KR20230160817A - 의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 마스터-슬레이브 로봇 시스템의 비구속 마스터 장치의 동작 이상상태를 검출하는 방법 및 관련 로봇 시스템 - Google Patents
의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 마스터-슬레이브 로봇 시스템의 비구속 마스터 장치의 동작 이상상태를 검출하는 방법 및 관련 로봇 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 로봇 시스템에 사용된 핸드-헬드의 기계적으로 비구속된 마스터 장치 사용에서 적어도 하나의 이상상태 조건을 식별하는 방법이 설명된다.
그러한 방법은 하나 이상의 센서들이 마스터 장치에 속하거나 통합되는 적어도 하나의 포인트, 또는 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 위치 벡터를 검출하는 단계; 및 그런 다음 상술한 적어도 하나의 검출된 위치 벡터 또는 적어도 하나의 검출된 위치 벡터의 적어도 하나의 성분에 기반하여 적어도 하나의 검출가능한 이상상태 조건을 식별하는 단계를 포함한다.
상술한 검출가능한 이상상태들은 마스터 장치의 사전결정된 작업공간에 대해 마스터 장치의 적어도 하나의 부정확한 포지셔닝을 포함한다.
그러한 검출가능한 이상상태들 각각은 이상상태가 검출되었다면 수행된 적어도 하나의 시스템 상태 변경과 연관되고, 그러한 적어도 하나의 시스템 상태 변경은 원격동작 상태에서 이탈하는 단계를 포함한다.
의료용 또는 수술용 원격동작을 위한 로봇 시스템이 상술한 방법을 수행하도록 더 설명, 구성된다.
그러한 방법은 하나 이상의 센서들이 마스터 장치에 속하거나 통합되는 적어도 하나의 포인트, 또는 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 위치 벡터를 검출하는 단계; 및 그런 다음 상술한 적어도 하나의 검출된 위치 벡터 또는 적어도 하나의 검출된 위치 벡터의 적어도 하나의 성분에 기반하여 적어도 하나의 검출가능한 이상상태 조건을 식별하는 단계를 포함한다.
상술한 검출가능한 이상상태들은 마스터 장치의 사전결정된 작업공간에 대해 마스터 장치의 적어도 하나의 부정확한 포지셔닝을 포함한다.
그러한 검출가능한 이상상태들 각각은 이상상태가 검출되었다면 수행된 적어도 하나의 시스템 상태 변경과 연관되고, 그러한 적어도 하나의 시스템 상태 변경은 원격동작 상태에서 이탈하는 단계를 포함한다.
의료용 또는 수술용 원격동작을 위한 로봇 시스템이 상술한 방법을 수행하도록 더 설명, 구성된다.
Description
본 발명은 의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 마스터-슬레이브 로봇 시스템의 비구속(unconstrained) 마스터 장치의 동작 이상상태 검출 방법 및 상술한 방법의 수행하도록 장착된 의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 해당 마스트-슬레이브 로봇 시스템에 관한 것이다.
원격 동작 로봇 수술의 맥락에서, 의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 마스터-슬레이브 로봇 시스템에 대해, 마스터 장치가 효과적인 작용 및 환자의 안전을 보장하도록 조정되어 잘 기능하고 있는지, 기대 조건에서 동작하는지 여부를 실시간으로 평가하는 것은 매우 중요하고, 마스터 장치가 비정상적인 조건 또는 상황에서 동작하고 있지 않는지를 실시간으로 검증하는 것도 중요하다.
이러한 필요성은 비구속의, 자기적으로(magnetically) 또는 광학적으로 검출된 인터페이스를 갖는 마스터 장치의 맥락에서 또는 기계적으로 구속되어 있는 인터페이스를 갖는 마스터 장치의 맥락에서 모두 나타난다.
기계적으로 비구속 또는 "비접지(ungrounded)" 마스터 장치 (예를 들어, 동일 출원자의 WO-2019-220407, WO-2019-220408 및 WO-2019-220409 에 보이는, 효과적이고 유리한 해법으로 최근 나타남)의 맥락에서, 상술한 요구조건은 복잡한 기술적 도전이 되고 있다.
특히, 마스터가 기계적으로 구속되어 있거나 동력으로 동작되지 않는 마스터-슬레이브 로봇 시스템에서, 마스터 장치의 제어되지 않는 수술 상황에서 도출한 의도되지 않은 명령을 수술 (또는 마이크로 수술) 장치로의 송신이 방지되어 환자에 대한 위험을 피해야 한다.
기계적으로 비구속되어 있는 (또는 "비접지" 또는 "접지 없는") 마스터 장치를 갖는 의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 기존의 로봇 마스터-슬레이브 시스템은, 특히 마스터 장치의 동작 또는 조건의 어떤 이상상태가 환자에게 보다 심각할 수 있는 결과로 작동하도록 의도된 슬레이브 장치 및 그와 관련된 수술 장비의 동작 결과에 따른 이상상태를 식별할 수 있다는 사실로부터 도출한 매우 엄격한 안전 요구조건을 고려한다면, 상술한 필요성이 완전히 만족스러운 해법을 제공하지 못한다. 비구속 마스터를 갖는 로봇 수술을 위한 해법의 예가, 마스터가 외과의사에 의해 마모되는, US-2011-118748 문서에 보이고, WO-2020-0092170에서는 마스터 몸체가 실질적으로 타원형을 갖는다.
예를 들어, 특허문서 US-2019-380791는 품질 측정의 추정이 주어진 임계치보다 낮으면 시스템이 비구속 마스터의 운동에도 불고하고 원격조작을 중지시킬 수 있게 하기 위해, 서로의 검출 오류를 보상하고 따라서 검출 신호의 품질측정을 추정하도록 비구속 마스터 장치에 추적 센서 및 하나 이상의 카메라들 외에 IMU(inertial measurement unit)를 제공할 것을 제안하고 있다
따라서, 이러한 맥락에서, 마스터 동작 장치의 이상상태 동작 조건을 실시간으로 검증하기 위한 절차를 적용할 필요가 강하게 나타나고, 그러한 절차는 그러한 적용에 필요한 엄격한 안전 요구조건을 만족하기 위해 효율적이고, 신뢰할 수 있는 의료용 또는 수술 원격 동작을 위한 로봇 제어 시스템에 의해 자동으로 행해진다.
본 발명의 목적은 의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 로봇 마스터-슬레이브 시스템의 마스터 장치의 동작 이상상태를 검출하는 방법을 제공하는 것이고, 이는 종래 기술을 참조하여 위에서 설명한 단점을 적어도 부분적으로 해결하고, 특히 해당 기술 분야에서 나타나는 상술한 필요성에 응답하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1에 따른 방법에 의해 달성된다.
이러한 방법의 추가 실시예들은 청구항 2 항 내지 30항으로 정의된다.
본 발명의 다른 목적은 마스터 장치에서 검출된 이상상태를 관리하는 방법을 제공하는 것으로, 방법은 마스터 장치의 이상상태 검출을 위한 상술한 방법을 수행하는 단계를 포함한다. 이 방법은 청구항 31항으로 정의된다.
또한 본 발명의 목적은 상술한 이상상태 검출 방법을 수행하도록 장착된 의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 로봇 시스템을 제공하는 것이다. 이러한 목적은 청구항 32에 따른 시스템에 의해 달성된다.
이러한 방법의 추가 실시예들은 청구항 33 항 내지 47항으로 정의된다.
본 발명에 따른 시스템 및 방법의 추가 특징과 장점은 첨부된 도면을 참조하여, 지표적이고 제한되지 않는 예로서 주어진 바람직한 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1 및 2(a) 및 2(b)는 "그립퍼(gripper) 구조의 마스터 장치의 실시예에 적용된 본 발명의 방법에 사용된 기하학 파라미터들과 기준 프레임들을 보여준다;
도 3(a) 및 3(b)는 방법 실시예에서 제공된, 마스터 장치 가공물(workpiece)로부터의 입력(a) 및 출력(b) 병진들(translations)을 도시적으로 보여준다;
도 4는 적어도 하나의 마스터 장치 가공물이 연관된, 본 발명에 따른, 원격동작 시스템의 실시예를 도시적으로 보여준다;
도 4a는 마스터 장치 가공물을 갖는 원격동작 시스템의 다른 실시예를 도식적으로 보여준다;
도 5, 5a, 5b, 6, 6a, 6b 상술한 마스터 장치 가공물의 일부 실시예들을 도식적으로 보여준다;
도 7 및 8은 본 방법의 일부 실시예들에 따른, 마스터 장치의 속도에 근거하여 검출가능한 일부 이상상태를 도시적으로 보여준다;
도 9 및 9 9a는 상술한 마스터 장치 가공물의 일부 실시예들을 도식적으로 보여준다;
도 10은 마스터 장치의 실시예를 도시적으로 보여준다.
도 1 및 2(a) 및 2(b)는 "그립퍼(gripper) 구조의 마스터 장치의 실시예에 적용된 본 발명의 방법에 사용된 기하학 파라미터들과 기준 프레임들을 보여준다;
도 3(a) 및 3(b)는 방법 실시예에서 제공된, 마스터 장치 가공물(workpiece)로부터의 입력(a) 및 출력(b) 병진들(translations)을 도시적으로 보여준다;
도 4는 적어도 하나의 마스터 장치 가공물이 연관된, 본 발명에 따른, 원격동작 시스템의 실시예를 도시적으로 보여준다;
도 4a는 마스터 장치 가공물을 갖는 원격동작 시스템의 다른 실시예를 도식적으로 보여준다;
도 5, 5a, 5b, 6, 6a, 6b 상술한 마스터 장치 가공물의 일부 실시예들을 도식적으로 보여준다;
도 7 및 8은 본 방법의 일부 실시예들에 따른, 마스터 장치의 속도에 근거하여 검출가능한 일부 이상상태를 도시적으로 보여준다;
도 9 및 9 9a는 상술한 마스터 장치 가공물의 일부 실시예들을 도식적으로 보여준다;
도 10은 마스터 장치의 실시예를 도시적으로 보여준다.
도 1 내지 10을 참조하여 작업자가 손에 들도록(또는 지지되도록) 의도되고, 기계적으로 구속되지 않은 (즉, 기계적으로 접지되지 않은), 의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 로봇 시스템의 제어에 사용되는 핸드-헬드(hand-held) 마스터 장치의 사용에서 적어도 하나의 이상상태/결함을 식별 및 인식 및/또는 판별하는 방법이 설명된다.
그러한 방법은 하나 이상의 센서들이 마스터 장치에 속하거나 통합되는 적어도 하나의 포인트, 또는 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 위치 벡터를 검출하는 단계; 및 적어도 하나의 검출된 위치 벡터 또는 적어도 하나의 검출된 위치 벡터의 적어도 하나의 성분에 기반하여 적어도 하나의 검출가능한 이상상태/결함을 식별 및 인식 및/또는 판별하는 단계를 포함한다.
상술한 검출가능한 이상상태/결함들은 마스터 장치의 사전결정된 가공물에 대해 마스터 장치의 적어도 하나의 부정확한 포지셔닝(positioning)을 포함한다.
그러한 검출가능한 이상상태/결함들 각각은 이상상태/결함이 검출되었다면 수행된 적어도 하나의 시스템 상태 변경과 연관되고, 그러한 적어도 하나의 시스템 상태 변경은 원격동작 상태에서 이탈하는 단계를 포함한다.
구현 옵션에 따르면, 식별 단계는 상술한 검출된 위치 벡터의 적어도 하나의 성분에 기반하여 적어도 하나의 검출가능한 이상상태/결함 조건을 식별하는 단계를 포함한다.
일실시예에 따르면, 방법은 상기 하나 이상의 센서들이 상술한 위치 벡터의 시간에 따른 변화를 검출하는 추가 단계를 포함한다.
일실시예에 따르면, 방법은 상술한 마스터 장침 및 슬레이브 장치를 포함하고, 제어부를 더 포함하는, 의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 로봇 시스템의 맥락에서 수행된다.
마스터 장치는 수술하는 동안 외과의사가 손에 들도록 기계적으로 비접지되고, 외과의사의 수동 명령을 검출하여 제1 전기 명령 신호를 생성하도록 구성된다.
적어도 하나의 슬레이브 로봇 조립체는 마스터 장치에 의해 제어된 방식으로, 환자의 신체상에서 동작하도록 구성된 적어도 하나의 수술 장비를 포함하고, 따라서 마스터 장치의 운동은 슬레이브 장치의 의도되고 제어되는 운동을 초래한다.
컴퓨터를 구비한 제어부는 마스터 장치로부터 상술한 제1 전기 명령 신호를 수신하고, 제1 전기 명령 신호에 기반하여 제2 전기 명령 신호를 생성하고, 슬레이브 로봇 조립체에 제2 전기 명령 신호를 제공하여 적어도 하나의 슬레이브 수술 장비를 구동하도록 구성된다.
또한, 제어부는 작동적으로 상술한 하나 이상의 센서들에 연결되고, 검출된 위치 벡터 및 또는 시간에 따른 관련 변화를 대표하는 적어도 하나의 제3 전기 신호 또는 상기 제1 전기 신호를 수신하고, 적어도 하나의 검출가능한 이상상태를 식별하는 상술한 단계를 수행하도록 구성된다.
검출 가능한 이상상태/결함이 허용된 대로 사전 결정된 공간 한계 밖에서 마스터 장치의 금지된 포지셔닝을 검출하는 단계를 포함하는 방법 실시예에 따르면, 해당 방법은 다음의 단계들:
- 마스터 장치에 속하거나 통합된 상술한 적어도 하나의 포인트 또는 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 검출된 위치를, 상술한 사전 결정된 사전 공간 한계들을 대표하는 사전 결정된 한계 표면과 비교하는 단계;
- 검출된 위치가 상술한 사전결정된 한계 표면 밖에 있다면 마스터 장치의 상술한 금지된 포지셔닝의 이상상태/결함을 식별하는 단계를 포함한다.
마스터 장치에 속하거나 통합된 상술한 적어도 하나의 포인트 또는 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 상술한 위치, 및 상술한 사전 결정된 한계 표면은 원격동작 수술용 로봇 시스템과 연관되고 사전 설정된 포인트에서 사전결정된 축들 (X, Y, Z) 와 원점 O를 갖는 기준 좌표 프레임 (x, y, z)에 대해 정의된다. 따라서, 마스터 장치 작업공간은 특정 좌표에 의해 정의된 기하학을 갖는 공간이고 기준 좌표 프레임/ 기준 좌표계에 대한 것이다.
상술한 방법 실시예의 구현 옵션에 따르면, 상술한 허용된 공간 한계는 구 형상의 작업공간으로 정의되고, 상술한 사전결정된 한계 표면은 그러한 구의 구 표면이다.
상술한 방법 실시예의 다른 구현 옵션에 따르면, 상술한 허용 공간 한계는 박스 또는 평행 6면체 또는 대체로 다면체적 (즉, 반구들의 볼록한 교차)의 형태의 작업 공간이고, 상술한 사전결정된 한계 표면은 그러한 박스 또는 평행 6면체 또는 다면체적의 표면이다.
의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 로봇 시스템이 동작 콘솔을 포함하는 방법 실시예에 따르면, 상술한 기준 좌표 프레임은 로봇 시스템 콘솔에 통합 및/또는 상술한 적어도 하나의 수술용 의자에 통합된다.
일실시예에 따르면, 마스터 장치 작업공간은 동작 콘솔에 통합되거나 그에 구속된다.
일실시예에 따르면, 마스터 장치 작업공간은 작업자의 손 및 작업자의 정확한 자세, 팔의 이동성 및 안락함을 보장하는 공간 내에서 비구속 핸드-헬드 마스터 장치의 운동을 포함하도록 동작 콘솔에 대해 배치된다.
일실시예에 따르면, 작업공간의 크기와 형상은, 안전하고 편안한 원격동작을 위해 비구속 마스터 장치를 이용하여 동작하는 동안 외과의사의 자세, 이동성 및 운동에 기반한다.
기준 프레임, 예를 들어, 동작 콘솔과 통합된 기준 프레임에 대해 정의된 기하학으로 그러한 작업공간을 제공함으로써, 비구속 마스터와 함께 동작하는 동안 외과의사의 자세와 이동성을 최적화하고, 안전하고 편안한 원격동작을 보장할 수 있고, 마스터 장치가 외과의사에 의해 콘솔과 통합된 작업공간의 일정 한계 표면을 초과하여 이동되면, 시스템은 원격동작을 제한하거나 중지한다.
일실시예에서, 그러한 동작 콘솔은 수술하는 동안 외과의사가 앉는 적어도 하나의 착석 표면을 포함하는 적어도 하나의 수술용 의자를 포함하고, 상술한 기준 좌표 시스템은 상술한 적어도 하나의 수술용 의자와 통합된다.
일실시예에서, 방법은 사전 결정된 추적 공간 내에서 상기 마스터 장치의 입력 위치 및 방향의 검출에 적합한 적어도 하나의 추적 시스템을 더 포함하는 수술용 또는 의료용 원격동작을 위한 로봇 시스템에 적용되고, 따라서 슬레이브 수술 장비의 구동은 마스터 장치를 통해 외과의사에 의해 주어진 수동 명령 및/또는 마스터 장치의 위치 및 방향에 의존한다.
그러한 일실시예의 구현 옵션에서, 상술한 마스터 장치의 작업공간은 상술한 추적 공간 내에 포함되고, 해당 추적 공간의 서브세트이다.
추적 공간의 그러한 서브세트 제공에 따라, 안전하고 편안한 원격 동작을 위한 비구속 마스터 장치로 작업하는 동안 외과의사의 자세, 이동성 및 운동을 최적화할 수 있다.
방법 실시예에 따르면, 위치를 검출하는 상기 단계는 하나 이상의 자기 센서들에 의해 수행된다.
자기 센서들 각각은 마스터 장치에 속하는 또는 통합된 적어도 하나의 포인트 각각에 배열되고, 원격 동작 수술용 로봇 시스템의 일부에 구속된 자계(magnetic field) 생성기에 의해 생성된 자계의 국소 값을 검출하도록 구성된다.
그러한 경우, 기준 좌표 프레임은 상술한 자기 방사기(magnetic emitter)에 원점을 갖고 세 개의 직교하는 축 X, Y, Z를 갖는다
로봇 시스템이 추적 시스템을 포함하는, 위에서 이미 개시된 해당 경우에, 상술한 자계 생성기는 그러한 추적 시스템에 속한다.
다른 방법 실시예에 따르면, 상술한 위치 검출 단계는 의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 로봇 시스템과 연관된 및/또는 그에 구속된 적어도 하나의 광학 센서 또는 카메라에에 의해 수행된다.
그러한 경우, 상술한 기준 좌표 프레임은 광학 센서 또는 카메라의 내부 기준 좌표계이다.
위에 개시된 실시예의 상이한 가능한 구현 옵션들에 따르면, 상술한 적어도 하나의 광학 센서 또는 카메라는 수술용 의자에 구속되고 및/또는 통합되고, 외과의사에 통합되도록 외과의사가 착용할 수 있는 지지체에 장착된다.
방법 실시예에 따르면, 마스터 장치의 작업공간에 포함된 원격동작 시작 공간이 사전 결정. 즉, 마스터 장치 작업공간의 서브세트이다.
그러한 경우, 방법은 마스터 장치의 검출된 위치가 상술한 원격동작 시작 공간 내에 위치해야만 원격동작을 시작하는 단계 또는 준비를 확인하는 시작 단계를 포함한다.
마스터 장치가 핸드-헬드인 비구속 마스터 장치이고, 공통 축에 대해 상대적으로 회전 또는 병진하는 두 강체 파트들을 포함하는 방법 실시예에 따르면, 상술한 위치를 검출하는 단계는 각 센서가 적어도 두 검출가능한 포인트의 위치 벡터 및/또는 시간에 따른 위치 벡터의 변화를 검출하는 단계를 포함하고, 제1 포인트는 마스터 장치의 상술한 강체 파트 중 하나에 속하거나 통합되고, 제2 포인트는 장치의 상술한 강체 파트 중 다른 하나에 속하거나 통합된다.
실제로, 방법은, 예를 들어, (도 1 및 2에 도시된) "그립퍼" 구조를 갖는 마스터 장치에 적용될 수 있고, 해당 구조는, 마스터 장치의 상술한 강체 파트들 중 적어도 하나 (또는 모두)의 종방향 연장에 직교하는 공통 횡축에 대해 탄성적으로 회전한다.
방법은 또한, 예를 들어, "펜" 구조 (도 10 참조)를 갖는 마스터 장치에 적용될 수 있고, 해당 구조는, 마스터 장치의 상술한 강체 파트들 중 적어도 하나 (또는 모두)의 종방향 연장에 일치하는 종축을 따라 병진한다.
방법의 다양한 가능한 실시예에 따르면, 상술한 산출 단계는 상기 적어도 두 검출가능한 포인트들의 위치 벡터를 산출하는 단계 또는 상기 적어도 두 검출된 포인트들 중 하나의 위치 벡터를 산출하는 단계를 포함한다.
추가 구현 옵션에 따르면, 상기 산출하는 단계는 다음의 두 추가 포인트들 중 적어도 하나의 위치 벡터를 포함하고, 두 추가 포인트들은 상기 두 검출된 포인트들 사이의 중간 포인트, 및/또는 상기 마스터 장치 및/또는 마스터 장치의 회전 조인트 및/또는 마스터 장치의 직선형(prismatic) 조인트의 무게 중심이다.
마스터 몸체가 두 선단(tip)과 자유 단부들을 포함하고, 제1 선단 또는 자유 단부는 마스터 장치의 강체들 중 하나에 속하거나 통합되고, 제2 선단 또는 자유 단부는 장치의 강체들 중 다른 하나에 속하거나 통합되는 방법 실시예에 따르면, 상술한 두 검출가능한 포인트들은 마스터 장치의 두 선단들 또는 자유 단부들 중 각 하나에 해당 및/또는 연관된다.
일실시예에 따르면, 마스터 장치가 허용된 공간 한계 밖에 있다고 판단된 경우, 방법은 로봇 시스템에 의한 원격 동작을 즉시 유예하는 추가 단계를 포함한다. 그러한 경우, 이상상태 검출에 의해 초래된 시스템 상태 변경은 원격 동작 상태에서 로봇 시스템의 즉시 종료이거나 원격동작 상태의 즉시 유예이다.
바람직하게, 허용된 공간 한계는 원격동작을 위해 특별히 구축된 작업공간을 정의하고, 이는 마스터 장치 위치의 물리적 측정 공간에 해당하지 않는다.
일실시예에 따라, 마스터 장치가 근접 임계치 ε 내에서 상술한 공간 한계 및/또는 방향 한계에 가깝다고 판단되는 경우, 방법은 음향 및/또는 시각 통신 신호를 통해 장치의 허용된 공간 한계에 대한 근접 조건을 작업자와 소통하는 추가 단계를 포함하고, 이는 작업자에게 공간 한계로부터의 이탈을 피하고 따라서 원격동작 종료를 피하도록 작동하게 한다.
구현 옵션에 따르면, 상술한 통신 신호는 음향 신호이고, 음향 신호는 근접 임계치 ε과 공간 한계에 해당하는 표면 사이의 간격에서 마스터 장치 또는 슬레이브 장치의 공간 한계로부터 거리가 감소하면서 신호의 주파수가 증가한다.
구현 옵션에 따르면, 상술한 통신 신호는 시각 신호이고, 시각 신호의 통신 주파수는 근접 임계치 ε과 공간 한계에 해당하는 표면 사이의 간격에서 마스터 장치 또는 슬레이브 장치의 공간 한계로부터 거리가 감소하면서 신호의 주파수가 증가한다.
그러한 실시예의 다양한 가능한 구현 옵션에 따르면, 방법은: 마스터 장치가 허용된 공간 한계로 리턴하는 것이 실시간으로 검출될 때 로봇 시스템의 원격동작의 재시작을 허용하는 단계; 또는, 마스터 장치가 허용된 공간 한계로 리턴하는 것이 실시간으로 검출되더라도 로봇 시스템의 원격동작의 재시작을 금지하고, 원격동작 및/또는 예비 재배치 동작을 준비 및 시작하기 위한 절차의 재시작을 금지하는 단계를 더 포함한다. 상술한 허용된 공간 한계는 마스터 장치 작업공간 또는 원격동작 시작 공간에 의해 정의된다.
일실시예에 따르면, 마스터 장치 작업공간은 슬레이브 장치가 원격동작으로 이동할 수 있는 원격동작 공간으로 정의된다.
일실시예에서, 상술한 원격동작 공간 주위에, 기계가 제한된 원격동작을 위해 제공하는 원격동작 유예 공간이 정의된다.
보다 상세하게, 원격동작 유예 공간은 마스터 장치 작업공간 주위로 확장되고, 마스터 장치 작업공간보다 넓다: 그러한 원격동작 유예 공간은 로봇 시스템이 제한된 원격동작에 해당하는 유예된 원격동작을 제공하는 공간이다.
바람직하게, 그러한 제한된 원격동작은 제어 포인트의 병진 운동을 금지한다. 제한된 원격동작은 슬레이브 장치의 임의의 운동을 금지한다.
유예된 원격동작을 제공하는 상술한 실시예에서, 방법은 마스터 장치가 작업공간 한계에서 이탈하여 원격동작 유예 공간으로 진입했을 때 원격동작 상태를 유예된 원격동작 상태로 절환하는 추가 단계를 포함한다.
구현 옵션에서, 원격동작 유예 공간에 대한 진입 또는 이탈은 음향 및/또는 시각 및/또는 촉각 신호로 사용자에게 표시된다.
일실시예에 따르면, 원격동작 공간의 임계치를 초과할 때 및/또는 원격동작 유예 공간의 외부 임계치를 초과할 때, 원격동작은 종료된다.
일실시예에서, 방법은 마스터 장치가 작업공간 한계 내에서 원격동작 유예 공간으로부터 리턴한 것이 검출된 경우, 원격동작의 재시작과 함께 로봇 시스템이 원격동작 상태로 리턴하는 것을 허용하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 마스터가 원격동작 유예 공간을 원격동작 공간으로 절환할 때, 시스템은 움직임과 일치하는 단계로 진입하고, 슬레이브 장치는 움직여서 마스터 장치의 새로운 자세 (위치, 방향)에 도달할 수 있다.
실시예 옵션에서, 움직임과 일치하는 단계는 슬레이브 장치의 수술 장비의 제어 포인트의 방향만이 움직하게 할 수 있다.
실시예 옵션에 따르면, 슬레이브 장치의 수술 장비의 개방/폐쇄 자유 ("그립")의 방향 및 자유도를 움직일 수 있다.
일실시예에서, 움직임과 일치시키는 단계로의 진입은 일부 검증 확인이 통과됐을 때만 허용되고, 상기 검증 확인은 적어도 다음의 확인들을 포함한다: 일정 임계치 미만인 마스터-슬레이브 방향의 불일치 및/또는 슬레이브 작업공간 내에 도달가능한 마스터의 방향 자세.
방법 실시예에 따르면, 마스터 장치 및 슬레이브 장치의 운동은 스캐일 팩터(scale factor)로 스케일링되고, 상술한 슬레이브 장치의 작업공간 및/또는 원격동작 시작 공간 및/또는 원격동작 유예 공간은 스케일 팩터에 따라 증가한다.
로봇 시스템이 두 마스터 장치를 포함하는 방법 실시예에 따르면, 방법은 마스터 장치들 중 하나만이 허용된 공간 한계에서 이탈한다면, 두 마스터 장치 모두의 원격동작을 종료하고 및 원격동작을 유예하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 방법은 슬레이브 장치가 허용된 슬레이브 장치 작업공간 내에 있는 것을 검증하는 추가 단계를 포함한다.
그러한 경우, 슬레이브 장치가 허용된 슬레이브 장치 작업공간 밖에 있다고 검증된다면, 방법은 슬레이브 장치의 포지셔닝 이상상태가 나타났음을 사용자에게 통지하는 단계 및 로봇 시스템에 의해 원격동작을 즉시 정지시키는 단계를 포함한다.
그러한 실시예의 다양한 가능한 구현 옵션에 따르면, 방법은: 마스터 장치의 추가 운동을 따라, 슬레이브 장치가 슬레이브 장치의 허용된 공간 한계로 리턴하는 것이 실시간으로 검출될 때 로봇 시스템의 원격동작의 재시작을 허용하는 단계; 또는, 슬레이브 장치가 슬레이브 장치의 허용된 공간 한계로 리턴하는 것이 실시간으로 검출되더라도 로봇 시스템의 원격동작의 재시작을 금지하고, 원격동작 및/또는 예비 재배치 동작을 준비 및 시작하기 위한 절차를 재시작하는 단계를 더 포함한다.
방법의 구현 옵션에 따르면, 슬레이브 장치 작업공간은 슬레이브 장치의 연접된 수술 장비 (또는 "엔드 이펙터 (end effector)")의 가능한 자세들 및/또는 방향들의 결과로서 슬레이브 장치의 제어 포인트에 의해 도달가능한 모든 위치들의 공간 세트를 포함한다.
일실시예에 따르면, 방법은 마스터 장치에 속하거나 통합된 상기 적어도 하나의 포인트 또는 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 선형 및/또는 각속도 및/또는 선형 및/또는 각가속도를 검출된 각각의 위치 벡터의 시간에 따른 변화에 기반하여 산출하는 추가 단계를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 방법은 마스터 장치에 속하거나 통합된 상기 적어도 하나의 포인트 또는 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 선형 또는 각속도를 검출된 각각의 위치 벡터의 시간 변화에 기반하여 산출하는 추가 단계를 포함한다.
도 1 내지 10을 다시 참조하여 작업자가 손에 들기에 (또는 지지하기에) 적합한, 기계적으로 비구속되고 (즉, 접지되지 않고), 의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 로봇 시스템의 제어에 사용되는 핸드-헬드 마스터 장치의 사용에서 적어도 하나의 이상상태/결함을 식별 및 인식 및/또는 판별하기 위한 방법에 관하여 설명된다.
그러한 방법은 마스터 장치에 속하거나 통합되는 적어도 하나의 포인트, 또는 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 속도 벡터를 검출 또는 산출하는 단계; 및 상술한 적어도 하나의 검출된 속도 벡터 또는 적어도 하나의 검출된 속도 벡터에 기반하여 또는 적어도 하나의 검출된 위치 벡터의 적어도 하나의 성분에 기반하여 적어도 하나의 검출가능한 이상상태/결함 조건을 식별 및 인식 및/또는 판별하는 단계를 포함한다.
상술한 검출가능한 이상상태/결함들은 다음의 이상상태/결함들 중 적어도 하나를 포함한다: 마스터 장치의 초과 선형 속도, 마스터 장치의 초과 각속도, 슬레이브 장치에 의한 추종 불능, 마스터 장치의 초과 진동들, 마스터 장치의 비자발적 또는 비정상적인 개방.
상기 검출가능한 이상상태/결함들 각각은 이상상태/결함이 검출된다면 수행될 적어도 하나의 시스템 상태 변경과 연관된다. 그러한 상태 변경은 원격동작 상태 종료 또는 원격동작 상태 유예를 포함한다.
방법 실시예에 따르면, 속도 벡터를 검출 또는 산출하는 단계는:
- 상술한 마스터 장치에 속하거나 통합되는 적어도 하나의 포인트, 또는 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 위치 벡터 및 위치 벡터의 시간에 따른 변화를 검출하는 단계;
- 상술한 마스터 장치에 속하거나 통합되는 적어도 하나의 포인트, 또는 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 속도 벡터를, 상술한 위치 벡터 및 검출된 시간에 따른 변화에 기반하여 선출하는 단계를 포함한다.
다른 방법 실시예에 따르면, 속도 벡터를 검출 또는 산출하는 단계는 하나 이상의 속도 센서들에 의해 속도 벡터를 검출하는 단계를 포함한다.
방법 실시예에 따르면, 마스터 장치에 속하거나 통합되는 적어도 하나의 포인트, 또는 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 적어도 하나의 가상 포인트의 선형 속도 벡터가 검출되거나 산출된다.
- 다른 방법 실시예에 따르면, 마스터 장치에 속하거나 통합되는 적어도 하나의 포인트, 또는 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 각속도 벡터가 검출 또는 산출된다.
일실시예에 따르면, 방법은 의료용 또는 수술용 원격동작을 위한 로봇 시스템에 적용되고, 로봇 시스템은:
- 수술하는 동안 외과의사가 손에 들도록 기계적으로 비접지되고, 외과의사의 수동 명령을 검출하여 제1 전기 명령 신호를 생성하도록 구성된 상기 마스터 장치;
- 마스터 장치에 의해 제어되는 방식으로, 환자의 신체상에서 동작하도록 구성된 적어도 하나의 수술 장비를 포함하고, 따라서 마스터 장치의 운동은 슬레이브 장치의 의도되고 제어되는 각각의 운동을 초래하는 적어도 하나의 슬레이브 로봇 조립체;
- 상기 마스터 장치로부터 상술한 제1 전기 명령 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 명령 신호에 기반하여 제2 전기 명령 신호를 생성하고, 상기 슬레이브 로봇 조립체에 상기 제2 전기 명령 신호를 제공하여 적어도 하나의 슬레이브 수술 장비를 구동하도록 구성된, 컴퓨터를 구비한 제어부를 포함한다.
제어부는 작동적으로 상기 하나 이상의 센서들에 연결되어 상기 검출 및/또는 측정된 가속도 벡터를 나타내는 적어도 하나의 제3 전기 신호를 수신한다.
적어도 하나의 검출가능한 이상상태/결함을 식별 및 인식 및/또는 판별하는 상술한 단계는 그러한 제어부에 의해 수행된다.
일실시예에 따르면, 속도 벡터는 기준 좌표 프레임을 참조한다.
구현 옵션에 따르면, 의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 로봇 시스템은 동작 콘솔을 포함하고, 상술한 기준 좌표 프레임은 로봇 시스템 콘솔에 퉁합된다.
구현 옵션에 따르면, 방법은 사전 결정된 추적 공간 내에서 상기 마스터 장치의 입력 위치 및 방향의 검출에 적합한 적어도 하나의 추적 시스템을 더 포함하는 수술 또는 의료용 원격동작을 위한 로봇 시스템에 적용되고, 따라서 슬레이브 수술 장비의 구동은 마스터 장치를 통해 외과의사에 의해 주어진 수동 명령 및/또는 마스터 장치의 위치 및 방향에 의존한다.
그러한 경우, 상술한 기준 좌표 프레임은 상기 추적 시스템에 의해 정의된다.
마스터 장치가 비구속 핸드-헬드 마스터 장치이고, 공통 축에 대해 상대적으로 회전 또는 병진하는 두 강체 파트를 포함하는 방법 실시예에 따르면, 상술한 속도를 검출 및/또는 산출하는 단계는 적어도 두 검출가능한 포인트의 선형 또는 각속도 벡터를 검출 및/또는 산출하는 단계를 포함하고, 제1 포인트는 마스터 장치의 상술한 강체 파트들 중 하나에 속하거나 통합되고, 제2 포인트는 장치의 상술한 두 강체 파트 중 다른 하나에 속하거나 통합된다.
방법의 다른 구현 옵션에 따르면, 마스터 장치의 동일 구성을 참조하면, 상술한 속도를 검출 및/또는 산출하는 상술한 단계는 적어도 두 검출가능한 포인트들의 선형 또는 각속도, 및/또는 다음의 추가 포인트들 중 적어도 하나의 선형 또는 각속도를 검출 및/또는 선출하는 단계를 포함한다: 상기 두 검출된 포인트들 사이의 중간 포인트, 및/또는 상기 마스터 장치 및/또는 마스터 장치의 회전 조인트 및/또는 마스터 장치의 직선형 조인트의 무게 중심이다.
구현 옵션에 따르면, 마스터 장치 몸체는 두 자유 단부들 또는 선단들(tips)을 포함하고, 두 자유 단부들 또는 선단들은 마스터 장치의 두 강체 파트들 중 하나에 속하거나 통합된 제1 자유 단부 또는 선단 및 장치의 두 강체 파트들 중 다른 하나에 속하거나 통합된 제2 자유 단부 또는 선단이다. 그러한 경우, 상술한 두 검출가능한 포인트들은 마스터 장치의 상술한 두 자유 단부들 또는 선단들과 각각 대응 및/또는 연관된다.
방법 실시예에 따르면, 상술한 이상상태/결함들 중 하나만이라도 결정된다면, 시스템에 부과된 상태 변경은 원격동작 상태에서 로봇 시스템의 즉시 종료 또는 원격동작 상태의 즉시 유예이다.
상술한 실시예의 구현 옵션에 따르면, 방법은 이전에 검출된 이상상태/결함의 종료가 실시간으로 검출되는 경우 로봇 시스템의 원격동작의 재시작을 허용하는 단계를 더 포함한다.
상술한 실시예의 구현 옵션에 따르면, 방법은 이전에 검출된 이상상태 중지가 실시간으로 검출되더라도 로봇 시스템의 원격동작 재시작을 금지하는 단계, 및 원격 동작 및/또는 예비 재배치 동작의 준비 및 시작을 위한 절차를 재시작하는 단계를 대신 제공한다.
검출가능한 이상상태/결함이 마스터 장치의 초과 선형 또는 각속도와 연관된 이상상태/결함인 일실시예에 따르면, 방법은 다음 단계들: 검출된 마스터 장치의 선형 또는 각속도를 선형 또는 각속도 임계치와 비교하는 단계; 및 마스터 장치의 검출된 선형 또는 각속도가 상기 선형 또는 각속도 임계치를 초과한다면 마스터 장치의 초과 속도와 연관된 상술한 이상상태를 식별하는 단계를 포함한다.
그러한 일실시예의 구현 옵션에 따르면, 마스터 장치의 초과 선형 또는 각속도와 연관되어 상기 이상상태가 검출된 경우, 로봇 시스템은 원격동작을 종료한다.
그러한 일실시예의 구현 옵션에 따르면, 마스터 장치의 초과 선형 또는 각속도와 연관된 상기 이상상태/결함이 검출된 경우, 로봇 시스템은 상이한 기계 상태로 진입한다.
구현 옵션에 따르면, 그러한 상이한 기계 상태는 유예된 원격동작 상태, 즉, 슬레이브 장치의 제어 포인트의 적어도 병진 운동을 금지하거나, 슬레이브 장치의 제어 포인트의 회전 운동을 제한하거나, 슬레이브 장치의 제어 포인트의 모든 운동을 금지하는 제한된 원격동작이다.
상술한 제한된 원격동작 단계에서 다른 구현 옵션에 따르면, 방법은 슬레이브 장치의 병진이 금지되는 동안 슬레이브 장치가 그 자신을 마스터 장치의 방향과 일치시키는 방향으로 운동하는 운동 일치 단계를 수행하는 것을 포함한다.
검출된 이상상태/결함이 슬레이브 장치의 추종 불능과 연관된 이상상태/결함인 일실시예에 따르면, 방법은: 마스터 장치의 검출된 선형 또는 각속도를, 슬레이브 장치가 마스터 장치를 정확하게 추종하는 조건에 남아 있도록 슬레이브 장치에 의해 허용되는, 최대 선형 또는 각속도 연관된 속도 임계치와 비교하는 단계; 및 검출된 마스터 장치의 선형 또는 각속도가 최대 허용가능한 선형 또는 각속도와 연관된 상술한 속도 임계치를 초과한다면 슬레이브 장치에 의한 추종 불능과 연관된 이상상태/결함을 식별하는 단계를 포함한다.
검출가능한 이상상태/결함이 마스터 장치의 초과 진동들과 연관된 이상상태/결함인 일실시예에 따르면, 방법은: 마스터 장치의 검출된 또는 산출된 속도 벡터의 방향 변경들의 수 또는 빈도수를 검출 또는 카운트하는 단계; 그런 다음 상기 방향 변경들의 수 또는 빈도수를 각 임계치와 비교하는 단계; 및 최종적으로, 카운트된 또는 검출된 방향 변경들의 수 또는 빈도수가 상술한 각 임계치를 초과하면, 마스터 장치의 초과 진동들과 연관된 상술한 이상상태/결함을 식별하는 단계를 포함한다.
다시, 검출가능한 이상상태/결함이 마스터 장치의 초과 진동들과 연관된 이상상태/결함인 일실시예에 따르면, 방법은: 속도 벡터 모듈러스의 운동들 및/또는 변이들을 검출하는 단계; 그런 다음 속도 벡터 모듈러스의 운동들 및/또는 변이들이 각 임계치를 초과하면, 마스터 장치의 초과 진동들과 연관된 상술한 이상상태/결함을 검출하는 단계를 포함한다
마스터 장치 몸체가 조인트, 바람직하게는 탄성 조인트에서 마스터 장치 몸체의 개방/폐쇄의 자유도를 정의하는 공통 축에 대해 적어도 회전하도록 구속된 두 강체 파트들을 포함하는 실시예에 따르면, 검출가능한 이상상태/결함은 마스터 장치의 비자발적 또는 비정상적인 개방이다.
그러한 실시예의 구현 옵션에 따르면, 방법은 다음의 단계들:
- 검출 및/또는 산출된 속도 벡터들에 기반하여 마스터 장치의 상기 두 강체 파트들의 개방 선형 속도를 산출하는 단계;
- 탄성 조인트의 탄성 강성(elastic rigidity)에 의존할 수 있는 임계치 선형 속도 v_thr와 산출된 개방 선형 속도를 비교하는 단계;
- 상술한 산출된 개방 속도가 상술한 임계 선형 속도 v_thr보다 크다면 마스터 장치의 비자발적 개방과 연관된 이상상태/결함 조건을 식별하는 단계를 포함한다.
그러한 실시예의 다른 구현 옵션에 따르면, 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- 검출된 및/또는 산출된 속도 벡터들에 기반하여 마스터 장치의 두 강체 파트들의 개방 각속도를 산출하는 단계;
- 탄성 조인트의 탄성 강성에 의존할 수 있는 임계치 각속도 v_thr와 산출된 개방 각속도를 비교하는 단계;
- 상술한 산출된 개방 속도가 상술한 임계 각속도 ω_thr보다 크다면 마스터 장치의 비자발적 개방과 연관된 이상상태/결함 조건을 식별하는 단계를 포함한다.
검출 가능한 이상상태/결함이 추적 기준계의 원점 이동과 연관된 이상상태/결함인 실시예에 따르면, 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- 마스터 장치의 위치 측정에 사용된 각 실제 또는 가상 센서의 선형 속도를 산출하는 단계;
- 주어진 시간 윈도우 내에서 각속도 벡터가 1차 상수 성분(primary constant component)으로 표현될 수 있는지를 산출하는 단계;
- 모든 결과 속도 벡터들이 서로 평행하고 코히런트(coherent) 한지, 또는 해당 벡터들이 적절한 속도 벡터 범위에 속하는지를 산출하는 단계;
- 상술한 평행한 코히런트 속도 벡터들의 상술한 조건 또는 적절한 속도 벡터 범위에 속하는 조건이 일어나지 않는다면, 기준 추적계의 원점의 이동과 연관된 이상상태/결함을 식별하는 단계를 포함한다.
일실시예에 따르면, 방법은 이후에 언급될 모든 검출가능한 이상상태/결함들을 검출하는 단계를 포함한다: 마스터 장치의 초과 선형 속도, 마스터 장치의 초과 각속도, 슬레이브 장치에 의한 추종 불능, 마스터 장치의 초과 진동들, 마스터 장치의 비자발적 또는 비정상적인 개방.
로봇 시스템이 두 마스터 장치를 포함하는 방법 실시예에 따르면, 방법은 마스터 장치들 중 하나만이 상술한 검출가능한 이상상태/결함들 중 임의의 하나에 의해 영향을 받는다면, 두 마스터 장치 모두의 원격동작을 종료 및/또는 유예하는 단계를 포함한다.
수술용 또는 의료용 원격 동작을 위한 마스터-슬레이브 로봇 시스템의 마스터 장치에서 식별된 이상상태/결함을 관리하는 방법이 설명된다.
그러한 방법은 상술한 실시예들 중 어느 것에 따라 적어도 하나의 이상상태/결함 조건을 식별하는 방법을 수행하는 단계를 포함하고; 이상상태들/결함들 중 적어도 어느 것이 결정된다면, 방법은 슬레이브 장치의 수술 장비의 원격동작 및 운동을 즉시 중지 또는 유예하는 단계를 포함한다.
일실시예에 따르면, 방법은 가속도 센서들이 마스터 장치에 속하거나 통합된 적어도 하나의 포인트 또는 마스터 장치와 고유하고 견고하게 연관된 가상 포인트의 선형 또는 각가속도를 검출하는 추가 단계를 포함한다.
이미 위에서 언급되고 본 명세서에서 보다 상세하게 설명된 다른 실시예에 따르면, 방법은 상술한 검출된 위치 벡터 또는 상술한 검출된 또는 산출된 속도 벡터 또는 시간에 따른 변화들에 기반하여, 마스터 장치에 속하거나 통합된 적어도 하나의 포인트 또는 마스터 장치와 고유하고 견고하게 연관된 가상 포인트의 선형 또는 각가속도를 산출하는 방법을 포함한다.
그러한 실시예의 구현 옵션에 따르면, 상술한 가속도 벡터를 검출 및 산출하는 단계는 시간에 따른 위치 벡터의 변화를 나타내는 벡터의 N 개 샘플들의 이동가능 윈도우를 통해, 및 그립과 관련된 자유도들에 대한 2차 다항식과 마스터 장치의 이동 및 방향에 대한 자유도들에 대한 3차 다항식을 이용한 내삽(interpolation)을 통해 가속 벡터를 산출하는 단계를 포함한다.
구현 옵션에 따르면, 가속도는 속도 벡터의 검출 및 속도 벡터의 시간에 따른 변화에 기반하여 산출된다.
구현 옵션에 따르면, 가속도는 하나 이상의 센서에 의해 바로 검출되고, 그러한 하나 이상의 센서들은 가속도계이다.
본 방법의 다양한 가능한 실시예에 따르면, 이상상태/결함 검출을 위한 기초로서, 상술한 마스터 장치에 속하거나 통합된 적어도 하나의 포인트 각각에 대해, 또는 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트에 대해, 선형 및/또는 각가속도, 및/또는 선형 및/또는 각속도, 및/또는 데카르트 좌표계(Cartesian coordinates)에서의 위치, 및/또는 극 또는 각도 좌표계에서의 위치가 산출 또는 검출된다.
방법 실시예에 따르면, 상술한 가속도 벡터를 검출 및/또는 산출하는 단계는 적어도 두 센서가 마스터 장치에 속하는 또는 통합된 적어도 두 포인트 각각의 가속도 좌표를 검출 및/또는 산출하는 단계; 및 다음으로, 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된, 센서들이 위치한 두 포인트 사이의 중간 점에 대응하는 가상 포인트의 가속도 벡터를 산출하는 단계를 포함한다.
예를 들어, "그립퍼" 마스터 장치에서, 그러한 중간 포인트는 "그립퍼" 마스터 장치의 하나 이상의 센서들에 의해 그려진 개방 원주 원호에 위치할 수 있다.
단 하나의 제어 포인트만 있다면, 자유도가 6인, 즉, 위치의 3도 및 방향의 3도가 검출될 수 있다.
두 제어 포인트가 있다면, 마스터 장치 몸체의 개방/폐쇄 각도를 나타내는, 그립에 연관된 7번째 자유도도 검출할 수 있다.
일실시예에 따르면, 방법은 상술한 가속 벡터에 기반하여 이하에 언급될 이상상태/결함들 중 하나 이상의 추가 이상상태/결함들을 검출하는 추가 단계를 포함한다: 마스터 장치의 비자발적 강하 및/또는 마스터 장치의 초과 가속도 및/또는 마스터 장치의 급성 및 비자발적 개방.
검출 가능한 이상상태/결함이 마스터 장치의 비자발적 강하인 방법 실시예에 따르면, 해당 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- 두 검출된 포인트들 중 적어도 하나의 중력 축에 평행한 수직 가속도 성분 ay를 검출 및/또는 산출하는 단계;
- 검출된 또는 산출된 수직 가속도 성분 ay를 수직 가속도 임계치 ay_thr과 비교하는 단계;
- 상술한 수직 가속도 성분 ay가 관계식: ay > ay_thr 에 따라 상술한 수직 가속도 임계치 (ay_thr)보다 크다면, 마스터 장치의 비자발적 강하와 연관된 이상상태/결합을 식별하는 단계를 포함한다.
구현 옵션에 따르면, 수직 가속도 임계치 ay_thr은 중력 가속도 g와 같거나 g의 주변 값이다.
구현 옵션에 따르면, 마스터 장치의 상술한 적어도 두 검출 포인트들의 각각의 가속도 벡터는 중복성(redundancy) 및/또는 추가 검증을 제공하도록 산출된다.
실제로, 상술한 적어도 두 검출 포인트들의 산출된 가속도 측정의 일치는 이상상태 판단의 추정을 개선할 수 있고, 추가로 추정 과정이 필요한 시간 윈도우를 감소시킨다.
상술한 적어도 두 검출 포인트들의 산출된 가속도 측정의 불일치는 마스터 장치의 회전에 따른 강하, 또는 두 센서 사이의 강체 구속의 깨짐과 연관될 수 있다.
두 센서를 마스터 장치의 동일 기계 파트에 장착하는 특별한 경우에, 단지 측정 거동은 단순한 중복이다.
검출 가능한 이상상태/결함이 마스터 장치의 (사용자에 의한 처리에서 부여된) 초과 가속인 방법 실시예에 따르면, 해당 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- 상술한 적어도 검출된 두 포인트 중 적어도 하나의 가속도 벡터 모듈러스 atot를 검출 및/또는 산출하는 단계;
- 검출 및/또는 산출된 가속도 벡터 모듈러스 atot를 전체 가속도 임계치 atot_thr와 비교하는 단계;
- 상술한 가속도 벡터 모듈러스 atot가 관계식: atot > atot_thr 에 따라 상술한 전체 가속도 임계치 atot_thr보다 크다면, 마스터 장치의 초과 가속도와 연관된 이상상태를 검출는 단계를 포함한다.
구현 옵션에 따르면, 상기 수직 가속도 임계치 ay_thr은 상기 전체 가속도 임계치 atot_thr보다 낮다.
예를 들어, 다음 관계식이 사용될 수 있다: atot = 3 · ay
구현 옵션에 따라, 전체 가속 임계치 atot_thr (모듈러스)는 2g 및 4g 사이의 범위에 속한다.
실시예에 따르면, 마스터 장치의 두 검출 포인트들의 가속도가 산출된다.
그러한 실시예의 상이한 가능한 구현 옵션에 따르면, 상술한 검출 포인트들 중 적어도 하나가 임계 가속도를 초과하거나, 가상 중간 포인트가 임계 가속도를 초과하거나, 또는 상술한 두 포인트간 상대적인 가속도가 임계치보다 크다면, 경보 트리거 조건이 증가한다.
구현 옵션에 따르면, 상술한 전체 가속도 임계치 atot_thr은 마스터 장치와 슬레이브 장치 사이에서 운동 스케일 팩터의 감소에 따라, 및/또는 사용자에 의해 선택되고 원격 동작되는 마스터-슬레이브 운동에 적용되는 스케일 팩터의 감소에 따라 증가하도록 정의된다.
적용예에 따라, 로봇 마이크로 수술 분야에서, 스케일 팩터는 7x 및 20x 사이의 범위에 있다고 정의될 수 있다. 명백하게, 그러한 스케일 팩터가 클수록 (예를 들어, 슬레이브 운동이 20X로 조정된다), 트리거 임계치가 커진다.
일반적인 구현 옵션에서, 스케일 팩터는 특정 환경에 의존하는 사용자에 의해 설정될 수 있음이 주지되어야 한다.
사용자의 손에 압박되거나 견고하게 들려있지 않을 때 적어도 각을 이루며 개방되려는 경향이 있는 탄성 조인트에서 서로 연결되어 있는 두 강체로 마스터 장치가 구성된 방법 일실시예에 따르면, 검출가능한 이상상태/결함은 마스터 장치의 비자발적 개방이다. 그러한 상황은, 특히 외과의사가, 예를 들어, 마스터 장치가 손에서 빠져나갔기 때문에 통제를 잃었다면 일어날 수 있고, 마스터 장치는 조인트의 스프링으로 인해 툭 하고 끊겨서 개방 또는 강하된다.
그러한 경우, 방법은 다음의 단계를 포함한다:
- 상기 두 검출가능한 포인트들의 각각의 (이전에 개시된 대로) 가속도 벡터 및/또는 시간에 따른 변화를 검출 및/또는 산출하는 단계;
- 상술한 검출 및/또는 산출된 가속도 벡터들에 기반하여 마스터 장치의 두 강체의 개방 각속도 ω를 산출하는 단계;
- 탄성 조인트의 탄성 강성에 의존하는 임계치 각속도 ω_thr와 산출된 개방 각속도 ω를 비교하는 단계;
- 상술한 산출된 개방 속도가 상술한 임계 각속도 ω_thr보다 크다면 마스터 장치의 비자발적 개방과 연관된 이상상태/결함 조건을 식별하는 단계를 포함한다).
유사한 구현 옵션들에 따르면, 상술한 산출, 비교 및 식별 단계들은 각속도가 아니라 각가속도 또는 선형 가속도에 대해 수행된다.
다른 구현 옵션에 따르면, 사용자의 손에 압박되거나 견고하게 들려있지 않을 때 적어도 각을 이루며 개방되려는 경향이 있는 탄성 조인트에서 서로 연결되어 있는 두 강체 파트들로 마스터 장치가 구성된 경우를 다시 참조하면, 방법은 다음의 단계를 포함한다:
- 두 검출가능한 포인트들 각각의 가속도 벡터 및 시간에 따른 변화를 검출단계;
- 검출된 위치 벡터들의 시간에 따른 변화에 기반하여 상술한 두 검출가능한 포인트들 사이의 거리의 시간에 따른 변화를 산출하는 단계;
- 상술한 거리의 시간에 따른 변화에 기반하여 마스터 장치의 선형 개방 속도 v를 산출하는 단계;
- 산출된 개방 선형 속도 v를 임계 선형 속도 v_thr을 비교하는 단계;
- v > v_thr 라면, 상술한 이상상태 조건을 식별하는 단계;
방법 실시예에 따르면, 사전 결정된 공간 한계 밖의 마스터 장치의 금지된 포지셔닝을 검출, 사전 결정된 공간 한계 밖의 슬레이브 장치의 금지된 포지셔닝을 검출, 마스터 장치의 초과 속도, 마스터 장치의 초과 진동들, 및 마스터 장치의 추가 비자발적 강하, 마스터 장치의 초과 가속도 및 마스터 장치의 비자발적 개방의 상술한 이상상태/결함이 모두 동시에 검출된다.
유리하게, 그러한 실시예는 최대 가능한 안전성을 목표로 넓은 범위의 제어를 획득하게 한다.
수술용 또는 의료용 원격 동작을 위한 마스터-슬레이브 로봇 시스템의 마스터 장치에서 검출된 이상상태를 관리하는 방법이 본 발명에 더 포함된다.
그러한 방법은 상술한 실시예들 중 어느 것에 따라 적어도 하나의 이상상태 조건을 식별하는 방법을 수행하는 단계를 포함한다.
그러한 방법은, 상술한 이상상태/결함 중 적어도 어느 것이 결정된다면, 수술 장비 (또는 "엔드-이펙터")의 원격 동작 및 운동을 즉시 중단 또는 유예하여 환자의 안전을 보호하는 단계를 더 포함한다.
도 1 내지 10을 다시 참조하여, 본 발명에서 의료용 또는 수술용 원격동작을 위한 로봇 시스템이 설명된다.
그러한 로봇 시스템은 적어도 하나의 마스터 장치, 적어도 하나의 슬레이브 장치, 및 제어부를 포함한다.
적어도 하나의 마스터 장치는 수술하는 동안 외과의사가 손에 들도록 기계적으로 비접지되고, 외과의사의 수동 명령을 검출하여 제1 전기 명령 신호를 생성하도록 구성된다.
적어도 하나의 슬레이브 장치 또는 슬레이브 로봇 조립체는 적어도 하나의 각 마스터 장치에 의해 제어되는 방식으로 환자의 신체 상에서 동작하도록 구성된 적어도 하나의 슬레이브 수술 장비를 포함한다.
컴퓨터를 구비한 제어부는 마스터 장치로부터 상술한 제1 전기 명령 신호를 수신하고, 제1 전기 명령 신호에 기반하여 제2 전기 명령 신호를 생성하고, 슬레이브 로봇 조립체에 제2 전기 명령 신호를 제공하여 적어도 하나의 슬레이브 수술 장비를 활성화하도록 구성된다.
로봇 시스템의 제어부는 다음의 동작을 수행하도록 구성된다:
- 제어부와 작동적으로 연결된 하나 이상의 센서들(S1, S2; 585, 595)을 통해, 마스터 장치에 속하거나 통합된 적어도 하나의 포인트 또는 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 위치 벡터를 검출하는 단계;
- 상술한 적어도 하나의 검출된 위치 벡터에 기반하여 또는 적어도 하나의 검출된 위치 벡터의 적어도 하나의 성분에 기반하여 적어도 하나의 검출된 이상상태/결함 조건을 식별 및 인식 및/또는 판별하는 단계.
상술한 검출가능한 이상상태/결함들은 마스터 장치의 사전결정된 작업공간 (315; 415; 415, 425; 515; 615; 615, 625; 715; 815; 915)에 대해 마스터 장치의 적어도 하나의 부정확한 포지셔닝을 포함한다.
상술한 검출가능한 이상상태/결함들 각각은, 이상상태/결함이 검출되었다면 수행되는 적어도 하나의 시스템 상태 변경과 연관되고, 그러한 적어도 하나의 시스템 상태 변경은 원격동작 상태의 종료를 포함한다.
로봇 시스템의 상이한 실시예들에 따르면, 로봇 시스템의 제어부는 본 설명에서 보이는 실시예들 중 어느 하나에 따라 적어도 하나의 이상상태/결함 조건을 식별하는 방법을 수행하도록 더 구성된다.
로봇 시스템의 일실시예에 따르면, 로봇 시스템의 제어부는 본 설명에서 보이는 실시예들 중 어느 하나에 따라 마스터-슬레이브 로봇 시스템의 마스터 장치에서 식별된 이상상태/결함을 관리하는 방법을 수행하도록 더 구성된다.
로봇 시스템의 일실시예에 따르면, 원격동작 유예 공간 (919)이 정의되고, 이는 마스터 장치 작업공간 주위에서 확장되고 마스터 장치 작업공간보다 크다. 그러한 원격동작 유예 공간은 로봇 시스템이 유예된 원격동작, 즉, 슬레이브 장치의 제어 포인트의 적어도 병진 운동을 금지하거나, 슬레이브 장치의 제어 포인트의 회전 운동을 제한하거나, 슬레이브 장치의 제어 포인트의 모든 운동을 금지하는 제한된 원격동작을 제공한다.
그러한 경우, 로봇 시스템의 제어부는 마스터 장치가 작업공간 한계에서 이탈하여 원격동작 유예 공간으로 진입했을 때 원격동작 상태를 유예된 원격동작 상태로 절환하게 하도록 더 구성된다.
시스템의 구현 옵션에서, 마스터 장치 몸체는 각 사전결정 가능한 위치들에서 하나 이상의 센서들을 수용하기 위한 좌석을 포함한다.
시스템 일실시예에 따르면, 마스터 장치 몸체는 1회용일 수 있고, 따라서 보통 플라스틱으로 만들어진다.
시스템의 다른 실시예에 따르면, 마스터 장치 몸체는 메탈(예를 들어, 티타늄)으로 만들어지고 살균가능하다.
도 1 내지 10을 참조하면, 보다 일반적인 용어로 이전에 정의된 방법의 일부 실시예들이 비제한적인 예를 통해 이하에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
마스터 장치의 이상상태 확인이 실제 이동에 대해 최소 레이턴시(latency)가 개재하도록 원격동작을 위한 로봇 시스템에 도입된다.
일실시예에서, 수행되는 일련의 동작들은 마스터 장치의 모든 이동 자유도, 예를 들어, 가속도 관점에서 정보 획득; 그런 다음 획득된 신호들을 필터링; 마스터에 대한 하나 이상의 이상상태/결함 확인을 평가; 마스터 장치의 결함 또는 이상상태를 검출; UI(user interface), 슬레이브 장치의 단부 포인트들, 및 로봇 시스템의 기계 상태의 제어부와 통신하는 단계를 포함한다.
(이미 언급된) 방법의 일부 실시예에서 수행된 이상상태/결함 체크에 대한 보다 상세 내용이 이하에서 비제한적인 예를 통해 제공될 것이다.
마스터 장치의 강하 ("마스터 강하").
이 체크의 목적은 외과의사 손으로부터의 마스터 장치의 비자발적 강하를 식별하는 것이다. 그러한 체크는 (압력에 민감한 표면들과 같은 다른 양들을 검출하기 위한 추가 센서들의 필요없이) 마스터 장치의 가속도 (또는 위치) 검출을 기반으로 한다.
그 원리는 가속도 검출 또는 (잡음에 의해 영향을 받아도) 위치 정보로부터 가속도를 도출 및 중력 벡터의 (하향) 방향을 따라 가속도의 순시 값 (instantaneous value)을 산출로 구성된다.
그러한 가속도가 중력 가속도에 비교될 수 있는 임계치에 도달하는 경우, 이 체크에 대해 이상상태 경고를 발한다.
이하에서는 국제 측지측량 기준계(global reference system)에서 중력장이 -Y 축을 따라 향함을 가정한다.
예를 들어, 가속 추정은 Y축의 다항식 피팅(polynomial fitting)과 그 계수들을 이용한 다항식의 이중 도출 사용에 기반한다.
상이한 사용가능한 피팅 기법들 중, 예를 들어, 사비츠키-골레이(Solezky-Golay) 필터에 기반한 해법이 언급될 수 있고, 이 필터는 FIR (Finite Impulse Response) 필터에서와 같이 도출된 다항식 표현을 특징으로 하여 2W+1 개 샘플 윈도우를 택해서 행렬과 곱하는 것으로 구성된다. 그러한 행렬은 두 파라미터: (절반 폭 W를 갖는) 윈도우의 크기 및 다항식 차수에 의존한다.
윈도우 크기는 샘플링 시간, 계산에서 원하는 레이턴시, 및 신호 잡음에 의존한다.
다항식 차수는 위치 신호의 특성에 의존한다.
필터는 저역통과 필터이고 그 차단(cutoff) 주파수는 문헌에 공지된, 예를 들어, 다음의 관계식에 따라 표현될 수 있다:
Cutoff (Hz) = Dt * (Order+1)/(3.2*Window-4.6)
구현 옵션에 따르면, 마스터 장치는 두 검출 위치들 (즉, 두 센서들)을 갖는다. 그러한 경우, 이들 중 어느 것이 임계치를 초과하는 경우, 이상상태 경고를 제기한다.
추정을 위해 사용된 윈도우가 넓을 수록, 상술한 알고리듬을 사용하는 평가 자체는 좋아진다. 한편, 윈도우가 좁을 수록, 반응 시간이 빨라진다.
상술한 필요성들 사이의 적절한 조절을 선택하기 위한 기준은 비직관적이고 원하지 않은 마스터 장치의 이동 (예를 들어 마스터 장치의 강하 이동) 동안 제어된 슬레이브 장치에 의해 주행된 공간의 양이다. 비직관적인 운동 동안 제어되는 슬레이브 장치에 의한 경로에 허용된 최대 거리가 D로 정의되고 이 상태에서 마스터의 최대 속도가 M으로 정의되면, 최대 윈도우 폭 W는 다음 관계식으로 표현된다:
W = 2 D/M/T + 1,
여기서 T는 샘플링 시간이다.
최대 가속도의 초과
비직관적인 이동과 관련한 이상상태 체크의 다른 타입은 마스터 장치의 임의의 방향을 따른 초과 가속도이다. 이 이벤트는 "마스터 강하" 경우에 대해 상술한 것과 동일한 기법을 사용하여 성분별로 가속도 검출 또는 추정에 기반하여 식별될 수 있다.
이 경우, 세 성분의 벡터 모듈러스는 임의의 이상상태 경고를 제기하는 임계치와 비교된다.
마스터 장치의 급성 개방
그립과 관련된 자유도를 갖는 마스터 장치의 경우, 마스터 장치 그립의 과도하게 빠른 개방에 대한 추가 체크가 수행될 수 있고, 이러한 개방은, 예를 들어, 작업자가 마스터 장치 또는 마스터 장치 상의 그립에 대한 통제를 잃은 이상상태 상황을 나타낸다.
개방 속도 추정은, 예를 들어, "마스터 강하" 경우에 대해 상술한 것과 동일한 다항식 피팅을 사용하여 그러나 특별 조건과 관련된 상이한 파라미터들로 수행될 수 있다.
피팅으로부터 얻은 개방 각도 (또는 "그립 각도")의 추정 속도는 이 이상상태 추정에 사용된다.
공간 한계 밖의 마스터 장치
다른 이상상태 체크는 작업자 이동을 위한 소정의 공간 한계와 관련된다. 이 한계는 특정 수술 대상 및 마스터 장치의 위치 산출에 사용된 센서 시스템의 제한의 유용성 고려에 기반하여 정의된다.
그러한 한계와 관련하여 두 가지 주요 시나리오가 특정될 수 있다: 작업공간 중앙에 중심을 갖는 구; 또는 평행 육면체 또는 박스 형상의 표면.
마스터 장치가 그러한 륨의 한계에 도달되는 되는 경우, 이상상태가 사용에게 통지된다.
제한된 기계적인 인터페이스를 갖는 마스터 장치에서 이러한 한계는 기계적 인터페이스의 한계에 의존한다.
비구속의 (비접지) 기계적 인터페이스를 갖는 마스터 장치에서, 광학 검출이 고려된다면, 작업 공간은 추적되고 있는 피처(feature)의 식별에 필요한 최소 해상도를 고려하여 설치된 각 카메라의 콘 트렁크(cone trunk)의 교차이다. 자기 추적 시스템을 고려하는 경우, 작업 공간은 자계의 감쇠에 의존하는 한계를 갖는다.
바람직하게는, "작업공간"은 원격동작을 위해 특별하게 구축된 작업공간이다. 따라서, "작업공간"은 측정 정보를 검출할 수 없는 물리적 공간을 나타내려는 것이 아니고, 수술 원격동작 활동을 위해 특별히 정의되어 수용가능한 보다 좁은 공간을 나타내려는 것이다. 예를 들어, "작업공간"은 내부에서 비구속 마스터 장치를 갖고 동작시키는 동안 외과의사의 자세, 이동성 및 운동이 안전하고 편안한 원격동작에 최적화된 공간 영역이다. 비구속 마스터의 작업공간 볼륨의 정의, 평가 및 관리는 외과의사의 유용성에 유리하다. 왜냐하면, 좌석에 대해 매우 앞으로 나간 자세 (forward posture) 또는 역으로 손과 팔이 몸통에 너무 가까운 자세와 같이 외과의사의 자세가 편안함과 팔-손 구조의 이동성을 감소시키는 작업 영역에 도달했음을 작업자에게 경고하기 때문이다; 또한 정의된 작업공간에서 이탈은 외과의사에 의한 부정확한 동작에 대한 신호일 수 있다.
예를 들어, "작업공간"은 신호 품질 기준 (잡음)이 수용가능한 임계치들 내에 있는 공간 영역이고, 및/또는 "작업공간"은 작업자의 점유 위치에 대한 주위 위치와 같은 유용성에 대해 선택된 작업 영역이다.
일실시예에 따르면, 마스터 장치와 관련해 세 작업공간들이 정의되고, 그 내부에서 상술한 세 작업공간들은 바람직하게는 적어도 부분적으로 서로 관통하고 있다.
1. "마스터 측정가능한 작업공간": 이는 원격동작을 위해 수용될 수 없는 에러 값들에 의해 영향을 받더라도, 내부에서 마스터 장치의 유효 위치 또는 회전 정보가 획득될 수 있는 작업 볼륨이다. 그러한 작업 볼륨은 측정 시스템의 원점을 참조하는 임의의 기하학적 형상을 갖는다. 형상은 측정 타입에 의존할 수 있고, 예를 들어, 광학 측정 시스템의 경우에는 콘, 자기 측정 시스템의 경우에는 절단된 반구이다.
2. "작업자 사용가능 작업공간": 이는 "마스터 측정가능 작업공간"이고, 그 내부에서 오퍼레이는 원격동작을 할 수 있다. 그러한 볼륨은 원격동작을 위한 충분한 정확도의 값들을 갖고 동시에 작업자의 인체공학과 일치한다. 바람직하게는, 볼륨은 또한 디스플레이 시스템 또는 물리적인 가이드를 통해 제한될 수 없는 경우, 작업자가 알 수 있는 형상을 갖는다. 실제로, 유용성 기준에서, 작업공간이 작업자가 그 제한을 인지하도록 형상을 갖는 것이 중요하다.
즉, 상술한 "작업자 사용가능 작업공간"은 다음이 되도록 선택되는 것이 바람직하다:
(i) 작업자에게 이해될 수 있고, 따라서 콘솔에 참조되지만 측정 시스템에는 참조되지 않는다;
(ii) 인체공학에 유용하지 않는 "마스터 측정가능 작업공간"의 영역을 회피하도록 크기가 감소한다 (이는 광학 추적 시스템과 달리, 특히 인체에도 침투하는 자기 시스템의 경우에 중요하다);
(iii) 원격동작 품질 기준 기능으로서 크기가 감소한다.
(iv) 마스터 장치가 동작 현장의 살균성을 이유로 배치되어서는 안되는 영역에 대해 감소한다.
바람직하게는, 이 특허의 목적으로, 용어 "마스터 장치 작업공간"은 이 "작업자 사용가능 작업공간"을 나타내도록 의도된다.
3. "작업공간 시작": 이는 마스터 장치가 원격동작으로 진입하는 시간에 위치될 "작업자 사용가능 작업공간" 내 작업 볼륨이다. "작업자 사용가능 작업공간"에 대한 그러한 제한의 이유는 에지 가까이에서 시작하는 것이 작업자가 빠르게 작업공간에서 이탈할 수 있다는 사실에 있다. 구현 옵션에 따르면, "시작 작업공간"은 "시작 작업공간"을 갖는 마스터-슬레이브 스케일 팩터에 기반하여 동적으로 구축될 수 있다.
이하에 보여질 공간 임계치에 관한 고려사항들은 작업자 사용가능 작업공간에서의 이탈과 시작 작업공간으로의 진입에 적용가능하다.
따라서, 구현 옵션에 따르면, 시스템은, 원격동작 진입시 마스터 장치가 "시작 작업공간" 내에 있고, 원격동작하는 동안, 마스터 장치가 "작업자 사용가능 작업공간"을 이탈하지 않음을 검증한다.
작업공간의 경계들은 불확정적이고 특정한 조건에 의존하여 가변적일 수 있다: 예를 들어, 작업공간은 포켓들(pockets)이 작업자의 위치에서 닫혀있더라도 마스터 장치를 저장하기 위해 특별히 포함된 것들을 배제해야 한다.
구현 옵션에 따라, 원격동작으로 첫 번째 진입시, 각 마스터 장치의 위치는 독립적으로 고정되고, 이는 슬레이브 장치의 적절하게 스케일링된 병진을 초래하여 작업공간의 에지 근처에서 원격동작의 시작을 회피한다.
예시적인 실시예에 따르면, 도 3의 예에서, 공간 기준 임계치 T로 제한된 작업공간 영역들(315)에 진입 및 이탈하는 안전 평가에 사용된 임계치 T가 정의된다면, 임계치를 정확하게 평가하고 진동을 최소화하기 위해 측정 오차가 고려되어야 한다.
따라서, Z가 최대 잡음 E에 의해 영향을 받는 위치 X의 측정치라고 하면: Z = X +- E.
X < T 가 임계치 안에서 정의되고 X > T 는 임계치 밖에서 정의된다.
작업자, 즉, 마스터 장치 (310)는 작업공간 영역 (315) 밖에 있는 상황 (X >> T) 에 있게 하면, 안정된 진입 조건은 측정치 Z의 함수로서 오차 마진을 고려하여 추정될 것이다.
따라서, Z < T-E 로 설정함으로써, 획득된 두 경우를 대체하여 작업자가 명확하게 작업공간 영역(315) 내에 있는 것에 대한 안정한 기준을 얻게 된다. Z의 임의의 다른 큰 값은 X < T의 기준을 만족하지 않는다.
X + E < T-E
또는 X < T - 2 E
X - E < T-E 또는 X < T
다시 이 예에 따르면, 작업자, 즉, 마스터 장치(310)가 적업공간 영역 (315) (X << T) 내에 있다고 가정하면, Z > T+E는 대체값 X > T를 위해 찾아야 하는 기준이다. T 및 E에 대해 Z의 조건에서 동작함으로써, 유용성 또는 안전 기준에 따라 진입 또는 이탈을 지연하도록 선택될 수 있다.
내부 에지 (T-E)가 항상 선택된다면, 이탈을 위해 안전성이 선호되고, 진입을 위해 유용성이 선호된다. 도 3은 작업 공간(315)으로부터 에지 영역(317)에 진입/이탈하는 마스터 장치(310)을 보여주고, 작업공간은 에지 영역(317)은 잡음 E를 고려한 임계치 T에 의해 정의된다.
마스터 장치의 초과 진동
실시예에 따르면, 마스터 장치의 초과 진동과 연관된 추가 이상상태/결함이 검출되고, 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- 일정 임계치보다 큰 속도 벡터의 운동을 검출;
- 마스터 장치의 검출된 또는 산출된 속도 벡터의 방향 변경의 회수 또는 빈도수를 검출 또는 카운트;
- 상술한 방향 변경 회수 또는 빈도수를 각 임계치와 비교;
- 카운트된 또는 검출된 상술한 방향 변경 회수 또는 빈도수가 상술한 각 임계치를 초과하면 마스터 장치의 초과 진동과 연관된 상술한 이상상태/결함들을 식별.
속도 벡터의 방향 변경 회수 또는 빈도수의 카운팅은 주어진 시간 주기로, 예를 들어, 0.2초마다 일어난다. 따라서, 외과의사-로봇 시스템 대역이 보통 5 Hz이기 때문에, 시스템은 마스터 장치를 통해 10Hz 움직임 명령이 입력으로 제공되는지 여부를 인식한다. 이 특징은 단계별 필터 적용으로 일어날 제거보다는 이상상태를 나타내는 상황과 같은 것을 식별하려는 것이다.
마스터 장치 속도를 모니터링하는 것은 사전 결정된 시간 간격동안 충분히 많은 회수의 진동을 인식하게 하여, 예를 들어, 속도 방향이 반대가 되는 것을 식별하고 (유동적인 또는 고정된) 시간 윈도우에서 사전 결정된 임계치를 넘는 주어진 진폭을 초과하는 진동 회수를 카운팅한다.
이러한 기능은, 특히 자기 추적 시스템의 경우, 또한 마스터 장치의 검출된 위치 신호의 진동 형태로 검출된 외부 자계에 의한 임의의 자계 장해 (disturbance)검출에 유용할 수 있다.
단일 방향의 경우가 본 명세서에서 상세하게 설명될 것이다. 연속 신호의 속도 반전(velocity inversion)은 시간에 대한 속도의 도함수의 최소 또는 최대 포인트로서 획득가능하다. 고정된 샘플링 dT(초)를 갖는 단일 축 위치 신호가 주어지면, (i) 다항식 필터링 및 피팅을 사용, (ii) 길이 2W+1의 유동(floating) 윈도우를 채택하여 다양한 모드에서 이 포인트를 평가할 수 있다.
"(i) 피팅"의 경우: 적어도 2차 다항식으로 위치의 피팅을 수행 및 가속도가 0라면 산출; 그런 다음, 이후 주어진 윈도우에서 속도를 추정. "(ii) 유동 윈도우"의 경우: 순간 변환된 속도의 국소 샘플들이 임계치 V0보다 크고, [-V0, V0]에 포함되고, -V0보다 작은 상대적인 속도 값들에 대응하는 세 심볼들 (P N Z)에 삽입된다. 알고리듬은 0 속도 (최대 또한 0)에서 음이 아닌 값들의 일정 시퀀스들의 후속이고 양이 아닌 값들에 앞선 또는 그 반대인 LZ 개 샘플들을 갖는 제1 포인트를 반전 포인트로 고려한다.
제1 구현은 다음과 같은 정규 수학식을 갖는 패턴 인식에 기반한다: [NZ]{L1,}[PZ]{L1,} or [PZ]{L1,}[NZ]{L1,}. 반전 포인트는 제1 경우에 마지막과 처음 심볼 N, P 사이 및 제2 경우에 P, N 사이의 중간 포인트이다. 속도가 0인 포인트를 가질 필요는 없음이 주지되어야 한다.
제2 구현에서, P N 시퀀스는 각 P, N의 인접 발생 회수를 카운트하는 유동 윈도우에 저장된다. 길이 W의 유동 윈도우는 P와 N이 번갈아 있을 때 모두 1인 최대 W개의 요소들을 의미하거나, 모두가 P 또는 N이라면 하나의 요소를 의미한다. 그러한 발생 시퀀스 C1...CK 에서 최대 스크롤 알고리듬(scrolling algorithm)을 사용하면 최대 포인트가 획득되고, 이를 Ci라 하자. 그러면, i >= L1 및 C(i-1) >=L1 또는 C(i+1) >=L1, 반전 포인트가 획득된다.
바람직하게는, 어떠한 이유로 측정 시스템이 샘플을 제공하지 못한다면, 시스템은 리셋되어 유동 윈도우를 채우기 시작한다.
이 점에서, 시스템은 시간에 대해 반전 포인트들을 누적한다. 마지막 두 반전 포인트들이 사전 결정된 임계치보다 큰 시간 거리를 갖는다면, 반전 카운트는 리셋된다. 그런 다음 두 반전 포인트들간 거리가 평가되고, 거리가 주어진 임계치보다 크다면, 반전 수는 증가된다.
상술한 경우가 3차원의 경우로 확장되면, 가능한 해법은 독립 축들로 작업하여 세 개의 분명한 속도 방향 변화 식별자들 (축별로 하나씩)을 갖는 것이다.
3차원의 경우를 참조한 다른 실시예는, 이하에 설명되는 것과 같이, 단일 차원의 경우에 대해 이미 설명된 것을 참조하여 결합된 방식으로 작업하는 것이다: 반전 포인트는 3차원 위치에 기반하여 추정되고, 벡터간 거리는 진동의 진폭 추정에 사용된다.
"(i) 피팅"에 의한 포인트 추정의 경우에서, 상술한 다항식 피팅의 동일한 접근법이 적용되지만 3차원의 경우로 확장된다. 사상(idea)은 위치를 다항식 또는 다항식 시퀀스 (스플라인 (splie))로 표현하고, 상대적인 접선(tangential) 속도를 산출하고, 최종적으로 산출 결과를 값 Vr로 사용하는 것이다. 한 가지 가능한 기법은 B-스플라인 (B-Spline) 피팅이다. 문제는 최소자승 최적화 (least-squares optimization)로 풀 수 있고, 원하는 제어 포인트들의 개수에 의해 주로 제어된다. 바람직한 가정은 필터링에 기반한 피팅의 연속 추정이다. 아니면, 반전 추정은 다음과 같이 접선 및 법선 움직임 성분으로 이전 벡터에 대해 각 새로운 속도 벡터로 분해될 3차원 궤적의 곡선 표현에 기반한다: 시간 P1, P2에서 주어진 두 포인트에 대해, 속도 벡터를 V2=P2-P1로 정의한다. 제3 포인트 P3가 주어지면, 새로운 속도 벡터 V3=P3-P2가 이전 성분 V3=v3t V3 +V3N에 대해 어떤 역할을 하는지를 평가할 수 있다. 성분 V3t는 상대 속도이고 따라서 단일 축 해법에서 Vr로 사용할 수 있다.
예를 들어, 최대 5 Hz의 기본 진동(natural oscillations)을 갖는 신호가 100 Hz에서 0.1 mm의 정확도로 샘플링된다고 가정한다.
마스터 장치의 비자발적 개방
구현 옵션에 따르면, 마스터 장치 몸체는 조인트에 구속되어 마스터 장치 몸체에 대한 개방/폐쇄의 자유도를 정의하는 공통 축에 대해 적어도 회전하는 두 강체 파트를 포함하고, 방법은 검출된 및/또는 산출된 속도 벡터에 기반하여 마스터 장치 몸체의 두 강체 파트들의 개방 각속도 ω를 산출하는 단계를 포함한다.
따라서, 이 구현 옵션에 따르면, 방법은 다음 단계들:
조인트의 탄성 강성에 의존할 수 있는 임계치 각속도 ω_thr와 산출된 개방 각속도를 비교하는 단계;
- 상술한 산출된 개방 각속도 ω가 관계식 ω > ω_thr에 따라 상술한 임계 각속도 (ω_thr)보다 크다면 마스터 장치의 비자발적 개방과 연관된 이상상태/결함 조건을 식별하는 단계를 더 포함한다.
구현 옵션에 따르면, 임계 각속도 값 (ω_thr)은 0.15 및 0.50 rad/s 사이의 범위에 속한다.
유사한 구현 옵션들에 따르면, 상술한 산출, 비교 및 식별 단계들은 각속도가 아니라 각 가속도 또는 선형 가속도에 대해 수행되고, 이는, 예를 들어, 속도 벡터 및/또는 위치 벡터의 시간에 따른 변화를 모니터링하여 얻을 수 있다.
다른 구현 옵션에 따르면, 사용자의 손에 압박되거나 견고하게 들려있지 않을 때 적어도 각을 이루며 개방되려는 경향이 있는 탄성 조인트에서 서로 연결되어 있는 두 강체들로 마스터 장치가 구성되고, 검출가능한 이상상태가 마스터 장치의 자발적 개방인 경우를 참조하면, 방법은 다음의 단계들:
- 두 검출가능한 포인트들 각각의 가속도 벡터 및 시간에 따른 변화를 검출단계;
- 검출된 위치 벡터들의 시간에 따른 변화에 기반하여 상술한 두 검출가능한 포인트들 사이의 거리의 시간에 따른 변화를 산출하는 단계;
- 상술한 거리의 시간에 따른 변화에 기반하여 마스터 장치의 선형 개방 속도 v를 산출하는 단계;
- 산출된 개방 선형 속도 v를 임계 선형 속도 v_thr을 비교하는 단계;
- v > v_thr 라면, 상술한 이상상태/결함 조건을 식별하는 단계를 포함한다.
임계 속도는 두 강체 파트들 사이의 접근 속도 임계치 및/또는 이격 속도 임계치일 수 있다.
예를 들어, 동작 조건에서 및 마스터 장치 몸체가 개방/폐쇄의 종속된 슬레이브 자유도를 제어하는 선형 병진 자유도를 갖는 것을 제공하는 실시예에 따라, 마스터 장치 몸체에 대한 방사상의 압력 동작은 수술 장비에 그립 동작 (개방/폐쇄)을 부여하면서 두 강체 파트들의 이격을 결정한다.
바람직하게는, 두 강체 파트들 사이에 병진하도록 서로 제한되어 있는 마스터 장치의 두 강체 파트의 상대적인 선형 병진 속도의 산출을 제공하는 구현 옵션은, 두 강체 파트들 사이에 회전 조인트를 갖는 마스터 장치에서 비자발적 개방을 참조하여 상술된 구현처럼, 마스터 장치의 제어되지 않는 거동을 나타내는 이상상태/결함을 식별하도록 한다.
따라서, 요컨대, 방법 실시예에 따르면, 벡터 가속도, 즉, 마스터 장치의 모듈러스 및 선형 또는 각도 방향에서 벡터 가속도를 측정 또는 산출함으로써, 적어도 다음 정보가 획득된다:
- 마스터 장치 강하: 가속도가 g이고 아래쪽을 향한다면, 로봇 시스템은 즉시 정지되어 슬레이브가 아래쪽을 향하는 것을 방지하고 따라서 환자를 향하게 한다;
- 마스터 장치는 임의의 방향으로 초과 가속도 (예를 들어, 3g 이상상태)를 갖는다; 또는 이 경우 로봇 시스템을 즉시 정지한다;
- 마스터 장치의 비의도적인 개방: 마스터 장치의 두 포인트들의 상대 가속도가 상술한 (조인트 및 조인트를 개방하는 스프링 사이의) 두 포인트들 사이의 탄성 리턴 가속도보다 크다면.
마스터 장치의 벡터 가속도는 직접 하나 이상의 가속도계에 의해 직접 검출되거나 위치 벡터 변화 모니터링으로부터 도출되고 나서 검출된다.
상술한 바대로, 본 발명은 위치 및 방향 측정으로 특징지어진 수술 원격 동작의 로봇 시스템에 대한 넓은 범위의 마스터 장치 인터페이스에 관한 것이다.
특히, 힌지 또는 힌지 조인트로 폐쇄될 수 있는 두 파트, 또는 선단을 갖는 마스터 장치들이, 예를 들어, 고려된다. 각 파트는 위치 측정과 연관되고, 직접 특정 또는 추론된다.
슬레이브 장치, 및 특히 그와 연관된 마이크로 수술 장치 (또는 "엔드 이펙터")의 제어를 위해, 마스터 기준 좌표 프레임 (또는 "마스터 프레임") 및 원점 (또는 "Master Frame Origin" (MFO))의 각 포인트가 정의될 수 있다.
따라서 마스터 장치의 하나 이상의 기준 포인트들의 위치는 상술한 마스터 기준 좌표 프레임의 좌표들에 대해, 그러한 좌표 프레임의 원점 (MFO)에 대해 정의된다.
이미 주지된 대로, 일부 실시예에서, 마스터 기준 좌표 프레임, 및 마스터 장치의 관련 위치는 적절하게 선택된 포인트에서, 예를 들어, 마스터 장치에 놓인 광학 마커를 사용하여 직접 측정된다. 이 경우, 마스터 장치의 그립 각도는 다른 기법, 예를 들어, 자기 인코더(magnetic encoder)로 측정된다.
마스터 장치가 조인트에서 힌지된 두 파트들로 항상 "그립"되는 다른 실시예에서, 방법은 마스터 장치의 상술한 두 파트들 (또는 각 선단들) 각각의 위치를 측정하는 단계를 포함한다. 그러한 경우, 마스터 장치의 두 파트들 각각은 상술한 MFO (General Master Frame)의 원점에 대해 표현된 (본 명세서에서 각각 MF#1 및 MF#2로 나타낸) 기준 좌표 프레임과 연관된다.
(원점 MFO를 갖는) 일반 마스터 프레임(Master Frame) 과 마스터 장치의 파트들의 마스터 프레임들 MF#1 및 MF#2 사이의 좌표 변환은, 예를 들어, 위치 및 방향을 평균함으로써 두 마스터 프레임들MF#1 및 MF#2 사이의 평균으로 알려진 좌표 변환으로 표현될 수 있다.
그러한 경우, 마스터 장치의 두 파트 상에서 수행된 측정들은 최대 12개 검출된 자유도를 제공할 수 있다: 제1 마스터 장치 부분에 대한 3 개의 위치 좌표 및 3 개의 방향 값들 및 제2 마스터 부분에 대한 3 개의 위치 좌표 및 3 개의 방향 값들.
그러한 검출은 항상 (중복되기도 하지만) 허용되어 마스터 장치의 기계 구조의 7개의 자유도가 검출되게 한다.
도면들에 도시되고 방법에 사용된 좌표 프레임들에 대해, MFO로 표시된 기준 프레임은 (예를 들어, 마스터 장치의 작업공간과 연관된) 마스터 장치에 대한 일반 참조 프레임(또는 "Master Frame" 또는 "Master Frame Origin")이고; MF#1 및 MF#2 (도 1 참조)로 나타낸 기준 프레임들은 마스터 장치의 두 파트들과 통합된 국소 참조 프레임 (또는 "Master Frame")이다; 기준 프레임들 (MFM, 도1 참조), MF1 및MFM2 (도 4, 4a 및 6b 참조)는 (예를 들어, 마스터 장치와 통합된 두 센서들이 위치한 두 포인트들 사이의 가상 중간 포인트와 연관된) 마스터 장치와 통합된 국소 기준 프레임이고; (도 4a에서) 기준 프레임 (SFO)은 (예를 들어, 슬레이브 장치의 작업공간과 연관된) 슬레이브 장치용 일반 기준 프레임(또는 "Slave Frame Origin")이다.
도 1, 2 및 7에 도시된 예들은 "그립퍼" 타입 마스터 장치로, 힌지 조인트와 (수 차례 언급된 마스터 장치의 "두 파트들"에 해당) 그립퍼의 두 팔의 끝 사이의 중간에 대해 그립핑하는 손의 손가락들의 힘의 적용을 포함한다. 이 마스터 장치 타입은 총 7 개의 자유도의 특징을 갖는다: 3 개의 방향 자유도, 3 개의 위치 자유도 및 그립퍼 팔들 사이의 개방. 상술한 바와 같이, 광학 및 자기 기법들이 그립퍼의 팔 위치 검출에 사용될 수 있다.
도 1 및 2는 마스터 장치(100)에 의해 형성된 그립퍼 팔들(180, 190)의 선단 가까이에 배열된 두 센서들 (S1, S2)를 갖는 마스터 장치(110)를 도시한 것이다.
도 1에서, 힌지 조인트 (OJ)는 좌측에 있고, 두 팔들의 두 축들(z1 및 z2)에 평행한 축을 갖는 팔들의 회전을 허용한다. 축들 (x1 및 x2)은 팔들의 방향에 있고, 조인트에서 멀어지는 방향을 갖는다.
두 센서들 각각의 위치 및 회전 측정은 위치의 3차원 벡터 (따라서 p1 및 p2로 나타낸 두 위치 벡터들을 획득) 및 각 암에 대한 회전 행렬 (따라서 R1 및 R2)로 나타낸 두 회전 행렬을 획득)로 나타낼 수 있다. 각 센서는 각 위치 및 회전 정보 (p1, R1) 및 (p2, R2)와 연관된다.
회전은 3차원 직교 서브그룹 (SO(3))과 연관될 수 있고, 따라서 자유도 개수는 (표현 타입, 본 명세서에서 예시된 9개 원소의 회전 행령에 기반하는지 여부, 또는 3개의 오일러(Euler) 각도 (3) 또는 4원수(quaternions)와 무관하게) 항상 3이다.
팔의 기준 포인트들 (또는 선단들)의 배열 (즉, 위치 및 회전)은 전체 마스터 장치의 배열 (즉, 위치 및 회전)을, 예를 들어, 두 위치 (p1 및 p2)의 평균 pM으로 계산된 위치, 및 회전들의 평균으로 계산된 회전 (즉, 각 구성요소들 R1 및 R2의 평균들을 구성요소로 갖는 행렬 RM)으로 계산한다. 그립퍼의 개방 각도 α는 선단들 사이의 거리 및 마스터 장치 팔들의 공지된 길이, 즉, 조인트 (OJ)와 센서들(S1, S2)를 갖는 기준 포인트들 사이의 공지된 거리를 사용해 산출될 수 있다 (센서들 (S1, S2)이 조인트 (OJ)로부터 동일 거리의 포인트들에 위치하고, 상술한 두 거리는 동일하다고 가정한다).
도 3(a)에 도시된 예에서, 마스터 작업공간(315)에 진입하는 병진운동을 하는 비구속 마스터 장치(310)가 도식적으로 도시되어 있고, 작업공간에는 에지 대역(317)이 작업공간(315)의 한계(T) 주위에 정의된다; 예를 들어, 에지 대역(317)은 추적 시스템에 의해 마스터 장치(310)의 검출 품질로부터 도출한 오차 또는 잡음 E에 의해 결정될 수 있고, 따라서 에지 대역(317)은 T+E 및 T-E 위치들에 의해 제한된다.
도 3(b)에 도시된 예에서, 마스터 작업공간(315)에서 이탈하는 병진운동을 하고 있는 비제한 마스터 장치(310)가 도식적으로 도시되어 있고, 작업공간에는 에지 대역(317)이 작업공간(315)의 한계(T) 주위에 정의된다; 예를 들어, 에지 대역(317)은 추적 시스템에 의해 마스터 장치(310)의 검출 품질로부터 도출한 오차 또는 잡음 E에 의해 결정될 수 있고, 따라서 에지 대역(317)은 T-E 및 T+E 위치들에 의해 제한된다.
도 4에 도시된 실시예에 따라, 로봇 원격동작 수술 시스템(400)은 할당된 작업 공간 (415, 425)을 갖는 적어도 하나의 비구속 마스터 장치(410, 420) (도시된 예에서 도식적으로 도시된 두 비구속 마스터 장치들(410, 420)은 외과의사 (450)에 의해 손에 들린 것으로 도시되어 있다), 콘솔(455)에 통합된 제어부, 및 슬레이브 장치(440) (도시된 예에서 두 슬레이브 수술 장비들(460, 470)이 보인다)를 포함한다.
도 4a 에 도시된 실시예에 따라, 로봇 원격동작 수술 시스템(400)은 할당된 작업 공간 (415)을 갖는 적어도 하나의 비구속 마스터 장치 (도시된 예에서 도식적으로 도시된 비구속 마스터 장치들(410, 420)은 외과의사 (450)에 의해 손에 들린 것으로 도시되어 있다), 기준 프레임 (MFO)과 통합되고 바람직하게는 제어부를 포함한 콘솔, 및 슬레이브 장치(440) (도시된 예에서 두 슬레이브 수술 장비들(460, 470)이 보인다)를 포함한다.
도 5는 비구속 마스터 장치(510)를 도시적으로 보여주고, 비구속 마스터 장치는 그에 할당된 작업공간 (515) 내에 있으며, 작업공간에는 전체적으로 작업공간(515) 안에 포함된 원격동작 시작 공간 영역(516)이 보여지고, 도시된 예에서, 마스터 장치(510)는 한 쌍의 식별 센서들 또는 마커들(585, 595)을 구비한다; 예를 들어, 마스터 장치(510)가 원격동작 시작 공간 영역(516) 안에 있는 경우에만, 시스템은 원격동작을 시작할 수 있도록 구성된다.
예를 들어, 도 5a에 도시된 실시예에 따르면, 기준 프레임 (MFO)는 의자(554)를 포함하는 콘솔과 통합된다 (도시된 예에서, 기준 프레임 (MFO)은 의자 (554)의 일부와 통합된다). 예를 들어, 추적 소스는 작업 볼륨(515)를 정의하는 의자(554)의 일부와 통합되도록 배치되고, 본 명세서에서는 작업 볼륨 안에는, 원격동작 시작 공간 영역(516)이 전체적으로 작업공간(515) 내에 포함된 것으로 도시되어있다; 예를 들어, 마스터 장치(510)가 원격동작 시작 공간 영역(516) 내에 있는 경우에만, 시스템은 원격동작을 시작할 수 있도록 구성된다.
예를 들어, 도 5b에서 도시된 실시예에 따르면, 기준 프레임 (MFO)은 마스터 콘솔(555)과 통합된 작업 볼륨(515)을 정의하는 마스터 콘솔(555)와 통합된다; 도시된 예에서, 외과의사(550)의 손에 들리고 데이터 링크(511, 512)를 통해 콘솔(555) 연결된 두 비구속 마스터 장치들(510, 520)이 도식적으로 도시되어 있다; 도시된 예에서, 콘솔(555)은 동작 현장 및/또는 시스템 및/또는 동작 현장 상태 파라미터들을 표시하는 스크린(557)을 포함한다.
도 6에 도시된 실시예에 따르면, 콘솔(655)과 통합되고 작업 볼륨(615) 및 적재 공간 또는 휴식 볼륨(618)을 포함하는 두 볼륨들(615, 618)이 있고, 마스터 장치들(615, 625)이 적재 공간(618)에 있는 경우, 시스템은 원격동작 상태로 진입할 수 없다. 예를 들어, 적재 볼륨(618)은 콘솔(655)에 또는 그 근처에 및/또는 사용중이 아닌 때 마스터 장치(610, 620)를 보관하도록 의도되는 구성요소들에 있거나 그 안에 위치할 수 있다.
예를 들어, 도 6a에 도시된 실시예에 따르면, 콘솔(655)에 통합된 두 작업 볼륨(615, 625)이 정의되고, 이들은 좌측 작업 볼륨(615) 및 우측 작업 볼륨(625)을 포함하고, 바람직하게는 그 안에서 좌측 마스터 장치(610)가 좌측 작업 볼륨(615) 내에 있고, 우측 마스터 장치(620)가 우측 작업 볼륨(625) 내 있다면, 시스템은 원격동작 상태로 진입할 수 있다,
예를 들어, 도 6b에 도시된 실시예에 따르면, 좌측 마스터 장치(610) 및 우측 마스터 장치(620) 모두가 작업 볼륨(615) 안에 있다면, 및 좌측 마스터 장치(610)가 우측 마스터 장치(620)의 좌측에 있다면, 시스템은 원격동작 상태로 진입할 수 있다.
도 7 및 8은 할당된 작업공간 (715, 815) 내에서 비구속 마스터 장치의 적어도 하나의 포인트의 속도 정보에 기반하여 식별될 수 있는 일부 이상상태들/결함들을 보인다
도 7에 도시된 예에서, 각각 조인트(775)에 구속되어 공통 축에 대해 회전하는 강체 파트들(780, 790)의 식별자들인, 마스터 장치(170)의 두 포인트들의 각속도 ω의 모니터링은, 마스터 장치의 비자발적 개방을 검출하게 한다 (도시된 예에서, 마스터 장치(710)는 두 강체 파트들 (780, 790) 상에 각 식별 센서 또는 마커 (785, 795)를 구비한다).
대체하여 또는 추가하여, 속도 모니터링은 마스터 장치의 두 포인트들의 선형 속도의 모니터링일 수 있다.
도 8에 도시된 예에서, 속도 모니터링은 마스터 장치의 초과 진동이, 예를 들어, 속도 v의 방향의 모니터링 및/또는 작업 볼륨(815) 안에서 검출된 속도 벡터 v의 방향 변화 카운팅에 기반하여 (도시된 예에서, 한 쌍의 식별 센서들 또는 마커들 (885, 895)이) 검출되게 한다.
예를 들어, 도 9에 도시된 실시예에 따라, 콘솔에 통합되는 세 볼륨들 (915, 919, 914)이 있고 세 볼륨들은 다음을 포함한다: 마스터 장치(910)가 안에 위치할 때, 시스템이 원격동작을 할 수 있는(예를 들어, 슬레이브 수술 장비(960)에게 명령한다) 워크 볼륨 (915); 마스터 장치(910)가 안에 위치하고 동시에 워크 볼륨(915) 밖에 위치할 때, 시스템이 원격동작을 유예하는 원격동작 유예 볼륨(919); 및 마스터 장치(910)가 안에 위치하고 동시에 원격동작 유예 볼륨(919) 밖에 위치할 때, 시스템이 원격동작을 배제하는 (즉, 마스터 장치(910)가 원격동작 밖에 있는) 추적 볼륨(914).
예를 들어, 도 9ab 도시된 실시예에 따라, 콘솔에 통합되는 세 볼륨들 (915, 919, 914)이 있고 세 볼륨들은 다음을 포함한다: 마스터 장치(910)가 위치할 때 시스템이 원격동작을 할 수 있는 (예를 들어, 슬레이브 수술 장비(960)에게 명령하는) 워크 볼륨 (915); 마스터 장치(910)가 위치한 안에 위치하고 동시에 워크 볼륨(915) 밖에 위치할 때, 시스템이 원격동작을 유예하는 원격동작 유예 볼륨(919); 및 마스터 장치(910)가 안에 위치하고 동시에 원격동작 유예 볼륨(919) 밖에 위치할 때, 시스템이 원격동작을 배제하는 (즉, 마스터 장치(910)가 원격동작을 하지 않는) 추적 볼륨(914). 한계 임계치 또는 표면들 T, T’ 및 T’’는 도 3 (a) 및 (b)를 참조하여 상술한 측정 또는 잡음 오차 E의 영향을 받는다.
도 10에 도식적으로 도시된 실시예는 조인트에 구속되어 공통 축 X-X를 따라 상대적으로 병진하는 두 파트들(1080, 1090)을 포함하는 비구속 마스터 장치(1010)를 포함하고, 예를 들어, 두 파트들(1080, 1090)은 서로 동일 선상에서 구속되되고, 센서들(S1, S2)은 두 파트들(1080, 1090) 각각과 통합되어 위치한다. 구현 옵션에 따르면, 각 센서(S1, S2)의 선형 또는 각속도를 모니터링하여 이상상태/결함 조건이 검출되게 한다. 예를 들어, 바람직하게는 탄성 조인트인 조인트(1075)를 압박함으로써, 두 파트들(1080, 1090)이 멀어지도록 운동하고, 외과의사가 마스터 장치(1010)의 통제를 잃은 경우, 두 파트들(1080, 1090)은 서로 접근하며, 예를 들어, 상대적인 접근 속도가 속도 임계치보다 크다면, 상대적인 접근 속도를 모니터링하여 이상상태 조건을 검출하게 한다. 구현 옵션에 따르면, 시스템은 적어도 하나의 센서(S1, S2)의 각속도를 모니터링하여 그러한 초과 진동과 같은 이상상태/결함을 검출 및 인식한다.
알 수 있듯이, 이전에 나타낸 대로 본 발명의 목적은 위에서 상술한 특징들에 의한 방법으로 완전하게 달성될 수 있다.
실제로, 개시된 방법 및 시스템은 마스터 장치의 몇 가지 가능한 동작 이상상태/결함 또는 마스터 장치의 가능한 비정상적인 상태를 검출하고, 이상상태 타입을 인식하는 효과적인 실시간 검증이 이뤄지게 한다.
따라서, 마스터 장치의 비정상적인 동작 조건을 실시간으로 검증하기 위한 절차를 적용할 필요성이 만족되고, 그러한 절차는 그러한 적용에 필요한 엄격한 안전 요구조건을 만족하기 위해 효율적이고, 신뢰성있도록 의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 로봇 제어 시스템에 의해 자동으로 수행된다.
이는 마스터 장치와 연관될 수 있는 적어도 하나의 포인트의 적어도 하나의 위치 벡터를 검출하고, 하나 이상의 검출된 양들을 하나 이상의 사전 결정가능한 임계치들과 비교함으로써 획득된다.
마스터 장치의 구조적인 또는 기능적인 이상상태/결함이 식별되었다면, 원격 동작은 즉시 및 지체없이 중지될 수 있고, 따라서 그러한 이상상태/결함이 환자에게 작동하도록 의도된 슬레이브 장치 및 그에 연관된 수술 장비의 후속 동작에 반영되어 환자 자신에게 가능한 심각한 결과가 회피된다.
따라서, 환자의 안전을 개선하는 목적이 달성되고, 고려된 동작 환경에서 존중되어야 하는 매우 엄격한 안전 요구조건이 만족된다.
엄격한 필요성을 만족시키기 위해, 당업자는 상술한 방법의 실시예들을 변경 및 조절 할 수 있고, 구성요소들은 다음 청구항의 범위에서 벗어나지 않으면서 기능적으로 동일한 다른 것들로 대체할 수 있다. 가능한 실시예에 속하는 상술한 특징 모두는 설명된 다른 실시예와 무관하게 구현될 수 있다.
Claims (47)
- 작업자에 의해 손에 들리고, 기계적으로 비접지되며, 의료용 또는 수술용 원격동작을 위해 로봇 시스템 제어에 사용되는 마스터 장치 (110; 310; 410, 420; 510; 510, 520; 610, 620; 710; 810; 910; 1010)의 사용에서 적어도 하나의 이상상태 조건을 식별 및 인식 및/또는 판별하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
- 제어부와 작동적으로 연결된 하나 이상의 센서들(S1, S2; 585, 595; 785, 795; 885, 895)이 상기 마스터 장치에 속하거나 통합된 적어도 하나의 포인트 또는 상기 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 위치 벡터를 검출하는 단계;
- 상기 적어도 하나의 검출된 위치 벡터에 기반하여 또는 상기 적어도 하나의 검출된 위치 벡터의 적어도 하나의 성분에 기반하여 적어도 하나의 검출된 이상상태 조건을 식별 및 인식 및/또는 판별하는 단계를 포함하되,
상기 검출가능한 이상상태들은 상기 마스터 장치의 사전결정된 작업공간 (315; 415; 415, 425; 515; 615; 615, 625; 715; 815; 915)에 대해 상기 마스터 장치의 적어도 하나의 부정확한 포지셔닝을 포함하고, 및
상기 검출가능한 이상상태들 각각은 상기 이상상태들이 검출되었다면 수행될 적어도 하나의 시스템 상태 변경과 연관되고, 상기 적어도 하나의 시스템 상태 변경은 상기 원격동작 상태로부터의 이탈을 포함하는, 방법. - 제1 항에 있어서, 상기 의료용 또는 수술용 원격동작을 위한 로봇 시스템은:
- 수술하는 동안 외과의사가 손에 들도록 기계적으로 비접지되고, 외과의사의 수동 명령을 검출하여 제1 전기 명령 신호를 생성하도록 구성된 상기 마스터 장치;
- 상기 마스터 장치에 의해 제어된 방식으로, 환자의 신체상에서 동작하도록 구성된 적어도 하나의 슬레이브 수술 장비(460, 470; 960) 를 포함하고, 상기 마스터 장치의 운동은 상기 슬레이브 장치의 의도되고 제어되는 각각의 운동을 초래하는 적어도 하나의 슬레이브 로봇 조립체;
- 상기 마스터 장치로부터 상기 제1 전기 명령 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 명령 신호에 기반하여 제2 전기 명령 신호를 생성하고, 상기 슬레이브 로봇 조립체에 상기 제2 전기 명령 신호를 제공하여 적어도 하나의 슬레이브 수술 장비를 구동하도록 구성된, 컴퓨터를 구비한 제어부를 포함하되,
상기 제어부는 작동적으로 상기 하나 이상의 센서들에 연결되어 적어도 제3 전기 신호, 또는 상기 검출된 위치 벡터 및/또는 시간에 따른 상기 관련 변화를 대표하는 적어도 제1 전기 신호를 수신하고, 및
상기 적어도 하나의 검출가능한 이상상태를 식별하는 단계는 상기 제어부에 의해 수행되는, 방법. - 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출가능한 이상상태는 사전결정된 공간 한계 밖에서 상기 마스터 장치의 금지된 포지셔닝을 허용된 것으로 검출하는 것을 포함하고, 상기 방법은:
- 상기 마스터 장치에 속하거나 통합된 상기 적어도 하나의 포인트 또는 상기 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 상기 검출된 위치를, 상기 사전 결정된 사전 공간 한계들을 대표하는 사전 결정된 한계 표면과 비교하는 단계;
- 상기 검출된 위치가 상기 사전결정된 한계 표면 밖에 있다면 상기 마스터 장치의 상기 금지된 포지셔닝의 이상상태를 식별하는 단계를 포함하되,
상기 마스터 장치에 속하거나 통합된 상기 적어도 하나의 포인트 또는 상기 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 상기 위치, 및 상기 사전 결정된 한계 표면은 원격동작 수술용 로봇 시스템과 연관되고 사전 설정된 포인트에서 사전결정된 축들과 원점을 갖는 기준 좌표 프레임에 대해 정의되는, 방법. - 제3 항에 있어서, 상기 허용된 공간 한계는 구 형상의 작업공간 또는 볼륨으로 정의되고, 상기 사전결정된 한계 표면은 상기 구의 구 표면인, 방법.
- 제3 항에 있어서, 상기 허용된 공간 한계는 박스 형상 또는 평행 6면체 형상의 작업공간 또는 볼륨으로 정의되고, 상기 사전결정된 한계 표면은 상기 박스 또는 평행 6면체의 표면인, 방법.
- 제3 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 의료용 또는 수술용 원격동작을 위한 로봇 시스템은 동작 콘솔(455; 555; 655)을 포함하되,
상기 기준 좌표 프레임은 상기 로봇 시스템 콘솔과 통합된, 방법. - 제6 항에 있어서, 상기 동작 콘솔은 수술하는 동안 앉을 외과의사용 적어도 하나의 착석 표면을 포함하는 적어도 하나의 수술용 의자 (554)를 포함하되,
상기 기준 좌표 프레임은 상기 적어도 하나의 수술용 의자, 및 바람직하게는 상기 적어도 하나의 착석 표면과 통합되는, 방법. - 제4항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 의료용 또는 수술용 원격 동작을 위한 로봇 시스템은 적어도 하나의 추적 시스템을 더 포함하고, 상기 추적 시스템은 사전 결정된 추적 볼륨 내에서 상기 마스터 장치의 입력 위치 및 방향의 검출에 적합하며, 따라서 상기 슬레이브 수술 장비의 구동은 상기 마스터 장치를 통해 외과의사에 의해 주어진 수동 명령 및/또는 상기 마스터 장치의 위치 및 방향에 의존하는, 방법.
- 제8 항에 있어서, 상기 마스터 장치 작업공간은 상기 추적 볼륨에 포함되거나 상기 추적 볼품의 서브세트인, 방법.
- 제8 항에 있어서, 원격동작 시작 공간(516)이 사전 결정되고, 상기 원격동작 시작 공간은 상기 마스터 장치 작업공간에 포함되거나 상기 마스터 장치 작업공간의 서브세트이고, 상기 방법은:
- 상기 마스터 장치의 상기 검출된 위치가 상기 원격동작 시작 공간 내에 위치한다면, 상기 원격동작의 시작 또는 준비 체크 단계의 시작을 허용하는 단계를 포함하는, 방법. - 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마스터 장치는 핸드-헬드이고 비구속 마스터 장치이고, 공통 축에 대해 상대적으로 회전 및/또는 병진하는 두 강체 파트들 (180, 190; 780, 790; 1080, 1090) 을 포함하되,
상기 검출 단계는 상기 각 센서들이 적어도 두 검출가능한 포인트들의 상기 위치 벡터 및/또는 시간에 따른 상기 위치 벡터의 변화를 포함하고, 제1 포인트는 상기 마스터 장치의 상기 강체 파트들 중 하나에 속하거나 통합되고, 제2 포인트는 상기 장치의 상기 강체 파트들 중 다른 하나에 속하거나 통합되는, 방법. - 제11 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 위치 벡터를 검출하는 단계는 상기 적어도 두 검출가능한 포인트들의 상기 위치 벡터, 및/또는 다음의 추가 포인트들 중 적어도 하나의 위치 벡터를 검출하는 단계를 포함하고, 상기 추가 포인트들은:
상기 두 검출된 포인트들 사이의 중간 포인트 및/또는 상기 마스터 장치의 무게 중심, 및/또는
상기 마스터 장치의 회전 조인트(OJ; 775), 및/또는 선형 조인트(1075)를 포함하는, 방법. - 제11항 또는 제12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마스터 장치 몸체는 두 선단들 (tips) 또는 자유 단부들을 포함하고, 제1 자유 선단 또는 단부는 상기 마스터 장치의 상기 두 강체 파트들 중 하나에 속하거나 통합되고, 제2 자유 선단 또는 단부는 상기 장치의 상기 두 강체 파트들 중 다른 하나에 속하거나 통합되고,
상기 두 검출가능한 포인트들은 상기 마스터 장치의 상기 두 자유 선단 또는 단부들과 각각 대응 및/또는 연관되는, 방법. - 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마스터 장치가 상기 허용된 공간 한계 밖에 있다고 판단되면, 상기 시스템 상태 변경은 상기 로봇 시스템의 상기 원격동작 상태로부터의 즉시 이탈 또는 상기 원격동작 상태의 즉시 유예인, 방법.
- 제14 항에 있어서, 상기 마스터 장치 및/또는 슬레이브 장치가 근접 임계치 이내에서 상기 공간 한계 및/또는 방향 한계에 가깝다고 판단되는 경우, 상기 방법은:
- 상기 작업자가 상기 공간 한계의 이탈 및 상기 원격동작의 이탈을 피하도록 행동하게 하기 위해, 상기 작업자에게 음향 및/또는 시각 통신 신호를 통해 소통하고, 상기 마스터 장치 및/또는 상기 슬레이브 장치의 상기 허용된 공간 한계에 대한 근접 조건을 알리는 추가 단계를 포함하는, 방법. - 제15 항에 있어서, 상기 통신 신호는 음향 신호이고, 상기 음향 신호는 근접 임계치와 상기 공간 한계에 해당하는 표면 사이의 간격에서 상기 마스터 장치 또는 상기 슬레이브 장치의 공간 한계로부터의 거리가 감소할 때 상기 음향신호의 주파수가 증가하는, 방법.
- 제15 항에 따르면, 상기 통신 신호는 시각 신호이고, 상기 시각 신호의 통신 주파수는 근접 임계치와 상기 공간 한계에 해당하는 표면 사이의 간격에서 상기 마스터 장치 또는 상기 슬레이브 장치의 공간 한계로부터의 거리가 감소할 때 상기 시각신호의 통신 주파수가 증가하는, 방법.
- 제4항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은:
- 상기 마스터 장치가 상기 허용된 공간 한계로 리턴했다고 실시간으로 검출된 경우, 상기 로봇 시스템의 원격동작이 재시작되게 하는 단계; 또는
- 상기 마스터 장치가 상기 허용된 공간 한계로 리턴했다고 실시간으로 검출되었어도 상기 로봇 시스템의 상기 원격동작의 재시작을 금지하는 단계, 및 상기 원격동작의 준비 및 시작 및/또는 예비 재배치 동작을 위한 절차를 재시작하는 단계를 더 포함하되,
상기 허용된 공간 한계는 상기 마스터 장치 작업공간 또는 상기 원격동작 시작 공간에 의해 정의되는, 방법. - 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 원격동작 유예 볼륨 (919)이 정의되고, 상기 원격동작 유예 볼륨은 상기 마스터 장치 작업공간 주위에서 확장되고 상기 마스터 장치 작업공간보다 크고,
상기 원격동작 유예 볼륨은 상기 로봇 시스템이 유예된 원격동작을 제공하는 볼륨이고,
상기 유예된 원격동작은 상기 슬레이브 장치의 제어 포인트의 적어도 병진 운동을 금지하거나 상기 슬레이브 장치의 상기 제어 포인트의 회전 운동을 제한하거나, 상기 슬레이브 장치의 상기 제어 포인트의 모든 운동을 금지하는 제한된 원격동작이고,
상기 방법은 상기 마스터 장치가 상기 작업공간 한계를 이탈하고, 상기 유예된 원격동작 볼륨으로 진입하는 경우, 상기 원격동작 상태를 상기 유예된 원격동작 상태로 절환하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제19 항에 있어서, 상기 마스터 장치가 상기 유예된 원격동작 볼륨의 한계를 이탈하는 경우, 상기 로봇 시스템은 즉시 상기 원격동작 단계를 이탈하는, 방법.
- 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 원격동작 유예 볼륨에 대한 진입 또는 이탈은 상기 작업자에게 음향 및/또는 시각 및/또는 촉각 신호로 사용자에게 표시되는, 방법.
- 제19 항 내지 제21 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 마스터 장치가 상기 원격동작 유예 공간으로부터 상기 작업공간 한계로 리턴한 것이 검출된 경우, 상기 로봇 시스템은 상기 원격동작의 재시작과 함께 상기 원격동작 상태로 리턴하는 것을 허용하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제22 항에 있어서, 상기 유예된 원격동작 단계의 끝에서, 및 원격동작 시작 이전에, 상기 방법은 상기 슬레이브 장치가 상기 마스터 장치의 실제 및 현재 위치 및 방향에 해당하는 위치 및 방향에 도달하도록 운동하는 운동 일치 단계를 포함하는 방법.
- 제23 항에 있어서, 상기 운동 일치 단계에 있는 동안, 상기 슬레이브 장치는 상기 제어 포인트 방향을 변경하는 것만 허용하되나, 상기 슬레이브 장치가 방향 및 그립 자유도에 따라 운동하도록 허용되는, 방법.
- 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 운동 일치 단계로의 진입은 일부 검증 확인이 통과됐을 때만 허용되고, 상기 검증 확인은 적어도 다음의 확인들을 포함: 일정 임계치 미만인 마스터-슬레이브 방향 불일치 및/또는 상기 슬레이브 작업공간 안에서 도달가능한 상기 마스터의 방향 자세를 포함하는, 방법.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마스터 장치 및 상기 슬레이브 장치의 운동은 스캐일 팩터(scale factor)로 스케일링되고, 상기 마스터 장치 작업공간 및/또는 원격동작 시작 공간 및/또는 원격동작 유예 공간은 스케일 팩터에 따라 증가하는, 방법.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로봇 시스템은 두 마스터 장치를 포함하고, 상기 방법은 상기 마스터 장치들 중 하나만이 상기 허용된 공간 한계에서 이탈한다면, 상기 마스터 장치들 모두를 원격동작에서 이탈시키고 및/또는 원격동작을 유예하는 단계를 포함하는, 방법.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,:
- 상기 슬레이브 장치가 허용된 슬레이브 장치 작업공간 내에 있음을 검증하는 단계;
- 상기 슬레이브 장치가 상기 허용된 슬레이브 장치 작업공간 밖에 있다고 검증된다면, 슬레이브 장치 포지셔닝 이상상태가 나타났음을 상기 사용자에게 통지하고, 상기 상기 로봇 시스템이 상기 원격동작을 즉시 중지시키는 단계를 포함하고,
상기 슬레이브 장치 작업공간은 상기 슬레이브 장치의 연접된 수술 장비의 가능한 자세들 및/또는 방향들의 결과로서 상기 슬레이브 장치의 제어 포인트로부터 도달가능한 모든 위치들의 공간 세트를 포함하는, 방법. - 제1 항 내지 제28 항 중 어느 한 항에 따르면, 상기 마스터 장치에 속하거나 통합된 상기 적어도 하나의 포인트 또는 상기 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 선형 및/또는 각속도, 및/또는 선형 및/또는 각가속도를 상기 검출된 위치 벡터 각각의 시간에 따른 변화에 기반하여 산출하는 추가 단계를 포함하는, 방법.
- 제29 항에 있어서, 상기 산출된 선형 및/또는 각속도, 및/또는 선형 및/또는 각가속도에 기반하여 하나 이상의 추가 이상상태들을 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
- 수술용 또는 의료용 원격동작을 위한 마스터-슬레이브 로봇 시스템의 마스터 장치에서 식별된 이상상태를 관리하는 방법에 있어서,
제1 항 내지 제30 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 이상상태 조건을 검출하는 방법을 수행하는 단계;
상기 이상상태들 중 적어도 어느 하나가 결정되면, 상기 슬레이브 장치의 수술 장비의 원격동작 및 운동을 즉시 정지 또는 유예하는 단계를 포함하는, 방법. - 의료용 또는 수술용 원격동작을 위한 로봇 시스템(400)에 있어서,
- 수술하는 동안 외과의사가 손에 들도록 기계적으로 비접지되고, 외과의사의 수동 명령을 검출하여 각각 제1 전기 명령 신호를 생성하도록 구성되는 마스터 장치(110; 310; 410, 420; 510; 510, 520; 610, 620; 710; 810; 910; 1010);
- 상기 마스터 장치에 의해 제어되는 방식으로 환자의 신체 상에서 동작하도록 구성된 적어도 하나의 슬레이브 수술 장비(460, 470; 960) 를 포함하는 적어도 하나의 슬레이브 장치((440) 또는 슬레이브 로봇 조립체;
- 상기 마스터 장치로부터 상기 제1 전기 명령 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 명령 신호에 기반하여 제2 전기 명령 신호를 생성하고, 상기 슬레이브 로봇 조립체에 상기 제2 전기 명령 신호를 제공하여 적어도 하나의 슬레이브 수술 장비를 구동하도록 구성된, 컴퓨터를 구비한 제어부를 포함하되,
상기 제어부는:
- 제어부와 작동적으로 연결된 하나 이상의 센서들(S1, S2; 585, 595)을 통해, 상기 마스터 장치에 속하거나 통합된 적어도 하나의 포인트 또는 상기 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 위치 벡터를 검출;
- 상기 적어도 하나의 검출된 위치 벡터에 기반하여 또는 상기 적어도 하나의 검출된 위치 벡터의 적어도 하나의 성분에 기반하여 적어도 하나의 검출된 이상상태 조건을 식별 및 인식 및/또는 판별하도록 구성되고,
상기 검출가능한 이상상태들은 상기 마스터 장치의 사전결정된 작업공간 (315; 415; 415, 425; 515; 615; 615, 625; 715; 815; 915)에 대해 상기 마스터 장치의 적어도 하나의 부정확한 포지셔닝을 포함하고, 및
상기 검출가능한 이상상태들 각각은 상기 이상상태들이 검출되었다면 수행될 적어도 하나의 시스템 상태 변경과 연관되고, 상기 적어도 하나의 시스템 상태 변경은 상기 원격동작 상태에서의 이탈인, 로봇 시스템. - 제32 항에 있어서, 상기 검출가능한 이상상태는 허용된 공간 한계 밖에서 상기 마스터 장치의 금지된 포지셔닝을 검출하는 것을 포함하고, 상기 로봇 시스템 제어부는:
- 상기 마스터 장치에 속하거나 통합된 상기 적어도 하나의 포인트 또는 상기 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 상기 검출된 위치를, 상기 사전 결정된 사전 공간 한계들을 대표하는 사전 결정된 한계 표면과 비교;
- 상기 검출된 위치가 상기 사전결정된 한계 표면 밖에 있다면 상기 마스터 장치의 상기 금지된 포지셔닝의 이상상태를 식별하도록 구성되고,
상기 마스터 장치에 속하거나 통합된 상기 적어도 하나의 포인트 또는 상기 마스터 장치와 고유하고 단단하게 연관된 가상 포인트의 상기 위치, 및 상기 사전 결정된 한계 표면은 원격동작 수술용 로봇 시스템과 연관되고 사전 설정된 포인트에서 사전결정된 축들과 원점을 갖는 기준 좌표 프레임에 대해 정의되는, 로봇 시스템. - 제33 항에 있어서, 동작 콘솔(455; 555; 655)을 포함하고, 상기 기준 좌표계는 상기 로봇 시스템 콘솔과 통합되고, 및/또는
수술하는 동안 상기 외과의사가 앉는 적어도 하나의 착석 표면을 포함하는 적어도 하나의 수술용 의자(554)를 포함하되, 상기 기준 좌표계는 상기 적어도 하나의 수술용 의자 및 바람직하게는 상기 적어도 하나의 착석 표면과 통합되는, 로봇 시스템. - 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 사전 결정된 추적 공간 내에서 상기 마스터 장치의 입력 위치 및 방향의 검출에 적합한 적어도 하나의 추적 시스템을 포함하고, 따라서 상기 슬레이브 수술 장비의 구동은 상기 마스터 장치를 통해 상기 외과의사에 의해 주어진 수동 명령 및/또는 상기 마스터 장치의 위치 및 방향에 의존하고, 상기 마스터 장치 공간은 상기 추적 볼륨 (914)에 포함되고, 즉, 상기 추적 볼륨의 서브세트인, 로봇 시스템.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마스터 장치는 핸드-헬드, 비접지 마스터 장치이고, 공통 축에 대해 상대적으로 회전 및/또는 병진하는 두 강체 파트들 (180, 190; 780, 790; 1080, 1090)을 포함하고,
상기 검출 단계는 상기 각 센서들이 적어도 두 검출가능한 포인트들의 상기 위치 벡터 및/또는 시간에 따른 상기 위치 벡터의 변화를 포함하고, 제1 포인트는 상기 마스터 장치의 상기 강체 파트들 중 하나에 속하거나 통합되고, 제2 포인트는 상기 장치의 상기 강체 파트들중 다른 하나에 속하거나 통합되고; 및/또는
상기 적어도 하나의 위치 벡터를 검출하는 단계는 상기 적어도 두 검출가능한 포인트들의 상기 위치 벡터, 및/또는 다음의 추가 포인트들 중 적어도 하나의 위치 벡터를 검출하는 단계를 포함하고, 상기 추가 포인트들은:
상기 두 검출된 포인트들 사이의 중간 포인트 및/또는 상기 마스터 장치의 무게 중심, 및/또는
상기 마스터 장치의 회전 조인트(OJ; 775), 및/또는 직선형 조인트(1075)를 포함하는, 로봇 시스템. - 제36 항에 있어서, 상기 마스터 장치의 몸체는 두 자유 단부 또는 선단을 포함하고, 제1 자유 단부 또는 선단은 상기 마스터 장치의 상기 두 강체 파트들 중 하나에 속하거나 통합되고, 제2 유 단부 또는 단부는 상기 장치의 상기 두 강체 파트들 중 다른 하나에 속하거나 통합되고, 상기 두 검출가능한 포인트들은 상기 마스터 장치의 두 자유 단부 또는 선단들에 각각 대응 및/또는 연관되는, 로봇 시스템.
- 제32 항 내지 제37 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마스터 장치 작업공간 주위로 연장되고 상기 마스터 장치 작업공간보다 큰 원격동작 유예 볼륨(919)이 정의되고, 상기 원격동작 유예 볼륨은 상기 로봇 시스템이 유예된 원격동작을 제공하는 볼륨이고,
상기 유예된 원격동작은 상기 슬레이브 장치의 제어 포인트의 적어도 병진 운동을 금지하거나 상기 슬레이브 장치의 상기 제어 포인트의 회전 운동을 제한하거나, 상기 슬레이브 장치의 상기 제어 포인트의 모든 운동을 금지하는 제한된 원격동작이고,
상기 로봇 시스템의 상기 제어부는 상기 마스터 장치가 상기 작업공간 한계에서 이탈하여 상기 원격동작 유예 공간으로 진입했을 때 상기 원격동작 상태를 상기 유예된 원격동작 상태로 절환하게 하도록 더 구성되는, 로봇 시스템. - 제38 항에 있어서, 상기 마스터 장치가 상기 원격동작 유예 볼륨의 한계를 이탈하는 경우, 상기 로봇 시스템은 즉시 상기 원격동작 단계를 이탈하게 하는, 로봇 시스템.
- 제38항 또는 제39항에 있어서, 상기 원격동작 유예 볼륨에 대한 진입 또는 이탈은 상기 작업자에게 음향 및/또는 시각 및/또는 촉각 신호로 사용자에게 표시되도록 구성되는, 로봇 시스템.
- 제38 항 내지 제40 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 마스터 장치가 상기 원격동작 유예 볼륨으로부터 상기 작업공간 한계로 리턴한 것이 검출된 경우, 상기 로봇 시스템이 상기 원격동작 상태로 리턴하게 하도록 더 구성되는, 로봇 시스템.
- 제41 항에 있어서, 상기 유예된 원격동작 단계의 끝에서 및 원격동작 시작 이전에, 상기 제어부는 상기 슬레이브 장치가 상기 마스터 장치의 실제 및 현재 위치 및 방향에 해당하는 위치 및 방향에 도달하도록 운동하는 운동 일치 단계를 판단하도록 구성되는, 로봇 시스템.
- 제42 항에 있어서, 상기 운동 일치 단계에 있는 동안, 상기 슬레이브 장치는 상기 제어 포인트 방향을 변경하는 것만 허용되거나, 상기 슬레이브 장치가 방향 및 그립 자유도에 따라 운동하도록 허용되는, 로봇 시스템.
- 제42항 또는 제43항에 있어서, 상기 운동 일치 단계로의 진입은 일부 검증 확인이 통과됐을 때만 허용되고, 상기 검증 확인은 적어도 다음의 확인들: 일정 임계치 미만인 마스터-슬레이브 방향 불일치 및/또는 상기 슬레이브 작업공간 내에 도달가능한 상기 마스터의 방향 자세를 포함하는, 로봇 시스템.
- 제32 항 내지 제44 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마스터 장치 및 상기 슬레이브 장치의 운동은 스캐일 팩터로 스케일링되고, 상기 마스터 장치 작업공간 및/또는 원격동작 시작 공간 및/또는 원격동작 유예 공간은 스케일 팩터에 따라 증가하는, 로봇 시스템.
- 제32 항 내지 제45 항 중 어느 한 항에 있어서, 두 마스터 장치들을 포함하되, 상기 제어부는 상기 두 마스터 장치 중 하나라도 상기 허용된 공간 한계를 이탈한다면, 상기 두 마스터 장치를 상기 원격동작으로부터 이탈 및/또는 상기 원격 동작을 유예하도록 구성된, 로봇 시스템.
- 제32 항 내지 제46 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 제1 항 내지 제30 항 중 어느 한 항에 따라 적어도 하나의 이상상태 조건을 식별하는 방법을 수행하도록 구성되고, 또는
상기 제어부는 제31 항에 따라 마스터-슬레이브 로봇 시스템의 마스터 장치에서 식별된 이상상태들을 관리하는 방법을 수행하도록 구성되는, 로봇 시스템.
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