는 컴퓨터 보조 수술 시스템, 로봇 수술 시스템, 네비게이션 보조 수술 시스템, 이미지 안내 수술 시스템 등과 비슷한 뜻을 갖는 것으로 간주된다.

로보독™ 써지컬 시스템(ROBODOC™ Surgical System)을 참조하면, 의료 또는 산업 적용를 위한 자동의 헵틱(haptic) 또는 반자동 로봇 시스템이 본원에 개시된 장치와 방법으로부터 혜택을 입을 것이다. 본원에 개시된 본 발명으로부터 혜택을 입을 수 있는 컴퓨터 보조 수술 장치의 예로는 로보독™ 써지컬 시스템(think Surgical Inc), NavioPFS™ System (Blue Belt Technologies Inc), The RIO® Robotic System (Mako Surgical Corp), 네비게이티드 프리핸드 쏘우(navigated freehand saw, TRAK Surgical), 4 자유도 쏘우, 적어도 하나의 자유도를 갖는 관절식 핸드헬드 시스템, 미국 가출원 제62/054,009호에 기술된 관절식 헨드헬드(hand-held) 드릴 시스템(그 내용은 본원에 참조로써 원용됨), 또는 추적을 필요로 하는 기타 컴퓨터 제어 장치가 있다.

본 발명의 실시예는 의료 시술을 보조하기 위한 공구를 정확하게 추적하기 위하여 기준 마커 어레이에 대하여 공구 축선의 방향 및 공구의 중심점을 규정하기 위한 시스템, 장치 및 방법을 설명한다. 도 1은 컴퓨터 지원 수술을 수행하기 위하여 수술 시스템(101)의 높은 위치에서 본 개략도이다. 일반적으로, 컴퓨터 보조 수술 시스템(103)은 사용자 인터페이스(107)와 공구(105)를 구비하며, 환자(109)에 대한 의료 시술을 보조하기 위하여 배치된다. 사용자 인터페이스(107)는 수술 파라미터, 수술 워크플로우, 로봇 상태, 기능상의 에러, 가이드 명령어, 및 공구 개질 조직의 실시간 뷰와 같은 사용자 설명서를 디스플레이하기 위한 모니터일 수도 있다. 사용자 인터페이스(107)는 또한 몇몇 실시예에서 헤드업 표시장치(HUD), 구글™ 안경, 외부 모니터, 및/또는 스마트 와치(smart watch)일 수도 있으며, 이는 로봇 시스템과 전기적으로 또는 무선으로 통신 가능할 수 있다. 예를 들면, 설명적으로 HUD는 블루투스, TCP/IP, 가시광 통신, WLAN 또는 그 조합을 통해 무선으로 로봇에 연결될 수 있다. 로봇 시스템 및/또는 사용자 인터페이스는 조이스틱이나 모바일 폰과 같은 제어 장치의 이용을 통해서 또는 모니터를 터치함으로써 또는 그 조합에 의하여 사용자로부터의 입력을 수신할 수 있다. 이러한 입력은 수술 워크플로우 동안 제공된 다양한 프롬프트(prompt)를 선택하고, 소정의 의학적 처치를 선택하며, 다른 외부 구성요소/장치의 위치를 지정하고, 해부의 기록을 보조하며, 광학 추적 모듈을 구성하고, 그리고 그 조합을 이용하는 가이드 명령어를 포함할 수도 있다. 수술 시스템(101)은 공구가 시술을 정확하게 실시하기 위하여 해부영역에, 수술 시스템(103)의 기초에, 공구(105) 상에, 캘리브레이션 장치(201)에 뿐만 아니라, 기타 다른 의료 장치 또는 기준 위치 상에 위치할 수 있는 기준 마커(도 2의 203 및 213)와 추적 기준 마커 어레이(도 2의 211)를 검출하기 위한 추적 모듈(111)에 연결된 검출기(112)를 구비하는 추적 시스템(101)을 포함한다. 수술 이전에 기준 마커 어레이는 공구(105)에 대하여 위치설정 및 고정된다. 공구(105)는 추적 모듈(111)이 공구 축선의 방향 및 공구의 중심점의 정확한 위치를 파악하기 위하여 후술된 방법을 이용하여 캘리브레이션된다.

기준 마커 어레이와 추적 시스템에 대한 공구 축선의 방향을 신속하고 보다 정확하게 캘리브레이션하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 장치가 도 2a 내지 도 2c에 도시되어 있다. 도 2a는 적어도 하나의 기준 마커(203)를 포함하는 중공의 원통형 슬리브 형상의 캘리브레이션 장치(201)를 도시한다. 기준 마커(203)는 수동형 또는 능동형일 수 있다. 캘리브레이션 장치(201)는 도 2c에 도시된 바와 같이 슬리브(201)의 축선을 따라 위치설정된 두 개 이상의 기준 마커(203)를 구비할 수 있다. 도 3과 관련된 또 다른 실시예에 있어서, 캘리브레이션 장치(301)는 공구 축선(307) 상에 고정할 수 있는 두 개 이상의 부착 포인트 또는 클립(311)을 구비한다. 두 개 이상의 부착 포인트에 조립되거나 또는 클립(311)에 조립된 단단한 부재(303)는 그 위에 배치된 적어도 하나의 기준 마커(305)를 가지며, 상기 단단한 부재(303)는 공구 축선(307)을 중심으로 회전할 수 있다. 부착 클립(311)은 다양한 직경을 가질 수 있으며, 단단한 부재(303)에 모듈식으로 조립될 수 있다. 예를 들면, 상이한 직경을 갖는 클립(311)은 직경을 변화시키는 공구를 수용하기 위하여 포인트(309)에서 단단한 부재(303)에 조립될 수 있다. 본 발명의 특정 실시예에 있어서, 부착 클립(311)은 전체 캘리브레이션 장치(301)가 공구 축선(307)을 중심으로 자유 회전할 수 있도록 공구(105)를 느슨하게 파지한다. 또 다른 특정 실시예에 있어서, 부착 클립(311)은 클립이 공구를 단단히 파지하고 클립(311)과 단단한 부재(303) 사이의 베어링 기구에 의하여 단단한 부재(303)가 부착 클립(311) 및 공구 축선(307)을 중심으로 자유 회전할 수 있도록 베어링을 구비한다.

특정 실시예에 있어서, 공구 축선(217)을 기준 마커 어레이(211)에 대하여 규정하기 위하여, 기준 마커 어레이(211)는 6 자유도를 해결하도록 공지된 기하학적 관계에 있는 한 셋트의 기준 마커(213)를 구비하며, 기준 마커 어레이(211)는 공구(105)에 단단히 고정되어 있다. 공구(105)는 컴퓨터 제어 장치의 말단 링크 및/또는 조인트(205)에 부착된다. 특정 실시예에 있어서, 기준 마커 어레이(211)는 공구(105)와 조립 및 포장되어 있지만, 일부 실시예에 있어서 기준 마커 어레이는 개별적으로 포장되어 있는 개별 독립체이며, 수술실 내부에서 사용자에 의하여 공구(105)에 조립 및 고정된다. 공구(105)는 또한 공작물 상에서 작업을 수행하기 위하여 공구 선단면과 공구 중심점(207)을 갖는 작동 단부를 구비한다. 캘리브레이션 장치는 공구(105) 상에 배치되거나 및/또는 고정된다. 캘리브레이션 장치(201)는 공구(105)를 중심으로 자유회전(화살표 215) 가능할 수 있지만, 일부 실시예에 있어서, 공구를 따라 병진운동할 수 없다. 특정 실시예에 있어서, 캘리브레이션 장치(201)는 중력에 의하여 장치가 공구의 단부에 맞대어 유지되고, 병진운동을 방지할 수 있도록 공구(105) 상에 배치될 수도 있다. 공구(105) 및/또는 캘리브레이션 장치(201)는 병진운동이 발생하지 않도록 로터리 커플링과 같은 결합구를 구비할 수도 있다. 또한, 시스템은 만약 캘리브레이션 장치(201)가 캘리브레이션 도중에 공구 축선(217)을 따라 병진이동하면 그것을 용이하게 검출하여, 예를 들면 가청 정보 또는 모니터를 통해 사용자에게 알려 줄 수 있다.

특정 실시예에 있어서, 회전운동은 사용자에 의하여 수동으로 수행될 수 있는 바, 즉 사용자가 캘리브레이션 장치 슬리브(201)를 공구(105) 상에 배치하고 그 캘리브레이션 장치(201)를 회전시키며, 그것이 회전할 때 추적 시스템은 기준 마커(203)의 위치를 기록한다. 캘리브레이션 장치(201)는 사용자가 캘리브레이션 장치(201)를 공구(105)에 대해 용이하게 회전시킬 수 있도록 핸들, 그립부 또는 돌출부를 구비할 수도 있다. 특정 실시예에 있어서, 캘리브레이션 장치(201)는 공구(105)를 중심으로 자동으로 회전할 수 있다. 캘리브레이션 장치(201)는 공구(105)와 상호작용하는 기단부 상에 접속구를 구비할 수도 있다. 예를 들면, 캘리브레이션 장치(201)의 기단부는 공구(105)의 일부에 나사체결되는 한 셋트의 나사부를 가지므로, 모터, 기어, 액츄에이터, 로터리 커플링 또는 캘리브레이션 장치(201)가 공구를 중심으로 자동으로 회전시키는 기타 종래의 기계적 장치와 같은 구성요소와 통신한다. 특정 실시예에 있어서, 캘리브레이션 장치를 회전시키는 구성요소는 공구(105)의 작동 단부를 작용시키는데 사용되는 동일 및/또는 유사한 구성요소를 구비할 수도 있다. 다른 방법으로는, 캘리브레이션 장치(201)는 공구(105)를 중심으로 자동적으로 스스로 회전하기 위한 드라이버를 구비한다. 예를 들면, 캘리브레이션 장치(201)는 다수의 동심 슬리브를 구비할 수 있는 바, 여기서 제1 최내측 슬리브는 공구(105) 상에서 고정 상태로 유지되며, 제1 슬리브를 에워싸는 제2 슬리브는 기준 마커(203)를 공구(105)를 중심으로 회전시키기 위한 드라이버를 구비한다.

기준 마커(203)가 공구(105)를 중심으로 회전할 때, 추적 시스템은 회전 동안에 마커 위치를 기록한다. 기준 마커(203)는 기준 마커의 개수와 동일한 수의 동심원을 그린다. 예를 들면, 하나의 기준 마커는 단일의 동심원을 그리며, 도 2b에 도시된 바와 같은 다수의 기준 마커는 캘리브레이션 장치(201)의 축선을 따라 다수의 동심원을 그린다. 추적 모듈(111)은 회전 동안에 기록된 위치에 원을 일치시킨다. 상기 원은 가우스-뉴튼, 레벤버그-마쿼트, 뉴튼, 변수 돌출부(variable projection) 및 직교 거리 회귀(orthogonal distance regression), 마하라노비스의 거리 또는 그 조합을 포함하는, 그러나 이것에 제한받지 않는, 최소 제곱법과 같은 알고리즘을 이용하여 데이터에 일치된다. 데이터를 모델화하기 위하여 단지 점들 간의 호(arc)가 필요한 것에 주목하여야 한다. 일치된 원은 공구의 축선 상에 중심점(219)과 법선 벡터(221)를 갖는바, 법선 벡터(221)는 공구 축선(217)의 방향을 나타낸다. 그러므로, 공구 축선의 방향은 계산된 법선 벡터(221)에 대한 기준 마커 어레이(211)의 POSE에 기초하여 기준 마커 어레이(211)에 대하여 규정될 수 있다.

다수의 기준 마커(203)가 사용되는 본 발명의 실시예에 있어서, 각각의 원은 법선 벡터를 가지며, 여기서 공구 축선(217)의 방향은 하기 중 어느 하나 또는 조합에 의하여 계산될 수 있다.

1) 각각의 공구 벡터의 평균

2) 하나의 원 중심으로부터 다른 원의 중심까지의 벡터의 평균

3) 상기 1과 2의 평균

따라서, 다수의 기준 마커(203)를 이용하면, 기준 마커 어레이(211)에 대한 공구 축선의 정확한 방향을 규정하는데 있어서 정확도가 증가한다. 기준 마커 어레이(211)에 대한 공구 축선의 방향을 얻기 위하여 단 하나의 기준 마커(203)가 필요하기 때문에, 다수의 기준 마커는 캘리브레이션의 정확도를 증가시킨다. 또한, 공구 축선(217)을 따른 기준 마커 간의 간극을 증가시키면, 캘리브레이션의 정확도는 원의 중심들을 이용할 때 향상되는바, 공구의 보다 많은 부분을 따라 보다 많은 정보가 포착된다. 본원에 기술된 캘리브레이션 장치의 하나의 주요 장점은 캘리브레이션 장치(201) 상에서 두 개 이상의 기준 마커(203) 사이에 정밀한 기학학적 관계를 생성할 필요가 없다. 한편, 추적 시스템은 공구를 추적 시스템에 정밀하게 캘리브레이션하기 위하여 캘리브레이션 장치의 총 6 자유도를 해결할 필요가 없다(즉, 공구 축선의 방향을 위치설정하기 위하여 단 하나의 마커가 기술적으로 필요하다). 현재의 시스템에 있어서, 공구를 정확하게 캘리브레이션하기 위하여 3개 이상의 기준 마커 사이에 정밀한 기하학적 관계가 필요하다. 이것은 요구되는 공차로 인하여 제조비를 증가시키고, 기하학적 관계에 있어서 경미한 편차가 제조 중에 발생하는 추적 에러를 유발할 수 있다.

특정 실시예에 있어서, 프로세서는 원통형 모델을 캘리브레이션 데이터에 일치시킬 수 있다. 원통형 모델을 이용하면, 캘리브레이션 장치는 공구 축선(217)을 따라 병진운동할 수 있으므로, 공구 축선(217)의 방향은 계속 계산될 수 있다. 그러나, 원통형 모델을 이용하는 경우에, 후술된 바와 같이 공구의 중심점을 위치설정하기 위하여 부수적인 단계가 필요하다.

원형 또는 원통형 모델을 데이터에 일치시킬 때, 알고리즘은 기준 마커(203)가 공구(105)를 중심으로 회전할 때 기록된 위치의 분포를 고려할 수도 있다. 회전 속도에 따라서 또는 사용자가 캘리브레이션 과정을 수행하는 방법에 따라서 다른 위치와 비교된 한 위치에서 보다 많은 데이터 포인트가 수집될 수도 있다. 회전의 다른 일부와 비교된 회전의 특정 일부 동안에 보다 많은 데이터가 수집되면, 원형 또는 원통형 모델은 법선 벡터 및/또는 중심점에 영향을 주는 모집된 영역을 향하여 가중될 수 있다. 그러므로, 알고리즘은 원 또는 원통형을 일치시키기 위하여 공구 축선(217)을 중심으로 균일한 포인트 분포가 사용될 수 있도록 조정될 수도 있다.

특정 실시예에 있어서, 캘리브레이션 장치(201)의 한 단부는 도 4a에 도시된 바와 같이 당접면(401)을 갖는다. 도 4a는 공구(105)의 축선을 중심으로 배치된 캘리브레이션 장치(201)의 단면도이다. 하나 또는 그 이상의 기준 마커(203)는 당접면(401)으로부터 기지의 거리 d에 이격되어 있다. 캘리브레이션 장치(201)가 공구(105)의 축선 위에 배치되거나 및/또는 그 둘레에 고정될 때, 당접면(401)은 공구의 말단면과 일치한다. 다수의 기준 마커(203)가 사용되면, 기준 마커(203) 각각은 당접면(401)으로부터 기지의 거리에 배치될 수 있다. 캘리브레이션 장치(201) 상의 최기단 기준 마커 또는 최말단 기준 마커와 같이, 기준 마커(203) 중 단 하나만이 당접면(401)으로부터 기지의 거리 d를 갖는 것이 필요하다. 본 실시예에 있어서, 공구 축선(217)의 방향과 작동 단부의 공구 중심점(207) 모두는 기준 마커 어레이(211)에 대하여 규정될 수도 있다. 당접면(401)은 도 4a에 도시된 바와 같이 공구의 말단면과 완전 접촉할 수 있어, 공구의 말단면의 단지 일부가 도 4b에 도시된 바와 같이 당접면(401)과 접촉할 수 있다.

6 자유도를 해결할 수 있는 기준 마커 어레이(211)는 공구(105)에 단단히 고정된다. 당접면(401)을 갖는 캘리브레이션 장치(201)는 당접면(401)이 공구의 말단면과 일치하도록 공구(105) 상에 배치된다. 캘리브레이션 장치(201)는 공구(105)를 중심으로 회전하며, 추적 모듈은 전술한 바와 같이 일치된 원을 이용하여 법선 벡터(221)와 공구 축선(217)의 방향을 계산한다. 슬리브 상의 하나 또는 모든 기준 마커로부터 당접면(401)까지의 기지의 거리는 공구 벡터의 끝이 규정하는 평면을 계산하는데 사용된다. 예를 들면, 기준 마커의 위치에서 기준 마커(203)에 의하여 추적된 원에 의하여 평면이 공간 내부에 규정된다. 원형 평면을 기준 마커(203)로부터 당접면까지 기지의 거리로 병진운동하면, 평면이 공구의 말단면에 규정될 수 있다. 공구의 말단면에서 규정된 평면과 추적된 원의 경로로부터 계산된 법선 벡터의 교차점은 공구 축선(217) 상에서 공구 말단부의 중심점(207)을 규정한다. 따라서, 공구의 작동 단부의 공구 말단부 중심점(207)과 공구 축선의 방향 모두는 기준 마커 어레이(211)에 대하여 규정된다.

본 발명의 특정 실시예에 있어서, 작동 단부에서의 공구 중심점(207)은 디지타이저(digitizer)를 이용하여 규정될 수도 있다. 캘리브레이션 장치(201) 상에서 당접면(401)을 구비하는 대신에, 공구의 말단부 상에서 다수의 포인트를 디지털화하여 공구 말단면에서 평면이 규정된다. 디지타이저는 좌표계에 대하여 공간 내부에서 포인트를 수집하기 위하여 기계적으로 또는 광학적으로 추적되는 탐침(probe)을 구비하는 것이 일반적이다. 디지타이저는 본원에 참조로 원용된 미국 특허 제6,033,415호에 기술된 바와 같이 로봇 시스템에 연결될 수도 있다. 디지타이저가 로봇 시스템에 연결되면, 로봇 시스템의 프로세서는 후속 계산을 수행하여 이 정보를 추적 모듈에 통신할 수도 있다. 디지타이저가 광학적으로 추적되면, 추적 모듈은 후속 계산을 직접적으로 수행할 수 있다. 상기 특정 방법에 따른 실시예에 있어서, 기준 마커 어레이(211)에 대한 공구 축선(217)의 방향은 전술한 실시예를 이용하여 결정될 수 있다. 공구 말단 중심점(207)은 공구(105)의 단부 상에서 다수의 포인트를 디지털화하는 것에 의하여 결정되며, 평면은 프로세서 또는 추적 모듈을 이용하여 디지털화된 포인트에 최적으로 일치된다. 공구 말단 중심점(207)의 위치는 추적된 원에 대하여 계산된 법선 벡터(221)에 의하여 규정된 공구 축선(217)과, 공구 축선에 직교하고 디지털화된 포인트에 최적으로 일치하는 평면의 교차점이다. 따라서 공구 말단 중심점(207)의 위치와 공구 축선(217) 모두는 기준 마커 어레이(211)에 대하여 규정된다.

또한, 캘리브레이션 장치(201)를 이용하여 로봇 컴퓨터 보조 수술 시스템의 캘리브레이션을 점검할 수 있다. 이전 실시예에서 기술된 방법 중 어느 하나를 수행한 이후에, 로봇은 로봇 축선이 로봇 좌표 내에 있다고 로봇이 판단하는 위치로 이동하도록 작동될 수 있다. 캘리브레이션 장치(201)는 기준 마커(203)의 위치를 기록하는 추적 시스템과 함께 회전한다. 프로세서는 기준 마커의 기록된 위치에 원을 일치시킬 수 있다. 원의 직경이 추적된 경로에 일치하면, 원의 중심은 추적된 경로에 일치하고, 원의 법선 벡터는 로봇이 캘리브레이션되고 캘리브레이션이 유효할 때 수집된 동일한 파라미터와 규정된 공차 내에서 추적된 경로의 모든 매치에 부합한다. 한편, 직경이 부합하지 않으면, 중심이 일치하지 않고, 법선 벡터도 일치하지 않으며, 또는 추적된 경로가 원이 아니면, 계산은 유효하지 않다. 이러한 절차는 전체 로봇의 계산을 검사하기 위해 유사하게 사용될 수도 있다.

본 발명의 실시예는 또한 기준 마커 어레이를 이용하여 조인트 축선을 위치시키기 위한 방법을 설명한다. 도 5a를 참조하며, 타겟 조인트 축선에서 먼 링크(501)는 링크 상의 적어도 3개의 기준 마커(503)가 링크(501)의 회전 각도와 상관 없이 광학 추적 시스템에 대하여 가시적일 수 있기에 충분한 개수의 다수의 기준 마커(503)를 포함한다. 링크(501) 상의 다수의 기준 마커(503)는 기준 마커 어레이라고 고려될 수도 있다. 기준 마커(503)는 1) 좌표계(507)가 단지 3개의 가시 기준 마커(503)를 이용하여 링크(501) 상에 설정될 수 있도록 그리고 2) 기준 마커(503)의 기지의 명목상의 기하학적 구조를 이용하여 3개의 가시적 기준을 제공하는 동일한 좌표계를 설정할 수 있도록 이격되어 있다. 링크(501)가 회전축을 중심으로 회전할 때, 광학 추적 시스템은 가시적 기준을 추적한다. 링크(501)가 일정한 회전축을 갖고 있기 때문에, 각각의 기준은 회전축 둘레에서 원형 경로를 추적한다. 프로세서는 추적된 기준 마커에 원을 일치시키고 링크 축선의 대략적인 센터(509)를 계산한다. 센터의 평균은 공간 내부에서 링크 축선의 위치를 규정한다. 프로세서는 일치된 원에 대하여 법선 벡터를 추가적으로 계산한다. 법선 벡터의 평균은 링크 축선의 방향(511)을 규정한다. 특정 실시예에 있어서, 적어도 3개의 기준 마커(503)가 동시에 가시될 수 있기 때문에, 고정 좌표계가 플랜지 상에 설정될 수 있다. 기준 마커 좌표계(507)에 고정되고 회전 동안에 전역 좌표계에 고정되는 공간 내부의 어느 두 임의 포인트는 조인트의 회전축을 규정한다. 본 발명의 실시예의 방법은 물체(로봇 링크)의 순간 회전축 상에 있는 포인트를 발견한다. 회전축 상에는 무한 포인트가 존재하는데 반하여, 축선을 규정하는데 단 두 개의 포인트만이 필요하다. 두 개의 포인트는 모두 1) 로컬 링크의 좌표계에서 일정하며 2) 기단 링크가 작동하지 않는 것을 가정하면 전역 좌표계 내에서 일정하다.

도 5b를 참조하면, 두 개의 링크 사이에서 절대 회전각을 결정하기 위하여 제2 셋트의 기준 마커(513)가 단지 말단 링크(501)의 기단에 위치할 수 있다. 일실시예에 있어서, 말단 링크의 회전축은 기단 링크에 대하여 회전하여 이전 실시예에서 설명한 바와 같이 회전축을 위치시킨다. 기단 링크 상에 위치하면, 기준 마커가 말단 링크 상의 한 셋트의 기준 마커(503)와 구별될 수 있도록 유사한 셋트의 기준 마커(513)가 상이한 기하학적 구조로 위치설정된다. 기준 마커는 1) 어느 3개의 가시 기준 마커를 이용하여 플랜지 상에 유일한 좌표계(515)가 설정될 수 있도록 그리고 2) 기준 마커 어레이의 기지의 명목상의 기하학적 구조를 이용하여 어느 3개의 가시 기준 마커를 제공하는 동일한 좌표계를 설정할 수 있도록 이격되어 있다. 두 링크 사이의 각도는 링크(501)의 회전축을 중심으로 하는 두 개의 좌표계 사이에서 상대 회전(즉, 돌출각)을 계산하는 것에 의하여 결정될 수 있다. 예를 들면, 상기 개념은 로봇을 캘리브레이션하는 것에 있어서 보조하는데 사용될 수 있거나, 여분의 인코더(encoder)로 사용될 수 있다. 기준 마커 어레이가 링크 사이에서 및/또는 각각 위에 위치설정되면, 광학 추적 시스템은 임의 구성에 있어서 로봇의 위치와 방향을 규정할 수 있다. 그러므로, 광학 추적 시스템을 사용하여 프로그램된 위치와 방향을 비교하여 실제 로봇 위치와 방향을 측정하는 캘리브레이션 과정을 수행하기 위하여 로봇이 프로그램될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 회전 동안에 말단 링크의 기준 마커 좌표계(515)와 기준 마커 좌표계(507) 모두에서 일정한 공간 내부에서 두 개의 임의 포인트는 조인트 회전축을 규정한다.

또한, 본 발명의 실시예는 대응하는 명목적 모델(nominal model)로 기준 마커 어레이를 보다 정확하게 기록하는 방법 뿐만 아니라, 고정 축선을 중심으로 회전하는 기준 마커를 이용하여 공구를 추적하기 위한 시스템과 방법을 설명한다. 도 6을 참조하면, 회전하는 물체의 회전축이 공구(105)의 축선과 일치하도록 정렬되어 있는 상태로, 회전 물체(601)가 공구에 고정되어 있다. 적어도 하나의 기준 마커(603)가 회전 물체에 부착 또는 일체화되어 있다. 회전 물체는 고속으로 회전한다. 기준 마커(들)는 회전 경로가 추적되도록 기준 마커(들)의 다수의 위치를 기록하는 광학 추적 시스템에 의하여 추적된다. 특정 실시예에 있어서, 추적 모듈(111)의 광학 리시버는 원형 경로가 일련의 카메라 프레임 전체에 걸쳐 추적되는 카메라이다. 특정 실시예에 있어서, 카메라는 하나 이상의 기준 마커가 단일 프레임 내에서 하나 이상의 원형 경로가 되도록 보다 긴 셔터 속도를 이용할 수 있다.

캘리브레이션 장치(201)는 전술한 방법 중 어느 하나를 이용하여 회전하는 기준 마커(603)에 대한 작동 단부의 공구 중심점(207) 및/또는 공구 축선(217)의 방향을 규정하는데 사용될 수 있다. 카메라의 샘플링 레이트와 기준 마커(603)의 회전율이 크면, 공구 축선과 공구 말단의 위치는 회전하는 기준 마커(603) 만을 이용하여 추적될 수 있다.

시스템이 회전하는 기준 마커(603)를 구비하는 본 발명의 특정 실시예에 있어서, 제2 마커 어레이가 공구의 모든 6 자유도를 해결하기에 충분한 기하학적 구조로 배열되어 있는 기준 마커를 갖는 공구에 부착되어 있다. 상기 마커 얼레이가 공구 축선과 공구 말단을 추적하는데 이용될 수 없는 것에도 불구하고, 마커 어레이는 충돌 회피와 같은 다른 기능을 위하여 공구의 전체 기하학적 구조를 추적하는데 이용될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 6 자유도를 해결하기에 충분한 전체 어레이 보다 하나 또는 그 이상의 기본 마커가 공구에 고정되어 있다. 공구 축선과 공구 말단의 위치를 알면, 5 자유도의 시스템의 이동을 해소할 수 있기 때문에, 하나 또는 그 이상의 고정된 기준 마커가 마지막 자유도(즉, 공구 축선을 중심으로 하는 회전)를 해소할 수 있다.

본 발명의 특정 실시예에 있어서, 기준 마커 어레이 상에서 회전하는 기준 마커를 이용하여 추적의 정확도를 향상시킨다. 도 7a 및 7b를 참조하면, 두 개의 기준 마커 어레이 구성(701 및 713)이 도시되어 있다. 도 7a는 적어도 하나의 기준 마커(703)가 부착되어 있거나 일체화되어 있는 회전체(705)로 구성된 기준 마커 어레이를 도시한다. 각각의 회전 기구는 기구적 플레이를 전혀 갖지 않으므로, 각각의 기준 마커(703)는 회전 중심(709)이 마커 어레이 상에서 이동하지 않는 일정한 반경으로 회전한다. 특정 실시예에 있어서, 추적 시스템(110)의 리시버는 카메라이다. 셔터가 각각의 기준 마커의 원이동(707)(완전한 회전이 이상적임) 중에서 실질적 부분을 캡처하기에 충분히 길게 개방되도록 카메라 셔터 속도를 이용하여 추적한다. 예를 들면, 기준 마커가 10,000 rpm으로 회전하면, 0.006초의 셔터 속도로 완전한 회전을 캡처하지만, 0.003초의 셔터 속도로 반회전을 캡처할 수 있다. 프로세서는 각각의 원형 경로에 3차원의 원을 일치시키고, 중심점(709)과 법선 벡터(711)는 각각의 원형 경로에 대하여 계산된다. 각각의 기준 마커에 대하여 명목적 센터와 법선 벡터로 구성된 명목적 모델은 계산된 센터와 법선 벡터에 대하여 기록되고, 따라서 마커 어레이는 추적 동안에 명목적 모델에 대하여 기록될 수 있다.

유사하게, 도 7b는 적어도 하나의 기준 마커(703)가 회전 중심점(709)을 중심으로 회전하는 마커 어레이(713)의 상이한 구조를 도시하고 있다. 본 실시예에 있어서, 기준 마커는 회전하는 플랫폼 상에서 보다는 오히려 자신이 회전할 수 있다. 전술된 바와 같이, 회전 중심점(709)과 법선 벡터(711)는 계산되어, 추적 동안에 각각의 기준 마커에 대한 명목적 센터와 법선 벡터로 구성된 명목적 모델에 기록된다. 상기 방법에 의하면 정확한 중심점과 법선 벡터가 계산되어 추적 및 기록에 사용될 때 보다 정확한 기록 뿐만 아니라 정확도를 증가시킨다. 또한, 상기 구성에 의하면 6 자유도를 해결하기 위하여 단지 두 개의 기준 마커가 필요한 것에 주목하여야 한다. 적어도 하나의 회전하는 기준 마커(703)와 제2 기준 마커(비도시)가 기준 마커 어레이(701 또는 713)에 고정되어 있다. 또한, 회전하는 기준 마커를 부가하면, 최소양의 기준 마커로 다수의 자유도에서 중복 추적을 가능케 한다.

기타 실시예

전술한 설명에 있어서 적어도 하나의 바람직한 실시예가 제시되었지만, 다양한 변형이 존재하는 것에 주목하여야 한다. 또한, 바람직한 실시예(들)는 단지 예에 지나지 않으며, 기술된 실시에의 범위, 적용 또는 구성을 어떠한 식으로든 제한하고자 하는 것이 아님을 알 수 있다. 이전의 상세한 설명은 바람직한 실시예(들)를 수행하기 위하여 당업자에 간편한 로드맵을 제공하는 것이다. 특허청구의 범위에 설정된 범위 및 그 법률적인 균등물로부터 벗어나지 않고 구성요소의 기능 및 구조에 있어서 다양한 변경이 이루어질 수 있는 것에 주목하여야 한다.

Claims

외부면을 갖는 본체, 상기 본체는 공구 축선을 갖는 공구를 중심으로 변위하도록 구성되어 본체가 공구 축선을 중심으로 회전하며;
상기 본체의 외부면 상에 위치하는 적어도 하나의 기준 마커, 상기 적어도 하나의 기준 마커는 추적 시스템과 통신하며; 및
상기 추적 시스템과 통신하는 고정 기준 마커 어레이를 포함하는, 캘리브레이션 장치,
여기서 상기 캘리브레이션 장치는 상기 기준 마커 어레이에 대하여 공구 축선을 규정한다.
제1항에 있어서,
상기 본체는 중공의 원통형 슬리브인 것을 특징으로 하는 캘리브레이션 장치.
제1항에 있어서,
상기 중공의 원통형 슬리브의 종축을 따라 축방향으로 오프셋되어 있는 두 개 또는 그 이상의 기준 마커를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캘리브레이션 장치.
제2항에 있어서,
상기 적어도 하나의 기준 마커는 상기 중공의 원통형 슬리브의 제1 단부로부터 기지의 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 캘리브레이션 장치.
제2항에 있어서,
상기 슬리브는 당접면을 갖는 제1 단부를 더 포함하며, 적어도 하나의 기준 마커의 위치는 당접면으로부터 기지의 거리인 것을 특징으로 하는 캘리브레이션 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 본체는 단단한 부재와 결합된 두 개 또는 그 이상의 부착 포인트 또는 클립을 더 포함하며,
여기서 적어도 하나의 기준 마커는 단단한 부재 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 캘리브레이션 장치.
공구 축선을 갖는 공구;
추적 모듈;
상기 공구에 고정되며 추적 모듈과 통신하는 기준 마커 어레이; 및
본체에 위치하는 적어도 하나의 기준 마커를 가진 본체를 포함하는 캘리브레이션 장치를 포함하는, 수술 시스템,
여기서 상기 본체는 본체가 공구를 중심으로 변위하도록 구성되어 본체가 공구 축선을 중심으로 회전하며,
본체의 회전에 응답하여, 추적 모듈에 의하여 추적되는 적어도 하나의 기준 마커에 의하여 하나 또는 그 이상의 원형 경로가 생성되고, 상기 추적 모듈은 공구에 고정된 기준 마커 어레이에 대하여 그리고 추적 모듈에 대하여 공구 축선의 방향을 규정하기 위하여 원형 경로에 대한 법선 벡터 또는 회전 중심점 중 적어도 어느 하나를 계산하는 것을 특징으로 한다.
제7항에 있어서,
상기 캘리브레이션 장치는 중공의 원통형 슬리브이며, 두 개 또는 그 이상의 기준 마커가 중공의 원통형 슬리브의 종축을 따라 축방향으로 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 수술 시스템.
a) 회전 중심점에서 적어도 하나의 기준 마커에 의하여 추적되는 하나 이상의 원형 경로의 법선 벡터와
b) 기준 마커로부터 기지의 거리인 캘리브레이션 장치 상의 당접면에 의하여 규정된 평면의 교차점을 계산하여,
기준 마커 어레이에 대한 공구의 작동 단부에서 공구 중심점의 위치를 규정하는 것을 특징으로 하는 제7항 또는 제8항에 따른 수술 시스템을 이용하는 방법.
a) 두 개 또는 그 이상의 회전된 기준 마커에 의하여 추적된 원형 경로에 대한 법선 벡터의 평균을 계산하는 단계;
b) 두 개 또는 그 이상의 회전된 기준 마커에 의하여 추적된 원형 경로의 중심점 사이에서 법선 벡터의 평균을 계산하는 단계; 또는
c) 상기 단계 1 및 2의 평균을 계산하는 단계; 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 공구 축선의 방향을 결정하기 위한 제7항 또는 제8항에 따른 수술 시스템을 이용하는 방법.
기준 마커 어레이를 공구에 고정하는 단계;
적어도 하나의 기준 마커를 갖는 캘리브레이션 장치를 공구에 부착하는 단계;
캘리브레이션 장치를 공구 축선을 중심으로 회전시키는 단계;
추적 모듈로 적어도 하나의 기준 마커의 회전을 추적하는 단계; 및
기준 마커 어레이에 대하여 공구 축선의 방향을 규정하기 위하여 기준 마커 회전에 의하여 추적된 하나 또는 그 이상의 원형 경로로부터 법선 벡터와 중심점을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기준 마커 어레이에 대하여 공구 축선을 규정하는 방법.
제11항에 있어서,
디지타이저로 상기 공구의 공구 말단면 상에서 한 셋트의 포인트를 수집하는 단계;
프로세서로 수집된 포인트 세트에 평면을 최적으로 일치시키는 단계; 및
1) 회전 중심점에서 법선 벡터와 2) 최적으로 일치된 평면의 교차점으로부터 기준 마커 어레이에 대하여 공구 말단면에서 공구 중심점의 위치를 규정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공구 축선을 규정하는 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,
주어진 로봇 위치와 방향(POSE)에서 이전에 캘리브레이션된 공구 축선에 캘리브레이션 장치를 가진 로봇을 작동시키는 단계;
캘리브레이션 장치를 공구 축선을 중심으로 회전시키는 단계;
추적 모듈로 회전 동안에 기준 마커의 위치를 기록하는 단계;
프로세서로 원형 모델을 기록된 위치에 일치시키는 단계;
원의 직경, 센터 또는 법선 벡터 중 적어도 하나를 계산하는 단계; 및
원의 직경, 센터 및 법선 벡터 중 적어도 하나를 이전에 캘리브레이션된 공구 축선으로부터 저장된 값과 비교하여 로봇 캘리브레이션의 유효성을 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공구 축선을 규정하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 캘리브레이션 장치의 일단부는 당접면을 갖는 슬리브를 더 포함하며, 상기 슬리브 상의 기준 마커는 당접면으로부터 기지의 거리에 있는 것을 특징으로 하는 공구 축선을 규정하는 방법.
제14항에 있어서,
1) 회전 중심점에서 기준 마커에 의하여 추적된 원형 경로의 법선 벡터와 2) 당접면에 규정된 평면의 교차점에 기초하여 공구의 작동 단부에서 공구 중심점의 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 공구 축선을 규정하는 방법.
말단 링크;
상기 말단 링크에 부착된 기단 링크;
추적 모듈; 및
상기 말단 링크 상에 배치된 한 셋트의 기준 마커를 포함하며, 프로세서가 말단 링크 상에 제1 좌표계를 규정할 수 있도록 한 셋트의 기준 마커로부터 3개의 기준 마커가 추적 모듈에 보이는 것을 특징으로 하는 로봇 링크의 방향을 규정하기 위한 시스템.
제16항에 있어서,
상기 추적 모듈은 회전 동안에 3개의 기준 마커의 위치를 기록하며, 프로세서는 기록된 위치에 원형 모델을 일치시키고, 말단 링크의 위치와 말단 링크의 방향 중 적어도 하나를 규정하기 위해 원에 대한 법선 벡터와 원의 중심 중 적어도 하나를 계산하는 것을 특징으로 하는 로봇 링크의 방향을 규정하기 위한 시스템.
제16항에 있어서,
상기 기단 링크는 제2 셋트의 기준 마커를 더 포함하며, 상기 제2 세트로부터 3개의 제2 기준 마커가 추적 모듈에 보이고 상기 프로세서는 기단 링크 상에서 제2 좌표계를 규정하는 것을 특징으로 하는 로봇 링크의 방향을 규정하기 위한 시스템.
제18항에 있어서,
상기 추적 모듈과 통신하는 프로세서는 회전축을 중심으로 제1 좌표계와 제2 좌표계 사이에서 상대적인 회전을 계산하여, 기단 링크와 말단 링크 사이의 각도를 계산하는 것을 특징으로 하는 로봇 링크의 방향을 규정하기 위한 시스템.
공구;
추적 모듈; 및
상기 공구의 축선과 일치하는 회전체를 포함하며,
상기 회전체는 적어도 하나의 기준 마커를 포함하며, 적어도 하나의 기준 마커가 공구 축선을 중심으로 회전할 때 상기 추적 모듈은 적어도 하나의 기준 마커의 위치를 기록하는 것을 특징으로 하는 의료 시술을 보조하기 위하여 공구를 추적하기 위한 시스템.
제20항에 있어서,
원을 기준 마커의 기록된 위치에 일치시키도록 프로그램된 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공구를 추적하기 위한 시스템.
제20항에 있어서,
상기 프로세서는 일치된 원에 대한 법선 벡터 또는 일치된 원의 중심점 중 적어도 하나를 계산하는 것을 특징으로 하는 공구를 추적하기 위한 시스템.
제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 추적 모듈은 회전 동안에 3개의 기준 마커의 위치를 기록하며, 프로세서는 원형 모델을 기록된 위치에 일치시키고, 말단 링크의 위치와 말단 링크의 방향 중 적어도 하나를 규정하기 위해 원에 대한 법선 벡터와 원의 중심 중 적어도 하나를 계산하는 것을 특징으로 하는 공구를 추적하기 위한 시스템.
단단한 본체; 및
추적 모듈과 통신하는 적어도 하나의 기준 마커를 포함하며,
상기 추적 모듈은 회전하면서 단단한 본체의 영역 상에 원형 경로를 생성하여, 적어도 하나의 기준 마커가 기준 마커의 회전 중심으로부터 일정 거리 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 물체를 추적하기 위한 기준 마커 어레이.
제24항에 있어서,
상기 단단한 본체에 고정된 기준 마커를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기준 마커 어레이.