KR20230047447A

KR20230047447A - 수술 로봇 시스템 및 2차 로봇 제어기로 제어를 전환하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20230047447A
Application number: KR1020237007645A
Authority: KR
Inventors: 지그네시 데사이
Original assignee: 버브 서지컬 인크.
Priority date: 2020-08-04
Filing date: 2020-08-04
Publication date: 2023-04-07
Also published as: US11589931B2; EP4192384A1; JP2023541787A; CN116158158A; JP7463615B2; CN116157086A; US20220039889A1; WO2022031271A1; EP4192384A4; US20230172672A1

Abstract

2차 로봇 아암 제어기로 제어를 전환하기 위한 로봇 수술 시스템 및 방법이 개시된다. 일 실시예에서, 로봇 수술 시스템은 디스플레이 장치 및 사용자 입력 장치를 포함하는 사용자 콘솔; 수술 테이블에 결합되도록 구성되는 로봇 아암; 사용자 콘솔에 있는 사용자 입력 장치로부터 수신된 신호에 응답하여 로봇 아암을 이동시키도록 구성되는 1차 로봇 아암 제어기; 및 사용자 콘솔로부터 원격에 있는 사용자 입력 장치로부터 수신된 신호에 응답하여 로봇 아암을 이동시키도록 구성되는 2차 로봇 아암 제어기를 포함한다. 로봇 아암의 이동에 대한 제어는 1차 로봇 아암 제어기에서의 실패에 응답하여 1차 로봇 아암 제어기로부터 2차 로봇 아암 제어기로 전환된다. 다른 실시예가 제공된다.

Description

수술 로봇 시스템 및 2차 로봇 제어기로 제어를 전환하기 위한 방법

본 기술은 일반적으로 로봇 공학 및 수술 시스템에 관한 것으로, 더 구체적으로는 최소 침습 수술을 위한 수술 로봇 시스템(surgical robotic system)의 시스템 아키텍처 및 컴포넌트에 관한 것이다.

복강경 수술과 같은 최소-침습 수술(minimally-invasive surgery, MIS)은 수술 절차 동안 조직 손상을 감소시키도록 의도된 기법을 수반한다. 예를 들어, 복강경 절차는 전형적으로 환자에(예컨대, 복부에) 다수의 작은 절개부를 생성하는 것, 및 하나 이상의 수술 도구(예컨대, 엔드 이펙터(end effector) 및 내시경)를 절개부를 통해 환자 내로 도입하는 것을 수반한다. 수술 절차는 이어서, 내시경에 의해 시각화 지원이 제공되는 상태에서, 도입된 수술 도구를 사용하여 수행될 수 있다.

일반적으로, MIS는 감소된 환자 반흔 생성, 더 적은 환자 통증, 더 짧은 환자 회복 기간, 및 환자 회복과 연관된 더 낮은 의료 치료 비용과 같은 다수의 이득을 제공한다. 최근의 기술 개발은 더 많은 MIS가 원격 조작자로부터의 명령에 기초하여 수술 도구를 조작하기 위한 하나 이상의 로봇 아암(robotic arm)을 포함하는 로봇 시스템으로 수행될 수 있게 한다. 로봇 아암이 예를 들어 그의 원위 단부에서, 수술 엔드 이펙터, 이미징 장치, 환자의 체강 및 장기에 대한 접근을 제공하기 위한 캐뉼러(cannula) 등과 같은 다양한 장치를 지지할 수 있다. 로봇 MIS 시스템에서, 로봇 아암에 의해 지지되는 수술 기구에 대한 높은 위치 정확도를 확립하고 유지하는 것이 바람직할 수 있다.

기존의 로봇-보조식 수술 시스템은 보통 환자와 동일한 수술실에 있는 외과의 콘솔(surgeon console), 및 콘솔로부터 제어되는 4개의 상호작용식 로봇 아암을 가진 환자측 카트로 구성된다. 아암들 중 3개는 메스, 가위, 또는 파지기(grasper)와 같은 기구를 유지하고, 한편 제4 아암은 내시경 카메라를 지지한다. 수술 절차 동안 환자를 재배치하기 위해, 수술 스태프가 기구/아암을 도킹해제하고, 아암/환자 카트를 재배치하고, 기구/아암을 재도킹해야 할 수 있다.

일부 태양에서, 본 명세서에 개시된 수술 로봇은 사용자 콘솔, 사용자 콘솔로부터의 제1 입력에 응답하여 수술 로봇을 제어하도록 구성되는 1차 제어기, 및 사용자 콘솔로부터 원격에서의 제2 입력에 응답하여 수술 로봇을 제어하도록 구성되는 2차 제어기를 포함한다. 2차 제어기는 1차 제어기로부터 통신을 수신하도록 구성되고, 수술 로봇의 제어는 1차 제어기로부터의 통신의 실패에 응답하여 1차 제어기로부터 2차 제어기로 전환된다.

일부 변형에서, 1차 제어기는 제1 중재자(mediator)를 포함하고, 2차 제어기는 제2 중재자를 포함한다. 1차 제어기로부터의 통신은 사전결정된 속도로 제1 중재자에 의해 송신되는 심박 메시지들(heartbeat messages)을 포함한다. 1차 제어기로부터의 통신의 실패는 제2 중재자가 하나 이상의 심박 메시지들을 수신하는 데 실패할 때 검출된다. 1차 제어기는 1차 제어기가 기능 상태에 있는지 여부를 제1 중재자에게 통지하도록 구성되는 관리자 프로세스(supervisor process)를 추가로 포함하고, 한편 제1 중재자는 1차 제어기가 기능 상태에 있을 때에만 심박 메시지를 제2 중재자에 송신하도록 구성된다. 1차 제어기는 수술 로봇을 제어하기 위한 제1 복수의 프로세스들을 포함하고, 2차 제어기는 제1 복수의 프로세스들의 하이버네이트된 카피(hibernated copy)를 포함한다. 수술 로봇의 제어를 2차 제어기로 전환하는 것은 수술 로봇을 제어하기 위한 제1 복수의 프로세스들의 하이버네이트된 카피를 활성화하는 것을 포함한다. 1차 제어기는 수술 로봇을 제어할 때 수술 로봇으로부터 상태 정보를 수신하도록 추가로 구성된다. 수술 로봇의 제어를 2차 제어기로 전환하는 것은 상태 정보를 수술 로봇으로부터 2차 제어기로 라우팅하는 것을 포함한다.

일부 변형에서, 수술 로봇은 2차 제어기가 수술 로봇을 제어하고 있을 때 2차 제어기로부터 사전결정된 속도로 심박 메시지들을 수신하도록 구성되는 백업 제어기(backup controller)를 추가로 포함하고, 수술 로봇의 제어는 하나 이상의 심박 메시지들의 누락에 응답하여 2차 제어기로부터 백업 제어기로 전환된다. 2차 제어기는 수술 로봇을 제어하기 위한 제2 복수의 프로세스들을 포함하고, 한편 백업 제어기는 제2 복수의 프로세스들의 하이버네이트된 카피를 포함하고, 수술 로봇의 제어를 백업 제어기로 전환하는 것은 수술 로봇을 제어하기 위한 제2 복수의 프로세스들의 하이버네이트된 카피를 활성화하는 것을 포함한다. 2차 제어기는 수술 로봇을 제어할 때 수술 로봇으로부터 상태 정보를 수신하도록 구성되고, 수술 로봇의 제어를 백업 제어기로 전환하는 것은 상태 정보를 수술 로봇으로부터 백업 제어기로 라우팅하는 것을 포함한다. 백업 제어기는 2차 제어기에 대한 전력을 끄도록 전력 분배 컴포넌트에게 명령하도록 추가로 구성된다.

일부 태양에서, 본 명세서에 개시된 로봇 방법은 제1 입력 장치로부터의 입력에 기초하여 1차 로봇 제어기에 의해 수술 로봇의 이동을 제어하는 단계; 1차 로봇 제어기가 수술 로봇을 제어하는 동안, 2차 로봇 제어기에 의해 1차 로봇 제어기로부터 심박 메시지들을 수신하는 단계; 하나 이상의 심박 메시지들을 수신하는 데 실패한 것에 응답하여, 수술 로봇의 제어를 2차 로봇 제어기로 전환하는 단계; 및 제1 입력 장치와 상이한 제2 입력 장치로부터의 입력에 기초하여 2차 로봇 제어기에 의해 수술 로봇의 이동을 제어하는 단계를 포함한다.

일부 변형에서, 1차 로봇 제어기로부터 심박 메시지들을 수신하는 데 실패한 것은 1차 로봇 제어기에서의 전력 공급의 실패, 하드웨어의 실패, 소프트웨어의 실패 및 통신의 실패 중 적어도 하나에 의해 유발된다. 수술 로봇의 제어를 전환하는 단계는 2차 로봇 제어기에서의 프로세스들을 하이버네이션(hibernation)에서 나오게 하는 단계를 포함하고, 2차 로봇 제어기에서의 프로세스들은 수술 로봇을 제어하기 위한 1차 로봇 제어기에서의 프로세스들의 카피들이다. 수술 로봇의 제어를 전환하는 단계는 통신을 수술 로봇으로부터, 1차 로봇 제어기 대신에 2차 로봇 제어기로 라우팅하는 단계를 추가로 포함한다. 2차 로봇 제어기가 수술 로봇의 이동을 제어할 수 없다는 결정에 응답하여, 수술 로봇의 제어를 제2 입력 장치에 결합된 백업 로봇 제어기로 전환하는 단계를 추가로 포함하고, 수술 로봇의 제어를 백업 로봇 제어기로 전환하는 단계는 백업 로봇 제어기에서의 프로세스들을 하이버네이션에서 나오게 하는 단계 및 통신을 수술 로봇으로부터, 2차 로봇 제어기 대신에 백업 제어기로 라우팅하는 단계를 포함한다.

일부 태양에서, 본 명세서에 개시된 수술 로봇 시스템은 수술 테이블에 장착된 하나 이상의 로봇 아암들, 수술 테이블에 대해 원격에 있는 제1 사용자 인터페이스 장치(user interface device)를 포함하는 사용자 콘솔, 사용자 콘솔에 있는 제1 사용자 인터페이스 장치로부터 수신된 입력에 응답하여 하나 이상의 로봇 아암들을 제어하도록 구성되는 1차 제어기; 및 1차 제어기에서의 실패에 응답하여 하나 이상의 로봇 아암들의 제어를 1차 제어기로부터 수술 테이블 내에 위치된 2차 제어기로 전환하기 위한 수단으로서, 2차 제어기는 하나 이상의 로봇 아암들 및 2차 제어기에 결합된 제2 사용자 인터페이스 장치로부터 수신된 입력에 응답하여 하나 이상의 로봇 아암들을 조작하도록 구성되는, 전환하기 위한 수단을 포함한다.

도 1은 본 기술의 태양에 따른, 수술 로봇 시스템이 있는 예시적인 수술실 환경을 예시한 도면.
도 2는 본 기술의 태양에 따른, 수술 로봇 시스템의 예시적인 하드웨어 컴포넌트를 예시한 블록도.
도 3은 일 실시예의 네트워크 토폴로지(network topology)의 예시.
도 4는 일 실시예의 수술 로봇 시스템의 블록도.
도 5는 1차 로봇 아암 제어기의 프로세스에서의 실패를 검출하기 위한 일 실시예의 방법의 흐름도.
도 6은 심박 메시지에 대해 모니터링하기 위한 일 실시예의 방법의 흐름도.

본 기술의 다양한 태양 및 변형의 예가 본 명세서에 기술되고 첨부 도면에 예시된다. 하기 설명은 본 발명을 이들 실시예로 제한하도록 의도되는 것이 아니라, 오히려 당업자가 본 발명을 제조 및 사용하는 것을 가능하게 하도록 의도된다.

시스템 개요

외과의가 최소-침습 수술(MIS)을 수행하도록 설계된, 소프트웨어-제어식, 전기-기계 시스템인 로봇-보조식 수술 시스템이 본 명세서에 개시된다. 수술 로봇 시스템은 다음의 3개의 주요 서브시스템으로 구성될 수 있다: 외과의 서브시스템 ― 사용자 콘솔(외과의 콘솔 또는 외과의 브리지), 중앙 제어 서브시스템 ― 제어 타워, 및 환자 서브시스템 ― 테이블 및 로봇 아암. 사용자 콘솔의 외과의 시트에 앉은 외과의가 마스터(master) 사용자 입력 장치(user input device, UID) 및 풋 페달(foot pedal)을 사용하여 호환가능 기구의 이동을 제어할 수 있다. 외과의는 외과의에게 아이콘, 앱(app), 및 다른 사용자 인터페이스 특징부와 함께 환자 해부학적 구조 및 기구장치의 뷰(view)를 제공하는, 고해상도 개방형 입체 디스플레이 상의 3차원(3D) 내시경 이미지를 볼 수 있다. 사용자 콘솔은 또한 외과의 시트의 등받이로부터 당겨질 수 있는, 페리스코프(periscope)를 사용하는 몰입형 디스플레이에 대한 옵션을 제공할 수 있다.

제어 타워는 수술 로봇 시스템의 제어 및 통신 센터로서 기능할 수 있다. 그것은 터치스크린 디스플레이를 수용하는 이동형 의료 현장 카트일 수 있고, 다른 지원 전자 및 처리 장비 중에서도, 기구에 대한 외과의의 로봇-보조식 조작을 제어하는 컴퓨터, 안전 시스템, 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface, GUI), 진보된 광 엔진(광원으로도 지칭됨), 및 비디오 및 그래픽 프로세서를 포함할 수 있다. 제어 타워는 또한 전기수술 발전기 유닛(electrosurgical generator unit, ESU), 및 취입기(insufflator) 및 CO₂ 탱크와 같은 제3자 장치를 수용할 수 있다.

환자 서브시스템은 예를 들어 표적 환자 해부학적 구조 위에 위치되는 최대 4개의 통합형 로봇 아암을 가진 관절식 수술실(operating room, OR) 테이블일 수 있다. 수술 시스템의 로봇 아암은 원격 중심 설계를 통합할 수 있는데, 즉 각각의 아암은 캐뉼러가 환자의 체벽을 통과하는 공간 내의 고정된 지점을 중심으로 피봇한다(pivot). 이는 캐뉼러의 측방향 이동을 감소시키고, 환자의 체벽에서의 스트레스를 최소화한다. 한 세트의 호환가능 도구가 각각의 아암의 원위 단부에 장착된 기구 드라이버(instrument driver)에 부착되어/그로부터 분리되어, 외과의가 다양한 수술 작업을 수행하는 것을 가능하게 할 수 있다. 기구 드라이버는 수술 부위에 대한 체내 접근, 무균 인터페이스를 통한 호환가능 도구의 기계적 작동, 및 무균 인터페이스와 사용자 접점을 통한 호환가능 도구와의 통신을 제공할 수 있다. 내시경이 임의의 아암에 부착되고 외과의에게 환자 해부학적 구조의 고해상도 3차원 뷰를 제공할 수 있다. 내시경은 또한 수술의 시작 시에 내시경적으로(핸드-헬드(hand-held)) 사용되고, 이어서 4개의 아암들 중 임의의 하나 상에 장착될 수 있다. 투관침(trocar)(슬리브(sleeve), 시일 카트리지(seal cartridge), 및 폐색구(obturator)로도 불림) 및 드레이프(drape)와 같은 추가 액세서리가 수술 로봇 시스템으로 절차를 수행하는 데 필요할 수 있다.

수술 로봇 시스템은 내시경, 호환가능 내시경 기구, 및 액세서리와 함께 사용될 수 있다. 시스템은 로봇-보조식 비뇨기과, 부인과 및 다른 복강경 수술 절차 동안 호환가능 내시경 기구의 정확한 제어를 보조하기 위해 수술실 환경에서 훈련된 의사에 의해 사용될 수 있다. 시스템은 또한 수술 스태프가 비뇨기과, 부인과 및 다른 복강경 수술 절차 동안 로봇 아암을 도킹해제함이 없이 테이블을 조정함으로써 환자를 재배치할 수 있게 한다. 수술 시스템과 함께 사용하기 위한 호환가능 내시경 기구 및 액세서리는 파지, 절단, 무딘 그리고 예리한 절개, 접근, 결찰, 전기소작, 및 봉합을 포함한 조직의 내시경 조작을 위해 의도된다.

이제 도면을 참조하면, 도 1은 본 기술의 태양에 따른, 수술 로봇 시스템(100)이 있는 예시적인 수술실 환경을 예시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 수술 로봇 시스템(100)은 사용자 콘솔(110), 제어 타워(130), 및 수술 플랫폼(surgical platform)(124)(예컨대, 테이블 또는 베드(bed) 등) 상에 장착된 하나 이상의 수술 로봇 아암(122)을 갖는 수술 로봇(120)을 포함하며, 여기서 엔드 이펙터(예컨대, 메스, 가위, 또는 파지기)를 가진 수술 도구가 수술 절차를 실행하기 위해 로봇 아암(122)의 원위 단부에 부착된다. 로봇 아암(122)은 테이블-장착식으로 도시되지만, 다른 구성에서, 로봇 아암은 카트, 천장, 측벽, 또는 다른 적합한 지지 표면에 장착될 수 있다.

일반적으로, 외과의 또는 다른 조작자와 같은 사용자가 로봇 아암(122) 및/또는 수술 기구를 원격으로 조작하기 위해(예컨대, 원격조작(teleoperation)) 사용자 콘솔(110)에 앉을 수 있다. 사용자 콘솔(110)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 로봇 시스템(100)과 동일한 수술실 내에 위치될 수 있다. 다른 환경에서, 사용자 콘솔(110)은 인접한 또는 부근의 방에 위치되거나, 상이한 건물, 도시, 또는 국가의 원격 위치로부터 원격-조작될 수 있다. 사용자 콘솔(110)은 시트(112), 페달(114), 하나 이상의 핸드헬드 사용자 인터페이스 장치(UID)(116), 및 예를 들어 환자 내측의 수술 부위의 뷰를 디스플레이하도록 구성된 개방형 디스플레이(118)를 포함할 수 있다. 예시적인 사용자 콘솔(110)에 도시된 바와 같이, 시트(112)에 앉아 개방형 디스플레이(118)를 보고 있는 외과의가 로봇 아암(122) 및/또는 아암(122)의 원위 단부에 장착된 수술 기구를 원격으로 제어하기 위해 페달(114) 및/또는 핸드헬드 사용자 인터페이스 장치(116)를 조작할 수 있다.

일부 변형에서, 사용자가 또한 수술 로봇 시스템(100)을 "오버 더 베드(over the bed)"(OTB) 모드로 동작시킬 수 있고, 이러한 모드에서 사용자는 환자의 측면에 있고, (예컨대, 한 손에 보유한 핸드헬드 사용자 인터페이스 장치(116)로) 로봇-구동식 도구/그에 부착된 엔드 이펙터를 그리고 수동 복강경 도구를 동시에 조작한다. 예를 들어, 사용자의 왼손은 로봇 수술 컴포넌트를 제어하기 위해 핸드헬드 사용자 인터페이스 장치(116)를 조작할 수 있고, 한편 사용자의 오른손은 수동 복강경 도구를 조작할 수 있다. 따라서, 이들 변형에서, 사용자는 환자에게 로봇-보조식 MIS 및 수동 복강경 수술 둘 모두를 수행할 수 있다.

예시적인 절차 또는 수술 동안, 환자는 마취를 달성하기 위해 무균 방식으로 수술 준비되고(prepped) 드레이핑된다(draped). 수술 부위에 대한 초기 접근은 수술 부위에 대한 접근을 용이하게 하기 위해 로봇 시스템(100)이 적재된 구성(stowed configuration) 또는 인출된 구성(withdrawn configuration)에 있는 상태에서 수동으로 수행될 수 있다. 일단 접근이 완료되면, 로봇 시스템의 초기 위치설정 및/또는 준비가 수행될 수 있다. 절차 동안, 사용자 콘솔(110)에 있는 외과의가 수술을 수행하기 위해 다양한 엔드 이펙터 및/또는 이미징 시스템을 조작하도록 페달(114) 및/또는 사용자 인터페이스 장치(116)를 이용할 수 있다. 조직을 후퇴시키는 것 또는 하나 이상의 로봇 아암(122)을 수반하는 도구 교환 또는 수동 재배치를 수행하는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는 작업을 수행할 수 있는 무균 가운을 입은(sterile-gowned) 요원에 의해 수술 테이블에서 수동 보조가 또한 제공될 수 있다. 사용자 콘솔(110)에서 외과의를 보조하기 위한 비-무균 요원이 또한 존재할 수 있다. 절차 또는 수술이 완료될 때, 로봇 시스템(100) 및/또는 사용자 콘솔(110)은, 로봇 시스템(100) 세정 및/또는 멸균, 및/또는 예컨대 사용자 콘솔(110)을 통한 건강관리 기록 입력 또는 출력 - 전자 또는 하드 카피이든 간에 - 을 포함하지만 이에 제한되지 않는 하나 이상의 수술후 절차를 용이하게 하기 위한 상태로 구성 또는 설정될 수 있다.

일부 태양에서, 수술 로봇(120)과 사용자 콘솔(110) 사이의 통신은 제어 타워(130)를 통해 이루어질 수 있고, 이는 사용자 콘솔(110)로부터의 사용자 입력을 로봇 제어 명령으로 변환하고 제어 명령을 수술 로봇(120)에 전송할 수 있다. 제어 타워(130)는 또한 로봇(120)으로부터의 상태 및 피드백을 다시 사용자 콘솔(110)에 전송할 수 있다. 수술 로봇(120), 사용자 콘솔(110) 및 제어 타워(130) 사이의 연결은 유선 및/또는 무선 연결을 통해 이루어질 수 있고, 독점적인 것이고/이거나 다양한 데이터 통신 프로토콜들 중 임의의 것을 사용하여 수행될 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 부분이 서버 또는 전자 건강관리 기록 시스템에 저장될 수 있다.

수술 로봇 시스템으로 수술을 개시하기 전에, 수술 팀은 수술전 설정을 수행할 수 있다. 수술전 설정 동안, 수술 로봇 시스템의 주요 컴포넌트(테이블(124) 및 로봇 아암(122), 제어 타워(130), 및 사용자 콘솔(110))가 수술실 내에 위치되고, 연결되고, 전력공급된다. 테이블(124) 및 로봇 아암(122)은 보관 및/또는 운송 목적을 위해 아암(122)이 테이블(124) 아래에 있는 완전하게 적재된 구성에 있을 수 있다. 수술 팀은 무균 드레이핑을 위해 아암을 그들의 적재된 위치로부터 연장시킬 수 있다. 드레이핑 후에, 아암(122)은 사용을 위해 필요할 때까지 부분적으로 후퇴될 수 있다. 투관침 배치 및 취입을 포함하는 다수의 통상적인 복강경 단계가 수행될 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 각각의 슬리브가 폐색구의 보조로, 작은 절개부 내로 그리고 체벽을 통해 삽입될 수 있다. 슬리브 및 폐색구는 배치 동안 부상의 위험을 최소화하기 위해 삽입 동안 조직 층의 시각화를 위한 광학적 진입을 허용한다. 전형적으로 다른 투관침의 배치를 위한 핸드-헬드 카메라 시각화를 제공하기 위해 내시경이 먼저 배치된다. 취입 후에, 요구될 경우, 손으로 임의의 복강경 단계를 수행하기 위해 수동 기구가 슬리브를 통해 삽입될 수 있다.

다음으로, 수술 팀은 로봇 아암(122)을 환자 위에 위치시키고 각각의 아암(122)을 그의 대응하는 슬리브에 부착할 수 있다. 수술 로봇 시스템(100)은 각각의 도구(내시경 및 수술 기구)를 그것이 부착되자마자 고유하게 식별하고, 사용자 콘솔(110)에 있는 개방형 또는 몰입형 디스플레이(118) 및 제어 타워(130) 상의 터치스크린 디스플레이 상에 도구 유형 및 아암 위치를 디스플레이하는 능력을 갖는다. 대응하는 도구 기능이 가능하게 되고 마스터 UID(116) 및 풋 페달(114)을 사용하여 활성화될 수 있다. 환자측 보조자는 절차 전체에 걸쳐, 요구되는 대로, 도구를 부착하고 분리할 수 있다. 사용자 콘솔(110)에 앉은 외과의는 2개의 마스터 UID(116) 및 풋 페달(114)에 의해 제어되는 도구를 사용하여 수술을 수행하기 시작할 수 있다. 시스템은 외과의의 손, 손목, 및 손가락 이동을 마스터 UID(116)를 통해 수술 도구의 정확한 실시간 이동으로 변환한다. 따라서, 시스템은 외과의의 모든 수술 조작을 끊임없이 모니터링하고, 시스템이 외과의의 손 모션을 정확하게 반영할 수 없는 경우 기구 이동을 일시 정지시킨다. 내시경이 수술 동안 하나의 아암으로부터 다른 것으로 이동되는 경우에, 시스템은 기구 정렬을 위해 마스터 UID(116)를 조정하고 기구 제어 및 모션을 계속할 수 있다. 풋 페달(114)은, 외과의의 손이 마스터 UID(116)로부터 제거되는 것을 수반함이 없이, 단극 및 양극 소작을 포함하는 다양한 기구 기능 및 내시경 제어와 같은, 다양한 시스템 모드를 활성화하는 데 사용될 수 있다.

테이블(124)은 수술중에 재배치될 수 있다. 안전상의 이유로, 모든 도구 팁(tip)은 보이는 곳에 그리고 사용자 콘솔(110)에 있는 외과의에 의한 능동 제어 하에 있어야 한다. 능동 외과의 제어 하에 있지 않은 기구는 제거되어야 하고, 테이블 풋은 로킹되어야 한다. 테이블 모션 동안, 통합형 로봇 아암(122)은 테이블 이동을 수동적으로 따를 수 있다. 오디오 및 시각적 큐(cue)가 테이블 모션 동안 수술 팀을 안내하는 데 사용될 수 있다. 오디오 큐는 톤(tone) 및 음성 프롬프트(voice prompt)를 포함할 수 있다. 사용자 콘솔(110) 및 제어 타워(130)에 있는 디스플레이 상의 시각적 메시징은 테이블 모션 상태를 수술 팀에 통지할 수 있다.

시스템 아키텍처

도 2는 본 기술의 태양에 따른, 수술 로봇 시스템(600)의 예시적인 하드웨어 컴포넌트를 예시한 블록도이다. 예시적인 수술 로봇 시스템(600)은 사용자 콘솔(110), 수술 로봇(120), 및 제어 타워(130)를 포함할 수 있다. 수술 로봇 시스템(600)은 다른 또는 추가 하드웨어 컴포넌트를 포함할 수 있고; 따라서, 도면은 시스템 아키텍처에 대한 제한이 아니라 예로서 제공된다.

전술된 바와 같이, 사용자 콘솔(110)은 콘솔 컴퓨터(611), 하나 이상의 UID(612), 콘솔 액추에이터(console actuator)(613), 디스플레이(614), UID 추적기(615), 풋 페달(616), 및 네트워크 인터페이스(618)를 포함한다. 사용자 콘솔(110)에 앉아 있는 사용자 또는 외과의가 사용자 콘솔(110)의 인체공학적 설정을 수동으로 조정할 수 있거나, 설정은 사용자 프로파일 또는 선호에 따라 자동으로 조정될 수 있다. 수동 및 자동 조정은 콘솔 컴퓨터(611)에 의해 사용자 입력 또는 저장된 구성에 기초하여 콘솔 액추에이터(613)를 구동시키는 것을 통해 달성될 수 있다. 사용자는 2개의 마스터 UID(612) 및 풋 페달(616)을 사용하여 수술 로봇(120)을 제어함으로써 로봇-보조식 수술을 수행할 수 있다. UID(612)의 위치 및 배향은 UID 추적기(615)에 의해 연속적으로 추적되고, 상태 변화는 콘솔 컴퓨터(611)에 의해 사용자 입력으로서 기록되고, 네트워크 인터페이스(618)를 통해 제어 타워(130)로 디스패치된다(dispatched). 환자 해부학적 구조, 기구장치, 및 관련 소프트웨어 앱의 실시간 수술 비디오가 개방형 또는 몰입형 디스플레이를 포함하는 고해상도 3D 디스플레이(614) 상에서 사용자에게 제시될 수 있다.

다른 기존의 수술 로봇 시스템과는 달리, 본 명세서에 개시된 사용자 콘솔(110)은 단일 광섬유 케이블을 통해 제어 타워(130)에 통신가능하게 결합될 수 있다. 사용자 콘솔은 또한 개선된 인체공학을 위한 추가 특징을 제공한다. 예를 들어, 몰입형 디스플레이만과 비교하여 개방형 및 몰입형 디스플레이 둘 모두가 제공된다. 또한, 외과의를 위한 고도로 조정가능한 시트 및 전자기 또는 광학 추적기를 통해 추적되는 마스터 UID가 개선된 인체공학을 위해 사용자 콘솔(110)에 포함된다. 안전을 개선하기 위해, 예를 들어 사용자의 시선이 사전결정된 기간을 넘는 동안 개방형 디스플레이 상의 수술 부위에 고정되지 않을 때 원격조작을 일시 정지시키거나 로킹함으로써 우발적인 도구 모션을 방지하도록 눈 추적, 머리 추적, 및/또는 시트 스위블 추적이 구현될 수 있다.

제어 타워(130)는 터치스크린 디스플레이, 기구에 대한 외과의의 로봇-보조식 조작을 제어하는 컴퓨터, 안전 시스템, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI), 광원, 및 비디오 및 그래픽 컴퓨터를 수용하는 이동형 의료 현장 카트일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제어 타워(130)는 적어도 시각화 컴퓨터, 제어 컴퓨터, 및 보조 컴퓨터를 포함하는 중앙 컴퓨터(631), 팀 디스플레이 및 간호사 디스플레이를 포함하는 다양한 디스플레이(633), 및 제어 타워(130)를 사용자 콘솔(110) 및 수술 로봇(120) 둘 모두에 결합하는 네트워크 인터페이스(638)를 포함할 수 있다. 제어 타워(130)는 또한 진보된 광 엔진(632), 전기수술 발전기 유닛(ESU)(634), 및 취입기 및 CO₂ 탱크(635)와 같은 제3자 장치를 수용할 수 있다. 제어 타워(130)는 간호사 디스플레이 터치스크린, 소프트 파워 및 E-홀드 버튼, 비디오 및 스틸 이미지를 위한 사용자를 향하는 USB, 및 전자 캐스터 제어 인터페이스와 같은, 사용자 편의를 위한 추가 특징부를 제공할 수 있다. 보조 컴퓨터는 또한 실시간 리눅스를 실행하여, 로깅/모니터링 및 클라우드-기반 웹 서비스와의 상호작용을 제공할 수 있다.

수술 로봇(120)은 표적 환자 해부학적 구조 위에 위치될 수 있는 복수의 통합형 아암(622)을 가진 관절식 수술 테이블(624)을 포함한다. 한 세트의 호환가능 도구(623)가 아암(622)의 원위 단부에 부착되거나 그로부터 분리될 수 있는 도구(623)를 포함하여, 외과의가 다양한 수술 절차를 수행하는 것을 가능하게 한다. 수술 로봇(120)은 또한 아암(622), 테이블(624), 및 도구(623)의 수동 제어를 위한 제어 인터페이스(625)를 포함할 수 있다. 제어 인터페이스는 원격 제어부, 버튼, 패널, 및 터치스크린과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 아이템을 포함할 수 있다. 투관침(슬리브, 시일 카트리지, 및 폐색구) 및 드레이프와 같은 다른 액세서리가 또한 시스템으로 절차를 수행하는 데 필요할 수 있다. 일부 변형에서, 복수의 아암(622)은 수술 테이블(624)의 양 측부 상에 장착된 4개의 아암을 포함하고, 이때 2개의 아암이 각각의 측부 상에 있다. 소정 수술 절차에 대해, 테이블의 일 측부 상에 장착된 아암이 쭉 펴서 테이블 및 다른 측부 상에 장착된 아암 아래로 건너가게 함으로써 테이블의 다른 측부 상에 위치되어, 총 3개의 아암이 테이블(624)의 동일한 측부 상에 위치되게 할 수 있다. 수술 도구는 또한 테이블 컴퓨터(621)(예컨대, 아래에서 논의될 테이블 어댑터 제어기(700)), 및 수술 로봇(120)이 제어 타워(130)와 통신하게 할 수 있는 네트워크 인터페이스(628)를 포함할 수 있다.

네트워크 토폴로지

일 실시예에서, 제어 타워, 테이블 제어기, 및 로봇 아암은 링 네트워크와 같은 네트워크를 통해 서로 통신하지만, 다른 유형의 네트워크가 사용될 수 있다. 도 3은 일 실시예의 네트워크 토폴로지의 예시이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제어 타워의 제어 컴퓨터(631)는 본 명세서에서 링넷(RingNet)-C로 표시된 프로토콜을 사용하여 테이블 컴퓨터(여기서, 테이블 어댑터 제어기(table adapter controller, TAC)(700), 이는 본 명세서에서 "베이스 제어기"로도 지칭됨)와 통신하기 위해 제어기 링넷 인터페이스(controller RingNet interface, CRI)(638)를 사용하며, 이때 "C"는 "제어기 링넷 인터페이스"를 지칭한다. TAC(700)는 본 명세서에서 링넷-A로 표시된 상이한 프로토콜을 사용하여 로봇 아암(622)과 통신하며, 이때 "A"는 "아암"을 지칭한다. 도 3에 도시된 바와 같이, TAC(700)는 또한 테이블(624)의 컴포넌트의 클러스터(때때로 본 명세서에서 "TAC 클러스터"로 지칭됨)와 통신할 수 있다. 예를 들어, 이러한 실시예에서, 테이블(624)은 관절운동되고, 테이블 상부를 틸팅시키고(tilt), 이동시키고, 기타 등등을 하도록 테이블 피봇 제어기(table pivot controller, TPC)(710)에 의해 제어되는 구동 모터를 갖는다. 도 3에 또한 도시된 바와 같이, 테이블 전력 분배 보드(table power distribution board, TPD)(720), 테이블 베이스 제어기 보드(table base controller board, TBC)(730), 및 테이블 스피커 보드(table speaker board, TSB)(735)가 제어기 영역 네트워크(controller area network, CAN)를 통해 TAC(700)와 통신한다. 물론, 현재 존재하거나 미래에 개발되는 다른 컴포넌트 및 네트워크 프로토콜이 사용될 수 있다. TAC 클러스터 내의 다양한 테이블 컴포넌트는 때때로 테이블 엔드포인트(endpoint)로 지칭될 것이다.

이러한 실시예의 각각의 로봇 아암은 인접한 링크들 사이의 복수의 노드를 포함한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "노드"는 일반적으로 로봇 수술 시스템의 제어기(예컨대, TAC(700))와 통신하는 컴포넌트를 지칭할 수 있다. 때때로 본 명세서에서 "조인트 모듈(joint module)"로 지칭될 "노드"가 (예컨대, 4-바아 링크장치(four-bar linkage) 이동을 용이하게 하기 위해 일련의 풀리(pulley) 및 풀리를 연결하는 일련의 밴드(band)를 이동시키기 위해 모터를 사용함으로써) 로봇 아암의 하나의 링크를 다른 것에 대해 작동시키는 데 사용될 수 있다. (아래에서 더 상세히 논의되는) 외부 제어기로부터의 명령에 응답하여, 노드는 수술 절차를 위해 아암을 조작하도록 로봇 아암 내의 다양한 링크를 관절운동시키는 데 사용될 수 있다. 노드의 예는 하기 중 하나 이상을 포함하지만 이에 제한되지 않는다: 단일 모터(예컨대, 서보모터, 피봇-링크 모터, 조인트 모터, 및 도구 구동 모터), (예컨대, 개별 모터 출력을 조합하기 위한 차동 기어 구동부를 가진) 이중 모터, 무선 도구 인터페이스(예컨대, 도구 무선 보드), 위치 센서(예컨대, 아암 링크/세그먼트의 변위를 측정하는 인코더), 힘/토크 센서, 입력/출력 보드, 전력 및/또는 통신 링크를 모니터링하는 컴포넌트, 또는 데이터를 수신/송신할 수 있는 임의의 다른 컴포넌트. 노드가 또한 모터 제어기/드라이버, 신호 프로세서, 및/또는 회로 보드 상의 통신 전자장치와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 다양한 전자장치를 포함할 수 있다.

제어기들 중 임의의 것이 임의의 적합한 방식으로 구현될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 예를 들어, 제어기가 처리 회로, 마이크로프로세서 또는 프로세서, 및, 예를 들어 (마이크로)프로세서, 로직 게이트, 스위치, 주문형 집적 회로(ASIC), 프로그램가능 로직 제어기, 및 내장형 마이크로제어기에 의해 실행가능한 컴퓨터-판독가능 프로그램 코드(예컨대, 펌웨어)를 저장하는 컴퓨터-판독가능 매체의 형태를 취할 수 있다. 제어기가 후술되고 흐름도에 도시된 다양한 기능을 수행하기 위한 하드웨어 및/또는 펌웨어로 구성될 수 있다. 더 일반적으로, 제어기(또는 모듈)가 다양한 동작을 수행하도록 구성된 "회로"를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "회로"는 명령어 프로세서, 예컨대 중앙 처리 유닛(CPU), 마이크로제어기, 또는 마이크로프로세서; 또는 주문형 집적 회로(ASIC), 프로그램가능 로직 장치(PLD), 또는 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA); 또는 아날로그 회로 컴포넌트, 디지털 회로 컴포넌트 또는 둘 모두를 포함하는 별개의 로직 또는 다른 회로 컴포넌트의 집합; 또는 이들의 임의의 조합을 지칭할 수 있다. 회로는 별개의 상호연결된 하드웨어 컴포넌트를 포함할 수 있거나, 예로서 단일 집적 회로 다이 상에 조합되거나, 다수의 집적 회로 다이들 간에 분산되거나, 공통 패키지 내의 다수의 집적 회로 다이의 다중 칩 모듈(Multiple Chip Module, MCM)로 구현될 수 있다. 따라서, "회로"는 실행을 위한 명령어를 저장하거나 그에 액세스할 수 있거나, 하드웨어 단독으로 그의 기능을 구현할 수 있다.

제어 PC(마스터 제어기)(631)는 로봇 아암(622)과, 또는 TAC 클러스터 내의 컴포넌트(예컨대, TPD(720), TBC(730), 및 TSB(735))와 정보를 통신할 수 있다. 동작 시에, 제어 PC(631)는 정보 프레임을 TAC(700)에 송신하고, TAC(700) 내의 FPGA가 그 프레임을 TAC 클러스터로 또는 로봇 아암(622)으로 라우팅할지를 결정한다. 일 실시예에서, 제어 PC(631)와 로봇 아암(622) 사이의 통신은 실시간(또는 거의 실시간)으로 발생하는 반면, TAC(700)에 연결된 클러스터 내의 다양한 컴포넌트와의 통신은 의사- 또는 비-실시간으로 발생할 수 있다. 로봇 아암(622)이 환자와 상호 작용하고 있기 때문에, 제어 PC(631)와 로봇 아암(622)의 다양한 노드(예컨대, DSP 모터 제어기) 사이의 명령/응답 통신은, 레이턴시(latency)가 거의 또는 전혀 없는 상태로 그리고 지터(jitter)가 최소인 상태로, 방해받지 않는 것이 바람직하다. 일부 실시예에서, 아암(622)은 그들이 예상된 양의 시간 안에 제어 PC(631)로부터 통신을 수신하지 않는 경우 오류 메시지를 송신할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 통신이 그러한 통신의 수신에 대해 설정된 데드라인까지 수신되는 경우, 통신이 실시간으로 발생한다. 거의 실시간은 전송 지연으로 인해 데드라인을 넘어서 수신될 수 있지만, 그럼에도 불구하고, 허용가능한 통신을 지칭한다.

대조적으로, 제어 PC(631)와 TAC 클러스터 사이의 통신은, 중요하지만, 긴급한 것은 아니다. 예를 들어, 테이블 베이스 제어기(TBC)(730) 내의 하드웨어가 (예컨대, 중력 벡터의 변화를 검출함으로써) 테이블의 각도가 변경되었음을 검출할 수 있거나, 테이블 전력 분배(TPD) 보드(720) 내의 하드웨어가 로봇 아암들(622) 중 하나에서의 과전류 상황을 검출할 수 있고, 그들 컴포넌트 내의 소프트웨어가 경고 메시지를 다시 제어 PC(631)에 송신할 수 있다(예컨대, 이는 제어 PC(631)의 그래픽 사용자 인터페이스 상에 경고를 디스플레이할 수 있음). 역시, 이러한 정보는 중요하지만, 그것은 로봇 아암(622)과의 명령/응답 통신에서 허용가능할 것보다 많은 레이턴시 및/또는 지터를 갖고서 제어 PC(631)에 통신될 수 있다. 그러한 통신은 비-실시간 또는 의사-실시간으로 이루어질 수 있다(즉, 통신은 소정 데드라인까지 수신될 필요가 없음).

위에서 언급된 바와 같이, TAC 프레임과 아암 프레임은 별개의 프레임일 수 있으며, 이때 TAC(700)는, 적절한 대로, 프레임을 로봇 아암(622)으로 또는 TAC 클러스터로 라우팅한다. 일 실시예에서, 아암 프레임은 4 ㎑(250 마이크로초)마다 제어 PC(631)에 의해 전송되는 일정 길이 프레임이고, TAC 프레임은 가변 길이 프레임이다(이는 제어 PC(631)가 TAC 클러스터 내의 다수의 엔드포인트로부터 정보를 요청할 수 있고, 응답 길이가 변할 수 있기 때문임). 역시, 일 실시예에서, 아암 프레임은 실시간 또는 거의 실시간 기반으로 통신되고, TAC 프레임은 의사- 또는 비-실시간 기반으로 통신된다. 아암 및 TAC 프레임은 섬유에서 시간 다중화될 수 있다.

제어 전환

사용자 콘솔과 TAC 사이의 통신 채널에서 실패가 발생할 수 있고, 이로 인해 외과의가 사용자 콘솔에서 사용자 입력 장치로 로봇 아암을 이동시킬 수 없게 될 수 있는 것이 가능하다. 이것이 발생하면, 로봇 아암은 제위치에서, 아마도 환자 내측에서 정지될 수 있다. 이는 환자가 로봇 아암에 의해 갇히는 위험한 상황으로 이어질 수 있다. 하기 실시예는 그러한 실패를 검출하고, 1차 컴퓨터의 상실로 인한 환자 갇힘을 완화시키기 위해 제어 타워의 실패한 1차 컴퓨터로부터 TAC의 2차 컴퓨터(및 요구될 경우, 하나 이상의 백업)로의 제어의 전환을 트리거하는/용이하게 하는 데 사용될 수 있다.

일반적으로, 소프트웨어 메커니즘은 1차 및/또는 2차 로봇 제어 컴퓨터가 실패할 때 원격 동작 모드(원격-조작)로부터 독립형 모드로 검출, 트리거, 및 전환하기 위한 전기 인프라스트럭처(infrastructure)를 용이하게 하는 것과 상호작용하도록 사용될 수 있다. 정상 동작 조건 하에서, 제어-타워-호스팅된 컴퓨터는 로봇의 1차 제어기이다. 원격조작(즉, 원격 제어 또는 원격 모드)은 이러한 1차 컴퓨터가 건전한 상태일 때에만 허용된다. 1차 컴퓨터의 상실은 환자 갇힘에 관련된 위험한 상황으로 이어질 수 있다. 백업을 가진 예비 2차 컴퓨터는 이러한 상황에 대한 하드웨어 완화로서 제공된다. 소프트웨어, 하드웨어 및/또는 통신 실패를 검출하고 전환을 트리거하는 것은 하드웨어 및/또는 소프트웨어에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 실패를 검출하고 2차 컴퓨터로의 전환을 트리거하는 문제는, 하드웨어와 함께, 2차 컴퓨터로의 원격-대-독립형 전환을 집합적으로 달성하는 소프트웨어 메커니즘을 통해 이루어진다. 일 실시예에서, 2차 컴퓨터가 실패했다면, 백업 컴퓨터로의 전환이 이루어질 수 있다. 하기 단락은 이러한 실시예의 하나의 예시적인 구현예를 기술한다. 이는 단지 예일 뿐이고, 다른 구현예가 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

다시 도면을 참조하면, 도 4는 일 실시예의 수술 로봇 시스템의 블록도이다. 컴포넌트들 중 일부는 다른 도면과 함께 이전에 기술되었다. 도 4에 도시된 바와 같이, 전체 시스템은 일반적으로 사용자 콘솔(110), 1차 로봇 아암 제어기(631)(이는 때때로 본 명세서에서 제어 PC로 지칭되고, 제어 타워(130)의 일부일 수 있음), 테이블 어댑터 제어기(TAC)(700), 및 하나 이상의 로봇 아암(622)을 포함한다.

이러한 실시예에서, 사용자 콘솔(110)은 하나 이상의 사용자 입력 장치(612) 및 디스플레이(614)를 포함한다. 원격조작 모드에서, 외과의는 디스플레이(614) 상에서 수술 부위를 보고, 사용자 입력 장치(612)를 사용하여 로봇 아암(622)을 조작한다. 이를 수행하기 위해, 사용자 입력 장치(612)의 조작에 의해 생성된 신호는 제어 타워(130) 내의 1차 로봇 아암 제어기(631)에 송신되고, 이는 그러한 신호를, (예컨대, 링넷-C 상에서) TAC(700)에 송신되는 로봇 제어 신호로 변환한다. TAC(700)는 이어서 로봇 제어 신호를 링넷-A를 통해 로봇 아암(622)에 발행하여, 사용자 입력 장치(612)의 외과의의 이동에 따라 그들을 이동시킨다. 로봇 아암(622)으로부터의 피드백 및 다른 정보는 (예컨대, 역시 링넷-C 상에서) TAC(700)를 통해 1차 로봇 아암 제어기(631)에 다시 송신될 수 있다.

위에서 언급된 바와 같이, 1차 로봇 아암 제어기(631)와 TAC(700) 사이에서 메시지의 통신이 실패하는 것이 가능하다. 이것이 발생하면, 외과의는 사용자 콘솔(110)에서 사용자 입력 장치(612)로 로봇 아암(622)을 이동시킬 수 없을 것이고, 이로 인해 환자가 로봇 아암(622)에 의해 갇히게 될 수 있다. 이러한 상황을 해결하기 위해, 이러한 실시예는 1차 로봇 아암 제어기(631)에서의 실패에 응답하여 로봇 아암(622)의 이동의 제어가 1차 로봇 아암 제어기(631)로부터 TAC(700) 내의 2차 로봇 아암 제어기(400)로 이전될 수 있게 한다. 그러한 방식으로, 2차 로봇 아암 제어기(400)는 사용자 콘솔(110)로부터 원격에 있는 사용자 입력 장치(420)(예컨대, 로봇 아암(622) 또는 수술 테이블 상의 또는 부근의 키패드)로부터 수신된 신호에 응답하여 로봇 아암(622)을 이동시킬 수 있다.

더 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 실시예에서, 1차 로봇 아암 제어기(631)는 복수의 프로세스(430), 프로세스 관리자(440), 및 원격 중재자(450)를 포함한다. 소프트웨어(예컨대, 프로세서에 의해 실행되는 컴퓨터-판독가능 프로그램 코드) 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있는 프로세스(430)는 사용자 콘솔(110) 내의 사용자 입력 장치(612)에 의해 제공된 신호를 로봇 아암(622)의 이동을 위한 명령으로 변환한다. 프로세스(430)는 로봇 아암(622)으로부터의 피드백 또는 다른 정보에 반응하는 것과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 다른 기능을 또한 수행할 수 있다. QNX 고가용성 매니저(high availability manager, HAM)로서 구현될 수 있는 프로세서 관리자(440)는 프로세스(430)의 기능을 모니터링하는 소프트웨어 및/또는 하드웨어 모듈이다. 프로세서 관리자(440)는 원격 중재자(450)에게 프로세스(430)의 건전성(즉, 프로세스(430)가 기능 상태에 있는지 여부)을 통지한다. 프로세스들 중 하나 이상은, 예를 들어 전력 실패, 소프트웨어 실패, 하드웨어 실패, 드라이버 실패, 통신 인터페이스/채널 실패 등이 있는 경우, 기능 상태에 있지 않을 수 있다.

도 5의 흐름도(500)에 도시된 바와 같이, 프로세서 관리자(440)는 프로세스(430)를 모니터링하고(동작(510)), 그들이 기능하는지를 결정한다(동작(530)). 프로세스(430)가 기능하는 경우, 프로세서 관리자(440)는 원격 중재자(450)에게 통지하고(동작(530)), 원격 중재자(450)는 일정한 속도로(예컨대, 사전한정된 간격으로) (예컨대, 링넷-C를 통해) 2차 로봇 아암 제어기(400) 내의 대응하는 독립형 중재자(463)에 메시지(본 명세서에서 심박 메시지로 지칭됨)를 송신한다(동작(540)). 그러나, 프로세스(430)가 기능하지 않는 경우, 프로세서 관리자(440)는 원격 중재자(450)에게 통지하고(동작(550)), 원격 중재자(450)는 2차 로봇 아암 제어기(400) 내의 독립형 중재자(463)에 심박 메시지를 송신하지 않는다(동작(560)).

도 6의 흐름도(600)에 도시된 바와 같이, 독립형 중재자(463)는 심박 메시지에 대해 모니터링하고(동작(610)), 심박 메시지가 수신되었는지를 결정한다(동작(620)). 심박 메시지가 수신된 경우, 2차 로봇 아암 제어기(400)는 심박 메시지의 존재에 대해 계속 모니터링한다. 그러나, 하나 이상의 심박 메시지가 수신되지 않은 경우(예컨대, 연이은 3개의 심박 메시지), 독립형 중재자(463)는 1차 로봇 아암 제어기(631)에서의 실패를 검출하고, 로봇 아암(622)의 이동에 대한 제어를 1차 로봇 아암 제어기(631)로부터 2차 로봇 아암 제어기(400)로 전환한다(동작(630)).

이러한 전환은 임의의 적합한 방식으로 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 독립형 중재자(402)에 더하여, 2차 로봇 아암 제어기(400)는 1차 로봇 아암 제어기(631)에서의 프로세스(406)의 하이버네이트된 카피를 포함한다. 동일한 프로세스를 갖는 두 컴포넌트에 의해, 1차 로봇 아암 제어기(631) 및 2차 로봇 아암 제어기(400) 둘 모두는 사용자 입력에 응답하여 로봇 아암(622)을 이동시키는 능력을 갖는다. 이러한 실시예에서, 로봇 수술 시스템에 전력이 공급될 때, 프로세스들(406, 430) 둘 모두는 초기화되지만, 2차 로봇 아암 제어기(400)에서의 프로세스(406)는 하이버네이션 상태에 놓인다. 독립형 중재자(402)가 원격 중재자(450)로부터 심박을 얻지 못함으로써 실패를 검출할 때, 독립형 중재자(402)는 하이버네이트된 프로세스(406)를 활성화하여, 그들을 하이버네이션 상태에서 나오게 한다. 이는 프로세스(406)가 로봇 아암(622)을 이동시키기 위해 원격 사용자 입력 장치(420)로부터 입력을 수신할 수 있게 한다. 역시, 이러한 이동은 제어 타워(130) 내의 1차 로봇 아암 제어기(631) 또는 사용자 콘솔(110)의 개입 없이 이루어진다.

2차 로봇 아암 제어기(400)에서의 프로세스(406)가 인계받는 것에 더하여 제어를 전환하기 위해 다른 동작이 취해질 수 있다. 예를 들어, 정상 동작에서, 실시간 정보는 로봇 아암(622)으로부터 링넷-A를 통해 스위치(460)로 그리고 이어서 스위치(460)로부터 링넷-C를 통해 로봇 아암 제어기(631)로 이동한다. 이러한 정보는 예를 들어 오류 신호 및 요청된 아암 이동에 관한 피드백 정보를 포함할 수 있다. 1차 로봇 아암 제어기(631)가 실패한 상태에 있는 경우, 그것은 이러한 정보에 따라 동작하지 못할 수 있다. 따라서, 이러한 상황에서, 로봇 아암(622)으로부터 송신된 정보는 대신에 2차 로봇 아암 제어기(400)로 전환될 수 있다. 도 4에 도시된 실시예에서, TAC(700)는 로봇 아암(622)으로부터의 정보를 1차 로봇 아암 제어기(631)로 또는 2차 로봇 아암 제어기(400)로 라우팅하도록 구성된 스위치(460)(예컨대, 필드-프로그램가능 게이트 어레이 또는 다른 프로그램가능 로직)를 포함한다. 2차 로봇 아암 제어기(400)가 1차 로봇 아암 제어기(631)에서의 실패를 검출할 때, 2차 로봇 아암 제어기(400)는 정보를 로봇 아암(622)으로부터 2차 로봇 아암 제어기(400)로 라우팅하기 위해 스위치(460)를 프로그래밍한다.

이제 다른 특징을 참조하면, 2차 로봇 아암 제어기(400)의 프로세스(406)에서의 실패가 있을 수 있고, 이는 1차 로봇 아암 제어기(631)에서의 실패와 마찬가지로, 로봇 아암(622)에 의한 환자의 갇힘을 초래할 수 있는 것이 가능하다. 이러한 가능성을 해결하기 위해, TAC(700)는 백업 중재자(412) 및 프로세스(414)의 그 자체의 하이버네이트된 카피를 갖는 백업 로봇 아암 제어기(410)를 포함할 수 있다. (1차 로봇 아암 제어기(631) 및 백업 로봇 아암 제어기(410)는 2개의 상이한 시스템 온 모듈(system on a module, SOM) 상에서 구현될 수 있다.) 2차 로봇 아암 제어기(400) 내의 프로세스 관리자(404)는 2차 로봇 아암 제어기(400)에서의 프로세스(406)의 건전성을 모니터링하고, 그들이 기능하는지를 결정한다. 프로세스(406)가 기능하는 경우, 프로세서 관리자(404)는 독립형 중재자(402)에게 통지하고, 독립형 중재자(402)는 백업 로봇 아암 제어기(410) 내의 백업 중재자(412)에 심박 메시지를 송신한다. 백업 중재자(412)가 심박을 수신하지 않은 경우, 그것은 실패가 있다는 것을 알고, 프로세스(414)의 그의 카피를 활성화한다. 테이블 전력 분배 보드(TPD)(720)(도 3 참조)는 2차 로봇 아암 제어기(400)에 대한 전력 도메인을 끄도록 명령될 수 있다(2차 로봇 아암 제어기(400)로부터 TPD(720)로의 심박 메시지의 결여가 이것을 달성할 수 있음). 스위치(460)가 이미 정보를 로봇 아암(622)으로부터 TAC(700)로 라우팅하고 있기 때문에, 스위치(460)에 대한 어떠한 동작도 필요하지 않고, 정보는 2차 로봇 아암 제어기(400)를 통해 백업 로봇 아암 제어기(410)로 전달될 수 있다. 추가 백업 로봇 아암 제어기가 사용될 수 있다.

전술한 설명은, 설명의 목적으로, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 명명법을 사용하였다. 그러나, 본 발명을 실시하기 위해 특정 세부 사항이 요구되지 않는다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 특정 실시예에 대한 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공된다. 그들은 완전한 것으로 또는 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하는 것으로 의도되지 않으며; 명백히, 위의 교시를 고려하여 많은 수정 및 변형이 가능하다. 실시예는 본 발명의 원리 및 그의 실제 응용을 가장 잘 설명하기 위해 선택되고 기술되었다. 이로써, 그들은 다른 당업자가 본 발명 및 다양한 실시예를, 고려되는 특정 용도에 적합한 바와 같은 다양한 수정을 갖고서 가장 잘 이용할 수 있게 한다. 하기 청구범위 및 그들의 등가물이 본 발명의 범주를 한정하는 것으로 의도된다.

전술된 방법, 장치, 처리, 및 로직은 많은 상이한 방식으로 그리고 하드웨어와 소프트웨어의 많은 상이한 조합으로 구현될 수 있다. 제어기 및 추정기는 전자 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 구현예의 전부 또는 일부는 명령어 프로세서, 예컨대 중앙 처리 유닛(CPU), 마이크로제어기, 또는 마이크로프로세서; 주문형 집적 회로(ASIC), 프로그램가능 로직 장치(PLD), 또는 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA); 또는 아날로그 회로 컴포넌트, 디지털 회로 컴포넌트 또는 둘 모두를 포함하는 별개의 로직 또는 다른 회로 컴포넌트를 포함하는 회로; 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 회로일 수 있다. 회로는 별개의 상호연결된 하드웨어 컴포넌트를 포함할 수 있고/있거나, 예로서 단일 집적 회로 다이 상에 조합되거나, 다수의 집적 회로 다이들 간에 분산되거나, 공통 패키지 내의 다수의 집적 회로 다이의 다중 칩 모듈(MCM)로 구현될 수 있다.

회로는 회로에 의한 실행을 위한 명령어를 추가로 포함하거나 그들에 액세스할 수 있다. 명령어는 플래시 메모리, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 소거가능 프로그램가능 판독 전용 메모리(EPROM)와 같은 일시적 신호 이외의 유형의(tangible) 저장 매체에; 또는 컴팩트 디스크 판독 전용 메모리(CDROM), 하드 디스크 드라이브(HDD), 또는 다른 자기 또는 광학 디스크와 같은 자기 또는 광학 디스크 상에; 또는 다른 기계-판독가능 매체에 또는 그 상에 저장될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품과 같은 제품이 저장 매체 및 매체 내에 또는 상에 저장된 명령어를 포함할 수 있고, 명령어는 장치 내의 회로에 의해 실행될 때 장치로 하여금 전술된 또는 도면에 예시된 처리 중 임의의 것을 구현하게 할 수 있다.

구현예는 다수의 시스템 컴포넌트들 간에, 예컨대 선택적으로 다수의 분산 처리 시스템을 포함하는, 다수의 프로세서들 및 메모리들 간에 회로로서 분산될 수 있다. 파라미터, 데이터베이스, 및 다른 데이터 구조가 개별적으로 저장 및 관리될 수 있고, 단일 메모리 또는 데이터베이스에 통합될 수 있고, 많은 상이한 방식으로 논리적으로 그리고 물리적으로 구조화될 수 있고, 링크된 리스트, 해시 테이블, 어레이, 레코드, 객체, 또는 암시적 저장 메커니즘과 같은 데이터 구조를 포함하는, 많은 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 프로그램은 단일 프로그램의 일부(예컨대, 서브루틴)이거나, 별개의 프로그램이거나, 여러 메모리 및 프로세서에 걸쳐 분산되거나, 공유 라이브러리(예컨대, 다이나믹 링크 라이브러리(Dynamic Link Library, DLL))와 같은 라이브러리에서와 같은, 많은 상이한 방식으로 구현될 수 있다. DLL은, 예를 들어, 회로에 의해 실행될 때, 전술된 또는 도면에 예시된 처리 중 임의의 것을 수행하는 명령어를 저장할 수 있다.

또한, 본 명세서에서 논의된 다양한 제어기는 처리 회로, 마이크로프로세서 또는 프로세서, 및, 예를 들어 (마이크로)프로세서, 로직 게이트, 스위치, 주문형 집적 회로(ASIC), 프로그램가능 로직 제어기, 및 내장형 마이크로제어기에 의해 실행가능한 컴퓨터-판독가능 프로그램 코드(예컨대, 펌웨어)를 저장하는 컴퓨터-판독가능 매체의 형태를 취할 수 있다. 제어기는 후술되고 흐름도에 도시된 다양한 기능을 수행하기 위한 하드웨어 및/또는 펌웨어로 구성될 수 있다. 또한, 제어기 내부에 있는 것으로 도시된 컴포넌트들 중 일부는 또한 제어기 외부에 저장될 수 있고, 다른 컴포넌트가 사용될 수 있다.

Claims

수술 로봇(surgical robot)으로서,
사용자 콘솔(user console);
상기 사용자 콘솔로부터의 제1 입력에 응답하여 상기 수술 로봇을 제어하도록 구성되는 1차 제어기; 및
상기 사용자 콘솔로부터 원격에서의 제2 입력에 응답하여 상기 수술 로봇을 제어하도록 구성되는 2차 제어기;를 포함하고,
상기 2차 제어기는 상기 1차 제어기로부터 통신을 수신하도록 구성되고,
상기 수술 로봇의 제어는 상기 1차 제어기로부터의 통신의 실패에 응답하여 상기 1차 제어기로부터 상기 2차 제어기로 전환되는, 수술 로봇.
제1항에 있어서, 상기 1차 제어기는 제1 중재자(mediator)를 포함하고, 상기 2차 제어기는 제2 중재자를 포함하는, 수술 로봇.
제2항에 있어서, 상기 1차 제어기로부터의 상기 통신은 사전결정된 속도로 상기 제1 중재자에 의해 송신되는 심박 메시지들(heartbeat messages)을 포함하는, 수술 로봇.
제3항에 있어서, 상기 1차 제어기로부터의 상기 통신의 실패는 상기 제2 중재자가 하나 이상의 심박 메시지들을 수신하는 데 실패할 때 검출되는, 수술 로봇.
제3항에 있어서, 상기 1차 제어기는 상기 1차 제어기가 기능 상태에 있는지 여부를 상기 제1 중재자에게 통지하도록 구성되는 관리자 프로세스(supervisor process)를 추가로 포함하고, 상기 제1 중재자는 상기 1차 제어기가 상기 기능 상태에 있을 때에만 상기 심박 메시지를 상기 제2 중재자에 송신하도록 구성되는, 수술 로봇.
제1항에 있어서, 상기 1차 제어기는 상기 수술 로봇을 제어하기 위한 제1 복수의 프로세스들을 포함하고, 상기 2차 제어기는 상기 제1 복수의 프로세스들의 하이버네이트된 카피(hibernated copy)를 포함하는, 수술 로봇.
제6항에 있어서, 상기 수술 로봇의 상기 제어를 상기 2차 제어기로 전환하는 것은 상기 수술 로봇을 제어하기 위한 상기 제1 복수의 프로세스들의 상기 하이버네이트된 카피를 활성화하는 것을 포함하는, 수술 로봇.
제1항에 있어서, 상기 1차 제어기는 상기 수술 로봇을 제어할 때 상기 수술 로봇으로부터 상태 정보를 수신하도록 추가로 구성되는, 수술 로봇.
제8항에 있어서, 상기 수술 로봇의 상기 제어를 상기 2차 제어기로 전환하는 것은 상기 상태 정보를 상기 수술 로봇으로부터 상기 2차 제어기로 라우팅하는 것을 포함하는, 수술 로봇.
제1항에 있어서,
상기 수술 로봇은 상기 2차 제어기가 상기 수술 로봇을 제어하고 있을 때 상기 2차 제어기로부터 사전결정된 속도로 심박 메시지들을 수신하도록 구성되는 백업 제어기(backup controller)를 추가로 포함하고,
상기 수술 로봇의 상기 제어는 하나 이상의 심박 메시지들의 누락에 응답하여 상기 2차 제어기로부터 상기 백업 제어기로 전환되는, 수술 로봇.
제10항에 있어서, 상기 2차 제어기는 상기 수술 로봇을 제어하기 위한 제2 복수의 프로세스들을 포함하고,
상기 백업 제어기는 상기 제2 복수의 프로세스들의 하이버네이트된 카피를 포함하고,
상기 수술 로봇의 상기 제어를 상기 백업 제어기로 전환하는 것은 상기 수술 로봇을 제어하기 위한 상기 제2 복수의 프로세스들의 상기 하이버네이트된 카피를 활성화하는 것을 포함하는, 수술 로봇.
제10항에 있어서, 상기 2차 제어기는 상기 수술 로봇을 제어할 때 상기 수술 로봇으로부터 상태 정보를 수신하도록 구성되고, 상기 수술 로봇의 상기 제어를 상기 백업 제어기로 전환하는 것은 상기 상태 정보를 상기 수술 로봇으로부터 상기 백업 제어기로 라우팅하는 것을 포함하는, 수술 로봇.
제10항에 있어서, 상기 백업 제어기는 상기 2차 제어기에 대한 전력을 끄도록 전력 분배 컴포넌트에게 명령하도록 추가로 구성되는, 수술 로봇.
로봇 방법으로서,
제1 입력 장치로부터의 입력에 기초하여 1차 로봇 제어기에 의해 수술 로봇의 이동을 제어하는 단계;
상기 1차 로봇 제어기가 상기 수술 로봇을 제어하는 동안, 2차 로봇 제어기에 의해 상기 1차 로봇 제어기로부터 심박 메시지들을 수신하는 단계;
하나 이상의 심박 메시지들을 수신하는 데 실패한 것에 응답하여, 상기 수술 로봇의 제어를 상기 2차 로봇 제어기로 전환하는 단계; 및
상기 제1 입력 장치와 상이한 제2 입력 장치로부터의 입력에 기초하여 상기 2차 로봇 제어기에 의해 상기 수술 로봇의 이동을 제어하는 단계를 포함하는, 로봇 방법.
제14항에 있어서, 상기 1차 로봇 제어기로부터 상기 심박 메시지들을 수신하는 데 실패한 것은 상기 1차 로봇 제어기에서의 전력 공급의 실패, 하드웨어의 실패, 소프트웨어의 실패 및 통신의 실패 중 적어도 하나에 의해 유발되는, 로봇 방법.
제14항에 있어서, 상기 수술 로봇의 제어를 전환하는 단계는 상기 2차 로봇 제어기에서의 프로세스들을 하이버네이션(hibernation)에서 나오게 하는 단계를 포함하고, 상기 2차 로봇 제어기에서의 상기 프로세스들은 상기 수술 로봇을 제어하기 위한 상기 1차 로봇 제어기에서의 프로세스들의 카피들인, 로봇 방법.
제14항에 있어서, 상기 수술 로봇의 제어를 전환하는 단계는 통신을 상기 수술 로봇으로부터, 상기 1차 로봇 제어기 대신에 상기 2차 로봇 제어기로 라우팅하는 단계를 포함하는, 로봇 방법.
제14항에 있어서, 상기 2차 로봇 제어기가 상기 수술 로봇의 이동을 제어할 수 없다는 결정에 응답하여, 상기 수술 로봇의 제어를 상기 제2 입력 장치에 결합된 백업 로봇 제어기로 전환하는 단계를 추가로 포함하는, 로봇 방법.
제18항에 있어서, 상기 수술 로봇의 제어를 백업 로봇 제어기로 전환하는 단계는 상기 백업 로봇 제어기에서의 프로세스들을 하이버네이션에서 나오게 하는 단계 및 통신을 상기 수술 로봇으로부터, 상기 2차 로봇 제어기 대신에 상기 백업 제어기로 라우팅하는 단계를 포함하는, 로봇 방법.
수술 로봇 시스템으로서,
수술 테이블에 장착된 하나 이상의 로봇 아암들(robotic arms);
상기 수술 테이블에 대해 원격에 있는 제1 사용자 인터페이스 장치(user interface device)를 포함하는 사용자 콘솔;
상기 사용자 콘솔에 있는 상기 제1 사용자 인터페이스 장치로부터 수신된 입력에 응답하여 상기 하나 이상의 로봇 아암들을 제어하도록 구성되는 1차 제어기;
상기 1차 제어기에서의 실패에 응답하여 상기 하나 이상의 로봇 아암들의 제어를 상기 1차 제어기로부터 상기 수술 테이블 내에 위치된 2차 제어기로 전환하기 위한 수단으로서, 상기 2차 제어기는 상기 하나 이상의 로봇 아암들 및 상기 2차 제어기에 결합된 제2 사용자 인터페이스 장치로부터 수신된 입력에 응답하여 상기 하나 이상의 로봇 아암들을 조작하도록 구성되는, 상기 전환하기 위한 수단을 포함하는, 수술 로봇 시스템.