KR20230160818A

KR20230160818A - 의료 또는 외과 원격 작동을 위한 마스터-슬레이브 로봇 시스템의 마스터 장치 및 관련 로봇 시스템의 무결성을 검증하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20230160818A
Application number: KR1020237031644A
Authority: KR
Inventors: 엠마누엘 러팔디; 마시밀리아노 시미
Original assignee: 메디컬 마이크로인스트러먼츠, 아이엔씨.
Priority date: 2021-02-16
Filing date: 2022-02-14
Publication date: 2023-11-24
Also published as: JP2024507787A; CA3207761A1; BR112023016359A2; IT202100003488A1; EP4294305A1; WO2022175800A1; AU2022222505A1; US20240131713A1; CN117597082A

Abstract

의료 또는 외과 원격 작동을 위한 로봇 시스템을 제어하기 위해 사용되는 핸드헬드 및 구속되지 않은 마스터 장치의 구조적/기능적 무결성을 검증하기 위한 방법이 기술되며, 여기에서 이러한 마스터 장치는 공통 축에 대해 상대적으로 회전 또는 병진하도록 구속된 2개의 고정된 부품을 포함하는 본체를 포함한다.
상기 방법은, 각각 상기 마스터 장치의 상기 2개의 고정된 부품 중 각각의 하나에 속하는, 적어도 2개의 지점의 위치 벡터를 측정 및/또는 검출하는 단계, 및 상기 적어도 2개의 위치 벡터의 시간에 따른 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계를 포함한다.
이에 이어서, 본 방법은 상기 적어도 2개의 지점 각각의 배향(각각 3개의 숫자로의 세트로서 표현됨)을 측정 및/또는 검출하는 단계, 및 상기 배향의 시간 경과에 따른 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계를 포함한다.
방법은 상기 마스터 장치의 상태를 정의하는 데 필요한 자유도 수와 검출된 정보 항목 수 사이의 차이로부터 파생되는, 상기 마스터 장치의 구성적 또는 구조적 특징부에 의해 부과되는 하나 이상의 조건이 검출되며, 여기에서 각 조건은 상기 마스터 장치의 무결성의 경우 준수되어야 하는 수학적 관계와 연관된다.
이에 이어서, 본 방법은 상기 검출 및/또는 측정된 위치 벡터 및 배향 및 시간 경과에 따른 각각의 변화에 기초하여, 각각의 정의된 조건과 연관된 수학적 관계를 계산하는 단계; 및 상기 정의된 각각의 조건과 연관된 수학적 관계가 준수되는지의 여부에 대한 검증을 기반으로, 상기 마스터 장치의 상태를 결정하는 데 필요한 정보와 관련하여 중복되는 자유도와 관련하여 검출된 정보를 활용하여, 최종적으로 상기 마스터 장치의 구조적/기능적 무결성 또는 비무결성의 상태를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 방법을 수행하도록 구비된 의료 또는 외과 원격 작동을 위한 마스터-슬레이브 로봇 시스템이 추가로 기술된다.

Description

의료 또는 외과 원격 작동을 위한 마스터-슬레이브 로봇 시스템의 마스터 장치 및 관련 로봇 시스템의 무결성을 검증하기 위한 방법

본 발명은 의료 또는 외과 원격 작동을 위한 마스터-슬레이브 로봇 시스템의 마스터 장치의 구조적 및/또는 기능적 무결성을 검증하기 위한 방법, 및 이에 상응하는 전술한 방법을 수행하기 위해 구비된 의료 또는 외과 원격 작동을 위한 이에 해당하는 마스터-슬레이브 로봇 시스템에 관한 것이다.

로봇 원격 작동 수술의 맥락에서, 의료 또는 외과 원격 작동을 위한 마스터-슬레이브 로봇 시스템과 관련하여, 마스터 장치가 양호하게 작동하는지의 여부 또는 구조적으로 손상되지 않았는지의 여부를 평가하고, 슬레이브 장치를 제어하는 데 사용되는 위치, 방향 및 개방/폐쇄 측정에 일관성이 있는지를 확인하는 것은 매우 중요하다.

이러한 필요성은 특히 자기적, 광학적 또는 다른 트래킹 방법으로 감지되는, 교란 또는 잘못된 감지를 확실히 배제할 수는 없는, 구속되지 않은 마스터 장치의 맥락에서 특히 요구되나, 이러한 필요성은 기계적으로 제한된 인터페이스가 구비된 마스터 장치의 맥락에서도 나타날 수 있다. 로봇 시스템 콘솔에 기계적으로 구속되지 않은 마스터 장치, 즉 구속되지 않은 마스터 장치, 또는 "접지되지 않은" 또는 "플라잉(flying)" 마스터 장치의 일부 예는, 예를 들어 동일한 출원인을 대신하여, 문헌 WO-2019-020407, WO-2019-020408, WO-2019-020409, 및 예를 들어 문헌 US-8521331에 예시되어 있다.

특히, 광학 및/또는 자기 트래킹 시스템에 의해 구속되지 않은 마스터 장치가 감지된 경우, 마스터 위치 및/또는 방향의 판독에 있어서의 이상 현상, 및 외부 교란이 전역 및 로컬 기준 트리플 간의 관계를 손상시킬 수 있는 가능성을 식별해야 할 필요성이 존재한다.

또한, 모든 유형의 마스터에 대해, 마스터 장치 조인트의 구조적 무결성을 모니터링해야 할 필요가 존재한다.

의료 또는 외과 원격 작동을 위한 마스터-슬레이브 로봇 시스템은, 특히 구속되지 않은, 마스터 장치의 임의의 구조적 또는 기능적 이상이 환자에 대해 작용하도록 의도된 슬레이브 장치 및 이와 연관된 수술 기구의 작동에서의 결과적인 이상을 가능한 리스크를 가지면서 결정할 수 있다는 사실로부터 파생되는 매우 엄격한 안전 요구 사항을 특히 고려할 때, 전술한 요구 사항에 대해 완전히 만족스러운 솔루션을 제공하지 않는다.

따라서, 이러한 맥락에서, 의료 또는 외과 원격 작동을 위한 로봇의 제어 시스템에 의해 자동적으로 수행되는, 해당 응용 분야에서 요구되는 엄격한 안전 요구 사항을 충족하기 위해 효율적이고 신뢰할 수 있는 마스터 장치의 기능적 무결성을 검증하기 위한 절차를 적용해야 할 필요성이 강하게 존재한다.

본 발명의 목적은 의료 또는 외과 원격 작동을 위한 마스터-슬레이브 로봇 시스템의 마스터 장치의 구조적 및/또는 기능적 무결성을 검증하기 위한 방법을 제공하는 것이며, 이는 선행 기술과 관련하여 위에 언급된 단점을 적어도 부분적으로 극복하고, 고려된 기술 분야에서 특히 존재하는 앞서 언급한 요구에 대응할 수 있게 한다. 이러한 목적은 청구항 1에 따른 방법에 의해 달성된다.

이러한 방법의 추가의 구현예는 청구항 2 내지 청구항 26에 의해 정의된다.

본 발명의 또 다른 목적은 마스터 장치의 무결성을 검증하기 위한 전술한 방법을 수행하는 단계를 포함하는, 마스터 장치의 이상을 관리하는 방법을 제공하는 것이다. 이러한 방법은 청구항 27 및 청구항 28에 의해 정의된다.

또한, 본 발명의 목적은 전술한 제어 방법을 수행할 수 있는 의료 또는 외과 원격 작동을 위한 로봇 시스템을 제공하는 것이다. 이러한 목적은 청구항 29에 따른 시스템에 의해 달성된다.

이러한 시스템의 추가의 구현예는 청구항 30 내지 청구항 45에 의해 정의된다.

본 발명에 따른 시스템 및 방법의 추가의 특징부 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 지시적, 비제한적 예로서 주어진 바람직한 구현예에 대한 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.
- 도 1 내지 도 8은 본 발병의 방법의 일부 구현예에 의해 제공된, 마스터 장치의 일부 구현예의 일부 구조적 무결성 검사에 사용되는 주요 기하학적 및 물리적 파라미터를 나타낸다.
- 도 9는 본 발명의 방법의 구현예를 도시하는 흐름도이다.
- 도 10은 본 방법의 구현예에 적용되는 참조 프레임의 맵을 도식적으로 도시한다.
- 도 11은 본 발명의 방법 및 시스템의 구현예가 참조하는 마스터 장치의 예를 도시한다.
- 도 12는 일 구현예에 따른 외과 원격 작동을 위한 로봇 시스템을 도식적으로 나타낸다.
- 도 13 및 도 14는 본 방법의 일 구현예에 따른 마스터 장치의 일부 무결성 검사를 도식적으로 나타낸다.
- 도 15는 도 11의 구현예에 따른 마스터 장치의 무결성 검증의 예를 도식적으로 나타낸다.
- 도 16a 내지 도 16d는 본 방법의 일 구현예에 따른 마스터 장치의 일부 무결성 검사를 도식적으로 나타낸다.

도 1 내지 16을 참조하여, 의료 또는 외과 원격 작동을 위한 로봇 시스템을 제어하기 위해 사용되는 핸드헬드 및 구속되지 않은 마스터 장치의 구조적 및/또는 기능적 무결성을 검증하기 위한 방법이 기술되며, 여기에서 이러한 마스터 장치는 공통 축에 대해 상대적으로 회전 및/또는 병진하도록 구속된 2개의 고정된 부품을 포함하는 본체를 포함한다. 예를 들어, 이러한 2개의 고정된 부품은 조인트 축을 중심으로 회전하도록 회전 조인트에 구속될 수 있거나; 이러한 2개의 고정된 부품은 조인트 축을 따라 병진하도록 프리즘형 조인트에 구속될 수 있거나, 회전-병진 관계에 있을 수 있다.

본 방법은, 각각 마스터 장치의 전술한 2개의 고정된 부품 중 각 하나에 속하는, 적어도 2개의 지점의 위치 벡터(이하, 이러한 2개의 지점 및 주어진 기준 프레임 또는 좌표계에서 이들을 고유하게 표현하는 위치 벡터는 (P1 및 P2)로 지칭됨)를 측정 및/또는 검출하는 단계, 및 전술한 적어도 2개의 위치 벡터의 시간에 따른 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계를 포함한다.

본 방법은 전술한 적어도 2개의 지점 각각의 배향을 측정 및/또는 검출하는 단계로서, 각각의 배향은 3개의 숫자의 각각의 세트로서 표현되는, 단계 및 전술한 배향의 시간 경과에 따른 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계를 추가로 포함한다.

이에 이어서, 방법은 마스터 장치의 상태를 정의하는 데 필요한 자유도 수와 검출된 정보 항목 수 사이의 차이로부터 파생되는, 마스터 장치의 구성적 또는 구조적 특징부에 의해 부과되는 하나 이상의 조건을 정의하는 단계를 포함하며, 여기에서 각 조건은 마스터 장치의 무결성의 경우 준수되어야 하는 수학적 관계와 연관된다.

이에 이어서, 본 방법은 전술한 검출 및/또는 측정된 위치 벡터 및 배향 및 시간 경과에 따른 각각의 변화에 기초하여, 각각의 정의된 조건과 연관된 수학적 관계를 계산하는 단계; 및 정의된 각각의 조건과 연관된 수학적 관계가 준수되는지의 여부에 대한 검증을 기반으로, 마스터 장치의 상태를 결정하는 데 필요한 정보와 관련하여 중복되는 자유도와 관련하여 검출된 정보를 활용하여, 최종적으로 마스터 장치의 구조적 및/또는 기능적 무결성 또는 비무결성의 상태를 결정하는 단계를 포함한다.

일 구현예에 따르면, 방법은 마스터 장치의 구조적 무결성을 검증하는 단계를 포함한다.

이러한 구현예의 구현 옵션에 따르면, 마스터 장치의 기능적 무결성에 관한 정보 또는 결정, 즉 작동의 정확성 및 적절성에 관한 정보 또는 결정은 구조적 무결성 검증으로부터 도출된다.

일 구현예에 따르면, 방법은 전술한 마스터 장치, 적어도 하나의 슬레이브 장치 및 제어 유닛을 포함하는 의료 또는 외과 원격 작동을 위한 로봇 시스템에 적용된다.

마스터 장치는 기계적으로 접지되지 않고 수술 동안 외과의에 의해 핸드헬드되도록 적용되고, 외과의의 수동 명령을 검출하고 각각의 제1 전기적 명령 신호를 생성하도록 구성된다.

적어도 하나의 슬레이브 장치 또는 슬레이브 로봇 어셈블리는 마스터 장치에 의해 제어되는 방식으로 환자의 해부학 구조에 대해 작동하도록 구성된 적어도 하나의 슬레이브 수술 기구를 포함한다.

컴퓨터가 구비된 제어 유닛은, 마스터 장치로부터 전술한 제1 전기적 명령 신호를 수신하고, 제1 전기적 명령 신호에 기초하여 제2 전기적 명령 신호를 생성하고, 제2 전기 명령 신호를 슬레이브 로봇 어셈블리에 제공하여, 적어도 하나의 슬레이브 수술 기구를 작동시키도록 구성된다.

제어 유닛은 전술한 검출 및/또는 측정 단계를 수행하도록 구성된(예를 들어, 전술한 지점(P1 및 P2) 각각에 위치하는) 하나 이상의 센서(S1, S2)에 작동 가능하게 연결된다.

또한, 제어 유닛은 전술한 검출 및/또는 측정된 위치 벡터 및 시간 경과에 따른 관련 변화를 나타내는 제3 전기적 제어 신호를 수신하고 처리하도록 구성된다.

전술한 계산 단계 및 결정 단계는 제어 유닛에 의해 수행되며, 여기에는 전술한 하나 이상의 조건 및 각각의 수학적 관계가 저장된다.

본 방법의 구현예에 따르면, 전술한 측정 및/또는 검출 단계는, 이하에서 "일반 마스터 기준(General Master Reference)"(MFO)으로도 지칭되고, 원격 작동을 위한 로봇 시스템과 연관되고, 사전에 설정된 축 및 사전설정 지점에 원점을 갖는, 제1 기준 프레임(x,y,z)과 관련하여, 전술한 위치 벡터 및 전술한 배향, 그리고 시간에 따른 관련 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계를 포함한다.

본 방법이 조작 콘솔을 포함하는 원격 작동을 위한 로봇 시스템에서 수행되는 구현 옵션에 따르면, 전술한 제1 기준 프레임(또는 좌표계)은 로봇 시스템 콘솔과 통합된다.

일 구현예에서, 전술한 조작 콘솔은 전술한 제1 좌표계와 통합된 적어도 하나의 수술용 의자를 포함한다.

본 방법의 구현예에 따르면, 전술한 측정 및/또는 검출 단계는 2개 이상의 자기 센서에 의해 수행된다. 각각의 자기 센서는, 마스터 장치에 속하거나 이에 통합된 전술한 적어도 2개의 지점 중 각각의 하나에 배치되고, 수술 또는 의료 원격 작동을 위한 로봇 시스템의 일부에 구속된 자기장 발생기에 의해 생성된 자기장의 각각의 로컬 값을 검출하도록 구성된다.

이러한 경우, 전술한 제1 기준 프레임 또는 일반 기준 시스템(MFO)은 자기 이미터에 이의 원점을 가지며, 3개의 직교 축(x, y, z)을 포함한다.

이러한 구현예의 일 구현 옵션에 따르면, 외과 또는 의료 원격 작동을 위한 로봇 시스템은, 슬레이브 수술 기구의 작동이 마스터 장치를 통해 외과의에 의해 주어진 수동 명령 및/또는 마스터 장치의 위치 및 배향에 의존하도록, 사전에 결정된 트래킹 볼륨 내에서 마스터 장치의 입력 위치 및 배향을 검출하기에 적합한 적어도 하나의 트래킹 시스템을 추가로 포함한다. 이러한 경우, 자기장 발생기는 전술한 트래킹 시스템에 속한다.

본 방법의 다른 구현예에 따르면, 전술한 측정 및/또는 검출 단계는, 원격 작동을 위한 로봇 시스템과 연관되고/되거나 이에 구속되는, 적어도 하나의 광학 센서 또는 카메라에 의해 수행된다. 이러한 경우, 전술한 제1 기준 프레임(MFO)은 광학 센서 또는 카메라의 내부 기준 프레임 또는 좌표계이다.

이러한 구현예의 가능한 구현 옵션에 따르면, 전술한 적어도 하나의 광학 센서 또는 카메라는, 외과의와 일체형이 되도록, 수술용 의자에 구속되고/되거나, 이에 통합되고/되거나 외과의에 의해 웨어러블 지지대에 장착된다.

일 구현예에 따르면, 본 방법은, 마스터 장치의 전술한 적어도 2개의 지점과 각각 연관된, 제2 기준 프레임((x1, y1, z1) 또는 MF#1), 및 제3 기준 프레임((x2, y2, z2) 또는 MF#2)을 정의하는 단계를 추가로 포함한다.

전술한 제2 기준 프레임(x1, y1, z1) 및 제3 기준 프레임(x2, y2, z2)은, 3개 축의 좌선성(levorotatory) 세트를 형성하기 위해 다음을 포함한다: 각각의 지점에 해당하는 각각의 원점; 각각의 지점과 연관되는 마스터 장치의 각각의 고정된 부품과 정렬된 각각의 제1 축(x1; x2); 마스터 장치의 2개의 고정된 부품의 회전축에 평행하거나, 다른 고정된 부품에 대해 마스터 장치의 고정된 부품의 병진 축에 수직인 각각의 제2 축(z1, z2); 제1 축과 제2 축 둘 모두에 각각 직교하는 제3 축(y1;y2).

이러한 경우, 위치 벡터 및 시간에 따른 관련 변화를 측정 및/또는 검출하는 전술한 단계는, 제1 기준 프레임(x, y, z)에 대한 제2 기준 프레임(x1, y1, z1) 및 제3 기준 프레임(x2, y2, z2)의 원점의 위치, 및 시간에 따른 관련 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계; 및 제1 기준 프레임(x, y, z)에 대한 제2 기준 프레임(x1, y1, z1) 및 제3 기준 프레임(x2, y2, z2)의 배향 및/또는 시간에 따른 관련 변화를 측정 및/또는 검출하는 것을 특징으로 하는 전술한 단계를 포함한다.

본 방법의 구현예에 따르면, 마스터 장치에 속하거나 이에 통합된 전술한 적어도 2개의 지점은 마스터 장치의 제1 고정된 부품 또는 고정된 바 또는 고정된 아암의 팁 또는 자유 단부(또는 팁 또는 자유 단부 근처의 부분); 및 마스터 장치의 제2 고정된 부품 또는 고정된 바 또는 고정된 아암의 팁 또는 자유 단부(또는 팁 또는 자유 단부 근처의 부분)를 포함한다.

전술한 고정된 부품 또는 막대 또는 아암은 서로 관절식으로 연결되거나 그렇지 않으면 공통 축을 중심으로 회전 및/또는 병진하도록 구속된다.

마스터 장치가 공통 축에 대해 상대적으로 회전하도록 구속된 2개의 고정된 부품을 포함하는 본체를 포함하고, 외과의에 의해 주어진 명령이 전술한 2개의 고정된 부품 사이의 개방 각도의 변화에 해당하는 방법의 구현예에 따르면, 방법은 전술한 검출된 벡터에 기초하여, 기준점의 3개 숫자의 위치 세트 및 3개 숫자의 회전 세트, 및 마스터 장치의 개방 각도를 계산하는 것을 특징으로 하는 추가의 단계를 포함한다.

몇몇 가능한 구현 옵션에 따르면, 전술한 기준점은 다음 사항 중 하나를 포함한다:

- 두 팁 사이의 중간 지점; 및/또는

- 마스터 장치의 무게 중심; 및/또는

- 마스터 장치 조인트.

마스터 장치가 마스터 장치 본체의 길이방향 연장부와 일치하는 방향 상에서 서로에 대해 병진하도록 구속된 2개의 고정된 부품(또는 병진/프리즘형 조인트)을 포함하는 "펜" 본체를 포함하고, 여기에서 전술한 2개의 고정된 부품은 마스터 장치 본체의 길이방향 연장부를 중심으로 하는 회전에 있어서 서로 일체화되고, 외과의에 의해 주어진 명령이 다른 고정된 부품에 대한 하나의 고정된 부품의 병진에 해당하는 방법의 또 다른 구현예에 따르면, 방법은 전술한 검출된 벡터에 기초하여, 제1 고정된 부분 상의 제1 기준점에 연관된 제1 센서, 및 제2 고정된 부분 상의 제2 기준점에 연관된 제2 센서의 3개 숫자의 위치 세트 및 3개 숫자의 회전 세트를 계산하는 것을 특징으로 하는 추가의 단계를 포함한다. 이러한 구현예는 도 11 및 도 15에 개략적으로 도시되어 있다.

일 구현 옵션에 따르면, 이 경우 센서는 동일-선형으로 배열된다. 따라서, 이 경우, 기하학적 무결성 조건은 센서들이 동일-선형이고 영점 위치에 대해 상대적으로 회전하지 않는지를 이어서 검증한다.

일 구현 옵션에 따르면, 센서를 수용하는 "펜" 마스터 장치 본체의 시트는 반복가능하고 사전 결정가능한 방식으로 센서를 위치시키기 위해 적절하게 배향된 접합 표면부를 갖는다.

본 방법의 일 구현예에 따르면, 2개의 고정된 부품 또는 아암은 공통 축을 중심으로 회전-병진 관계에 있으며, 예를 들어 이들은 캠을 형성한다.

탄성 요소가 마스터 장치의 2개의 고정된 부품 사이에 제공될 수 있다.

본 방법의 일 구현예에 따르면, 무결성 상태를 결정하는 단계는, 정의된 모든 조건이 사전 결정된 허용오차 한계 내에서 준수되는 경우, 무결성 상태를 확인하는 단계; 및 정의된 조건 중 적어도 하나가 사전 결정된 허용오차 한계를 고려한 후에도 준수되지 않은 경우, 비무결성 상태를 식별하는 단계를 포함한다.

방법의 상이한 구현예에 따라, 무결성 상태를 인식하기 위해 충족되어야 하는 조건에 대한 보다 상세한 사항들이 예로서 이하에서 제공된다.

본 방법의 일 구현예에 따르면, 전술한 조건은 다음과 같은 조건을 포함한다: 전술한 적어도 2개의 지점에 해당하는 검출된 지점(이의 위치 벡터는 측정되거나 감지됨)은 파지 축의 이동성과 관계없이, 동일 평면성 허용오차 한계 내의 동일한 평면에 있어야 한다.

일 구현 옵션에 따르면, 전술한 동일 평면성 허용오차 한계는 각 지점과 다른 지점에 의해 정의된 평면 사이의 0.5 mm 이하의 거리를 제공한다.

마스터 장치가 회전 조인트를 포함하는 본 방법의 또 다른 구현예에 따르면, 전술한 조건은 다음과 같은 조건을 포함한다:

- 전술한 적어도 2개의 지점에 해당하는 검출된 지점(P1, P2)은 2개의 지점(P1, P2)을 통과하는, 조인트 축에 평행한 법선 축(z1, z2)에 의해 정의된 직교 평면 상에 사전 결정된 동일한 방식으로 항상 투영되어야 하거나, 회전 조인트와 2개의 지점을 각각 연결하는 2개의 벡터(x1, x2) 사이의 벡터 곱은 항상 전술한 법선 축(z1) 중 하나와 연관된 벡터와 일치하거나 일치하지 않아야 하며, 여기에서 일치 또는 불일치는 마스터 장치의 구조적 특징부에 기초하여 사전 결정된다.

마스터 장치가 프리즘형 조인트를 포함하는 본 방법의 또 다른 구현예에 따르면, 전술한 조건은 다음과 같은 조건을 포함한다:

- 전술한 적어도 2개의 지점에 해당하는 측정된 지점(P1, P2)은, 마스터 장치와 동일 평면에 있고 2개의 고정된 부품으로 정의된 방향에 수직인 축(y1, y2)에 의해 정의된 직교 평면 상에 사전 결정된 동일한 방식으로 항상 투영되어야 한다.

이는 지점(P2)이 지점(p0)를 통과하는 평면의 양의 반쪽 공간에 있으며, 축(y2)을 법선 축으로서 갖는다는 것을 의미하며, 이는 그 반대인 지점(P1) 및 지점(y1)에 대해서도 마찬가지이다.

본 방법의 또 다른 구현예에 따르면, 전술한 조건은 다음과 같은 조건을 포함한다: 전술한 적어도 2개의 지점(P1, P2)을 통과하는 조인트 축에 평행한 법선 축(z1, z2)은 평행도 허용 한계 내에서 평행하고 일치해야 한다.

일 구현 옵션에 따르면, 전술한 평행도 허용 한계는 전술한 축(z1, z2)에 의해 정의되는 8°의 최대 허용 한계로 정의된다.

본 방법의 또 다른 구현예에 따르면, 전술한 조건은 다음과 같은 조건을 포함한다: 각각의 2개의 지점 및 지점을 조인트에 연결하는 각각의 축으로 이루어진 쌍((P1,x1), (P2,x2))을 고려하여, 선형 미터법 수량(L)에 의해 해당 축을 따라 각각의 지점점을 병진시키면 2개의 각각 병진된 지점(P1', P2')이 얻어지며, 이는 병진된 지점 사이에서 허용되는 최대 거리보다 짧은 거리만큼 떨어져 있어야 한다.

일 구현 옵션에 따르면, 회전 조인트를 갖는 마스터 장치의 경우, 전술한 최대 허용 거리는 1 cm이며, 프리즘형 조인트를 갖는 마스터 장치의 경우, 전술한 최대 허용 거리는 0.5 cm 미만의 마진으로 2개의 지점(P1, P2) 사이의 거리와 동일하다.

전술한 구현예를 참조하면, 알려진 길이의, 지점(OJ)에서 힌지된 아암의 구성은, 전술한 제1 지점(P1)을 제1 아암을 나타내는 선을 따라, 아암의 알려진 길이(축(x1))와 동일한 길이만큼 이동시키면, 조인트(OJ)에 해당하는 지점에 도달해야만 하고; 유사하게, 전술한 제2 지점(P1)을 제2 아암을 나타내는 선(축(x2))을 따라, 아암의 알려진 길이와 동일한 길이만큼 이동시키면, 동일한 조인트(OJ)에 해당하는 지점에 도달해야만 하는 것을 요구한다.

본 방법의 또 다른 구현예에 따르면, 전술한 조건은 다음의 조건을 포함한다: 적어도 2개의 지점(검출 또는 측정되는 위치 벡터) 사이의 거리(d)는, 마스터 장치의 최대 개방 조건 하에서, 전술한 적어도 2개의 지점이 있는 거리를 초과할 수 없으며, 해당되는 경우, 이러한 거리는 마스터 장치의 최소 개방에서 측정된 최소 거리보다 작을 수 없다.

전술한 마스터 장치의 최대 개방 및 마스터 장치의 최소 개방은 마스터 장치의 구조적 특징부에 따라 사전 결정된 파라미터라는 점에 유의해야 한다.

본 방법의 구현예에 따르면, 전술한 조건과 연관된 모든 양은, 12개의 자유도를 제공하는 수행된 측정들에 의해서 실시간으로 검출되거나(예를 들어, 2개의 팁의 위치) 또는 계산(예를 들어, 평면, 라인, 거리)되며, 그 중 5개는 중복된다.

전술한 조건이 준수되는지의 여부에 대한 검증은 실시간으로 수행된다.

조건 중 하나 이상이 준수되지 않은 경우, 실시간으로 이상이 감지된다.

본 방법의 일 구현예에 따르면, 검증에 대해 전술한 모든 조건이 고려된다.

본 방법의 일 구현예에 따르면, 마스터 장치의 구조적 무결성은 전술한 조건 중 하나 이상의 검증에 기초하여 검증된다.

일 구현 옵션에 따르면, 본 방법은, 전술한 조건 중 하나 이상의 검증에 기초하여, 트래킹 필드(즉, 예를 들어, 전술한 트래킹 시스템에 의해 생성된 전자기장)의 교란 및/또는 왜곡을 검출하는 단계를 추가로 포함한다.

이러한 경우, 각각의 정의된 조건과 연관된 수학적 관계들이 준수되는지의 여부에 대한 검증에 기초하여 마스터 장치의 무결성 또는 비무결성 상태를 결정하는 단계에 의해, 센서 간의 비정상적인 수학적 관계의 감지는 마스터 장치의 실제 구조적 파손이 아니라 트래킹 필드를 왜곡하는 교란으로 인해 발생할 수 있으므로, 트래킹 필드를 왜곡하는 외부 교란의 존재를 식별하는 것이 가능해진다. 즉, 이 경우, 트래킹 필드의 원치 않는 교란으로 인한 비무결성의 기능적 이상 때문에 센서 간의 수학적 조건이 깨지게 된다.

본 방법의 구현예에 따르면, 마스터 장치의 기능적 무결성을 검증하는 단계는, 순간 허용 임계값을 정의하기 위해 순간 위치 벡터의 검출과 연관된 노이즈를 검출/정량화하는 단계를 제공하는 단계에 의해 수행된다.

예를 들어, 자기 트래킹 시스템을 사용하는 순간 위치 벡터의 검출과 연관된 노이즈를 검출/정량화하는 단계에 의해, 외부 자기장으로 인해 발생할 수 있는 교란에 대한 정보가 제공된다.

또한, 본 발명에는, 전술한 구현예 중 어느 하나에 따라 구조적 무결성을 검증하는 방법을 수행하는 단계를 포함하는 마스터 장치의 이상을 관리하는 방법이 포함된다.

이러한 방법에서, 조건을 준수하지 않으면, 원격 작동 및 슬레이브 장치와 연관된 수술 기구의 움직임은 즉시 중단된다.

일 구현 옵션에 따르면, 전술한 방법은 검증 결과에 대한 정보를 로봇 시스템 제어 시스템에 제공하는 단계, 및/또는 획득된 정보를 로봇 시스템 상태 머신(Robotic System State Machine), 및/또는 사용자 인터페이스(User Interface), 및/또는 슬레이브측 엔드포인트(Slave-side Endpoint)와 통신하는 단계를 추가로 포함한다.

이제 마스터 장치, 적어도 하나의 슬레이브 장치 및 제어 유닛을 포함하는 의료 또는 외과 원격 작동을 위한 로봇 시스템이 설명된다.

마스터 장치는 구속되지 않고, 즉 기계적으로 접지되지 않고, 수술 동안 외과의에 의해 핸드헬드되도록 의도되고, 외과의의 수동 명령을 검출하고 각각의 제1 전기적 명령 신호를 생성하도록 구성된다. 마스터 장치는 공통 축(ZOJ, X-X)에 대해 상대적으로 회전 및/또는 병진하도록 구속된 2개의 고정된 부품(B1, B2; 1180, 1190; 1380, 1390; 1480, 1490; 1580, 1590; 1680, 1690)을 포함하는 본체를 포함한다.

시스템은 다음의 작동을 수행하도록 구성된다:

- 마스터 장치의 전술한 2개의 고정된 부품(B1, B2; 1180, 1190; 1380, 1390; 1480, 1490; 1580, 1590; 1680, 1690) 중 각각의 하나에 각각 속하는, 적어도 2개의 지점의 위치 벡터(P1, P2)를 측정 및/또는 검출하는 단계, 및 전술한 적어도 2개의 위치 벡터의 시간에 따른 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계;

- 전술한 적어도 2개의 지점 각각의 배향을 측정 및/또는 검출하는 단계로서, 각각의 배향은 3개의 숫자의 세트로서 각각 표현되는, 단계 및 이러한 배향의 시간에 따른 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계;

- 하나 이상의 조건을 정의하거나, 하나 이상의 사전 결정된 조건을 저장하는 단계로서, 이러한 조건은 마스터 장치의 상태를 정의하는 데 필요한 자유도 수와 검출된 정보 항목 수 사이의 차이로부터 파생되는, 마스터 장치의 구성적 또는 구조적 특징부에 의해 부과되고, 여기에서 각 조건은 마스터 장치의 무결성의 경우 준수되어야 하는 수학적 관계와 연관되는, 단계;

- 검출 및/또는 측정된 위치 벡터 및 배향 및 시간 경과에 따른 각각의 변화에 기초하여, 각각의 정의된 조건과 연관된 수학적 관계를 계산하는 단계;

- 정의된 각각의 조건과 연관된 수학적 관계가 준수되는지의 여부에 대한 검증을 기반으로, 마스터 장치의 상태를 결정하는 데 필요한 정보와 관련하여 중복되는 자유도와 관련하여 검출된 정보를 활용하여, 최종적으로 마스터 장치의 구조적 및/또는 기능적 무결성 또는 비무결성의 상태를 결정하는 단계를 포함한다.

시스템의 구현예에 따르면, 전술한 제어 유닛은 전술한 검출 및/또는 측정 단계를 수행하도록 구성된 하나 이상의 센서(S1, S2)에 작동 가능하게 연결된다.

일 구현 옵션에 따르면, 제어 유닛은 전술한 검출 및/또는 측정된 위치 벡터 및 시간 경과에 따른 관련 변화를 나타내는 제3 전기적 제어 신호를 수신하고 처리하도록 추가적으로 구성된다.

일 구현 옵션에 따르면, 전술한 하나 이상의 조건 및 각각의 수학적 관계는 제어 유닛에 저장되고, 제어 유닛은 전술한 계산 단계 및 결정 단계를 수행하도록 추가로 구성된다.

다른 구현예에 따르면, 시스템은 본 명세서에 개시된 구현예 중 어느 하나에 따라 마스터 장치의 구조적 무결성을 검증하기 위한 방법을 수행하도록 구성된다.

시스템의 구현예에 따르면, 마스터 장치 본체는 일회용이며, 따라서 일반적으로 플라스틱으로 제조된다. 조인트를 형성하는 부품은 일회용 플라스틱으로 제조된 것일 수 있다.

일 구현 옵션에 따르면, 마스터 장치 본체는 각각의 센서를 수용하기 위한 시트를 한정하고, 이러한 시트는 센서의 상호 배향을 검출하는 것을 목적으로, 마스터 장치 본체에 대한 센서의 위치설정이 사전 결정가능하고 반복 가능하도록, 적절하게 배향된 센서 접합부를 포함한다.

몇몇 가능한 구현 옵션(이미 전술한 방법의 구현 옵션들에 해당함)에 따르면, 마스터 장치 본체의 조인트가 회전 조인트(예를 들어, 힌지)인 경우, 기하학적 구속은 회전 축에 기초하는 한편, 조인트가 평면에서의 병진을 허용하는 유형인 경우, 기하학적 구속은 평면에 속하는 것을 기초로 한다.

일 구현예에 따르면, 의료 또는 외과 원격 작동을 위한 로봇 시스템은 전술한 구현예 중 어느 하나에 따라, 마스터 장치의 이상을 관리하기 위한 방법(결과적으로 구조적 무결성을 검증하기 위한 방법을 수행하는 것을 포함함)을 수행하도록 구성된다.

도 1 내지 도 16을 참조하여, 보다 일반적인 용어로 전술한 정의된 방법의 일부 구현예가 비제한적인 예로서 이하에서 보다 상세히 설명된다.

전술한 바와 같이, 본 방법은 위치 및 배향의 중복 측정을 특징으로 하는 로봇 수술 원격 작동 시스템을 위한 광범위한 클래스의 마스터 장치 인터페이스에 관한 것이다.

특히, 예를 들어, 힌지 또는 힌지 조인트로 폐쇄될 수 있는 2개의 부품, 또는 팁이 구비된 마스터 장치가 고려된다. 각 부품은 직접 측정되거나 차감되는 위치 측정과 연관된다.

슬레이브 장치, 및 특히 수술 기구(또는 "엔드 이펙터(end-effector)")와 관련하여, 마스터 기준 좌표 프레임(또는 마스터 기준 프레임 또는 "마스터 프레임(MFM)")은 마스터 측정 좌표 프레임(또는 "일반 마스터 프레임", 또는 "마스터 프레임 원점", 또는 (x,y,z), 또는 MFO)에 대해 정의되어 표현될 수 있다.

이에 이어서, 마스터 장치의 하나 이상의 기준 지점의 위치는, 언제든지, 전술한 마스터 기준 좌표 프레임(MFM)의 좌표에 대하여 정의된다.

이미 전술한 바와 같이, 일부 구현예에서, 마스터 기준 좌표 프레임(MFM) 및 마스터 장치의 관련 위치는, 적절하게 선택된 지점에서의, 예를 들어, 마스터 장치 상에 배치된 광학 마커를 사용하여 직접적으로 측정된다. 이 경우, "그리퍼(gripper)" 마스터 장치의 파지 각도는 다른 기술, 예를 들어 마그네틱 엔코더를 사용하여 측정된다.

마스터 장치가 또한 조인트에 힌지된 2개의 부품을 갖는 "그리퍼" 유형인 다른 구현예에서, 이러한 방법은 마스터 장치의 전술한 각각의 2개의 부품의 위치(또는 각각의 팁)의 위치를 측정하는 단계를 포함한다. 이러한 경우, 마스터 장치의 2개의 부품 각각은 이의 기준 프레임, 즉 전술한 일반 마스터 프레임(MFO)의 원점에 대하여 표현된 기준 좌표의 프레임(여기에서는 각각 MF#1 및 MF#2로 표시됨)과 연관된다.

마스터 프레임(MFM)과 일반 마스터 프레임(MFO) 사이의 좌표 변환은, 위치 및 배향의 평균을 도출함으로써, 마스터 장치의 부품의 마스터 프레임(MF#1 및 MF#2)으로부터 시작되는, 알려진 좌표 변환 기법에 의해 표현될 수 있다. 일부 평가의 경우, 마스터 프레임(MFM)과 같은 추가의 마스터 프레임 조인트(MFJ) 기준 프레임을 도입하고 마스터 장치의 조인트(OJ)에 배치하는 것이 또한 유용할 수 있다(도 10 참조).

전술한 다양한 구현예에 의해 공유되는 원리는, 마스터 장치의 2개의 부품에 대해 수행된 측정이 12개의 자유도를 제공한다는 것이다. 검출된 12개의 자유도는 다음과 같다: 일반 마스터 프레임에 대한 마스터 장치의 제1 부품에 대한 3개의 위치; 일반 마스터 프레임에 대한 마스터 장치의 제2 부품에 대한 3개의 위치; 일반 마스터 프레임(MFO)에 대한 제1 마스터 장치 좌표 프레임(MF#1)의 회전을 나타내는 3개의 값; 일반 마스터 프레임(MFO)에 대한 제2 마스터 장치 좌표 프레임(MF#2)의 회전을 나타내는 3개의 값.

한편, 측정된 12개의 자유도와 비교하여, 마스터 장치의 기계적 구조는 단지 7개의 자유도를 가지며, 이는 기계적 구속에 연결된 5개의 자유도를 제공하며, 따라서, 원칙적으로, 이는 마스터 장치가 구조적으로 무결성이라고 결론지어질 수 있도록, (이러한 구속을 표현하는) 5개의 상이한 수학적 관계를 제공하고, 이는 준수되어야 한다.

이러한 수학적 구속 관계의 검증은, 이의 다른 구현예에서의 방법에 의해 수행되며, 따라서, 마스터 장치의 구조적 무결성을 검증한 결과를 달성하게 된다.

테스트되는 조건의 예는 이미 전술하였으며, 마스터 장치 무결성 검증의 측정 방법 및 이로 변환되는 방법에 대해 아래에서 보다 자세히 설명된다.

도 1 내지 도 8, 도 13 및 도 14, 그리고 도 16에 도시된 구현예는 "그리퍼" 유형의 마스터 장치(110, 1310, 1410)(또는 "마스터 그립 컨트롤러")를 지칭하며, 이는 힌지 조인트(OJ)와 그리퍼의 2개의 아암(B1, B2)의 팁(T1, T2)(여러 번 언급된 마스터 장치의 "2개의 부품"에 해당함) 사이의 중간 정도에 파지하는 손의 손가락에 의한 힘의 인가를 제공한다. 이러한 유형의 마스터 장치는 총 7개의 자유도: 배향 3개, 위치 3개 및 그리퍼 아암 사이의 위치 및 개방 1개를 특징으로 한다. 이미 나타낸 바와 같이, 광학 및/또는 자기 기술은 그리퍼 아암의 위치를 검출하는 데 사용될 수 있다.

아래 나타낸 구현예에서는, 센서가 위치된, 아암의 기준점 위치만이 절대 기준 좌표 프레임에서 고려된다.

도 1 및 도 2는, "그리퍼" 본체의 아암(B1, B2)의 팁(T1, T2) 근처에 배치된 2개의 센서(S1, S2)를 갖는 마스터 장치(110)를 도식적으로 도시한다.

도 1의 구현예에서, 힌지 조인트(OJ)는 마스터 프레임 조인트(MFJ)의 좌측에 있고, 2개의 아암(B1, B2)의 2개의 축(Z1 및 Z2)에 평행한 축(ZOJ)을 갖는 아암(B1 및 B2)의 회전(아암(B1과 B2) 사이의 각도(α)가 도시됨)을 허용한다. 축(X1 및 X2)는 아암(B1 및 B2)의 방향이고, 조인트(OJ)로부터 멀어지는 방향이다.

2개의 센서(S1, S2) 각각의 위치 및 회전 측정은 3차원 위치 벡터(따라서 2개의 벡터((P1 및 P2)로 표시됨)를 얻음) 및 각 아암에 대한 회전 행렬(따라서 2개의 회전 행렬을 얻음)에 의해 나타낼 수 있다. 따라서, 각각의 센서(S1, S2)는 각각의 위치 및 회전 정보와 연관된다.

바람직하게는, 회전은 3차원 직교 서브그룹(SO(3))과 연관될 수 있으며, 따라서 이러한 예시된 구현예에서의 자유도의 수는 (표현의 유형에 상관없이, 본원에 예시된 바와 같이, 9개의 숫자를 갖는 회전 행렬에 기초하든, 또는 3개의 오일러 각도에 기초하든, 또는 4개의 값을 갖는 쿼터니언에 기초하든) 항상 3이다.

아암(B1, B2)(또는 팁(T1, T2))의 기준점(S'1, S'2)의 배열(즉, 위치 및 회전)은 예를 들어, 센서(S1, S2)의 2개의 위치(P1 및 P2)의 평균 PM으로서 계산된 위치, 및 회전의 평균으로서의 회전을 사용하여, 전체 마스터 장치(110)의 포즈 또는 배열(즉, 위치 및 회전)을 계산할 수 있게 한다. "그리퍼"의 개방 각도(α)는 마스터 장치(110)의 팁(T1, T2)과 아암(B1, B2)의 알려진 길이 사이의 거리, 즉, 조인트(OJ)와 센서(S1, S2)가 구비된 각각의 기준점(S'1, S'2) 사이의 알려진 거리를 사용하여 계산될 수 있다(센서는 조인트(OJ)로부터 등거리 지점에 배치된다고 가정하면, 전술한 두 거리는 동일함).

조인트-센서 거리의 알려진 값과 측정된 평균 값(위치의 평균, 회전의 평균) 및 각도(α)를 기초로 하여, 검증될 조건을 정확하게 정의하기 위해, 다음의 파라미터가 본원에 표시된 구현예에서 계산된다:

* 파라미터 1: 도 단위로 측정된, 축(Z1 및 Z2) 사이의 평면도(예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 각도(α3)는 축(Z1) 또는 (P2 및 Z2)로 변환된 이의 이미지(Z1') 사이의 각도임);

* 파라미터 2: mm 단위로 측정된, 센서 사이의 최대 거리(d)(예를 들어, 도 5는 축(Z1 및 Z2)의 상대적 배향에 기초하여 전술한 최대 거리(d)를 계산하기 위한 다양한 전략을 도식적으로 도시함);

* 파라미터 3: mm 단위로 측정된, 센서의 기준 프레임 원점(S1: MF#1 또는 S2: MF#2)과 다른 센서의 평면 사이의 거리;

* 파라미터 4: mm 단위로 측정된, 마스터 장치의 아암의 2개의 라인 사이의 거리.

이를 기초로 하여, 예를 들어, 다음과 같은 원칙 조건이 정의된다.

1. 지점(P1 및 P2)은 동일한 평면에 속함; 특히, 지점(P1) 및 축(Z1)에 의해 정의된 평면(π1)은 지점(P2)을 포함하고, 지점(P2) 및 축(Z2)에 의해 정의된 평면은 지점(P1)을 포함함.

2. 법선 축(Z1 및 Z2)은 평행해야 함.

3. 아암에 대해 알려진 거리만큼 뒤로 이동시켜 얻은 추가 지점(P1' 및 P2')은 조인트에 해당하는 지점(OJ) 및 마스터 프레임 조인트(MFJ) 기준 프레임의 원점 둘 모두와 일치해야 함.

4. "그리퍼"의 개방은 최대 값뿐만 아니라 2개의 지점(P1 및 P2) 사이의 최대 거리보다 낮아야 함.

실제로, 전술한 이론적 조건은 구조적 결함 및 측정 오류로 인한 허용 오차를 고려하여 완화되어야 하며, 이는 예를 들어 도 8, a 내지 d에 도시된 바와 같이, 다음과 같은 실제 기준으로 도출된다:

1. (도 8a) 평면(π1: P1,x1)은 지점(P2)과 평면(π1: P1, z1) 사이의 절대 거리(q)가 주어진 임계값(q1) 미만임을 검증함으로써 표현되는 특정 허용 오차 내에 지점(P2)을 포함해야 하며; 유사하게, 평면(P2, z2)에 대한 지점(P1)의 경우에도 마찬가지임;

2. (도 8b) 축(z1 및 z2) 사이의 스칼라 곱은 배향 차이의 사전 정의된 최대 각도에 해당하는 최소값을 가져야 함;

3. (도 8c) 추가의 지점(P1' 및 P2')(위에서 정의한 바와 같음) 사이의 거리는 주어진 임계값(d3)보다 작아야 함;

4. (도 8d) 지점(P1 및 P2) 사이의 거리(d4)는 물리적 한계에 특정 임계값을 더한 값 미만이어야 함.

다양한 조건과 연관된 전술한 각각의 기준은, 실시간으로 검출 가능한 파라미터 및 실시간으로 계산될 수 있는 관계와 연관되며, 이는 마스터 장치의 구조적 무결성에 대한 실시간 추정에 사용된다.

이상이 검출되는 경우, 해당 이상 유형을 인식할 수도 있다.

예로서, 도 4 내지 도 7은, 일부 검출 가능한 이상에 해당하는 상황, 즉, 각각, 초과되지 않는 최대 거리(L1, L2, L3)(도 4, 해당 예는 다음을 도시함: 거리(L1): 휴지 구성에서의 센서 사이의 예상 거리, 거리(L2): 휴지 구성에서의 센서 사이에 허용되는 최대 거리, 거리(L3): 구조적 결함을 나타내는, 센서 사이의 임계 거리); 축(Z1 및 Z2) 사이의 각도(도 5a 내지 5c); 2개의 아암의 교차점(도 6); 우측 아암과 좌측 아암 사이의 반전(도 7)을 도시한다.

일 구현 옵션에 따르면, 측정 시스템이 오류의 대상이 될 수 있다는 점을 감안하고 마스터 장치의 무결성의 임의의 구조적 문제가 시간이 지남에 따라 지속된다는 것을 고려하면, 식별 시스템으로부터 수신된 정보에 대해 시간에 따른 평가를 도입하는 것이 유용할 수 있다.

시간 경과에 따른 이러한 평가는 제1 비시간적 수준의 다운스트림에 입력될 수 있다. 예를 들어 플로팅 윈도우 평가는 인식 임계값(예를 들어, 100 ms 윈도우에 걸쳐 60% 구조적 오류)과 함께 사용될 수 있다.

일 구현예에 따르면, 시간에 따른 평가와 식별 알고리즘의 조합은 도 9에 도시된 흐름도에 예시되어 있다. 시간 경과에 따른 이러한 평가에 수반되는 파라미터의 선택은 특정 원격 작동 시스템의 안전성 고려에 기초하여, 슬레이브 장치의 수술 기구의 무효 이동에 대한 최대 허용 시간을 평가할 수 있다.

도 12에 예시된 구현예에서, 원격 작동 로봇 수술 시스템(1200)은, 할당된 작업 공간(415, 425)을 갖는 적어도 하나의 구속되지 않은 마스터 장치(410, 420)(도시된 구현예에서, 2개의 구속되지 않은 마스터 장치(1210, 1220)가 외과의(1250)에 의해 유지되는 것으로 도식적으로 도시됨), 본원에서 콘솔(1255)에 속하는 것으로 도시된 제어 유닛, 및 슬레이브 장치(1240)(도시된 구현예에서, 2개의 슬레이브 수술 도구(1260, 1270)가 도시됨)를 포함하는 것으로 도시되어 있다.

도 13은 마스터 장치에 할당된 작업 공간(1315) 내의 구속되지 않은 마스터 장치(1310)의 구현예를 도시하며, 여기에서 마스터 장치(1310)의 몸체는 공통 축(ZOJ)을 중심으로 회전하도록 구속된 2개의 고정된 부품(1380, 1390)에 의해 형성되고, 여기에서 무결성을 검증하는 단계는 2개의 센서(S1 및 S2)의 동일 평면성을 검증하는 단계, 즉, 2개의 센서(S1, S2)가 평면(π)에 놓여 있는지의 여부를 거증하는 단계를 포함한다(도시된 구현예에서, 센서(S1, S2)는 이상 조건을 나타내는 비-동일 평면에 놓인 것으로 도시됨).

도 14는 마스터 장치에 할당된 작업 공간(1415) 내의 구속되지 않은 마스터 장치(1410)의 구현예를 도시하며, 여기에서 마스터 장치(1410)의 몸체는 공통 축(ZOJ)을 중심으로 회전하도록 구속된 2개의 고정된 부품(1480, 1490)에 의해 형성되며, 여기에서 무결성을 검증하는 단계는 2개의 센서(S1, S2)의 평행도 조건을 검증하는 단계를 포함한다(도시된 구현예에서, 고정된 부품(1480)은, 이상 조건을 나타내는, 이의 길이방향 축(X1)을 중심으로 각도(β)만큼 회전되고, 이에 따라 센서(S1 및 S2)는 서로 평행하지 않은 것으로 도시됨).

도 16은 공통 축(ZOJ)을 중심으로 회전하도록 구속된 2개의 고정된 부품(1680, 1690)에 의해 형성된 몸체를 갖는 구속되지 않은 마스터 장치(1610)를 도식적으로 도시하며, 여기에서 무결성을 검증하는 단계는: (a) 2개의 고정된 부품(1680, 1690)이 평면(π)에 놓여 있는지의 여부, (b) 2개의 고정된 부품(1680, 1690), 및 바람직하게는 이와 연관된 센서(S1, S2)에 의해 식별된 평면(π1, π2)이 서로 평행하고 조인트(OJ)의 축(ZOJ)에 입사되는지의 여부, (c) 센서(S1, S2)가 사전 결정된 상호 구성에 있는지의 여부, (d) 2개의 센서(S1, S2)에 의해 정의된 개방/폐쇄 궤적이 곡선(1689)과 함께 도식적으로 도시된 사전 결정된 궤적에 상응하는지의 여부를 검증하는 단계를 포함한다.

도 11은, 전술한 바와 같이, 공통 축(X-X)를 따라 공통 선형으로 병진하도록 구속된 2개의 고정된 부품(1180, 1190)을 포함하는, 마스터 장치(1110)가 펜-형 본체를 갖는 구현예를 도시한다.

도 15는 마스터 장치에 할당된 작업 공간(1515) 내의 구속되지 않은 마스터 장치(1510)의 구현예를 도시하며, 여기에서 마스터 장치(1510)의 몸체는 공통 축(X-X)을 따라 공통 선형으로 병진하도록 구속된 2개의 고정된 부품(1580, 1590)에 의해 형성되며, 여기에서 무결성을 검증하는 단계는 2개의 센서(S1, S2)의 평행도를 검증하는 단계를 포함한다(도시된 구현예에서, 고정된 부품(1580)은, 이상 조건을 나타내는, 이의 길이방향 축(X1)을 중심으로 각도(γ)만큼 회전되고, 이에 따라 센서(S1 및 S2)는 서로 평행하지 않은 것으로 도시됨).

알 수 있는 바와 같이, 전술한 바와 같이 본 발명의 목적은 위에서 상세히 개시된 특징부에 의해 전술한 방법을 사용하여 충분히 달성된다.

실제로, 설명된 방법 및 시스템은 마스터 장치의 기능적 및 구조적 무결성의 효과적인 실시간 검증을 가능하게 하며, 따라서 또한 실시간으로 임의의 이상을 검출하고, 이상의 유형을 인식할 수 있게 한다.

전술한 바와 같이, 전술한 다양한 구현예에 의해 공유되는 원리는 측정된 자유도의 수가 해당 장치에 허용된 자유도의 수보다 크다는 것이다.

예를 들어, 마스터 장치의 2개의 부품에 대해 수행된 측정은 12개의 자유도(마스터 장치의 제1 부분에 대한 3개 위치, 마스터 장치의 제2 부분에 대한 3개 위치, 제1 지점과 연관된 제1 마스터 장치 좌표 프레임의 회전을 나타내는 3개의 값, 제2 지점과 연관된 제2 마스터 장치 좌표 프레임의 회전을 나타내는 3개의 값)를 제공한다.

따라서, 본 개시의 방법 및 시스템은 마스터 장치의 기능적 무결성을 검증하기 위한 효과적이고 신뢰성 있는 절차를 자동 및 실시간으로 작동시키는 데 필요한 요구를 충족시킨다.

마스터 장치의 구조적 또는 기능적 이상이 확인되면, 원격 조작은 즉각적이고 신속하게 중단될 수 있으며, 따라서 이러한 이상은 슬레이브 장치 및 이와 연관된 수술 기구의 작동에서의 결과적인 이상에 반영되고, 환자에게 작용하도록 의도되어, 심지어 환자 자신에게도 심각할 수 있는 가능한 결과를 초래하는 것을 방지할 수 있다.

따라서 환자 안전 개선이라는 목표가 달성되고, 수술 환경에서 준수되어야 하는 매우 엄격한 안전 요구 사항이 충족된다.

불확실한 필요를 충족시키기 위해, 당업자는 전술한 방법의 구현예를 변경 및 적용시킬 수 있거나, 다음의 청구범위의 범위를 벗어나지 않고, 기능적으로 동등한 다른 요소로 해당 요소를 대체할 수 있다. 가능한 구현예에 속하는 것으로 전술한 모든 특징부는 설명된 다른 구현예와 무관하게 구현될 수 있다.

Claims

의료 또는 외과 원격 작동을 위한 로봇 시스템을 제어하기 위해 사용되는, 핸드헬드 및 구속되지 않은 마스터 장치(110; 1110; 1210, 1220; 1310; 1410; 1510; 1610)의 구조적 및/또는 기능적 무결성을 검증하기 위한 방법으로서, 상기 마스터 장치는 공통 축(ZOJ; X-X)에 대해 상대적으로 회전 및/또는 병진하도록 구속된 2개의 고정된 부품(B1, B2; 1180, 1190; 1380, 1390; 1480, 1490; 1580, 1590; 1680, 1690)을 포함하되,
상기 방법은:
- 상기 마스터 장치의 상기 2개의 고정된 부품(B1, B2; 1180, 1190; 1380, 1390; 1480, 1490; 1580, 1590; 1680, 1690) 중 각각의 하나에 각각 속하는, 적어도 2개의 지점의 위치 벡터(P1, P2)를 측정 및/또는 검출하는 단계, 및 상기 적어도 2개의 위치 벡터의 시간에 따른 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계;
- 상기 적어도 2개의 지점 각각의 배향을 측정 및/또는 검출하는 단계로서, 각각의 배향은 3개의 숫자의 각각의 세트로서 표현되는, 단계 및 상기 배향의 시간 경과에 따른 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계;
- 상기 마스터 장치의 상태를 정의하는 데 필요한 자유도 수와 검출된 정보 항목 수 사이의 차이로부터 파생되는, 상기 마스터 장치의 구성적 또는 구조적 특징부에 의해 부과되는 하나 이상의 조건을 정의하는 단계로서, 상기 각각의 조건은 상기 마스터 장치의 무결성의 경우 반드시 준수되어야 하는 수학적 관계와 연관되는, 단계;
- 상기 검출 및/또는 측정된 위치 벡터 및 배향 및 시간 경과에 따른 각각의 변화에 기초하여, 상기 각각의 정의된 조건과 연관된 수학적 관계를 계산하는 단계;
- 상기 정의된 각각의 조건과 연관된 수학적 관계가 준수되는지의 여부에 대한 검증을 기반으로, 상기 마스터 장치의 상태를 결정하는 데 필요한 정보와 관련하여 중복되는 자유도와 관련하여 검출된 정보를 활용하여, 최종적으로 상기 마스터 장치의 구조적 및/또는 기능적 무결성 또는 비무결성의 상태를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항에 있어서, 의료 및 외과 원격 작동을 위한 로봇 시스템은:
- 기계적으로 접지되지 않고 수술 동안 외과의에 의해 핸드헬드되도록 적용되고, 외과의의 수동 명령을 검출하고 각각의 제1 전기적 명령 신호를 생성하도록 구성되는, 상기 마스터 장치(110; 1110; 1210, 1220; 1310; 1410; 1510; 1610);
- 마스터 장치에 의해 제어되는 방식으로 환자의 해부학 구조에 대해 작동하도록 구성된 적어도 하나의 슬레이브 수술 기구(1260, 1270)를 포함하는, 적어도 하나의 슬레이브 장치(1240) 또는 슬레이브 로봇 어셈블리;
- 마스터 장치로부터 상기 제1 전기적 명령 신호를 수신하고, 상기 제1 전기적 명령 신호에 기초하여 제2 전기적 명령 신호를 생성하고, 상기 제2 전기 명령 신호를 상기 슬레이브 로봇 어셈블리에 제공하여, 상기 적어도 하나의 슬레이브 수술 기구를 작동시키도록 구성되는, 컴퓨터가 구비된 제어 유닛을 포함하며;
여기에서. 상기 제어 유닛은 상기 검출 및/또는 측정 단계를 수행하도록 구성된 하나 이상의 센서(S1, S2)에 작동 가능하게 연결되고;
상기 제어 유닛은 상기 검출 및/또는 측정된 위치 벡터 및 시간 경과에 따른 관련 변화를 나타내는 제3 전기적 제어 신호를 수신하고 처리하도록 구성되고;
상기 계산 단계 및 결정 단계는 상기 제어 유닛에 의해 수행되며, 여기에는 상기 하나 이상의 조건 및 각각의 수학적 관계가 저장되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 측정 및/또는 검출 단계는:
- 의료 또는 외과 원격 작동을 위한 로봇 시스템과 연관되고, 사전에 설정된 축 및 사전설정 지점에 원점을 갖는, 제1 기준 프레임(x,y,z)과 관련하여, 상기 위치 벡터 및 배향, 그리고 시간에 따른 관련 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제3항에 있어서, 외과 또는 의료 원격 작동을 위한 로봇 시스템은, 슬레이브 수술 기구의 작동이 마스터 장치를 통해 외과의에 의해 주어진 수동 명령 및/또는 마스터 장치의 위치 및 배향에 의존하도록, 사전에 결정된 트래킹 볼륨 내에서 마스터 장치의 입력 위치 및 배향을 검출하기에 적합한 적어도 하나의 트래킹 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 측정 및/또는 검출 단계는 2개 이상의 자기 센서에 의해 수행되되, 상기 각각의 자기 센서는, 마스터 장치에 속하거나 이에 통합된 상기 적어도 2개의 지점 중 각각의 하나에 배치되고, 수술 또는 의료 원격 작동을 위한 로봇 시스템의 일부에 구속된 자기장 발생기에 의해 생성된 자기장의 각각의 로컬 값을 검출하도록 구성되며,
상기 제1 기준 프레임은 상기 자기 이미터에 이의 원점을 가지며, 3개의 직교 축(x, y, z)을 포함하고,
바람직하게는, 상기 자기장 생성기는 상기 트래킹 시스템에 속하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 측정 및/또는 검출 단계는, 원격 작동을 위한 상기 로봇 시스템과 연관되고/되거나 이에 구속되는, 적어도 하나의 광학 센서 또는 카메라에 의해 수행되고,
상기 제1 기준 프레임은 상기 광학 센서 또는 카메라의 내부 기준 프레임이며,
바람직하게는, 상기 광학 센서 또는 카메라는 상기 트래킹 시스템에 속하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 방법은:
- 마스터 장치의 상기 적어도 2개의 지점과 각각 연관된, 제2 기준 프레임(x1, y1, z1) 및 제3 기준 프레임(x2, y2, z2)을 정의하는 단계로서, 상기 각각의 제2 기준 프레임(x1, y1, z1) 및 제3 기준 프레임(x2, y2, z2)은:
- 상기 각각의 지점에 해당하는 각각의 원점;
- 각각의 지점과 연관되는 마스터 장치의 각각의 고정된 부품과 정렬된 각각의 제1 축(x1; x2);
- 마스터 장치의 2개의 고정된 부품의 회전축에 평행하거나, 다른 고정된 부품에 대해 마스터 장치의 고정된 부품의 병진 축에 수직인 각각의 제2 축(z1, z2);
- 상기 제1 축과 제2 축 둘 모두에 각각 직교하는 제3 축(y1;y2)을 포함함으로써, 3개 축의 좌선성 세트를 형성하고;
여기에서:
- 상기 위치 벡터 및 시간에 따른 관련 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계는, 제1 기준 프레임(x, y, z)에 대한 상기 제2 기준 프레임(x1, y1, z1) 및 제3 기준 프레임(x2, y2, z2)의 원점의 위치, 및 시간에 따른 관련 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계를 포함하고;
- 상기 위치 벡터 및 시간에 따른 관련 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계는, 제1 기준 프레임(x, y, z)에 대한 상기 제2 기준 프레임(x1, y1, z1) 및 제3 기준 프레임(x2, y2, z2)의 배향, 및 시간에 따른 관련 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 마스터 장치에 속하거나 이에 일체화된 상기 적어도 2개의 포인트는:
- 마스터 장치의 팁 또는 제1 고정된 부품의 자유 단부 또는 고정된 바 또는 고정된 아암;
- 마스터 장치의 팁 또는 제2 고정된 부품의 자유 단부 또는 고정된 바 또는 고정된 아암을 포함하되,
상기 고정된 부품 또는 막대 또는 아암은 서로 관절식으로 연결되거나, 그렇지 않으면 공통 축을 중심으로 회전 또는 병진하도록 구속되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법으로서, 마스터 장치는 공통 축에 대해 상대적으로 회전하도록 구속된 2개의 고정된 부품(B1, B2; 1380, 1390; 1480, 1490; 1580, 1590; 1680, 1690)을 포함하는 본체를 포함하고, 외과의에 의해 주어진 명령은 상기 2개의 고정된 부품 사이의 개방 각도의 변화에 해당하며,
여기에서, 상기 방법은 상기 검출된 벡터에 기초하여, 기준점의 3개 숫자의 위치 세트 및 3개 숫자의 회전 세트, 및 마스터 장치의 개방 각도를 계산하는 것을 특징으로 하는 추가의 단계를 포함하고,
상기 기준점:
- 두 팁 사이의 중간 지점; 및/또는
- 마스터 장치의 무게 중심; 및/또는
- 마스터 장치 조인트 중 하나의 지점을 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법으로서, 마스터 장치는 마스터 장치 본체의 길이방향 연장부와 일치하는 방향 상에서 서로에 대해 병진하도록 구속된 2개의 고정된 부품(1180; 1190)을 포함하고, 상기 2개의 고정된 부품은 마스터 장치 본체의 길이방향 연장부를 중심으로 하는 회전에 있어서 서로 일체화되고, 외과의에 의해 주어진 명령은 다른 고정된 부품에 대한 하나의 고정된 부품의 병진에 해당하고,
상기 방법은, 상기 검출된 벡터에 기초하여, 제1 고정된 부분 상의 제1 기준점에 연관된 제1 센서, 및 제2 고정된 부분 상의 제2 기준점에 연관된 제2 센서의 3개 숫자의 위치 세트 및 3개 숫자의 회전 세트를 계산하는 추가의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 무결성 상태를 결정하는 단계는:
- 정의된 모든 조건이 사전 결정된 허용오차 한계 내에서 준수되는 경우, 무결성 상태를 확인하는 단계;
- 정의된 조건 중 적어도 하나가 사전 결정된 허용오차 한계를 고려한 후에도 준수되지 않은 경우, 비무결성 상태를 식별하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조건은:
- 상기 적어도 2개의 지점(이의 위치 벡터는 측정되거나 감지됨)에 해당하는 검출된 지점(P1, P2)은 동일 평면성 허용오차 한계 내의 동일한 평면에 있어야 하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제12항에 있어서, 상기 동일 평면성 허용오차 한계는 각 지점과 다른 지점에 의해 정의된 평면 사이의 0.5 mm 이하의 거리를 제공하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 마스터 장치는 회전 조인트를 포함하되, 상기 조건은:
- 상기 적어도 2개의 지점(이의 위치 벡터는 측정되거나 감지됨)에 해당하는 검출된 지점(P1, P2)은, 상기 2개의 지점(P1, P2)을 통과하는, 조인트 축에 평행한 법선 축(z1, z2)에 의해 정의된 직교 평면 상에 사전 결정된 동일한 방식으로 항상 투영되어야 하는, 즉, 상기 회전 조인트와 2개의 지점을 각각 연결하는 2개의 벡터(x1, x2) 사이의 벡터 곱은 항상 상기 법선 축(z1) 중 하나와 연관된 벡터와 일치하거나 일치하지 않아야 하며, 여기에서 상기 일치 또는 불일치는 마스터 장치의 구조적 특징부에 기초하여 사전 결정되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 마스터 장치는 프리즘형 조인트를 포함하되, 상기 조건은:
- 상기 적어도 2개의 지점(이의 위치 벡터는 측정되거나 감지됨)에 해당하는 검출된 지점(P1, P2)은, 마스터 장치와 동일 평면에 있고 2개의 고정된 부품으로 정의된 방향에 수직인 축(y1, y2)에 의해 정의된 직교 평면 상에 사전 결정된 동일한 방식으로 항상 투영되어야 하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조건은:
- 상기 적어도 2개의 지점(이의 위치 벡터는 측정되거나 감지됨)을 통과하는 조인트 축에 평행한 법선 축(z1, z2)은 평행도 허용 한계 내에서 평행하고 일치해야 하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제16항에 있어서, 상기 평행도 허용 한계는 상기 축(z1, z2)에 의해 정의되는 각도 8°의 최대 허용 한계로 정의되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조건은:
- 각각의 2개의 지점 및 지점을 조인트에 연결하는 각각의 축으로 이루어진 쌍((P1,x1), (P2,x2))을 고려하여, 선형 미터법 수량(L)에 의해 해당 축을 따라 각각의 지점을 병진시키면 2개의 각각 병진된 지점(P1', P2')이 얻어지며, 이는 병진된 지점 사이에서 허용되는 최대 거리보다 짧은 거리를 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.
제18항에 있어서, 회전 조인트를 갖는 마스터 장치에 대해, 상기 최대 허용 거리는 1 cm이며, 프리즘형 조인트를 갖는 마스터 장치에 대해, 상기 최대 허용 거리는 0.5 cm 미만의 마진으로 상기 2개의 지점(P1, P2) 사이의 거리와 동일한 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조건은:
- 상기 적어도 2개의 지점(이의 위치 벡터는 측정되거나 감지됨) 사이의 거리는, 마스터 장치의 최대 개방 조건 하에서, 상기 적어도 2개의 지점이 있는 거리를 초과할 수 없으며, 해당되는 경우, 이러한 거리는 마스터 장치의 최소 개방에서 측정된 최소 거리보다 작을 수 없고,
상기 마스터 장치의 최대 개방 및 마스터 장치의 최소 개방은 마스터 장치의 구조적 특징부에 따라 사전 결정된 파라미터인 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조건의 모든 양은, 12개의 자유도를 제공하고, 이중 5개는 중복되는 수행된 측정에 의해 실시간으로 검출되거나, 계산되고,
상기 조건이 준수되는지 여부가 실시간으로 검증되며;
상기 조건 중 하나 이상이 준수되지 않은 경우, 실시간으로 이상이 감지되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모든 조건은 무결성 검증에 대해 고려되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 하기 파라미터:
- 도 단위로 측정된, 축(Z1 및 Z2) 사이의 평면도;
- 센서 사이의 최대 거리(d);
- 센서의 기준 프레임 원점(MF#1 또는 MF#2)과 다른 센서의 평면 사이의 거리;
- 마스터 장치의 아암의 2개의 라인 사이의 거리로부터 검출된 양을 기초로 하여 계산하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검증되는 조건은:
- 상기 적어도 2개의 지점(P1, P2)(이의 위치 벡터는 측정되거나 감지됨)은 동일한 평면에 속해야 하고;
- 상기 법선 축(Z1, Z2)은 평행해야 하고;
- 상기 적어도 2개의 지점(P1, P2)을 아암에 대해 알려진 거리만큼 뒤로 이동시켜 얻은 추가 지점(P1' 및 P2')은 조인트에 해당하는 지점(OJ) 및 마스터 프레임 조인트(MFJ) 기준 프레임의 원점 둘 모두와 일치해야 하고;
- 마스터 장치의 개방 각도는 최대 값보다 작아야 하고;
- 상기 적어도 2개의 지점(P1, P2) 사이의 최대 거리는 최대 값보다 작아야 하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 마스터 장치의 구조적 무결성이 검증되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 마스터 장치의 기능적 무결성을 검증하는 단계는, 외부 자기장에 의한 교란이 있는지의 여부를 이해하기 위해 순간 위치 벡터의 검출과 연관된 노이즈를 검출/정량화하는 단계 및/또는 순간 허용 임계값을 정의하는 단계를 추가로 포함함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따라, 구조적 무결성을 검증하는 방법을 수행하는 단계를 포함하는 마스터 장치의 이상을 관리하는 방법으로서,
조건을 준수하지 않으면, 원격 작동 및 슬레이브 장치와 연관된 수술 기구의 움직임은 즉시 중단되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제27항에 있어서,
- 검증 결과에 대한 정보를 로봇 시스템 제어 시스템에 제공하는 단계, 및/또는
- 획득된 정보를 로봇 시스템 상태 머신, 및/또는 사용자 인터페이스, 및/또는 슬레이브측 엔드포인트와 통신하는 단계;
를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
의료 또는 외과 원격 작동을 위한 로봇 시스템으로서:
- 기계적으로 접지되지 않고 수술 동안 외과의에 의해 핸드헬드되기에 적합하고, 외과의의 수동 명령을 검출하고 각각의 제1 전기적 명령 신호를 생성하도록 구성되는, 마스터 장치(110; 1110; 1210, 1220; 1310; 1410; 1510; 1610)로서, 상기 마스터 장치는 공통 축(ZOJ, X-X)에 대해 상대적으로 회전 및/또는 병진하도록 구속된 2개의 고정된 부품(B1, B2; 1180, 1190; 1380, 1390; 1480, 1490; 1580, 1590; 1680, 1690)을 포함하는 본체를 포함하는, 마스터 장치;
- 상기 마스터 장치에 의해 제어되는 방식으로 환자의 해부학 구조에 대해 작동하도록 구성된 적어도 하나의 슬레이브 수술 기구(1260, 1270)를 포함하는, 적어도 하나의 슬레이브 장치(1240) 또는 슬레이브 로봇 어셈블리;
- 상기 마스터 장치로부터 상기 제1 전기적 명령 신호를 수신하고, 상기 제1 전기적 명령 신호에 기초하여 제2 전기적 명령 신호를 생성하고, 상기 제2 전기 명령 신호를 상기 슬레이브 로봇 어셈블리에 제공하여, 상기 적어도 하나의 슬레이브 수술 기구를 작동시키도록 구성되는, 컴퓨터가 구비된 제어 유닛을 포함하며;
여기에서, 상기 시스템은:
- 상기 마스터 장치의 상기 2개의 고정된 부품(B1, B2; 1180, 1190; 1380, 1390; 1480, 1490; 1580, 1590; 1680, 1690) 중 각각의 하나에 각각 속하는, 적어도 2개의 지점의 위치 벡터(P1, P2)를 측정 및/또는 검출하는 단계, 및 상기 적어도 2개의 위치 벡터의 시간에 따른 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계;
- 상기 적어도 2개의 지점 각각의 배향을 측정 및/또는 검출하는 단계로서, 각각의 배향은 3개의 숫자의 각각의 세트로서 표현되는, 단계 및 상기 배향의 시간 경과에 따른 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계;
- 하나 이상의 조건을 정의하거나, 하나 이상의 사전 결정된 조건을 저장하는 단계로서, 상기 조건은 상기 마스터 장치의 상태를 정의하는 데 필요한 자유도 수와 검출된 정보 항목 수 사이의 차이로부터 파생되는, 상기 마스터 장치의 구성적 또는 구조적 특징부에 의해 부과되고, 여기에서 각 조건은 상기 마스터 장치의 무결성의 경우 준수되어야 하는 수학적 관계와 연관되는, 단계;
- 상기 검출 및/또는 측정된 위치 벡터 및 배향 및 시간 경과에 따른 각각의 변화에 기초하여, 각각의 정의된 조건과 연관된 수학적 관계를 계산하는 단계;
- 상기 정의된 각각의 조건과 연관된 수학적 관계가 준수되는지의 여부에 대한 검증을 기반으로, 상기 마스터 장치의 상태를 결정하는 데 필요한 정보와 관련하여 중복되는 자유도와 관련하여 검출된 정보를 활용하여, 최종적으로 상기 마스터 장치의 구조적 및/또는 기능적 무결성 또는 비무결성의 상태를 결정하는 단계로 이루어진 작동을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제29항에 있어서, 상기 제어 유닛은 상기 검출 및/또는 측정 단계를 수행하도록 구성된 하나 이상의 센서(S1, S2)에 작동 가능하게 연결되고;
제어 유닛은 상기 검출 및/또는 측정된 위치 벡터 및 시간 경과에 따른 관련 변화를 나타내는 제3 전기적 제어 신호를 수신하고 처리하도록 추가로 구성되고;
상기 하나 이상의 조건 및 각각의 수학적 관계는 상기 제어 유닛에 저장되고, 제어 유닛은 상기 계산 단계 및 결정 단계를 수행하도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 측정 및/또는 검출 단계는, 의료 또는 외과 원격 작동을 위한 로봇 시스템과 연관되고, 사전에 설정된 축 및 사전설정 지점에 원점을 갖는, 제1 기준 프레임(x,y,z)과 관련하여, 상기 위치 벡터 및 상기 배향, 그리고 시간에 따른 관련 변화를 측정 및/또는 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제31항에 있어서, 슬레이브 수술 기구의 작동이 마스터 장치를 통해 외과의에 의해 주어진 수동 명령 및/또는 마스터 장치의 위치 및 배향에 의존하도록, 사전에 결정된 트래킹 볼륨 내에서 마스터 장치의 입력 위치 및 배향을 검출하기에 적합한 적어도 하나의 트래킹 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제31항 또는 제32항에 있어서, 상기 측정 및/또는 검출 단계는 2개 이상의 자기 센서에 의해 수행되되, 상기 각각의 자기 센서는, 마스터 장치에 속하거나 이에 통합된 상기 적어도 2개의 지점 중 각각의 하나에 배치되고, 시스템의 일부에 구속된 자기장 발생기에 의해 생성된 자기장의 각각의 로컬 값을 검출하도록 구성되며, 상기 제1 기준 프레임은 상기 자기장 생성기에서 기원하고, 3개의 직교 축(x, y, z)을 포함하되, 바람직하게는, 상기 자기장 발생기는 상기 트래킹 시스템에 속하는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제31항 또는 제32항에 있어서, 원격 작동 수술을 위한 로봇 시스템과 연관되고/되거나 이에 구속되는, 적어도 하나의 광학 센서 또는 카메라를 추가로 포함하되, 상기 측정 및/또는 검출 단계는 상기 적어도 하나의 광학 센서 또는 카메라에 의해 수행되고, 상기 제1 기준 프레임은 상기 광학 센서 또는 카메라의 내부 기준 프레임이되, 바람직하게는, 상기 광학 센서 또는 카메라는 상기 트래킹 시스템에 속하는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 마스터 장치에 속하거나 이에 통합된 상기 적어도 2개의 지점은:
- 마스터 장치의 팁 또는 제1 고정된 부품의 자유 단부 또는 고정된 바 또는 고정된 아암;
- 마스터 장치의 팁 또는 제2 고정된 부품의 자유 단부 또는 고정된 바 또는 고정된 아암을 포함하되,
상기 고정된 부품 또는 막대 또는 아암은 서로 관절식으로 연결되거나, 그렇지 않으면 공통 축을 중심으로 회전 또는 병진하도록 구속되는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제29항 내지 제35항 중 어느 한 항에 따른 로봇 시스템으로서, 마스터 장치는 공통 축에 대해 상대적으로 회전하도록 구속된 2개의 고정된 부품(B1, B2; 1380, 1390; 1480, 1490; 1580, 1590; 1680, 1690)을 포함하는 본체를 포함하고, 외과의에 의해 주어진 명령은 상기 2개의 고정된 부품 사이의 개방 각도의 변화에 해당하며, 여기에서, 상기 시스템은 상기 검출된 벡터에 기초하여, 기준점의 3개 숫자의 위치 세트 및 3개 숫자의 회전 세트, 및 마스터 장치의 개방 각도를 계산하는 것을 특징으로 하는 추가의 단계를 포함하고, 상기 기준점은, 두 팁 사이의 중간 지점, 및/또는 마스터 장치의 무게 중심, 및/또는 마스터 장치 조인트 중 하나의 지점을 포함하는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제29항 내지 제35항 중 어느 한 항에 따른 로봇 시스템으로서, 마스터 장치는 마스터 장치 본체의 길이방향 연장부와 일치하는 방향 상에서 서로에 대해 병진하도록 구속된 2개의 고정된 부품(1180; 1190)을 포함하고, 상기 2개의 고정된 부품은 마스터 장치 본체의 길이방향 연장부를 중심으로 하는 회전에 있어서 서로 일체화되고, 외과의에 의해 주어진 명령은 다른 고정된 부품에 대한 고정된 부품의 병진에 해당하고, 상기 시스템은, 상기 검출된 벡터에 기초하여, 제1 고정된 부분 상의 제1 기준점에 연관된 제1 센서, 및 제2 고정된 부분 상의 제2 기준점에 연관된 제2 센서의 3개 숫자의 위치 세트 및 3개 숫자의 회전 세트를 계산하는 추가의 단계를 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제29항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 무결성 상태를 결정하는 단계는:
- 정의된 모든 조건이 사전 결정된 허용오차 한계 내에서 준수되는 경우, 무결성 상태를 확인하는 단계;
- 정의된 조건 중 적어도 하나가 사전 결정된 허용오차 한계를 고려한 후에도 준수되지 않은 경우, 비무결성 상태를 식별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제29항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조건은, 적어도 2개의 지점에 해당하는 검출된 지점(P1, P2)(이의 위치 벡터는 측정되거나 감지됨)이 동일 평면성 허용오차 한계 내의 동일한 평면에 있어야 한다는 것을 포함하고/하거나,
마스터 장치는 회전 조인트를 포함하며, 여기에서 상기 조건은, 상기 적어도 2개의 지점(이의 위치 벡터는 측정되거나 감지됨)에 해당하는 검출된 지점(P1, P2)이, 상기 2개의 지점(P1, P2)을 통과하는, 조인트 축에 평행한 법선 축(z1, z2)에 의해 정의된 직교 평면 상에 사전 결정된 동일한 방식으로 항상 투영되어야 한다는 것, 즉, 상기 회전 조인트와 2개의 지점을 각각 연결하는 2개의 벡터(x1, x2) 사이의 벡터 곱이 항상 상기 법선 축(z1) 중 하나와 연관된 벡터와 일치하거나 일치하지 않아야 한다는 것을 포함하고/하거나(여기에서 상기 일치 또는 불일치는 마스터 장치의 구조적 특징부에 기초하여 사전 결정됨);
마스터 장치는 프리즘형 조인트를 포함하며, 여기에서 상기 조건은, 상기 적어도 2개의 지점(이의 위치 벡터는 측정되거나 감지됨)에 해당하는 검출된 지점(P1, P2)이, 마스터 장치와 동일 평면에 있고 2개의 고정된 부품으로 정의된 방향에 수직인 축(y1, y2)에 의해 정의된 직교 평면 상에 사전 결정된 동일한 방식으로 항상 투영되어야 한다는 것을 포함하고/하거나;
상기 조건은, 상기 적어도 2개의 지점(이의 위치 벡터는 측정되거나 감지됨)을 통과하는 조인트 축에 평행한 법선 축(z1, z2)이 평행도 허용 한계 내에서 평행하고 일치해야 한다는 것을 포함하고/하거나;
상기 조건은, 각각의 2개의 지점 및 지점을 조인트에 연결하는 각각의 축으로 이루어진 쌍((P1,x1), (P2,x2))을 고려하여, 선형 미터법 수량(L)에 의해 해당 축을 따라 각각의 지점을 병진시키면 2개의 각각 병진된 지점(P1', P2')이 얻어지며, 이는 병진된 지점 사이에서 허용되는 최대 거리보다 짧은 거리만큼 이격된다는 것을 포함하고/하거나;
상기 조건은: 상기 적어도 2개의 지점(이의 위치 벡터는 측정되거나 감지됨) 사이의 거리는, 마스터 장치의 최대 개방 조건 하에서, 상기 적어도 2개의 지점이 있는 거리를 초과할 수 없으며, 해당되는 경우, 이러한 거리는 마스터 장치의 최소 개방에서 측정된 최소 거리보다 작을 수 없다는 것을 포함하며, 여기에서 상기 마스터 장치의 최대 개방 및 마스터 장치의 최소 개방은 마스터 장치의 구조적 특징에 따라 사전 결정된 파라미터이고/이거나;
상기 조건의 모든 양은, 12개의 자유도를 제공하고, 이중 5개는 중복되는 수행된 측정에 의해 실시간으로 검출되거나, 계산되고, 상기 조건이 준수되는지의 여부는 실시간으로 확인되고, 상기 조건 중 하나라도 준수되지 않은 경우, 실시간으로 이상이 검출되는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제29항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 하기 파라미터:
- 도 단위로 측정된, 축(Z1 및 Z2) 사이의 평면도;
- 센서 사이의 최대 거리(d);
- 센서의 기준 프레임 원점(MF#1 또는 MF#2)과 다른 센서의 평면 사이의 거리;
- 마스터 장치의 아암의 2개의 라인 사이의 거리로부터 검출된 양을 기초로 하여 계산하는 단계를 수행하도록 추가로 구성되고/되거나,
상기 검증되는 조건은:
- 상기 적어도 2개의 지점(P1, P2)(이의 위치 벡터는 측정되거나 감지됨)은 동일한 평면에 속해야 하고;
- 상기 법선 축(Z1, Z2)은 평행해야 하고;
- 상기 적어도 2개의 지점(P1, P2)을 아암에 대해 알려진 거리만큼 뒤로 이동시켜 얻은 추가 지점(P1' 및 P2')은 조인트에 해당하는 지점(OJ) 및 마스터 프레임 조인트(MFJ) 기준 프레임의 원점 둘 모두와 일치해야 하고;
- 마스터 장치의 개방 각도는 최대 값보다 작아야 하고;
- 상기 적어도 2개의 지점(P1, P2) 사이의 최대 거리는 최대 값보다 작아야 하는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제29항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조건 중 하나 이상에 기초하여 마스터 장치의 구조적 무결성을 검증하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제41항에 있어서, 마스터 장치의 기능적 무결성을 검증하는 단계는, 외부 자기장에 의한 교란이 있는지의 여부를 이해하기 위해 순간 위치 벡터의 검출과 연관된 노이즈를 검출/정량화하는 단계 및/또는 순간 허용 임계값을 정의하는 단계를 추가로 포함함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제32항, 및 제41항 또는 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 트래킹 시스템에 의해 생성된 전자기 트래킹장의 교란 및/또는 왜곡을 감지하도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제29항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 따른 마스터 장치의 구조적 무결성을 검증하기 위한 방법을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.
제29항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 제27항 또는 제28항 중 어느 한 항에 따른 이상 관리 방법을 수행하는 단계를 포함하는, 마스터 장치의 이상을 관리하도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는, 로봇 시스템.