KR20230082654A - 수술 도구를 위한 관절운동 조인트 하드스톱 취급 - Google Patents

수술 도구를 위한 관절운동 조인트 하드스톱 취급 Download PDF

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샤오빈 장
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버브 서지컬 인크.
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Abstract

개시된 실시예들은 수술 도구 또는 수술 로봇 시스템을 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 하드스톱을 취급하기 위한 하나의 예시적인 시스템은, 관절운동 구동 디스크 또는 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 관절운동 조인트 위치를 계산하고, 관절운동 구동 디스크 또는 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 관절운동 조인트 토크를 계산하고, 관절운동 조인트 위치 및 관절운동 조인트 토크에 기초하여 토크 비를 결정하고, 엔드 이펙터가 관련되는 충돌을 보상하기 위해 토크 비에 기초하여 사용자로부터 수신되어진 명령된 관절운동 조인트 위치를 조절하도록 구성된 하나 이상의 프로세서를 포함한다.

Description

수술 도구를 위한 관절운동 조인트 하드스톱 취급
본 개시는 수술 도구(surgical tool)의 동작 동안에서의 하드스톱(hardstop) 검출 및 취급(handling)에 관한 것이다.
복강경 수술과 같은 최소 침습 수술(minimally-invasive surgery, MIS)은 외과적 시술 동안 조직 손상을 감소시키도록 의도된 기법을 수반한다. 예를 들어, 복강경 시술은 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. 이어서 외과적 시술은 도입된 수술 도구를 사용하여 수행될 수 있으며, 이때 시각화 지원이 내시경에 의해 제공된다.
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 아암은 예를 들어 수술 엔드 이펙터, 이미징 디바이스, 환자의 체강 및 장기(organ)에의 접근을 제공하기 위한 캐뉼라(cannula) 등과 같은 다양한 디바이스를 그의 원위 단부에서 지지할 수 있다. 로봇 MIS 시스템에서, 로봇 아암에 의해 지지되는 수술 기구(surgical instrument)를 위해 고도의 위치 정확도를 확립 및 유지하는 것이 바람직할 수 있다.
일부 예에서, 수술 엔드 이펙터는 신체 또는 다른 곳에서 하드스톱과 접촉할 수 있다. 하드스톱은 신체의 일부일 수 있거나, 엔드 이펙터가 접촉하는 다른 실질적으로 강성인 물체일 수 있다. 일부 시스템은 하드스톱과의 접촉에 관한 피드백을 사용자에게 제공하지만, 다른 시스템은 어떠한 피드백도 제공하지 않거나 비디오만을 제공할 수 있다. 어떠한 피드백도 없이 하드스톱을 식별하는 것이 불가능할 수 있고, 비디오만으로 하드스톱을 식별하는 것이 어려울 수 있다. 하기 개시는 수술 도구에 의한 하드스톱의 식별 및 하드스톱의 취급을 위한 시스템, 장치 및 방법을 제공한다.
외과 의사들이 최소 침습 수술을 수행하도록 설계된 로봇 보조 수술 전기-기계 시스템이 본 명세서에서 개시된다. 한 세트의 호환 가능한 도구들이 로봇 아암의 원위 단부에 장착된 기구 구동기(instrument driver)에 부착/그로부터 분리될 수 있어서, 외과 의사가 다양한 수술 작업들을 수행할 수 있게 할 수 있다. 기구 구동기들은 수술 부위에 대한 체내 접근, 멸균 인터페이스를 통한 호환 가능한 도구들의 기계적 작동, 및 멸균 인터페이스 및 사용자 터치포인트들을 통한 호환 가능한 도구들과의 통신을 제공할 수 있다.
수술 도구의 엔드 이펙터와 하드스톱 사이의 충돌을 보상하기 위한 하나의 예시적인 장치는 도구 구동기 및 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 도구 구동기는 샤프트에 의해 엔드 이펙터에 연결되고, 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 의해 구동되는 관절운동(articulation) 구동 디스크를 적어도 갖는다. 관절운동 구동 디스크는 도구 구동기를 엔드 이펙터에 연결하는 샤프트의 길이방향 축에 대응하는 평면 내에서의 엔드 이펙터의 관절운동 움직임에 대응한다. 하나 이상의 프로세서는, 관절운동 구동 디스크 또는 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 관절운동 조인트 위치를 계산하고, 관절운동 구동 디스크 또는 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 관절운동 조인트 토크를 계산하고, 관절운동 조인트 위치 및 관절운동 조인트 토크에 기초하여 토크 비를 결정하고, 하드스톱을 보상하기 위해 토크 비에 응답하여 관절운동 구동 디스크 또는 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 관절운동 조인트 조절을 계산하도록 구성된다.
수술 도구의 엔드 이펙터와 하드스톱 사이의 충돌을 보상하기 위한 하나의 예시적인 방법은 엔드 이펙터를 연결하는 샤프트의 길이방향 축에 대응하는 평면 내에서의 엔드 이펙터의 관절운동 움직임을 위해 관절운동 구동 디스크 또는 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 관절운동 조인트 위치를 계산하는 단계; 관절운동 구동 디스크 또는 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 관절운동 조인트 토크를 계산하는 단계; 관절운동 조인트 위치 및 관절운동 조인트 토크에 기초하여 토크 비를 결정하는 단계; 및 하드스톱을 보상하기 위해 토크 비에 응답하여 관절운동 조인트 조절을 계산하는 단계를 포함한다.
도 1은 수술 로봇 시스템을 포함하는 예시적인 수술실 환경을 예시한다.
도 2는 예시적인 수술 도구를 예시한다.
도 3은 도구 구동기 대 수술 도구에 대한 매핑(mapping)을 예시한다.
도 4는 수술 도구를 위한 구동 시스템의 도면을 예시한다.
도 5는 수술 도구를 위한 구동 시스템의 다른 도면을 예시한다.
도 6은 수술 도구를 위한 구동 시스템의 발사 서브시스템을 예시한다.
도 7은 수술 도구를 위한 구동 시스템의 관절운동 서브시스템을 예시한다.
도 8은 관절운동 서브시스템의 평면도를 예시한다.
도 9는 수술 도구를 위한 구동 시스템의 롤(roll) 서브시스템을 예시한다.
도 10은 수술 도구를 위한 구동 시스템의 폐쇄 서브시스템을 예시한다.
도 11은 폐쇄 서브시스템을 위한 수동 노브(knob)를 예시한다.
도 12는 도구 구동기 및/또는 수술 도구를 위한 제어기를 예시한다.
도 13은 하드스톱 제어용 제어 시스템에 대한 예시적인 블록도를 예시한다.
도 14는 도 13의 하드스톱 제어를 위한 토크 비 결정에 대한 각도 범위를 예시한다.
하기 실시예들은 로봇 내시경 수술 기구를 위한 제어 시스템에 관한 것이다. 내시경 수술 기구는 전형적으로 내부 장기 또는 조직에 대한 작업을 관찰하거나 달리 수행하기 위해 신체 내로 직접 삽입되는 긴 얇은 튜브를 포함한다. 내시경 수술 기구는 신체의 절개부 또는 다른 개구, 예를 들어 구강 또는 항문을 통해 삽입될 수 있다. 내시경 수술 기구는 캐뉼라를 통한 원하는 수술 부위에서의 로봇 원위 단부 이펙터의 정밀한 배치에 적합할 수 있다. 이들 로봇 원위 엔드 이펙터는 진단 또는 치료 효과를 달성하기 위해 다수의 방식으로 조직에 관여한다(예컨대, 엔도커터(endocutter), 파지기(grasper), 커터(cutter), 스테이플러(stapler), 클립 어플라이어(clip applier), 접근 디바이스, 약물/유전자 치료 전달 디바이스, 및 초음파, 고주파(RF) 처치, 레이저 또는 기타를 사용하는 에너지 디바이스).
많은 수술 기구에서와 같이, 내시경 기구가 직면하는 하나의 문제는 하드스톱의 취급에 있다. 하드스톱은 로봇 엔드 이펙터가 이동하는 것을 막을 수 있고 사용자의 입력 명령을 따르는 것을 방지할 수 있는 강성 표면 또는 물체일 수 있다. 용어 "하드스톱"은 대안적으로 물체와의 충돌을 지칭할 수 있다. 이는 외부 강성 물체 또는 로봇 엔드 이펙터 내부 기계적 하드스톱 자체일 수 있다. 로봇 엔드 이펙터가 하드스톱에 부딪칠 때, 사용자는 하드스톱을 식별할 수 없을 수 있다. 예를 들어, 시각적 피드백만이 이용 가능할 때, 사용자는 하드스톱이 환자의 신체 내부에 있기 때문에 하드스톱을 식별하지 못할 수 있다. 그러한 상황에서, 사용자는 여전히 로봇 엔드 이펙터가 하드스톱에 대항하여 더 이동하도록 명령할 수 있다. 그러나, 엔드 이펙터가 이동할 수 없으므로, 사용자로부터의 추가적인 합동 명령은 엔드 이펙터를 하드스톱에 대항하여 더 이동시키려고 시도하는 추가의 모터 변위/명령으로 변환될 수 있고, 로봇의 기계적 구조 또는 외부 물체의 손상으로 이어질 수 있다.
하기 실시예들은 이러한 문제를 해결하고, 수술 기구의 관절운동 조인트가 로봇 및/또는 외부 물체에 대한 임의의 손상 없이, 기구의 내부 또는 외부에 있을 수 있는 하드스톱과 안전하게 충돌하게 할 수 있다.
도 1은 수술 로봇 시스템(100)을 갖는 예시적인 수술실 환경을 예시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 수술 로봇 시스템(100)은 사용자 콘솔(110), 컨트롤 타워(130), 및 수술 플랫폼(124)(예컨대, 테이블 또는 베드(bed) 등) 상에 장착된 하나 이상의 수술 로봇 아암(122)을 갖는 수술 로봇(120)을 포함하는데, 여기서 엔드 이펙터를 갖는 수술 도구가 외과적 시술을 실행하기 위해 로봇 아암(122)의 원위 단부에 부착된다. 로봇 아암(122)은 테이블-장착형으로서 도시되지만, 다른 구성들에서, 로봇 아암은 카트(cart), 천장, 측벽, 또는 다른 적합한 지지 표면에 장착될 수 있다.
일반적으로, 외과 의사 또는 다른 조작자와 같은 사용자가 로봇 아암(122) 및/또는 수술 기구를 원격으로 조작하기 위해 사용자 콘솔(110)에 착석할 수 있다(예컨대, 원격조작). 사용자 콘솔(110)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 로봇 시스템(100)과 동일한 수술실 내에 위치될 수 있다. 다른 환경들에서, 사용자 콘솔(110)은 인접한 또는 부근의 방에 위치되거나, 상이한 건물, 도시, 또는 국가의 원격 위치로부터 원격조작될 수 있다. 사용자 콘솔(110)은 좌석(112), 페달(114), 하나 이상의 핸드헬드 사용자 인터페이스 디바이스(UID)(116), 및 예를 들어, 환자 내부의 수술 부위의 뷰(view)를 표시하도록 구성된 개방형 디스플레이(118)를 포함할 수 있다. 예시적인 사용자 콘솔(110)에 도시된 바와 같이, 좌석(112)에 앉아 개방형 디스플레이(118)를 보고 있는 외과 의사가 로봇 아암(122) 및/또는 아암(122)의 원위 단부에 장착된 수술 기구를 원격으로 제어하기 위해 페달(114) 및/또는 핸드헬드 사용자 인터페이스 디바이스(116)를 조작할 수 있다.
몇몇 변형에서, 사용자는 또한 수술 로봇 시스템(100)을 "베드 위"(OTB) 모드로 동작시킬 수 있으며, 이 모드에서 사용자는 환자의 측에 있고 로봇-구동식 도구/그에 부착된 엔드 이펙터(예컨대, 한 손에 쥐어진 핸드헬드 사용자 인터페이스 디바이스(116)로)와 수동 복강경 도구를 동시에 조작하고 있다. 예를 들어, 사용자의 왼손은 로봇 수술 구성요소를 제어하기 위해 핸드헬드 사용자 인터페이스 디바이스(116)를 조작하고 있을 수 있는 반면, 사용자의 오른손은 수동 복강경 도구를 조작하고 있을 수 있다. 이에 따라, 이러한 변형들에서, 사용자는 환자에 대해 로봇-보조 최소 침습 수술(MIS) 및 수동 복강경 수술 둘 모두를 수행할 수 있다.
엔드 이펙터는 절단(cutting), 파지(grasping), 포킹(poking), 또는 에너지 방출과 같은 수술 동작을 실행하도록 구성될 수 있다. 수술 도구는 수술 동안 수동으로, 로봇으로, 또는 이들 둘 모두로 조작될 수 있다. 예를 들어, 수술 도구는 환자의 내부 해부학적 구조에 들어가거나, 그것을 관찰하거나, 조작하는 데 사용되는 도구일 수 있다. 일 실시예에서, 수술 도구는 환자의 조직을 파지할 수 있는 파지기이다. 수술 도구는 침대 옆 조작자의 손에 의해 직접 수동으로 제어될 수 있거나, 그것은, 이동을 작동시키는 전자 명령들의 전송을 통해, 로봇으로 제어될 수 있다.
예시적인 시술 또는 수술 동안, 환자는 마취를 달성하기 위해 멸균 방식으로 수술 준비되고 드레이핑(draping)된다. 수술 부위에 대한 초기 접근은 수술 부위에 대한 접근을 용이하게 하기 위해 로봇 시스템(100)이 격납된 구성(stowed configuration) 또는 후퇴된 구성(withdrawn configuration)에 있는 상태에서 수동으로 수행될 수 있다. 일단 접근이 완료되면, 로봇 시스템의 초기 위치설정 및/또는 준비가 수행될 수 있다. 시술 동안, 사용자 콘솔(110)에 있는 외과 의사는 페달(114) 및/또는 사용자 인터페이스 디바이스(116)를 이용하여 다양한 엔드 이펙터 및/또는 이미징 시스템을 조작하여서 수술을 수행할 수 있다. 조직을 견인하는 것 또는 하나 이상의 로봇 조작기(122)가 관련된 수동 재위치설정 또는 도구 교환을 수행하는 것을 포함하지만 이로 제한되지 않는 작업을 수행할 수 있는, 멸균-가운 착용 요원에 의해 시술 테이블에서 수동 보조가 또한 제공될 수 있다. 사용자 콘솔(110)에 있는 외과 의사를 보조하기 위해 비-멸균 요원이 또한 존재할 수 있다. 시술 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, 전자 카피이든지 또는 하드 카피이든지 간에, 출력을 포함하지만 이로 제한되지 않는, 하나 이상의 수술후 절차를 용이하게 하는 상태로 구성되거나 설정될 수 있다.
몇몇 태양에서, 수술 로봇(120)과 사용자 콘솔(110) 사이의 통신은 컨트롤 타워(130)를 통해 이루어질 수 있으며, 컨트롤 타워는 사용자 콘솔(110)로부터의 사용자 입력을 로봇 제어 명령으로 변환하고 제어 명령을 수술 로봇(120)으로 송신할 수 있다. 컨트롤 타워(130)는 또한 로봇(120)으로부터 다시 사용자 콘솔(110)로 상태 및 피드백을 송신할 수 있다. 수술 로봇(120), 사용자 콘솔(110), 및 컨트롤 타워(130) 사이의 연결은 유선 및/또는 무선 연결을 통해 이루어질 수 있고, 독점적인 것이고/이거나 다양한 데이터 통신 프로토콜 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 액세스 가능한 원격 디스플레이를 포함한 하나 이상의 디스플레이에 비디오 출력을 제공할 수 있다. 비디오 출력 또는 피드(feed)는 또한 프라이버시를 보장하기 위해 암호화될 수 있고, 비디오 출력의 전부 또는 부분이 서버 또는 전자 건강관리 기록 시스템에 저장될 수 있다.
수술 로봇 시스템을 이용한 수술을 개시하기 전에, 수술 팀은 수술전 셋업을 수행할 수 있다. 수술전 셋업 동안, 수술 로봇 시스템의 주요 구성요소(테이블(124) 및 로봇 아암(122), 컨트롤 타워(130), 및 사용자 콘솔(110))가 수술실 내에 위치되고, 연결되고, 전력을 공급받는다. 수술 플랫폼(124) 및 로봇 아암(122)은 아암(122)이 보관 및/또는 운반 목적을 위해 수술 플랫폼(124) 아래에 있는 완전-격납된 구성에 있을 수 있다. 수술 팀은 멸균 드레이핑을 위해 아암들을 그들의 격납된 위치로부터 연장시킬 수 있다.
드레이핑 후에, 아암(122)은 사용을 위해 필요할 때까지 부분적으로 후퇴될 수 있다. 투관침 배치 및 설치를 포함한 다수의 종래의 복강경 단계들이 수행될 수 있다. 예를 들어, 각각의 슬리브(sleeve)가 폐색구(obturator)의 도움으로, 작은 절개부 내로 그리고 체벽을 통해 삽입될 수 있다. 슬리브 및 폐색구는 배치 동안의 손상의 위험을 최소화하기 위해 삽입 동안 조직 층의 시각화를 위한 광학적 진입을 허용한다. 전형적으로 다른 투관침의 배치를 위한 핸드헬드 카메라 시각화를 제공하기 위해 내시경이 맨 먼저 배치된다.
취입 후에, 요구되는 경우, 손으로 임의의 복강경 단계를 수행하기 위해 수동 기구가 슬리브를 통해 삽입될 수 있다. 다음에, 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)가 부착되자마자 그것을 고유하게 식별하고, 사용자 콘솔(110)에 있는 개방형 또는 몰입형 디스플레이(118) 및 컨트롤 타워(130) 상의 터치스크린 디스플레이 상에 도구 유형 및 아암 위치를 표시하는 능력을 갖는다. 대응하는 도구 기능이 인에이블되고 마스터 UID(116) 및 풋 페달(114)을 사용하여 활성화될 수 있다. 환자측 보조원은 시술 전체에 걸쳐, 요구되는 바에 따라, 도구를 부착하고 분리할 수 있다. 사용자 콘솔(110)에 착석한 외과 의사는 2개의 마스터 UID(116) 및 풋 페달(114)에 의해 제어되는 도구를 사용하여 수술을 수행하기 시작할 수 있다. 시스템은 외과 의사의 손, 손목 및 손가락 이동을 마스터 UID(116)를 통해 수술 도구의 정밀한 실시간 이동으로 변환한다. 그에 따라, 시스템은 외과 의사의 모든 수술 조작을 끊임없이 모니터링하고, 시스템이 외과 의사의 손 움직임을 정확하게 반영할 수 없는 경우 기구 이동을 정지시킨다. 내시경이 수술 동안 하나의 아암으로부터 다른 것으로 이동되는 경우에, 시스템은 기구 정렬을 위해 마스터 UID(116)를 조절하고 기구 제어 및 움직임을 계속할 수 있다. 풋 페달(114)은, 외과 의사의 손이 마스터 UID(116)로부터 제거되는 것을 수반함이 없이, 내시경 제어와 단극 및 양극 소작을 포함한 다양한 기구 기능과 같은, 다양한 시스템 모드를 활성화하는 데 사용될 수 있다.
수술 플랫폼(124)은 수술 중에 재위치될 수 있다. 안전 이유 때문에, 모든 툴팁(tooltip)은 보이는 곳에, 그리고 사용자 콘솔(110)에 있는 외과 의사에 의한 능동적 제어하에 있어야 한다. 능동적 외과 의사 제어하에 있지 않은 기구들은 제거되고, 테이블 발 부분들은 로킹된다. 테이블 움직임 동안, 통합 로봇 아암(122)은 테이블 이동을 수동적으로 따를 수 있다. 오디오 및 시각적 큐(cue)들이 테이블 움직임 동안 수술 팀을 안내하는 데 사용될 수 있다. 오디오 큐들은 톤(tone) 및 음성 프롬프트(voice prompt)를 포함할 수 있다. 사용자 콘솔(110) 및 컨트롤 타워(130)에 있는 디스플레이 상의 시각적 메시징은 테이블 움직임 상태를 수술 팀에 알릴 수 있다.
도 2는 예시적인 수술 도구 조립체(200)를 예시한다. 수술 도구 조립체(200)는 도구 구동기(230)에 더하여 수술 도구(240)를 포함한다. 수술 도구(240)는 샤프트(233)를 통해 엔드 이펙터(222)에 연결된다. 부가적이거나, 상이하거나, 더 적은 수의 구성요소들이 포함될 수 있다.
수술 도구 조립체(200)는 내시경 수술 기구일 수 있다. 수술 도구 조립체(200)는 엔도커터일 수 있다. 엔도커터는 조직을 가르고 밀봉하도록 구성될 수 있다. 달리 말하면, 엔도커터는 관절운동 조인트에 의해 제공되는 움직임으로 조직을 절단하고 스테이플링하도록 구성될 수 있다. 엔도커터는 비만, 흉부, 결장, 부인과, 비뇨기, 및 일반 수술을 포함한 다양한 외과적 시술에서 조직을 절단하고 스테이플링하는 데 사용될 수 있다. 통상의 임상적 사용 시나리오는 장기의 재성형, 장기의 제거 또는 치료, 조직 고정, 절개, 또는 문합의 생성(또는 이들의 임의의 조합)을 포함한다.
도 2는 수술 로봇 아암(122)의 도구 구동기(230)에 대한 수술 도구(240)의 맞물림을 검출하기 위한, 수술 로봇 시스템(100)의 서브시스템 또는 부분의 예시이다. 수술 로봇 아암(122)은 도 1에 대하여 예시되고 논의된 수술 로봇 시스템(100)의 수술 로봇 아암들 중 하나일 수 있다. 제어 유닛(210)은 예를 들어 도 1에서의 컨트롤 타워의 일부일 수 있다. 본 명세서에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 맞물림은 도구 구동기(230) 내의 하나 이상의 액추에이터(예컨대, 액추에이터(238-j))의 하나 이상의 회전 모터 동작 파라미터에 기초하여 제어 유닛(210)에 의해 검출될 수 있다.
상이한 수술 도구들(예컨대, 수술 도구(240)뿐만 아니라, 내시경 카메라의 회전, 파지기 조오(jaw)의 피벗, 또는 니들의 병진을 위한 다른 분리 가능한 수술 도구들)이 (한 번에 하나씩) 선택적으로 부착될 수 있는 도구 구동기(230)가 있다. 이것은 예를 들어 인간 사용자가 수술 도구(240)의 하우징을 그녀의 손에 쥐고 수술 도구를 도시된 화살표(280)의 방향으로, 하나 이상의 도구 디스크(예컨대, 후술되는 도구 디스크(244-i))가 있는 수술 도구(240)의 외측 표면이 하나 이상의 구동 디스크(예컨대, 후술되는 구동 디스크(234-j))가 있는 도구 구동기(230)의 외측 표면과 접촉할 때까지 이동시키는 것에 의해 행해질 수 있다. 하나 이상의 도구 디스크 및/또는 하나 이상의 구동 디스크는 플라스틱 또는 다른 내구성 있는 재료로 형성될 수 있는, 퍽(puck)들에 의해 구현될 수 있다. 도시된 예에서, 도구 구동기(230)는 수술 로봇 아암(122)의 원위 단부 부분에 있는 수술 로봇 아암(122)의 세그먼트이다. 아암의 근위 단부 부분은 전술된 도 1에 도시된 수술 테이블과 같은 수술 로봇 플랫폼에 고정된다.
제어 시스템은 아래의 도 12와 관련하여 상세히 기술된다. 제어 시스템으로의 도입으로, 도 12의 제어 시스템은 사용자 입력 디바이스의 동작을 모방하는 엔드 이펙터(222)의 동작(그의 위치 및 배향뿐만 아니라, 개방, 폐쇄, 절단, 압력 인가 등과 같은 그의 수술 기능)이 그것을 통해 달성되는 수술 로봇 아암(122) 내의 다양한 전동 조인트(구동 디스크(234)를 포함함)의 움직임을 제어하도록 구성된 제어 유닛(210)을 포함한다. 이것은 수술 도구(240)가 도구 드라이버(230)로부터 힘 또는 토크를 전달하도록 결합되었을 때 수술 도구(240) 내의 기계적 트랜스미션을 통해 달성된다. 제어 유닛(210)은 프로그래밍된 프로세서로서, 예컨대 도 1의 컨트롤 타워(130)의 일부로서 구현될 수 있다. 그것은 로컬 또는 원격 사용자 입력(예컨대, 조이스틱, 터치 컨트롤, 웨어러블 디바이스, 또는 콘솔 컴퓨터 시스템을 통해 통신하는 다른 사용자 입력 디바이스)을 통해 수신된 하나 이상의 사용자 명령에 응답할 수 있다. 대안적으로, 제어 유닛(210)은 (예컨대, 제어 유닛(210)에 의해 또는 콘솔 컴퓨터 시스템에 의해 실행되고 있는 훈련된 수술 기계 학습 모델로부터 수신된) 하나 이상의 자율 명령 또는 제어, 또는 이들의 조합에 응답할 수 있다. 명령은 로봇 아암(122)의 이동 및 그의 부착된 엔드 이펙터(222)의 동작을 지시한다.
엔드 이펙터(222)는 조오, 절단 도구, 내시경, 스프레더(spreader), 이식 도구, 스테이플러 등과 같은 임의의 수술 기구일 수 있다. 도 2는 절단 도구, 조오 및 스테이플러와 같은 이들 기구 중 둘 이상의 조합을 갖는 엔도커터를 포함한다. 상이한 엔드 이펙터들을 각각 갖는 상이한 수술 도구들이 외과적 또는 다른 의학적 시술 동안 사용하기 위해 로봇 아암(122)에 (한 번에 하나씩) 선택적으로 부착될 수 있다.
로봇 아암(122)은 액추에이터(238-j)와 같은 하나 이상의 액추에이터가 그 안에 있는 도구 구동기(230)를 포함한다. 각각의 액추에이터는, 그의 구동 샤프트가 트랜스미션(예컨대, 주어진 기어 감속비를 달성하는 기어 트레인)을 통해 각자의 구동 디스크(234-j)에 결합될 수 있는 하나 이상의 각자의 전기 모터(예컨대, 브러시리스 영구 자석 모터)를 갖는 선형 또는 회전 액추에이터일 수 있다. 도구 구동기(230)는 도구 구동기(230)의 평탄한 또는 평평한 표면 상에 배열될 수 있는 하나 이상의 구동 디스크(234)를 포함하는데, 여기서 도면은 평평한 표면의 동일 평면 상에 배열된 여러 개의 그러한 구동 디스크들을 도시한다. 각각의 구동 디스크(예컨대, 구동 디스크(234-j))는 도구 구동기(230)의 외측 표면에서 노출되고, 수술 도구(240)의 정합하는 도구 디스크(244-j)와 기계적으로 맞물려(예컨대, 스냅(snap), 마찰, 또는 다른 정합하는 특징부들을 통해 단단히 체결되어), 그 둘 사이의 직접 토크 전달을 가능하게 하도록 설계된다. 이것은 일단 예를 들어 수술 도구(240)의 평탄한 또는 평평한 표면과 도구 구동기(230)의 대응하는 또는 정합하는 평탄한 또는 평평한 표면이 서로 접촉하게 되면 발생할 수 있다.
게다가, 모터 구동기 회로(예를 들어, 도구 구동기(230) 내에 또는 수술 로봇 아암(122) 내의 다른 곳에 설치됨)가 액추에이터(238)들 중 하나 이상의 구성 모터의 입력 구동 단자에 전기적으로 결합된다. 모터 구동기 회로는 제어 유닛(210)에 의해 설정되거나 제어될 수 있는 모터 구동기 회로 입력에 따라, 예를 들어 모터의 속도 또는 그의 토크를 조절하기 위해 모터에 의해 인출되는 전력을 조작하며, 이는 연관된 구동 디스크(예컨대, 구동 디스크(234-j))의 전동 회전을 유발한다.
정합하는 구동 디스크(234-j)가 각자의 도구 디스크(244-j)에 기계적으로 맞물릴 때, 구동 디스크(234-j)의 전동 회전은 도구 디스크(244-j)가 회전하게 하는데, 예컨대 그 2개의 디스크들이 하나로서 회전할 수 있으며, 그에 의해 트랜스미션 디바이스에 기계적으로 결합될 수 있는 엔드 이펙터(222)의 이동 및 동작을 제어하기 위해 예를 들어 수술 도구(240) 내의 링크, 기어, 케이블, 체인, 또는 다른 트랜스미션 디바이스들에 움직임을 부여한다.
회전, 관절운동, 개방, 폐쇄, 연장, 후퇴, 압력 인가 등과 같은 이동들이 그들의 엔드 이펙터들에 의해 수행되는 자유도의 수 및 이동들의 유형에 기초하여 상이한 수술 도구들은 상이한 수의 도구 디스크들을 가질 수 있다.
더욱이, 수술 도구(240) 내에서, 하나 초과의 도구 디스크(244)가, 각각, 정합하는 구동 디스크(234)들을 구동하고 있는 2개 이상의 모터들에 의한 부하 공유와 같은 목표를 달성하기 위해 엔드 이펙터(222)의 단일 움직임에 기여할 수 있다. 다른 태양에서, 도구 구동기(230) 내에, 부하를 공유하기 위해, 동일한 출력 샤프트(또는 구동 디스크(234))를 회전시키도록 그의 구동 샤프트들이 (트랜스미션을 통해) 결합되는 2개 이상의 모터가 있을 수 있다.
또 다른 태양에서, 수술 도구(240) 내에, 동일 자유도에서 상보적 액션들을 수행하기 위해 (각자의 도구 디스크(244)들을 통해) 2개의 구동 디스크(234)로부터의 토크를 변환하는 트랜스미션이 있을 수 있는데, 예를 들어 제1 구동 디스크(234-j)는 로드(rod)의 하나의 단부를 받아들이도록 수술 도구(240)의 하우징 내의 드럼을 회전시키고, 제2 구동 디스크(234-i)는 로드의 다른 단부를 받아들이도록 수술 도구(240)의 하우징 내의 다른 드럼을 회전시킨다. 다른 예로서, 하나는 연장을 수행하기 위한 것이고 다른 것은 후퇴를 수행하기 위한 것인, 2개의 도구 디스크(234-i, 234-j)를 사용하여, 단일 축을 따른 엔드 이펙터의 연장 및 단축이 달성될 수 있다. 이것은, 또한 1 자유도에서 이동하지만(예컨대, 길이방향으로 단일 이동 축을 따른 연장 및 단축) 그의 전체 이동 범위를 제어하기 위해 단일 도구 디스크만을 필요로 하는 이펙터와는 대조적이다. 다른 예로서, (예컨대, 리스트식(wristed) 이동, 다수의 축을 따른 이동, 엔드 이펙터 이동에 더하여 에너지 방출기의 활성화 등과 같은) 다수의 자유도에서 이동하는 이펙터가 수개의 도구 디스크(각각은 각자의 구동 디스크에 맞물림)의 사용을 필요로 할 수 있다. 다른 유형의 수술 도구(240)에서, 단일의 도구 디스크(244)가, 직접 입력(예컨대, 기어들)을 통해, 연장 및 후퇴 움직임들 둘 모두를 수행하기에 충분하다. 다른 예로서, 엔드 이펙터(222)가 조오들인 경우에, 본 명세서에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 2개 이상의 도구 디스크(244)가 부하 공유를 위해 조오들의 움직임을 협력하여 제어할 수 있다.
또 다른 태양에서, 수술 도구(240) 내에, 동일 자유도에서 상보적 액션들을 수행하기 위해 (각자의 도구 디스크(244)들을 통해) 2개의 구동 디스크(234)로부터의 토크를 변환하는 트랜스미션이 있을 수 있는데, 예를 들어 제1 구동 디스크(234-i)는 케이블의 하나의 단부를 받아들이도록 수술 도구(240)의 하우징 내의 드럼을 회전시키고, 제2 구동 디스크(234-j)는 케이블의 다른 단부를 받아들이도록 수술 도구(240)의 하우징 내의 다른 드럼을 회전시킨다. 다른 예로서, 예를 들어 상이한 케이블들을 통해, 하나는 연장을 수행하기 위한 것이고 다른 것은 후퇴를 수행하기 위한 것인, 2개의 도구 디스크(234-i, 234-j)를 사용하여, 단일 축을 따른 엔드 이펙터의 연장 및 단축이 달성될 수 있다. 이것은, 또한 1 자유도에서 이동하지만(예컨대, 길이방향으로 단일 이동 축을 따른 연장 및 단축) 그의 전체 이동 범위를 제어하기 위해 단일 도구 디스크만을 필요로 하는 이펙터와는 대조적이다. 다른 예로서, (예컨대, 리스트식 이동, 다수의 축을 따른 이동, 엔드 이펙터 이동에 더하여 에너지 방출기의 활성화 등과 같은) 다수의 자유도에서 이동하는 이펙터가 수개의 도구 디스크(각각은 각자의 구동 디스크에 맞물림)의 사용을 필요로 할 수 있다. 다른 유형의 수술 도구(240)에서, 단일의 도구 디스크(244)가, 직접 입력(예컨대, 기어들)을 통해, 연장 및 후퇴 움직임들 둘 모두를 수행하기에 충분하다. 다른 예로서, 엔드 이펙터(246)가 조오들인 경우에, 본 명세서에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 2개 이상의 도구 디스크(244)가 부하 공유를 위해 조오들의 움직임을 협력하여 제어할 수 있다.
도 3은 도구 구동기(230) 대 수술 도구(240)에 대한 매핑을 예시한다. 도 3은 도구 디스크(R1-R6)들에 대한 회전 디바이스 할당 또는 매핑을 예시한다. 이러한 예에서, 도구 디스크(R1)는 나이프와 같은 절단 기구에 할당된다. 도구 디스크(R1)가 하나의 방향(예컨대, 시계 방향)으로 이동됨에 따라, 절단 기구는 전진되고, 도구 디스크(R1)가 제2 방향(예컨대, 반시계 방향)으로 이동됨에 따라, 절단 기구는 후퇴된다.
도구 디스크(R2, R4)들은 관절운동 조인트에 할당된다. 도구 디스크(R2, R4)들은 길항적 쌍들로 엔드 이펙터(222)에 연결될 수 있는데, 즉 길항적 쌍의 하나의 케이블이 작동되거나 인장하게 되는 반면 다른 케이블이 느슨하게 될 때, 조오는 하나의 방향으로 회전할 것이다. 다른 케이블만이 인장될 때, 조오는 반대 방향으로 회전할 것이다. 하나의 방향(예컨대, 시계 방향)은 좌측으로의 엔드 이펙터(222)의 관절운동에 대응하고, 다른 방향(예컨대, 반시계 방향)은 우측으로의 엔드 이펙터의 관절운동에 대응한다. 관절운동은 기구의 샤프트의 길이방향 축을 가로지르는 축에서의 엔드 이펙터(222)의 배향의 변화일 수 있다. 이러한 관절운동식 위치설정은 임상의가 몇몇 경우에서 조직에 더 쉽게 관여하게 한다. 게다가, 관절운동식 위치설정은 유리하게는 내시경이 기구 샤프트에 의해 차단됨이 없이 엔드 이펙터의 뒤에 위치되게 한다.
도구 디스크(R3)는 엔드 이펙터의 롤 축에 매핑된다. 도구 디스크(R3)는 롤 축을 중심으로 회전하도록 리스트를 구동하는 하나 이상의 기어에 결합될 수 있다. 도구 디스크들의 평면에 대한 제1 방향(예컨대, 시계 방향)으로의 도구 디스크(R1)의 회전은 동일한 방향(예컨대, 시계 방향)으로의 엔드 이펙터의 롤 축의 회전을 유발할 수 있고, 도구 디스크들의 평면에 대한 제2 방향(예컨대, 반시계 방향)으로의 도구 디스크(R1)의 회전은 동일한 방향(예컨대, 반시계 방향)으로의 엔드 이펙터의 롤 축의 회전을 유발할 수 있다.
도구 디스크(R5, R6)들은 폐쇄 디바이스 또는 조오에 할당된다. 예를 들어, 대향하는 조오들 중 하나는 조오를 개방하기 위한(즉, 대향하는 조오들 사이의 각도를 증가시키기 위한) 하나의 방향으로의 그리고 조오를 폐쇄하기 위한(즉, 대향하는 조오들 사이의 각도를 감소시키기 위한) 다른 방향으로의 도구 디스크(R5) 및 도구 디스크(R6) 동작에 할당될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 도구 디스크들이 대응하는 구동 디스크들과 실질적으로 동일 평면 상에 있고 동축 정렬이 되도록 수술 도구(240)가 먼저 도구 구동기(230)에 부착되거나 설치될 때(하지만 도구 및 구동 디스크들은 아마도 아직 성공적으로 맞물리지 않음), 제어 유닛(210)은 초기에 수술 도구(240)의 유형을 검출한다. 일 실시예에서, 수술 도구(240)는 그의 도구 또는 엔드 이펙터 정보, 예컨대 도구 또는 엔드 이펙터 유형의 식별, 고유한 도구 또는 엔드 이펙터 ID, 사용되는 도구 디스크들의 수, (예를 들어, 총 6개의 가능한 도구 디스크(244-e, f, g, h, i, j) 중에서) 사용되고 있는 그러한 도구 디스크들의 위치, 도구 디스크들을 위한 트랜스미션의 유형(예컨대, 직접 구동, 케이블 구동식 등), 도구 디스크가 엔드 이펙터에 부여하는 움직임 또는 작동이 무엇인지, 하나 이상의 도구 교정 값(예컨대, 도구의 인자 검사/조립 동안에 결정된 바와 같은 도구 디스크의 회전 위치), 엔드 이펙터의 움직임이 최대 이동에 의해 제약되는지 또는 최소 이동에 의해 제약되는지뿐만 아니라, 다른 도구 속성들 중 하나 이상을 식별하는, 솔리드 스테이트 메모리, 무선 주파수 식별(RFID) 태그, 바코드(2차원 또는 매트릭스 바코드들 포함함) 등과 같은, 정보 저장 유닛(242)을 갖는다. 일 실시예에서, 정보 저장 유닛(242)은 제어 유닛(210)이 다양한 도구 속성들의 검색을 수행하기 위해 사용할 수 있는, 도구 ID와 같은, 최소 정보를 식별한다.
도구 구동기(230)는 정보 저장 유닛(242)으로부터 정보를 판독하고 그 정보를 제어 유닛(210)에 전달하기 위한 통신 인터페이스(232)(예컨대, 메모리 라이터기(writer), 근거리 통신, 근거리 통신(NFC), 트랜시버, RFID 스캐너, 바코드 리더기 등)를 포함할 수 한다. 더욱이, 몇몇 실시예에서, 각각의 도구 디스크(244)와 연관된 하나의 정보 저장 유닛과 같은, 하나 초과의 정보 저장 유닛이 수술 도구(240) 내에 있을 수 있다. 이 실시예에서, 도구 구동기(230)는 또한 주어진 도구 내에 존재할 각각의 가능한 정보 저장 유닛에 대한 대응하는 센서를 포함할 수 있다.
도구 디스크들이 대응하는 구동 디스크들과 정렬되고 그들에 중첩되도록, 수술 도구(240)가 도구 구동기(230)와 부착된 후에(하지만 반드시 기계적으로 맞물리지는 않음), 그리고 도구 디스크 정보가 획득된 후에, 예컨대 제어 유닛(210)에 의해 판독된 후에, 제어 유닛(210)은 각자의 구동 디스크들에 부착된 것으로 예상되는 도구 디스크들 모두가 그들의 각자의 구동 디스크들과 기계적으로 맞물리는 때(예컨대, 그들의 기계적 맞물림이 달성됨, 또는 도구 구동기(230)가 이제 도구와 맞물린 것으로 간주됨)를 검출하기 위해 맞물림 프로세스를 수행한다. 즉, 수술 도구(240)를 도구 구동기(230)와 부착하는 것은 (예컨대, 정합하는 특징부들의 오정렬로 인해) 도구 디스크들과 대응하는 구동 디스크들의 기계적 맞물림에 필요한 적절한 정합을 반드시 보장하지는 않는다. 맞물림 프로세스는 대응하는 구동 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 동작 파라미터에 기초하여, 액추에이터(238-j)가 구동 디스크(234-j)를 구동하고 있는 동안에, 도구 디스크(244-i)와 구동 디스크(234-j)의 기계적 맞물림이 검출될 수 있다. 이 프로세스는 현재 각자의 도구 디스크(244)에 부착된 것으로 예상되는(예컨대, 현재 부착된 특정 수술 도구(240)에 대해 획득된 도구 디스크 정보에 기초하여 결정된 바와 같은) (도구 구동기(230)의) 모든 구동 디스크(234)에 대해 반복될 수 있다.
특정 유형의 수술 도구(240)가 도구 구동기(230)와 부착된 것을 검출하면, 제어 유닛(210)은 그 유형의 수술 도구(240)와 이전에 연관된 도구 구동기(230)의 하나 이상의 액추에이터(예컨대, 모터)를 활성화한다. 몇몇 실시예에서, 수술 도구(240)의 대응하는 구동 디스크(234)와 연관된 각각의 액추에이터는 동시에, 연속적으로, 또는 동시와 연속 활성화의 조합으로 활성화될 수 있다.
도 4 내지 도 11은 수술 도구(240)를 위한 구동 시스템을 예시한다. 도 4는 수술 도구를 위한 구동 시스템의 좌측면도를 예시하고, 도 5는 구동 시스템의 우측면도를 예시한다. 구동 시스템은 발사 서브시스템(401), 관절운동 서브시스템(402), 롤 서브시스템(403), 및 폐쇄 서브시스템(405)을 포함한다. 부가적이거나, 상이하거나, 더 적은 수의 구성요소들이 포함될 수 있다.
도 6은 수술 도구를 위한 구동 시스템의 발사 서브시스템(401)을 예시한다. 발사 서브시스템(401)은 도구 디스크(R1)(발사 입력 퍽(411))에 단단히 연결된 발사 샤프트(410)를 포함한다. 발사 샤프트(410)는 발사 입력 퍽(411)이 발사 샤프트(410)에 장착되도록 발사 입력 퍽(411)에 결합되고 이를 지지할 수 있다. 또한, 구동 기어(476)(발사 샤프트 구동 기어)가 발사 샤프트(410)에 장착될 수 있다. 구동 기어(476)는 종동 기어(473) 상으로 움직임 및 토크를 부여한다. 종동 기어(473)는 구동 바아(bar)(470)로의 구동 트레인의 일부이고, 또한 베일아웃 메커니즘(bailout mechanism)을 용이하게 한다. 구동 바아(470)로의 구동 트레인의 나머지는 종동 기어(473)의 샤프트에 의해 구동되는 기어(474) 및 구동 바아(470)의 랙(rack)을 따라 움직이는 피니언 기어(475)를 포함하는 기어 감속 세트를 포함한다.
베일아웃 메커니즘은 수동 베일아웃 입력 실린더(471)를 포함한다. 사용자 입력 디바이스(472)는 수동 베일아웃 입력 실린더(471) 위에 끼워지거나, 수동 베일아웃 입력 실린더(471)에 달리 결합된다. 사용자 입력을 통해 수동 베일아웃 입력 실린더(471)를 회전시키는 것은 구동 트레인의 일부분이 구동 바아(470)와의 맞물림으로부터 벗어나게 한다. 이는 도구 구동기(230)로부터의 구동 바아(470)의 이동을 수동으로 무효화한다.
도 7은 수술 도구를 위한 구동 시스템의 관절운동 서브시스템(402)을 예시한다. 도 8은 관절운동 서브시스템(402)의 평면도를 예시한다. 관절운동 서브시스템(402)은 좌측 관절운동 샤프트(440) 및 우측 관절운동 샤프트(420)를 포함한다. 좌측 관절운동 샤프트(440)는 도구 디스크(R4)(좌측 관절운동 입력 퍽(441))에 결합되고 이에 의해 구동된다. 우측 관절운동 샤프트(420)는 도구 디스크(R2)(우측 관절운동 입력 퍽(421))에 결합되고 이에 의해 구동된다. 좌측 관절운동 샤프트(440)는 관절운동 조인트에 연결된 좌측 피니언 기어(444)를 포함한다. 우측 관절운동 샤프트(420)는 관절운동 조인트에 연결된 우측 피니언 기어(420)를 포함한다.
도 8은 관절운동 조인트의 구동부의 더 상세한 사항을 제공한다. 우측 피니언 기어(424)는 관절운동 조인트에 연결된 우측 랙(425)을 구동한다. 좌측 피니언 기어(444)는 관절운동 조인트에의 좌측 랙(445) 연결부를 구동한다. 우측 랙(425)(예컨대, 제1 강성 로드)은 우측 관절운동 아암(426)을 이동시키고 궁극적으로 관절운동 조인트의 우측 돌출부(427)가 관절운동 디스크의 중심을 중심으로 회전하게 한다. 마찬가지로, 좌측 랙(445)(예컨대, 제2 강성 로드)은 좌측 관절운동 아암(446)을 이동시키고 궁극적으로 관절운동 조인트의 좌측 돌출부(447)가 관절운동 디스크의 중심을 중심으로 회전하게 한다. 우측 랙(425) 및/또는 좌측 랙(445)의 이동은 리스트에서 토크를 인가하여 관절운동 이동을 생성한다.
도구 구동기(230)는 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 의해 구동되는 적어도 하나의 관절운동 구동 디스크를 포함하고, 관절운동 구동 디스크는 도구 구동기(230)를 엔드 이펙터에 연결하는 샤프트의 길이방향 축에 대응하는 평면 내에서의 엔드 이펙터의 관절운동 움직임에 대응한다.
도 9는 수술 도구를 위한 구동 시스템의 롤 서브시스템(403)을 예시한다. 롤 서브시스템(403)은 롤 샤프트(430)를 포함한다. 롤 샤프트(430)는 도구 디스크(R3)(롤 입력 퍽(431))에 결합되고 이에 의해 구동된다. 롤 입력 퍽(431)은 롤 기어(439)를 구동하기 위해 웜 기어(435)와 함께 롤 샤프트(430)에 결합된다. 롤 기어(439)는 도구 디스크(R3)의 회전에 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 롤 조인트에 움직임을 제공한다.
도 10은 수술 도구를 위한 구동 시스템의 폐쇄 서브시스템(405)을 예시한다. 폐쇄 서브시스템(405)은 좌측 폐쇄 샤프트(450) 및 우측 폐쇄 샤프트(460)를 포함한다. 좌측 폐쇄 샤프트(450)는 도구 디스크(R5)(좌측 폐쇄 입력 퍽(451))에 결합되고 이에 의해 구동된다. 우측 폐쇄 샤프트(460)는 도구 디스크(R6)(우측 폐쇄 입력 퍽(461))에 결합되고 이에 의해 구동된다. 좌측 구동 기어(452)는 좌측 폐쇄 샤프트(450)에 결합되고, 우측 구동 기어(462)는 우측 폐쇄 샤프트(460)에 결합된다. 좌측 구동 기어(452) 및 우측 구동 기어(462)는 폐쇄 조인트를 동작시키는 폐쇄 기어(465)를 구동하도록 협력한다.
캠(cam)/요크(yoke) 메커니즘(459)이 좌측 폐쇄 입력 퍽(451) 및 우측 폐쇄 입력 퍽(461)으로부터의 회전 입력을 선형 출력으로 변환한다. 캠/요크 메커니즘(459)에 의해 그의 각도 위치의 함수로 가변적인 기계적 이점이 제공된다. 예를 들어, 캠/요크 메커니즘(459)은 슬롯(468) 상에서 활주하여 개폐 조오 움직임을 생성하는 핀(467)을 원위에서 포함하는 푸시 풀 로드(push pull rod)를 포함할 수 있다.
도 11은 폐쇄 서브시스템(405)을 위한 수동 노브(481)를 예시한다. 하나 이상의 커플링 기어(466)가 구동 폐쇄 기어(465)를 수동 노브(481)에 결합시킨다. 수동 노브(481)는 폐쇄 조인트를 수동으로 동작시키기 위하여 수동 노브(481)를 회전시켜 좌측 구동 기어(452) 및/또는 우측 구동 기어(462)의 회전을 유발하도록 사용자의 파지를 수용하기 위한 표면 또는 손잡이를 포함한다.
도 12는 그의 하우징의 정합하는 표면 상에 동일 평면 상의 방식으로 배열된 도구 디스크(244-e, f, g, h, i, j)들과 같은, 6개의 도구 디스크를 이용하는 수술 도구(240)의 예를 예시한다. 도구 디스크(244-e, f, g, h, i, j)들의 임의의 배열은 이전에 기술된, 일반적으로는 도구 디스크(R1-R6)들, 또는 구체적으로는 발사 입력 퍽(411), 우측 관절운동 입력 퍽(421), 롤 입력 퍽(431), 좌측 관절운동 입력 퍽(441), 좌측 폐쇄 입력 퍽(451), 및 우측 폐쇄 입력 퍽(461)에 대응할 수 있다. 각각의 도구 디스크는 엔드 이펙터(222)의 이동 및/또는 활성화의 적어도 일부분에 기여한다. 수술 도구(240)와 도구 구동기(230)의 부착(예컨대, 각자의 하우징들의 정합하는 표면들의 접합)을 검출하면, 제어 유닛(210)(또는 메모리(314)에 저장된 명령어들을 실행하는 동안 그의 프로세서(312))은 맞물림 프로세스를 수행하기 위해 구동 디스크(234 e, f, g, h, i, j)들과 같은 대응하는 구동 디스크들이 회전될 것임(대응하는 액추에이터(238)가 활성화됨)을 결정하는 프로세스를 수행한다.
몇몇 실시예에서, (센서(236)들을 통해) 제어 유닛(210)에 의해 모니터링되는 모터 동작 파라미터들은 도구 디스크와 구동 디스크의 성공적인 기계적 맞물림을 의미하는 것으로 해석된다. 제어 유닛(210)은 존재 센서(341), 토크 센서(342), 위치 센서(343), 전기 센서(345), 광학 센서(347), 및 힘 센서(348)의 임의의 조합을 포함하는 예시적인 센서 어레이 내의 센서(236)와 통신하고 그로부터 센서 데이터를 수신한다. 센서 어레이는 수술 도구의 상이한 자유도들(예컨대, 수술 도구의 폐쇄 조인트, 관절운동 조인트, 롤 조인트, 또는 다른 동작)을 위한 별개의 센서들을 포함할 수 있다. 즉, 센서 어레이 또는 그의 하나 이상의 센서는 도구 구동기(230) 내의 다수의 도구 디스크(244)들에 대해 반복될 수 있다.
측정치는, 토크 센서(342) 또는 힘 센서(348)에 의해 측정된 바와 같이 액추에이터(238-j)에 의해 적용된 토크의 측정치, 액추에이터를 구동하여 일정한 속도로 이동시키도록 시도할 때 액추에이터(238-j)의 모터에 공급되는 전류의 전기 센서(345)에 의한 측정치(예컨대, 센서(236-j)는 모터 입력 드라이브 단자와 직렬로 전류 감지 저항기를 포함할 수 있음), 일정한 속도로 이동하도록 모터를 구동하려고 시도할 때 액추에이터(238)의 모터의 입력 구동 단자로 입력되는 것으로 관찰되는 것과 같은 전기 센서(345)에 의한 전기 임피던스의 측정치(예컨대, 센서(236-j)는 또한 모터 입력 구동 단자의 전압을 측정하기 위한 전압 감지 회로를 포함할 수 있음), 액추에이터(238-j)의 속력(예컨대, 광학 센서(347)는 액추에이터(238-j)의 출력 샤프트 상에 또는 모터의 구동 샤프트 상에 위치 인코더를 포함할 수 있음), 그리고 본 명세서에서 모터 동작 파라미터들로 지칭되는 다른 파라미터들을 포함할 수 있다. 측정치들은, 센서 어레이(236) 내의 임의의 센서로부터 암시되거나, 정보 저장 유닛(242)과 통신 인터페이스(232) 사이의 상호작용으로부터 결정된, 존재 센서(341)로부터의 존재 데이터를 포함할 수 있다. 위치 센서(343)가 별도로 예시되어 있지만, 존재 센서(341), 토크 센서(342), 전기 센서(345), 광학 센서(347), 및 힘 센서(348)의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 일례에서, 동일한 유형의 추가적인 센서들이 위치 센서(343)에 대해 사용될 수 있다.
특정 액추에이터의 하나 이상의 모터 동작 파라미터를 모니터링하는 동안, 이러한 파라미터들 중 하나 이상이 미리 결정된 조건 또는 임계치를 충족시킬 때(예컨대, 만족시키거나 그에 도달함), 그러한 상황의 검출은 제어 유닛(210)에 의해 기계적 맞물림 이벤트로 해석될 수 있다. 미리 결정된 조건을 충족시키는 것은 예를 들어 모니터링된 동작 파라미터가, 임계치에 따라, 동일한 액추에이터(238-j)의 일부인, 또는 맞물림 검출 프로세스 동안 제어 유닛(210)에 의해 동시에 제어되는 다른 액추에이터(238-i)의 일부인 다른 모터의 동작 파라미터에 대한, 소정 변화들을 나타낸다는 것을 의미할 수 있음에 유의한다.
몇몇 실시예에서, i) 토크 임계치를 충족시키는(예컨대, 상승하여 그에 도달하는) 토크, ii) 전류 임계치를 충족시키는(예컨대, 상승하여 그에 도달하는) 모터 전류, iii) 임피던스 임계치 아래로 떨어지는 임피던스, iv) 모터 속도 임계치 아래로 떨어지는 모터 속도, 또는 이들의 조합 중 하나 이상과 같은, 액추에이터(238-j)의 동작 동안의 소정의 모터 동작 파라미터들의 검출은, 구동 디스크(234-j)에 대한 도구 디스크(244-j)의 기계적 맞물림이 발생한 것으로 결정하기 위해 제어 유닛(210)에 의해 사용된다.
그의 프로그래밍된 프로세서(312)를 포함하는 제어 유닛(210)은 예를 들어 컨트롤 타워(130) 내의 공유된 마이크로프로세서 및 프로그램 메모리로서 수술 로봇 시스템(100)(도 1)에 통합될 수 있다. 대안적으로, 제어 유닛(210)은 원격 컴퓨터에서, 예를 들어 수술실과는 상이한 방에서, 또는 도 1에 도시된 수술장(operating arena)과는 상이한 건물에서 구현될 수 있다. 더욱이, 제어 유닛(210)은 또한, 예시되어 있지 않지만, 로봇 아암 및 그의 부착된 수술 도구(240), 전력 디바이스(예컨대, 배터리)뿐만 아니라, 전형적으로 수술 로봇 시스템들을 제어하기 위한 전자 디바이스들과 연관된 다른 구성요소들의 수동 제어를 가능하게 할 수 있는 사용자 인터페이스 하드웨어(예컨대, 키보드, 터치-스크린, 마이크들, 스피커들)를 포함할 수 있다.
메모리(314)는 프로세서(312)에 의한 실행을 위한 명령어들을 저장하기 위해 하나 이상의 프로세서(312)(본 명세서에서 간략함을 위해 총칭적으로 프로세서로 지칭됨)에 결합된다. 몇몇 실시예에서, 메모리는 비-일시적이고, 인장 제어 알고리즘(315) 및 토크 제어 알고리즘(316)을 포함한 하나 이상의 프로그램 모듈을 저장할 수 있고, 그의 명령어들은 본 명세서에 기술된 바와 같이 인장 및 토크 제어 알고리즘(315, 316)들을 수행하도록 프로세서(312)를 구성한다. 다시 말하면, 프로세서(312)는 본 명세서에 기술된 태양들 및 특징들에 따라 방법들 또는 프로세스들을 실행하기 위해 인장 제어 알고리즘(315) 및 토크 제어 알고리즘(316)의 일부로서 메모리(314)에 저장된 명령어들의 실행, 루틴, 또는 프로그램의 제어하에 동작할 수 있다. 메모리(314)는 수술 도구(240) 및/또는 도구 구동기(230)에 대한 하나 이상의 설정, 계수 값, 임계 값, 허용오차 값, 교정 값을 포함할 수 있다. 이러한 값들은 메모리(314)에 구성 파일, 테이블, 또는 행렬로서 저장될 수 있다. 구성 파일 내의 몇몇 값은 사용자에 의해 제공될 수 있고, 몇몇은 수술 도구(240) 또는 도구 구동기(230)의 식별자들에 기초하여 액세스되거나 검색될 수 있고, 다른 것들은 제어 유닛(210)에 의해 설정될 수 있다.
도 13은 본 명세서에 기술된 예시적인 관절운동 조인트의 경우에 도구 디스크(R2, R4)들을 포함하는 하나 이상의 도구 디스크를 구동하기 위해 도구 구동기(230) 내의 하나 이상의 액추에이터를 제어하도록 제어 유닛(210)에 의해 구현될 수 있는 하드스톱 제어용 제어 시스템에 대한 예시적인 블록도를 예시한다. 도구 디스크(R2, R4)들은 로드를 당기거나 해제하도록 구성된 슬라이더들에 연결될 수 있다. 도구 디스크(R2)는 R4가 해제되는 동안 하나의 방향으로 당기고, 다른 때에는 R3이 해제되는 동안 도구 디스크(R4)는 다른 방향으로 당긴다. 이러한 방식으로, 관절운동은 2개의 회전 방향으로 제어된다.
제어 시스템은 분석하에 조인트에 대한 위치들 및 토크들을 계산한다. 이들 값으로부터, 토크 비가 결정된다. 조인트에 대한 사용자 입력이 수신될 때, 제어 시스템은 사용자 입력이 조인트의 현재 이동에 어떻게 영향을 주어야 하는지를 결정하기 위해 토크 비를 고려하여 조인트의 상태를 분석한다. 수술 기구가 접촉하고 있을 수 있는 하드스톱을 고려하여 측정되는 조인트의 상태에 따라, 조인트에서의 요구되는 이동을 중지시키거나 조인트에서의 요구되는 이동을 감소시키도록 조절 또는 보상이 계산된다.
제어 시스템의 각각의 반복에서, 블록(501)에서 데이터가 수신된다. 데이터는 모터 위치들 및 모터 토크들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 토크 센서(342)는 도구 구동기(230) 내의 대응하는 액추에이터들 또는 모터들의 토크들을 측정하여 도구 디스크(R2)에 대한 토크 측정치 및 도구 디스크(R4)에 대한 토크 측정치를 계산할 수 있다. 위치 센서(343), 또는 위치 인코더를 갖는 광학 센서(347)는 도구 구동기(230) 내의 대응하는 액추에이터들 또는 모터들의 위치들을 측정하여 도구 디스크(R2)에 대한 토크 측정치 및 도구 디스크(R4)에 대한 토크 측정치를 계산할 수 있다.
기술된 센서들 중 임의의 것은 모터 토크를 결정하는 데 사용되는 센서 데이터를 생성할 수 있다. 토크는 도구 디스크 또는 모터에 적용되어진 연관된 토크 센서(342) 또는 힘 센서(348)에 의해 직접 측정될 수 있다. 모터 토크는 소정 속도로 이동하도록 액추에이터를 구동시키려고 할 때 대응하는 모터에 공급되는 전기 센서(345)에 의해 감지되는 전류로부터 간접적으로 측정될 수 있다(예컨대, 모터 입력 구동 단자와 직렬인 전류 감지 저항기). 모터 토크는 모터를 소정 속도로 이동하도록 모터를 구동시키려고 할 때 액추에이터(238)의 모터의 입력 구동 단자들로 보여지는 바와 같은 전기 센서(345)에 의한 전기 임피던스의 샘플들에 의해 간접적으로 측정될 수 있다. 모터 토크는 도구 디스크 또는 액추에이터(예컨대, 액추에이터(238-j)의 출력 샤프트 상의 또는 모터의 구동 샤프트 상의 위치 인코더)의 속도에 의해 간접적으로 측정될 수 있다.
블록(503)에서, 조인트 위치 및 조인트 토크가 계산된다. 모터 위치 및 모터 토크는 센서 및 연관된 회로에 의해 측정될 수 있다. 하기 계산은 임의의 조인트에 적용될 수 있지만 관절운동 조인트와 관련하여 논의된다. 제어 유닛(210)은 센서 데이터를 수신하고, 관절운동 구동 디스크 또는 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 관절운동 조인트 위치를 계산할 수 있다. 제어 유닛(210)은 관절운동 구동 디스크 또는 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 관절운동 조인트 토크를 계산할 수 있다. 조인트 위치 및 조인트 토크의 계산은 시간 간격(k)으로서의 예시에 대해 기술되는 미리 결정된 시간 단위로 반복적으로 일어날 수 있다. 따라서, 임의의 주어진 시간(k)에 대해, 이전 시간은 k-1이고 후속 시간은 k+1이다.
블록(505)에서, 현재 시간 간격에 대해 토크 비가 계산된다. 제어 유닛(210)은 관절운동 조인트 위치 및 관절운동 조인트 토크에 기초하여 토크 비를 결정하도록 구성된다. 수술 도구(240)를 위한 관절운동 조인트는 2개의 모터에 의해 구동된다(예컨대, 모터들은 도구 디스크(R2, R4)들에 대응한다). 관절운동 조인트(
Figure pct00001
)의 물리적 변위는 수학식 1에 의해 제공된다:
[수학식 1]
Figure pct00002
수학식 1에서의 관계는 제1 액추에이터 또는 모터(예컨대, 도구 디스크(R2)에 대응함)에 대한 제1 위치(
Figure pct00003
) 및 제2 액추에이터 또는 모터(예컨대, 도구 디스크(R4)에 대응함)에 대한 제2 위치(
Figure pct00004
), 및 제1 상수(a) 및 제2 상수(b)를 포함한 적어도 하나의 특성 상수를 기초로 한다. 특성 상수는 구성요소의 재료, 구성요소의 상대적 치수, 또는 다른 요인에 의존할 수 있다. 제어 유닛(210)은 기구에 대한 식별자를 사용하여 테이블로부터 특성 상수를 검색할 수 있다.
정적 힘 분석에 기초하여, 모터-대-조인트 토크 맵은 하기 관계들에 의해 기술될 수 있다. 예를 들어, 수학식 2는 조인트 토크(
Figure pct00005
) 및 제1 액추에이터(예컨대, 도구 디스크(R2)에 대응함)에 대한 제1 모터 토크(
Figure pct00006
) 및 제2 액추에이터(예컨대, 도구 디스크(R4)에 대응함)에 대한 제2 모터 토크(
Figure pct00007
)와, 예를 들어 제1 상수(a), 제2 상수(b) 또는 2개 이상의 특성 제약의 비를 포함한 적어도 하나의 특성 상수 사이의 관계를 보여준다.
[수학식 2]
Figure pct00008
수학식 3은 [-1, 1]의 범위 내에 있고 관절운동 조인트(
Figure pct00009
)의 물리적 변위 및 관절운동 조인트의 조인트 토크(
Figure pct00010
)의 함수로서의 수일 수 있는 토크 비(
Figure pct00011
)를 기술한다. 이러한 방식으로, 관절운동 조인트 토크(
Figure pct00012
)는 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 적어도 하나의 측정된 토크와 수술 도구(240)에 대한 적어도 하나의 특성 상수 사이의 관계에 기초하여 계산된다. 하기 예들에 따라 한정된 바와 같은 수학식 3은 연속적이고 미분 가능한 적어도 하나의 예를 포함한다.
[수학식 3]
Figure pct00013
도 14는 도 13의 하드스톱 제어를 위한 토크 비 결정에 대한 각도 범위를 예시한다. 도 14는 도 13의 하드스톱 제어를 위한 토크 비 결정에 대한 각도 범위를 예시한다. 관절운동 조인트(
Figure pct00014
)는 임의의 각도로서 계산될 수 있다. 제어 유닛(210)은 관절운동 조인트(
Figure pct00015
)가 각도 범위 중 어느 것에 속하는지를 결정한다. 각도 범위들은 외측 범위(523), 중간 범위(521), 및 내측 범위(521)를 포함할 수 있다. 내측 범위(521)는 θjmin과 θjmax 사이의, 관절운동 조인트(
Figure pct00016
)에 대한 값들을 포함할 수 있다. 내측 범위(521)에서, 보상이 필요하지 않을 수 있다. 즉, 사용자 명령이 수정되지 않을 수 있다. 내측 범위(521)는 비-보상 범위로 지칭될 수 있다.
중간 범위(521)는 θjmin과 θjmax의 밖에 있지만 여전히 θjmin,limit와 θjmax,limit의 한계 내에 있는, 관절운동 조인트(
Figure pct00017
)에 대한 값들을 포함할 수 있다. 중간 범위(521)는 보상이 수행되는 보상 범위로 지칭될 수 있다. 즉, 조인트를 위한 사용자 명령은 수정될 수 있지만, 사용자 명령은 여전히 조인트의 이동에 영향을 미친다.
외측 범위(523)는 θjmin,limit와 θjmax,limit의 밖에 있는 값들을 포함한다. 외측 범위(523)는 경계외 범위로 지칭될 수 있다. 사용자 명령은 이러한 경계외 범위에서 차단될 수 있다. 즉, 조인트에서의 이동은 사용자 명령에 의해 영향을 받지 않는다.
제어 유닛(210)은 관절운동 조인트(
Figure pct00018
)에 기초하여 토크 비(
Figure pct00019
)를 한정한다. 수학식 4 내지 수학식 9는 관계를 한정한다. 관절운동 조인트(
Figure pct00020
)가 θjmin과 θjmax와 동일한 경우, 토크 비(
Figure pct00021
)는 0이다.
[수학식 4]
θj ∈ [θjmin, θjmax]인 경우, rτ = 0
관절운동 조인트(
Figure pct00022
)가 외측 범위의 밖에 있는 경우, 토크 비(
Figure pct00023
)는 수학식 5 및 수학식 6에 의해 나타내어진 바와 같이 +1 또는 -1로 설정된다. 토크 비(
Figure pct00024
)는 관절운동 조인트(
Figure pct00025
)가 θjmin,limit 미만일 때 -1로 설정된다. 토크 비(
Figure pct00026
)는 관절운동 조인트(
Figure pct00027
)가 θjmax,limit 초과일 때 1로 설정된다.
[수학식 5]
θj < θjmin,limit인 경우, rτ = -1
[수학식 6]
θj > θjmax,limit인 경우, rτ = 1
다른 한계는 도구의 토크 제한에 따라 한정된다. 한계(τjnormal)는 수술 도구(240)의 정상 사용 동안의 조인트 토크 한계이고, τjmax는 수술 도구(240)의 손상을 피하기 위한 최대 허용 조인트 토크이다. 사용자는 τjnormal에 대한 값을 제공하고, τjmax는 사용자에 의해 제공된다. 측정된 조인트 토크(τj)가 한계(τjnormal) 미만인 경우, 토크 비(
Figure pct00028
)는 수학식 7에 의해 보여지는 바와 같이 0으로 설정된다.
[수학식 7]
|τj| < τ jnormal인 경우, rτ = 0
측정된 조인트 토크(τj)가 한계(τjmax) 초과인 경우, 토크 비(
Figure pct00029
)는 수학식 8에 의해 보여지는 바와 같이 1로 설정된다.
[수학식 8]
τj > τ jmax인 경우, rτ = 1
측정된 조인트 토크(τj)가 한계(-τjmax) 미만인 경우, 토크 비(
Figure pct00030
)는 수학식 9에 의해 보여지는 바와 같이 -1로 설정된다.
[수학식 9]
τj < - τ jmax인 경우, rτ =- 1
수학식 4 내지 수학식 9에서의 조건들 중 어느 것도 참이지 않은 경우, 수학식 10 내지 수학식 13은 토크 비(
Figure pct00031
)를 제공한다. 제어 유닛(210)은 조인트 위치가 최소 값(θjmin)과 최대 값(θjmax)에 의해 경계가 이루어지는 보상 범위 내에 있을 때 조인트 위치 백분율(Δθ)을 계산하도록 구성된다. 조인트 위치가 미-보상 범위 내에 있거나 최소 한계 값(θjmin,limit)과 최대 한계 값(θjmax,limit)에 의해 경계가 이루어지는 경계외 범위 내에 있을 때 조인트 위치 백분율(Δθ)이 사용되지 않을 수 있다.
θj < θjmin인 경우, 조인트 위치 백분율(
Figure pct00032
)은 수학식 10에 의해 제공된다.
[수학식 10]
Figure pct00033
θj > θjmax인 경우, 조인트 위치 백분율(
Figure pct00034
)은 수학식 11에 의해 제공된다.
[수학식 11]
Figure pct00035
조인트 위치 백분율(
Figure pct00036
)이
Figure pct00037
Figure pct00038
와 같은 임계값 미만인 경우, 토크 비는 수학식 12에 의해 제공된다.
[수학식 12]
Figure pct00039
조인트 위치 백분율(
Figure pct00040
)이 임계치 초과인 경우, 토크 비는 수학식 13에 의해 제공된다.
[수학식 13]
Figure pct00041
수학식 12 및 수학식 12에 대해, 음의 토크 비인 경우에 토크가 또한 음이고 토크의 절대 값의 추가적인 증가를 피하기 위하여 관절운동 조인트가 더 음으로 이동하게 하지 않도록, sign(τj)는 토크의 부호가 토크에 맞춰 조절되는 것을 유발한다.
c에 대한 값은 미리 결정된 값이고, 사용자에 의해 설정되거나 제어 유닛(210)에 의해 설정될 수 있다. c=1.125 및 Δθ = 0.8인 때, 항
Figure pct00042
은 1이고, 이는 조인트가 조인트 한계에 충분히 가깝게 된 후에 토크 비가 토크 변화에 완전히 응답하여야 하고(예컨대, 100% 퍼센트), 조인트 위치로부터의 영향이 감소되는 것을 보장한다. 토크 비는 [-1, 1] 사이에 있도록 보장될 것이고 (-1, 1) 사이의 수일 것이며, 조인트 위치 및 토크가 사용자에 의해 한정된 원하는 취급 범위 사이에 있다. c에 대한 값은 토크가 토크 변화에 응답하고 조인트 위치로부터의 영향이 더 큰 폭으로 감소하도록 다른 값들로 설정될 수 있다. 일 구현예에서, c는 조인트 위치 백분율(
Figure pct00043
)이 백분율 임계치 미만일 때 0으로 설정된다.
조인트 명령의 조절로 돌아가면, 토크 비(
Figure pct00044
)는 엔드 이펙터를 하드스톱으로부터 보호하기 위해 특정 상황에서 개별 사용자 명령에 적용될 수 있다. 수학식 14는 시간(k+1)에서의 조인트 명령이 시간(k)에서의 조인트 명령과 사용자 입력에 따른 상대적 조인트 명령의 합에 의해 한정된다는 것을 기술한다. 다시 말하면, 특정 조인트를 위한 액추에이터에 적용되는 임의의 주어진 현재/초기 명령에 대해, 후속의 사용자 명령은 액추에이터에 적용되는 다음 명령을 조절하기 위해 상대적 조인트 명령과 합산된다.
[수학식 14]
Figure pct00045
블록(507)에서, 토크 비에 기초하여 조인트 명령 보상 비가 먼저 계산된다. 조인트 명령 보상 비는 조인트의 상태가 주어지면 조인트 위치에 대한 사용자 명령이 조절되어야 하는 양을 한정한다. 블록(509)에서, 상대적 조인트 명령이 계산된다. 상대적 조인트 명령은 조인트 명령 보상 비 및 사용자 명령(508)에 기초할 수 있다.
조인트를 제어하는 이러한 프로세스는 제어 유닛(210)에 의해 계산된 토크 비(
Figure pct00046
)에 따라 수정된다.
Figure pct00047
및 토크 비(
Figure pct00048
) > 0일 때, 수학식 15는 조인트 명령 보상 비(1 -
Figure pct00049
)에 기초하여 새로운 조인트 명령을 제공한다. 이러한 경우, 상대적 조인트 명령은 예컨대
Figure pct00050
Figure pct00051
이다.
Figure pct00052
및 토크 비(
Figure pct00053
) < 0일 때, 수학식 16은 조인트 명령 보상 비(1 -
Figure pct00054
)에 기초하여 새로운 조인트 명령을 제공한다. 이러한 경우, 상대적 조인트 명령은 예컨대
Figure pct00055
이다. 상대적 조인트 명령은, 하드스톱을 보상하기 위해 토크 비에 응답하여 관절운동 구동 디스크 또는 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 관절운동 조인트 조절이다.
[수학식 15]
Figure pct00056
[수학식 16]
Figure pct00057
어느 경우든, 블록(512)에서, 하나 이상의 하드웨어 구성요소의 논리 표현일 수 있는 합산점은 상대적 조인트 명령과 이전의 조인트 명령(511)(예컨대,
Figure pct00058
)을 조합한다.
블록(513)에서, 제어 유닛(210)에 의한 조인트 위치 제어는 하드스톱 또는 충돌을 보상하기 위하여 위치, 각도 또는 관절운동 조인트에 대한 위치를 결정하도록 상대적 조인트 명령 및 이전의 조인트 명령에 기초하여 조인트 위치를 계산한다. 제어 유닛(210)은 초기 조인트 위치 또는 조인트 위치의 변화를 식별하거나 계산한다. 초기 조인트 위치는 사용자 입력으로부터 결정될 수 있다. 초기 조인트 위치는 또한 사용자 입력으로부터 벗어나는 조인트에 대한 초기 위치를 결정하기 위해 교정, 호밍(homing), 맞물림, 또는 하드스톱 취급과 같은 하나 이상의 보충적인 위치결정 알고리즘을 고려할 수 있다.
토크 비의 계산에 사용되는 특성 상수 때문에, 관절운동 조인트 위치는 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 적어도 하나의 측정된 모터 위치와 수술 도구에 대한 적어도 하나의 특성 상수 사이의 관계에 기초하여 계산된다.
블록(515)에서, 제어 유닛(210)에 의한 모터 제어는 대응하는 액추에이터를 제어 유닛(210)에 의해 결정된 위치 또는 각도로 이동시키기 위해 하나 이상의 모터 명령을 계산한다. 모터 명령은 도구 구동기(230에, 예를 들어 액추에이터(R2 및/또는 R4)에 제공된다. 제어 유닛(210). 제어 유닛(210)은 분석하에 모터 명령을 조인트에 대한 조인트 위치에 관련시키는, 수술 도구(240)를 위한 모델을 참고할 수 있다. 모델은 수술 도구(240) 내의 구동 트레인에 의존할 수 있다.
본 명세서에서, "~와 결합된다"는 문구는 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 구성요소를 통해 간접적으로 연결되는 것을 의미하는 것으로 정의된다. 그러한 중간 구성요소들은 하드웨어 기반 구성요소 및 소프트웨어 기반 구성요소 둘 모두를 포함할 수 있다. 또한, 계류 중인 청구항에서의 사용을 명확히 하고 이에 따라 대중에게 통지하기 위해, "<A>, <B>, ... 및 <N> 중 적어도 하나" 또는 "<A>, <B>, ... <N> 중 적어도 하나, 또는 이들의 조합"이라는 문구들은 가장 넓은 의미로 출원인에 의해 한정되며, 출원인에 의해 명시적으로 반대로 주장되지 않는 한, 이전 또는 이후의 다른 묵시적 한정들을 대체하여 A, B, ... 및 N을 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 요소들, 즉, 어느 하나의 요소를 단독으로, 또는 나열되지 않은 부가의 요소들을 조합하여 또한 포함할 수 있는 다른 요소들 중 하나 이상과 조합하여 포함하는 요소들 A, B, ... 또는 N 중 하나 이상의 임의의 조합을 의미할 수 있다.
개시된 메커니즘들은 관련 정보/데이터(예컨대, 메시지 트래픽 및 그에 대한 응답)가 모니터링될 수 있거나 흐를 수 있거나, 또는 달리 액세스 가능하거나 측정 가능한, 하나 이상의 게이트웨이 디바이스, 모뎀, 하나 이상의 시장 참가자의 컴퓨터 또는 단말, 예컨대, 클라이언트 컴퓨터 등을 포함하는 임의의 논리적 및/또는 물리적 지점(들) 또는 이들의 조합에서 구현될 수 있다.
당업자는 본 명세서에 기술된 하나 이상의 모듈이 무엇보다도 컴퓨터 실행가능 명령어(예컨대, 실행가능 소프트웨어 코드)를 포함하는 유형의(tangible) 컴퓨터 판독가능 매체를 사용하여 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 대안적으로, 모듈들은 소프트웨어 코드, 펌웨어 코드, 특별 구성 하드웨어 또는 프로세서들, 및/또는 전술된 것의 조합으로 구현될 수 있다.
도 1 내지 도 25에 도시된 컴퓨터 디바이스들 및 시스템들의 동작들은 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 저장된 컴퓨터 실행가능 명령어들에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 컴퓨터 디바이스 또는 제어 유닛(210)은 컴퓨터 실행가능 명령어들을 저장하고, 전자 메시지들을 생성하고, 전자 메시지들로부터 정보를 추출하고, 전자 메시지들과 관련된 액션들을 실행하고/하거나 전자 메시지들로부터 값들을 계산하여 본 명세서에 기술된 알고리즘들 또는 액트들 중 임의의 것을 용이하게 할 수 있다. 다수의 부가의 서버, 컴퓨터, 핸드헬드 디바이스, 개인 휴대 정보 단말기, 전화기 및 다른 디바이스가 또한 제어 유닛(210)에 연결될 수 있다.
도 12에 예시된 바와 같이, 컴퓨터 시스템은 중앙 처리 유닛(CPU), 그래픽 처리 유닛(GPU), 또는 둘 모두에 의해 구현되는 프로세서(312)를 포함할 수 있다. 프로세서(312)는 다양한 시스템에서의 구성요소일 수 있다. 예를 들어, 프로세서(312)는 표준 개인용 컴퓨터 또는 워크스테이션의 일부일 수 있다. 프로세서(312)는 하나 이상의 일반 프로세서, 디지털 신호 프로세서, 특별 구성 프로세서, 주문형 집적 회로, 필드 프로그래머블 게이트 어레이, 서버, 네트워크, 디지털 회로, 아날로그 회로, 이들의 조합, 또는 데이터를 분석하고 처리하기 위한 현재 알려지거나 나중에 개발되는 다른 디바이스일 수 있다. 프로세서(312)는 수동으로 생성된(즉, 프로그래밍된) 코드와 같은 소프트웨어 프로그램을 구현할 수 있다.
컴퓨터 시스템은 버스를 통해 통신할 수 있는 메모리(314)를 포함한다. 메모리(314)는 메인 메모리, 정적 메모리 또는 동적 메모리일 수 있다. 메모리(314)는 랜덤 액세스 메모리, 판독 전용 메모리, 프로그래머블 판독 전용 메모리, 전기적 프로그래머블 판독 전용 메모리, 전기적으로 소거 가능한 판독 전용 메모리, 플래시 메모리, 자기 테이프 또는 디스크, 광학 매체 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 유형들의 휘발성 및 비휘발성 저장 매체들과 같은 컴퓨터 판독가능 저장 매체들을 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 일 실시예에서, 메모리(314)는 프로세서(312)를 위한 캐시 또는 랜덤 액세스 메모리를 포함한다. 대안적인 실시예들에서, 메모리(314)는 프로세서의 캐시 메모리, 시스템 메모리, 또는 다른 메모리와 같이, 프로세서(312)와는 별개이다. 메모리(314)는 데이터를 저장하기 위한 외부 저장 디바이스 또는 데이터베이스일 수 있다. 예들은 하드 드라이브, 컴팩트 디스크("CD"), 디지털 비디오 디스크("DVD"), 메모리 카드, 메모리 스틱, 플로피 디스크, 범용 직렬 버스("USB") 메모리 디바이스 또는 데이터를 저장하도록 동작 가능한 임의의 다른 디바이스를 포함한다. 메모리(314)는 프로세서(312)에 의해 실행 가능한 명령어들을 저장하도록 동작가능하다. 도면들에 예시되거나 본 명세서에 기술된 기능들, 액트들 또는 작업들은 메모리(314)에 저장된 명령어들을 실행하는 프로그래밍된 프로세서(312)에 의해 수행될 수 있다. 기능, 액트 또는 작업은 특정 유형의 명령어 세트, 저장 매체, 프로세서 또는 처리 전략과는 독립적이며, 단독으로 또는 조합하여 동작하는 소프트웨어, 하드웨어, 집적 회로, 펌웨어, 마이크로 코드 등에 의해 수행될 수 있다. 마찬가지로, 처리 전략은 멀티프로세싱, 멀티태스킹, 병렬 처리 등을 포함할 수 있다.
컴퓨터 시스템은 결정된 정보를 출력하기 위한 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광 다이오드(OLED), 플랫 패널 디스플레이, 솔리드 스테이트 디스플레이, 음극선관(CRT), 프로젝터, 프린터 또는 현재 알려지거나 추후 개발될 다른 디스플레이 디바이스와 같은 디스플레이 유닛(319)을 더 포함할 수 있다. 디스플레이(319)는 사용자가 프로세서(312)의 기능을 보기 위한 인터페이스로서, 또는 구체적으로 메모리(314) 또는 제어 유닛(210)의 다른 곳에 저장된 명령어들과의 인터페이스로서 작용할 수 있다.
부가적으로, 컴퓨터 시스템은 사용자가 시스템의 임의의 구성요소들과 상호작용할 수 있게 하도록 구성된 입력 디바이스(317)를 포함할 수 있다. 입력 디바이스(317)는 숫자 패드, 키보드, 또는 마우스와 같은 커서 제어 디바이스, 또는 조이스틱, 터치 스크린 디스플레이, 리모콘 또는 제어 유닛(210)과 상호작용하도록 동작가능한 임의의 다른 디바이스일 수 있다. 입력 디바이스(317)는 사용자로부터 도구 위치 제어를 수신할 수 있다. 도구 위치 제어는 전술된 하나 이상의 액추에이터에 적용될 수 있다. 입력 디바이스(317)는 또한 하드스톱 취급을 조정하기 위한 물리적 상수(a, b)들 및/또는 미리 결정된 상수(c)를 포함하는 설정 또는 구성을 수신할 수 있다. 입력 디바이스(317)는 외측 범위(523), 중간 범위(521), 및 내측 범위(521)를 한정하기 위한 하나 이상의 경계, 예를 들어 θjmin, θjmax, θjmin,limit 및 θjmax,limit에 대한 값들을 수신할 수 있다.
본 개시는 네트워크에 연결된 디바이스가 네트워크를 통해 음성, 비디오, 오디오, 이미지들 또는 임의의 다른 데이터를 통신할 수 있도록 명령어들을 포함하거나 신호에 응답하여 명령어들을 수신 및 실행하는 컴퓨터 판독가능 매체를 고려한다. 또한, 명령어들은 통신 인터페이스(318)를 통해 네트워크를 거쳐 송신되거나 수신될 수 있다. 통신 인터페이스(318)는 프로세서(312)의 일부일 수 있거나 별도의 구성요소일 수 있다. 통신 인터페이스(218)는 하드웨어의 물리적 연결일 수 있다. 통신 인터페이스(318)는 네트워크, 외부 매체들, 디스플레이 유닛(319), 또는 시스템의 임의의 다른 구성요소들, 또는 이들의 조합과 연결하도록 구성된다. 네트워크와의 연결은 유선 이더넷 연결과 같은 물리적 연결일 수 있거나, 무선으로 확립될 수 있다. 마찬가지로, 시스템의 다른 구성요소들과의 부가의 연결은 물리적 연결일 수 있거나, 무선으로 확립될 수 있다.
본 명세서에 기술된 실시예들의 예시는 다양한 실시예의 구조에 대한 일반적인 이해를 제공하기 위한 것이다. 예시들은 본 명세서에 기술된 구조들 또는 방법들을 활용하는 장치들 및 시스템들의 모든 요소들 및 특징들에 대한 완전한 설명으로서의 역할을 하도록 의도되지 않았다. 많은 다른 실시예들이 본 개시를 검토하는 경우에 당업자에게 명백할 수 있다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 구조적 및 논리적 대체 및 변경이 이루어질 수 있도록, 다른 실시예들이 본 개시로부터 이용 및 유도될 수 있다. 또한, 예시들은 단지 표현적인 것일 뿐이며 일정한 축척으로 작성되지 않을 수 있다. 예시들 내의 소정 부분들은 과장될 수 있는 한편, 다른 부분들은 최소화될 수 있다. 따라서, 본 개시 및 도면들은 제한적이기보다는 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
본 명세서는 많은 구체적인 상세사항들을 포함하지만, 이들은 본 발명 또는 청구될 수 있는 것의 범위에 대한 제한으로서가 아니라, 오히려 본 발명의 특정 실시예들에 고유한 특징들의 설명으로서 해석되어야 한다. 별개의 실시예들의 맥락에서 본 명세서에 기술된 소정 특징들은 또한 단일 실시예에서 조합되어 구현될 수 있다. 반대로, 단일 실시예의 맥락에서 기술된 다양한 특징부들이 또한 다수의 실시예들에서 개별적으로 또는 임의의 적합한 하위 조합으로 구현될 수 있다. 게다가, 특징부들이 소정의 조합들로 작용하는 것으로 기술될 수 있고 심지어 처음에 그와 같이 청구될 수 있지만, 몇몇 경우에서, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징부가 조합으로부터 삭제될 수 있고, 청구된 조합은 하위 조합, 또는 하위 조합의 변형에 관한 것일 수 있다.
유사하게, 동작들이 특정 순서로 도면에 묘사되고 본 명세서에 기술되지만, 이는, 원하는 결과들을 달성하기 위해, 그러한 동작들이 예시된 특정 순서로 또는 순차적인 순서로 수행되거나, 또는 모든 예시된 동작들이 수행되는 것을 요구하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 소정 상황들에서, 멀티태스킹 및 병렬 처리가 유리할 수 있다. 더욱이, 상기에 기술된 실시예에서의 다양한 시스템 구성요소의 분리는 모든 실시예에서 그러한 분리를 요구하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 기술된 프로그램 구성요소들 및 시스템들은 일반적으로 단일 소프트웨어 제품에 함께 통합되거나 다수의 소프트웨어 제품으로 패키징될 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims (20)

  1. 수술 도구(surgical tool)의 엔드 이펙터(end effector)와 하드스톱(hardstop) 사이의 충돌을 보상하기 위한 장치로서,
    샤프트에 의해 상기 엔드 이펙터에 연결되는 도구 구동기로서, 상기 도구 구동기는 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 의해 구동되는 관절운동(articulation) 구동 디스크를 적어도 가지며, 상기 관절운동 구동 디스크는 상기 도구 구동기를 상기 엔드 이펙터에 연결하는 상기 샤프트의 길이방향 축에 대응하는 평면 내에서의 상기 엔드 이펙터의 관절운동 움직임에 대응하는, 상기 도구 구동기; 및
    하나 이상의 프로세서를 포함하며,
    상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 관절운동 구동 디스크 또는 상기 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 관절운동 조인트 위치를 계산하고,
    상기 관절운동 구동 디스크 또는 상기 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 관절운동 조인트 토크를 계산하고,
    상기 관절운동 조인트 위치 및 상기 관절운동 조인트 토크에 기초하여 토크 비를 결정하고,
    하드스톱을 보상하기 위해 상기 토크 비에 응답하여 상기 관절운동 구동 디스크 또는 상기 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 관절운동 조인트 조절을 계산하도록 구성되는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 관절운동 조인트 조절을 사용하여 사용자 명령을 조절하고,
    조절된 사용자 명령을 상기 도구 구동기에 제공하도록 구성되는, 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 관절운동 조인트 위치는 상기 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 적어도 하나의 측정된 모터 위치와 상기 수술 도구에 대한 적어도 하나의 특성 상수 사이의 관계에 기초하여 계산되는, 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 조인트 위치(
    Figure pct00059
    )에 대한 관계는,
    Figure pct00060

    에 의해 제공되고,
    상기 적어도 하나의 측정된 모터 위치는 상기 하나 이상의 대응하는 회전 모터 중 제1 모터에 대한 제1 모터 위치
    Figure pct00061
    및 상기 하나 이상의 대응하는 회전 모터 중 제2 모터에 대한 제2 모터 위치
    Figure pct00062
    를 포함하며, 상기 적어도 하나의 특성 상수는 제1 상수(a) 및 제2 상수(b)를 포함하는, 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 관절운동 조인트 토크는 상기 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 적어도 하나의 측정된 토크와 상기 수술 도구에 대한 적어도 하나의 특성 상수 사이의 관계에 기초하여 계산되는, 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 조인트 토크(τj)에 대한 관계는,
    Figure pct00063

    에 의해 제공되고,
    상기 적어도 하나의 측정된 토크는 상기 하나 이상의 대응하는 회전 모터 중 제1 모터에 대한 제1 토크(τm1) 및 상기 하나 이상의 대응하는 회전 모터 중 제2 모터에 대한 제2 토크(τm2)를 포함하며, 상기 적어도 하나의 특성 상수는 제1 상수(a) 및 제2 상수(b)를 포함하는, 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 조인트 토크(τj)에 대한 관계는 정적 힘 분석에 기초하는, 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 토크 비는 상기 조인트 위치와 위치 임계치 사이의 적어도 하나의 비교 또는 상기 조인트 토크와 토크 임계치 사이의 적어도 하나의 비교에 기초하여 결정되는, 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 조인트 위치가 최소 값
    Figure pct00064
    과 최대 값
    Figure pct00065
    에 의해 경계가 이루어지는 보상 범위 내에 있을 때 그리고 최소 한계 값
    Figure pct00066
    과 최대 한계 값
    Figure pct00067
    에 의해 경계가 이루어지는 경계외 범위의 밖에 있을 때 조인트 위치 백분율
    Figure pct00068
    을 계산하도록 구성되는, 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 조인트 위치 백분율
    Figure pct00069
    은,
    Figure pct00070
    일 때,
    Figure pct00071
    이거나,
    Figure pct00072
    일 때,
    Figure pct00073
    인, 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 토크 비
    Figure pct00074
    는,
    Figure pct00075

    에 기초하여 결정되고,
    여기서, 상수(c)는 미리 결정된 값인, 장치.
  12. 제11항에 있어서, c는 상기 조인트 위치 백분율
    Figure pct00076
    이 백분율 임계치 미만일 때 0으로 설정되는, 장치.
  13. 수술 도구의 엔드 이펙터와 하드스톱 사이의 충돌을 보상하기 위한 방법으로서,
    상기 엔드 이펙터를 연결하는 샤프트의 길이방향 축에 대응하는 평면 내에서의 상기 엔드 이펙터의 관절운동 움직임을 위해 관절운동 구동 디스크 또는 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 관절운동 조인트 위치를 계산하는 단계;
    상기 관절운동 구동 디스크 또는 상기 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 관절운동 조인트 토크를 계산하는 단계;
    상기 관절운동 조인트 위치 및 상기 관절운동 조인트 토크에 기초하여 토크 비를 결정하는 단계; 및
    하드스톱을 보상하기 위해 상기 토크 비에 응답하여 관절운동 조인트 조절을 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 관절운동 조인트 조절을 사용하여 사용자 명령을 조절하는 단계; 및
    조절된 사용자 명령을 상기 관절운동 구동 디스크에 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 관절운동 조인트 위치는 상기 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 적어도 하나의 측정된 모터 위치와 상기 수술 도구에 대한 적어도 하나의 특성 상수 사이의 관계에 기초하여 계산되는, 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 관절운동 조인트 토크는 상기 하나 이상의 대응하는 회전 모터에 대한 적어도 하나의 측정된 토크와 상기 수술 도구에 대한 적어도 하나의 특성 상수 사이의 관계에 기초하여 계산되는, 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 조인트 위치가 최소 값
    Figure pct00077
    과 최대 값
    Figure pct00078
    에 의해 경계가 이루어지는 보상 범위의 내부에 있을 때 그리고 최소 한계 값
    Figure pct00079
    과 최대 한계 값
    Figure pct00080
    에 의해 경계가 이루어지는 경계외 범위의 밖에 있을 때 조인트 위치 백분율
    Figure pct00081
    을 계산하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 조인트 위치 백분율
    Figure pct00082
    은,
    Figure pct00083
    일 때,
    Figure pct00084
    이거나,
    Figure pct00085
    일 때,
    Figure pct00086
    인, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 토크 비
    Figure pct00087
    는,
    Figure pct00088

    에 기초하여 결정되고,
    여기서, 상수(c)는 미리 결정된 값인, 방법.
  20. 수술 도구의 엔드 이펙터와 하드스톱 사이의 충돌을 보상하기 위한 장치로서,
    샤프트에 의해 상기 엔드 이펙터에 연결되는 도구 구동기로서, 상기 도구 구동기는 제1 모터에 의해 구동되는 제1 관절운동 구동 디스크 및 제2 모터에 의해 구동되는 제2 관절운동 구동 디스크를 가지며, 상기 제1 관절운동 구동 디스크 및 상기 제2 관절운동 구동 디스크는 상기 도구 구동기를 상기 엔드 이펙터에 연결하는 상기 샤프트의 길이방향 축에 대응하는 평면 내에서 상기 엔드 이펙터를 이동시키도록 협력하는, 상기 도구 구동기; 및
    하나 이상의 프로세서를 포함하며,
    상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 제1 모터 또는 상기 제2 모터에 대한 관절운동 조인트 위치를 계산하고,
    상기 제1 모터 또는 상기 제2 모터에 대한 관절운동 조인트 토크를 계산하고,
    상기 관절운동 조인트 위치 및 상기 관절운동 조인트 토크에 기초하여 토크 비를 결정하고,
    상기 엔드 이펙터가 관련되는 충돌을 보상하기 위해 상기 토크 비에 기초하여 사용자로부터 수신되어진 명령된 관절운동 조인트 위치를 조절하도록 구성되는, 장치.
KR1020237015119A 2020-10-05 2021-10-01 수술 도구를 위한 관절운동 조인트 하드스톱 취급 KR20230082654A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8224484B2 (en) * 2007-09-30 2012-07-17 Intuitive Surgical Operations, Inc. Methods of user interface with alternate tool mode for robotic surgical tools
US9522003B2 (en) * 2013-01-14 2016-12-20 Intuitive Surgical Operations, Inc. Clamping instrument
JP6530422B2 (ja) * 2014-03-17 2019-06-12 インテュイティブ サージカル オペレーションズ， インコーポレイテッド 能動的な付勢を伴う定荷重ばね
US10145747B1 (en) * 2017-10-10 2018-12-04 Auris Health, Inc. Detection of undesirable forces on a surgical robotic arm
US11564756B2 (en) * 2017-10-30 2023-01-31 Cilag Gmbh International Method of hub communication with surgical instrument systems
US10835335B2 (en) * 2018-03-12 2020-11-17 Ethicon Llc Cable failure detection
EP3829477A1 (en) * 2018-07-30 2021-06-09 Intuitive Surgical Operations, Inc. Hard stop protection system and method
US11406457B2 (en) * 2018-08-20 2022-08-09 Verb Surgical Inc. Method and system for engagement of a surgical tool with actuators of a tool drive in a surgical robotic system
CN111730594A (zh) * 2020-06-11 2020-10-02 长春工业大学 一种模块化机器人面向外部碰撞的分散控制方法及系统

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