KR20240072196A - 수술용 로봇 시스템의 수술 기구의 하나 이상의 작동 텐던에 의해 작동되는 관절형 엔드 이펙터를 제어하기 위한 방법 및 관련된 수술용 로봇 시스템 - Google Patents

Abstract

수술용 로봇 시스템의 수술 기구(20)의 하나 이상의 작동 텐던에 의해 작동되는 관절형 엔드 이펙터(40)를 제어하기 위한 방법이 설명된다. 이 방법은 바람직하게 수술 기구의 작동 단계 동안 실행할 수 있다.
이 방법은 관절형 엔드 이펙터(40) 및 관절형 엔드 이펙터(40)를 작동하도록 구성된 적어도 하나의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)을 포함하는 수술 기구(20)에 적용된다.
이 방법은 상기 수술 기구(20) 이외에, 제어 수단(9) 및 적어도 하나의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)를 포함하는 수술용 로봇 시스템에 적용되며, 상기 액추에이터는 제어 수단(9)에 의해 제어되는 각각의 작동 텐던에 액션을 부여하도록 각각의 상기 적어도 하나의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)에 작동 가능하게 연결되어, 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)의 적어도 하나의 이동과 관절형 엔드 이펙터(40)의 각각의 적어도 하나의 이동 사이의 일의적 상관 관계가 결정될 수 있다.
이 방법은 먼저 수술 기구의 전술한 작동 단계 동안 상기 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16) 중 적어도 하나에 의해 가해지는 힘(Fm)을 검출하는 단계를 포함한다.
그런 다음, 이 방법은 검출된 힘(Fm)에 기초하여, 미리 정의된 수학적 모델에 의해, 작동 텐던의 탄성 신장으로 인한 하나 이상의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36) 중 적어도 하나의 길이 변화를 추정하는 단계; 그리고 나서 추정된 길이 변화를 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)의 위치 제어에 사용하는 단계를 더 포함한다.
이러한 위치 제어는, 상기 관절형 엔드 이펙터(40)에 의해 도달된 위치와 관절형 엔드 이펙터(40)의 소정의 공칭 위치 사이에 상기 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 또는 상쇄하기 위해, 상기 하나 이상의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36) 중 적어도 하나의 추정된 길이 변화를 고려하여 상기 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16) 중 적어도 하나에 이동을 부여하는 것을 포함한다.
전술한 방법에 의해 제어되도록 조정되고 및/또는 전술한 방법을 수행하도록 구성된 수술용 로봇 시스템이 추가로 설명된다.

Description

수술용 로봇 시스템의 수술 기구의 하나 이상의 작동 텐던에 의해 작동되는 관절형 엔드 이펙터를 제어하기 위한 방법 및 관련된 수술용 로봇 시스템

본 발명은 수술용 로봇 시스템의 수술 기구의 하나 이상의 작동 텐던에 의해 작동되는 관절형 엔드 이펙터를 제어하기 위한 방법 및 관련된 수술용 로봇 시스템에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 명령된 위치에 대한 관절의 위치 오류 보상을 제공하는 제어 방법에 관한 것이다.

따라서, 본 기재는 보다 일반적으로 원격 조작 수술을 위한 로봇 시스템의 작동 제어의 기술 분야에 관한 것이다.

공개된 의료 및/또는 수술용 로봇 시스템은 일반적으로 봉합, 문합, 절개와 같은 수술 또는 미세 수술 절차를 수행하거나 이미지 또는 진단 정보를 획득하기 위해 환자의 해부학적 구조와 상호 작용하도록 의도된 적어도 하나의 관절형 말단(또는 "관절형 엔드 이펙터" 또는 "엔드 이펙터")를 포함한다.

관절형 엔드 이펙터는 일반적으로 견인 작용을 관절형 엔드 이펙터에 전달하는 작동 케이블(텐던; tendon)에 의해 작동된다.

의료 및/또는 수술용 로봇 시스템은 마스터-슬레이브 제어 아키텍처에 따라 작동할 수도 있고, 예를 들어 외과 의사가 마스터를 직접 조작하거나, 예를 들어 일련의 프로그래밍된 작업을 수행하는 등 자율 모드로 작동할 수도 있다.

관절형 엔드 이펙터가 작동 텐던에 가해지는 견인 작용으로 구현되는 로봇 손의 지골 관절과 같은 의인화된 관절을 포함하는 의인화된 로봇 시스템도 공개되어 있다.

로봇 시스템 모터는 관절형 엔드 이펙터의 상류에 배치될 수 있으며, 작동 텐던은 모터와 관절형 엔드 이펙터 모두에 작동 연결된다. 관절형 엔드 이펙터의 포즈는 작동 텐던에 의해 전달되는 로봇 시스템 모터의 작용 에 의해 결정된다.

복수의 자유도를 이동하기 위한 작동 텐던의 수는 다양할 수 있지만 일반적으로 2개의 길항 텐던이 관절형 엔드 이펙터의 동일한 자유도에 연결되어 서로 반대 방향으로 움직인다.

따라서 모터의 작용과 관절형 엔드 이펙터가 취하는 포즈 간의 일치를 보장할 수 있는 해결 방법을 찾는 것이 시급하다.

실제로 텐던은 작동 조건에서 상호 슬라이딩 접촉할 수 있을 수 있을 뿐만 아니라 롤업, 즉 서로 얽히거나 관절형 엔드 이펙터의 벽이나 강성 또는 연성 또는 관절형 위치 설정 샤프트의 벽에서 슬라이딩할 수 있다. 이러한 조건은 모터의 작용을 관절형 엔드 이펙터로 전달하는 정확도에 영향을 미쳐 모터의 작용과 관절형 엔드 이펙터의 포즈 간의 불일치를 초래할 수 있다.

즉, 작동 텐던의 기계적 동작으로 인해 모터에 부여되는 작용의 왜곡으로 인해 예상한 포즈가 구현되지 않을 수 있다.

또한 소형화된 관절형 엔드 이펙터의 경우, 작동 텐던의 치수 설정도 모터의 작용을 관절형 엔드 이펙터에 전달하는 데 결정적이다. 실제로 스케일이 감소함에 따라 일정량까지 복원될 수 있는 텐던의 종방향 변형이 점점 더 심해진다.

관절형 엔드 이펙터의 소형화를 용이하게 하기 위해, 예를 들어 동일한 출원인의 WO-2017-064303호 및 US-2021-0106393호에서 볼 수 있듯이 폴리머 작동 텐던을 사용하는 것이 가능하다.

이러한 유형의 작동 텐던은 텐던 마찰과 직경을 줄여, 매우 작은 연결 반경을 이동할 수 있다.

또한, 소형화된 관절형 엔드 이펙터는 일반적으로 위치 설정 샤프트의 원위 단부에 배치되고, 상기 위치 설정 샤프트는 샤프트의 원위 단부에서만 관절형 엔드 이펙터 장치를 따라 텐던이 늘어나는 정도와 관련하여 작동 텐던이 상대적으로 길게 늘어나도록 강제한다. 이렇게 길고 얇은 텐던을 제공하면 작동 조건에서 텐던의 길이 방향으로 변형이 발생할 가능성이 높아진다.

예를 들어, 윈치 변속기 시스템에서 텐던은 회전하는 스풀에 감겨서 서로 교차할 수 있으며, 즉 이렇게 감기는 동안 서로 얽혀서 국부적으로 마찰을 증가시키고 잠재적으로 모터의 작용의 불쾌한 전달을 일으킬 수 있다.

마찬가지로 텐던이 서로 얽혀 있는 경우, 즉 의료 및/또는 수술용 기구의 샤프트 연장부 내부에 얽혀 있는 경우, 전달에 영향을 미칠 수 있는 마찰의 증가가 국부적으로 발생할 수 있다.

즉, 위에서 언급한 경우에, 서로 다른 텐던 간 또는 같은 텐던의 섹션 간 슬라이딩 마찰 현상으로 인해 모터의 작용과 관절형 엔드 이펙터의 이동 사이에 불일치가 발생할 수 있다.

모터의 작용과 관절형 엔드 이펙터의 이동 사이에 불일치가 발생할 수 있는 또 다른 상황은 개별 작동 텐던의 고유 탄성으로 인해 발생할 수 있으며, 상기 텐던에 응력이 가해지면 길어져서 각 모터에 의해 부여된 액션의 일부를 관절형 엔드 이펙터에 효과적으로 전달하지 않고 흡수할 수 있다. 일반적으로 변형의 탄성 회복은 섭동이 중단되면 빠르게 발생하며, 특정 경우에는 모터에 의해 부여된 작용이 중단되면 텐던이 탄성 변형을 즉시 회복하는 것이 가능하다.

그러나 이러한 동역학은 원치 않는 이동을 관절형 엔드 이펙터에 전달할 수 있다. 예를 들어, 모터가 작용을 멈추면 관절형 손목의 회전 관절이 활성화될 수 있다.

소형화된 관절형 엔드 이펙터는 의료-수술 분야뿐만 아니라 의인화 로봇 분야, 마이크로 전자공학, 마이크로 기계공학, 정밀 기계공학, 시계 제조, 주얼리 및 커스텀 주얼리 및 더 일반적으로 자동화 분야에서도 바람직하다.

특히 의료-수술 분야에서, 관절형 엔드 이펙터는 시스템의 멸균 구성 요소이며 작동 조건에서 멸균 현장에서 작동하므로 로봇 시스템이 관절형 엔드 이펙터가 취하는 포즈를 실시간으로 검출할 수 있는 능동 센서 시스템을 장착할 수 없거나 바람직하지 않은 경우가 많다.

동시에 이 분야에서는 관절형 엔드 이펙터의 극소형화에 대한 요구가 매우 높으며 안전성과 사용성을 동시에 보장하기 위해서는 관절형 엔드 이펙터의 위치와 관절형 엔드 이펙터가 수행하는 동작에 대한 스마트한 제어가 필요하다.

마스터-슬레이브 제어 아키텍처에 따라 원격으로 작동된는 로봇 시스템의 경우에, 사용자가 마스터 제어 장치에 부여한 액션에 따라 모터의 작용이 제어된다. 마스터 제어 장치는 조이스틱 형태, 즉 마스터 조작 콘솔에서 캔틸레버 방식으로 돌출하는 기계적 부착물일 수 있으며, 관절형 엔드 이펙터의 센서 시스템에 의해 검출된 정보에 따라 사용자에게 촉각 피드백을 반환하는 전동식 힘 피드백 시스템을 포함할 수 있다.

원격 작동식 로봇 시스템은 마스터 제어 장치가 "접지되지 않는 것", 즉 촉각 피드백 시스템을 포함하지 않을 수 있는 접지에 제약을 받지 않는 것으로도 공개되어 있다.

따라서 로봇 시스템의 모터에 의해 부여된 액션과 관절형 엔드 이펙터에 의해 수행된 액션 사이의 일치를 보장하고 관절형 엔드 이펙터 자체에 센서 시스템을 포함하지 않도록 하는 해결 방법을 고안해야 할 필요성이 여러 분야에서 요구된다.

동시에, 관절형 엔드 이펙터 자체에 대한 제어력을 저하시키지 않으면서 로봇 시스템의 관절형 엔드 이펙터를 소형화해야 할 필요성이 있다.

본 발명의 과제는, 배경 기술을 참조하여 전술한 단점을 적어도 부분적으로 극복할 수 있는 수술용 로봇 시스템의 수술 기구의 작동 텐던에 의해 작동되는 관절형 엔드 이펙터를 제어하기 위한 방법을 제공하고, 특히 고려되는 기술분야에서 전술한 요구에 대응는 것이다.

상기 과제는 청구항 제 1 항에 따른 방법에 의해 해결된다.

이러한 방법의 추가 실시예는 청구항 제 2항 내지 제 32 항에 정의되어 있다. 본 발명의 또 다른 과제는 전술한 제어 방법에 의해 제어되도록 조정되고, 및/또는 전술한 방법을 수행하도록 구성된 수술용 로봇 시스템을 제공하는 것이다. 상기 과제는 청구항 제 33 항에 따른 시스템에 의해 해결된다.

이러한 시스템의 추가 실시예는 청구항 제 34 항 내지 제 51 항에 의해 정의되어 있다.

전술한 방법은 위에서 언급한 기술적 문제에 대한 해결 방법을 제공한다.

실제로 제안된 해결 방법에 의해, 작동 텐던의 작동 조건에서 동작 모델을 사용하여 소형화된 관절형 엔드 이펙터를 작동하기 위한 로봇 매니퓰레이터의 모터의 위치 제어 방법이 생성될 수 있다.

모터 위치 제어는 모터에 의해 적어도 상기 작동 텐던을 포함하는 트랜스미션 유닛에 부여된 힘에 관한 검출된 정보를 기반으로 하는 피드백 작동식 제어 루프이다.

부여된 힘에 관한 정보는 트랜스미션 유닛과의 인터페이스에서 모터에 배치된 로드 셀(load cell)에 의해 검출될 수 있다. 예를 들어, 트랜스미션 유닛은 모터와 접속하는 강성 부재, 예를 들어 피스톤 및 관절형 엔드 이펙터에 연결되고 강성 부재에 견고하게 연결될 수 있는, 예를 들어 피스톤에 접착된 작동 텐던을 포함한다. 따라서, 모터와 작동 텐던에 견고하게 연결 가능한 트랜스미션 유닛의 강성 부재 사이의 인터페이스에서 검출된 힘은 작동 텐던에 가해지는 견인력과 실질적으로 동일하다. 모터와 작동 텐던 사이의 연결이 견고하지 않은 경우, 이 방법은 모터와 텐던 사이의 연결의 항복을 고려할 수 있다.

부여된 힘에 관한 정보는 작동 텐던의 탄성 신장을 실시간으로 추정하는 데 사용된다. 예를 들어, 작동 텐던의 탄성 신장은, 검출된 바와 같이 모터에 의해 트랜스미션 유닛에 가해진 힘에 비례할 수 있다.

제안된 해결 방법에 의해, 모터의 작용과 관절형 엔드 이펙터가 취하는 포즈 사이의 일치를 보장하여 관절형 엔드 이펙터에 센서를 추가하지 않고 가능한 한 "업스트림(upstream)"을 유지하여 제어 방법에 유용한 정보를 수집할 수 있다. 예를 들어 의료-수술 분야에서는, 이를 통해 멸균 영역에 센서가 놓이지 않을 수 있다.

원격 작동식 마스터-슬레이브 로봇 시스템이 제공되는 경우, 제안된 해결 방법은 마스터 장치의 동작과 슬레이브 장치의 관절형 엔드 이펙터가 취하는 포즈 사이의 일치를 보장하여, 마스터-슬레이브 추적 지연을 최소화하는 데 도움이 된다.

제안된 해결 방법에 의해, 모터의 작용과 관절형 엔드 이펙터가 취하는 포즈 사이의 불일치의 탄성 성분을 보상할 수 있다.

제안된 해결 방법에 의해, 모터에 의해 부여된 힘을 기반으로 길고 가늘고 높은 탄성 변형을 받는 작동 텐던을 정밀하고 제어된 방식으로 사용할 수 있다. 제안된 해결 방법에 의해, 검출된 바와 같이, 트랜스미션 유닛에 부여된 힘을 기반으로 트랜스미션 유닛에 의해 수행되는 트랜스미션 동작 모델을 사용하여 관절형 엔드 이펙터의 현재 포즈를 정확하게 추정할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 특히 수술용 로봇 시스템을 제어하는 데 적합하지만, 반드시 마스터-슬레이브 유형일 필요는 없다.

본 발명에 따른 방법은 작동 텐던에 의해 작동되는 로봇 지골을 반드시 포함하지 않는 의인화된 로봇 시스템을 제어하기 위해 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 추가 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참고하여 비제한적인 참조로서 제공된 바람직한 예시적 실시예의 다음 설명에 제시된다.

도 1은 실시예에 따른 원격 조작 수술용 로봇 시스템을 부등각 투영도로 도시한 도면.
도 2는 도 1의 원격 조작 수술용 로봇 시스템의 일부를 부등각 투영도로 도시한 도면.
도 3은 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터의 원위 부분을 부등각 투영도로 도시한 도면.
도 4는 텐던이 개략적으로 점선으로 도시된, 실시예에 따른 수술 기구를 부등각 투영도로 도시한 도면.
도 5는 가능한 작동 모드에 따라 수술 기구의 관절형 엔드 이펙터의 자유도의 작동을 개략적으로 도시한 도면.
도 6, 도 7, 도 7a 및 7b는 본 발명에 따른 제어 방법의 실시예의 작동 양상을 도시한 도면.
도 8은 가능한 작동 모드에 따른 컨디셔닝 방법의 단계를 나타내는 흐름도.
도 9는 실시예에 따른 수술 기구의 텐던, 전동식 액추에이터, 트랜스미션 부재를 개략적으로 도시한 도면.
도 10은 가능한 작동 모드에 따른 수술 기구의 자유도의 작동을 나타내는 수술 기구의 부분과 로봇 매니퓰레이터의 부분을 개략적으로 도시한 단면도.
도 11은 실시예에 따른 수술 기구의 관절형 엔드 이펙터를 명확하게 도시하는 부분적인 등각 단면도.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 제어/보상 방법의 시간 영역에서 블록도를 도시한 도면.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 실시예에 따른 제어/보상 방법의 두 가지 다른 조건에서, Z 변환 영역에서 2개의 블록도를 도시한 도면.
도 13 및 도 14는 본 발명에 따른 제어/보상 방법의 실행이 다양한 가능한 작동 모드에 따라 적용되거나 방지될 수 있는 수술 기구의 일부 작동 조건 및/또는 상태를 도시한 도면.

도 1 내지 도 14를 참조하여, 수술용 로봇 시스템의 수술 기구(20)의 하나 이상의 작동 텐던에 의해 작동되는 관절형 엔드 이펙터(40)를 제어하기 위한 방법이 설명된다.

관절형 엔드 이펙터는 이하에서 "관절형 엔드 장치" 또는 "엔드 이펙터"(일반적으로 사용되는 영어 용어)로도 지칭될 것이다.

이 방법은 수술 기구의 작동 단계 동안 바람직하게 실행할 수 있다.

이 방법은 관절형 엔드 이펙터(40) 및 관절형 엔드 이펙터(40)를 작동하도록 구성된 적어도 하나의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)을 포함하는 수술 기구(20)에 적용된다.

이 방법은 상기 수술 기구(20) 이외에, 제어 수단(9) 및 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)의 적어도 하나의 이동과 관절형 엔드 이펙터(40)의 각각의 적어도 하나의 이동 사이의 일의적 상관 관계를 결정하기 위해 제어 수단(9)에 의해 제어되는 각각의 작동 텐던에 이동을 부여하도록 각각의 적어도 하나의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35)에 작동 가능하게 연결 가능한 적어도 하나의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)를 포함하는 수술용 로봇 시스템에 적용된다.

이 방법은 먼저 수술 기구의 전술한 작동 단계 동안 상기 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16) 중 적어도 하나에 의해 가해지는 힘(Fm)을 검출하는 단계를 포함한다.

그런 다음, 이 방법은 검출된 힘(Fm)에 기초하여, 미리 정의된 수학적 모델에 의해, 작동 텐던의 탄성 신장으로 인한 하나 이상의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36) 중 적어도 하나의 길이 변화를 추정하는 단계; 그리고 추정된 길이 변화를 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)의 위치 제어에 사용하는 단계를 더 포함한다.

이러한 위치 제어는, 관절형 엔드 이펙터(40)에 의해 도달된 위치와 관절형 엔드 이펙터(40)의 소정의 공칭 위치 사이에 상기 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 또는 상쇄하기 위해, 상기 적어도 하나의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)의 추정된 길이 변화를 고려하여 상기 적어도 하나의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에 이동을 부여하는 것을 포함한다.

예를 들어, 이러한 소정의 공칭 위치는 탄성 신장이 없을 때 얻어질 수 있는 위치일 수 있다.

탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 또는 상쇄하는 전술한 기술적 효과는 그러한 오류에 대한 "보상" 및/또는 그러한 오류의 "최소화"를 포함하거나 이에 대응할 수 있음에 유의해야 한다.

로봇 시스템은, 수술 기구가 로봇 시스템의 마스터 장치에 의해 제어 모드에 따라 제어되는 수술 기구가 슬레이브 장치인 마스터-슬레이브 시스템인 실시예에 따르면, 이 방법은 마스터 장치에 의해 명령된 포즈와 슬레이브 장치의 관절형 엔드 이펙터(40)에 의해 달성된 포즈 사이에 미리 결정된 운동학적 정합성을 달성하는 것을 가능하게 한다[즉, 외부 힘이 없는 경우에, 마스터 장치에 의해 명령된 포즈와 슬레이브 장치의 관절형 엔드 이펙터(40)에 의해 달성된 포즈 사이의 오류를 유한한 시간 내에 최소화할 수 있다.]

로봇 시스템이 제어 모드에 따라 로봇 시스템의 마스터 장치에 의해 제어되는 슬레이브 장치인 마스터-슬레이브 시스템인 방법의 실시예에 따르면, 부여하는 단계는 사용자에 의해 수행된 커맨드 액션을 고려한다.

대안적인 구현에 따르면, 이 방법은 마스터 장치가 없거나 마스터 장치가 있는 일시적 또는 영구적으로 비활성화된 자율 로봇 시스템에 적용된다.

변형 실시예에 따르면, 이 방법은 비구속형 마스터 장치(즉, "비행형" 또는 "접지 없음")에 적용된다.

변형 실시예에 따르면, 이 방법은 강제 피드백 시스템이 없는 마스터 장치에 적용되며, 이에 따라 사용자는 마스터 장치로부터 정보를 수신하지 않는다.

수술 기구(20)가 복수의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 34, 35, 36)을 포함하고, 수술용 로봇 시스템이 각각의 복수의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)를 포함하는 방법의 실시예에 따르면, 힘을 검출하는 상기 단계는 복수의 또는 모든 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에서수행된다; 추정하는 상기 단계는 복수의 또는 모든 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)과 관련하여 수행되고; 부여하는 상기 단계는 복수의 또는 모든 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에서 수행된다.

실시예에 따르면, 상기 방법은 로봇 시스템의 상태와 관련된 정보를 확인하는 단계; 그런 다음, 로봇 시스템의 상태와 관련된 하나 이상의 조건에 기초하여 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 및/또는 상쇄 및/또는 보상하기 위해, 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 단계를 수행할지 여부를 제어 수단(9)에 의해 결정하는 단계; 및 상기 하나 이상의 조건이 충족되는 경우에만 부여하는 단계를 수행하는 단계를 더 포함한다.

실시예에 따르면, 이 방법은 미세 수술 슬레이브 기구의 폐쇄 및/또는 그리핑과 관련된 자유도에 따라 조작자에 의해 이동되고 조작자에 의해 조종되도록 조정된 휴대용, 비구속형 마스터 장치를 구비한 로봇 시스템에 적용된다.

이러한 실시예의 변형 실시예에서, 원격 조작 동안 수술 기구가 그리핑 상태에 있을 때, 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 및/또는 상쇄 및/또는 보상하기 위해 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 단계는, 그리핑 자유도의 각각의 적어도 하나의 작동 텐던에 연결된 전동식 액추에이터 중 적어도 하나의 경우 억제되는 것이 제공된다.

이러한 실시예의 다른 변형 실시예에서, 원격 조작 동안 수술 기구가 그리핑 상태에 있을 때, 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 단계는 그리핑 자유도의 각각의 적어도 하나의 작동 텐던에 연결된 적어도 하나의 전동식 액추에이터의 경우 0 내지 1의 스케일링 팩터에 따라 감소되는 것이 제공된다.

이러한 실시예의 다른 변형 실시예에서, 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 단계는 상기 그립 폐쇄 자유도의 각각 2개의 길항 작동 텐던에 연결된 2개의 전동식 액추에이터, 또는 그립 폐쇄 및 그립 개방 자유도의 한 쌍의 길항 작동 텐던의 4개의 작동 텐던에 연결된 4개의 전동식 액추에이터의 경우 억제되는 것이 제공된다.

이러한 실시예의 다른 변형 실시예에서, 상기 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 단계는 그립 폐쇄 자유도의 각각 2개의 길항 작용 텐던에 연결된 2개의 전동식 액추에이터 또는 그립 폐쇄 및 그립 개방 자유도의 길항 작용 텐던 쌍의 4개의 작동 텐던에 연결된 4개의 전동식 액추에이터의 경우, 0 내지 1의 스케일링 팩터에 따라 감소되는 것이 제공된다.

이러한 실시예의 다른 변형 실시예에서, 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 단계는 모든 전동식 액추에이터에 대해 억제되는 것이 제공된다.

이러한 실시예의 다른 변형 실시예에서, 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 단계는 모든 전동식 액추에이터에 대해 0과 1 사이의 스케일링 팩터에 따라 줄이는 것이 제공된다.

변형 실시예에 따르면, 이 방법은 원격 조작이 활성화되고 조작자가 미세 수술 슬레이브 기구의 폐쇄 및/또는 그리핑과 관련된 마스터 장치의 자유도를 그리핑력이 아닌 엔드 이펙터의 해당 이동으로 전달된 마스터 이동의 간격 (특정 임계값보다 큰 폐쇄 각도) 내에서 이동시키는 작동 단계(여기서 "스퀴즈 아님"으로 정의, 도 13에 도시됨)에서 수행된다,

반대로, 원격 조작이 활성화되고 조작자가 마스터를 파지 임계값을 초과하여 (폐쇄 각도가 특정 임계값 미만인 - 도 13에 도시된 "스퀴즈" 상태) 유지하는 단계(여기서는 "정지"로 정의됨)에서는 보상 방법이 억제되는 한편, 보상 값은 "정지" 단계에 진입했을 때와 동일한 수준으로 유지한다.

마스터 장치가 조작자에 의해 움직이도록 그리고 미세 수술 슬레이브 기구의 폐쇄 및/또는 그리핑과 관련된 자유도에 따라 조작자에 의해 조종되도록 조정된 휴대용, 비구속형 마스터 장치인 실시예에 따르면, 원격 조작의 종료 시, 수술 기구가 그리핑 상태에 있고 그리핑 상태 (여기서 "홀드 스퀴즈"로 정의되는 상태)를 유지하는 것이 바람직할 때, 상기 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 단계는 각각의 작동 텐던에 연결된 모든 전동식 액추에이터에 대해 억제되는 것이 제공된다.

실시예에 따르면, 이 방법은 비그리핑 상태에서 원격 조작을 종료할 때, 새로운 원격 조작에 다시 들어가기 전에, 이전 원격 조작 동안 하나 이상의 작동 텐던 각각에 대해 추정된 길이 변화가 제거되는 것을 제공한다.

변형 실시예에 따르면, 이러한 조건에서 탄성 보상 동작이 제거되어, 수술 기구가 알려진 초기 제로 위치로 되돌아간다.

실시예에 따르면, 전술한 하나 이상의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36) 각각은 로봇 수술 시스템의 각각의 전동식 액추에이터 및 전술한 관절형 엔드 이펙터(40)에 모두 작동적으로 연결되어, 관절형 엔드 이펙터(40)의 하나 이상의 자유도(P, Y, G) 중 각각의 자유도를 작동시킨다.

변형 실시예에 따르면, 관절형 엔드 이펙터(40)의 자유도는 피치 자유도, 및/또는 요 자유도, 및/또는 그리핑 자유도를 포함한다.

변형 실시예에 따라, 상기 하나 이상의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36) 중 적어도 하나는 관절형 엔드 이펙터(40)의 회전 자유도를 작동시킨다.

실시예에 따르면, 상기 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에 의해 가해지는 힘을 검출하는 상기 단계는 각각의 전동식 액추에이터에 작동적으로 연결된 각각의 힘 센서 또는 토크 센서에 의해 수행된다.

변형 실시예에 따르면, 이러한 센서는 각 모터의 접촉 인터페이스(예컨대, 멸균 측)에 위치한 힘 센서이다.

변형 실시예에 따르면, 이러한 센서는 토크 센서이다.

실시예에 따르면, 힘(Fm)을 검출하는 단계는 검출 주파수(Fr)로 연속적으로 수행되고, 하나 이상의 전동식 액추에이터의 상기 위치 제어는 위치 제어 주파수 (Fcp)로 연속적으로 수행된다.

상기 검출 주파수(Fr) 및 위치 제어 주파수(Fcp)는 원격 조작의 작동 시간과 관련하여 실질적으로 실시간으로, 즉 사용자에 의해 인지될 수 없는 동역학으로 탄성 신장의 보상을 실시간으로 보장하도록 설정된다.

변형 실시예에 따르면, 상기 검출 주파수(Fr)와 위치 제어 주파수(Fcp)는 일치하며, 100Hz 내지 1000Hz 사이의 간격으로 구성된다.

따라서, 이러한 경우에 보상 방법은 동일한 주기에 검출된 힘(Fm)에 기초하여, 1 내지 10ms 사이의 간격으로 구성되는 각 주기(T)에 수행된다.

실시예에 따르면, 추정하는 단계는 작동 텐던의 길이 변화를 작동 텐던에서 검출된 힘(Fm)의 계수와 유효 탄성 상수 값(K) 사이의 비율로서 추정하는 것을 포함하고, 상기 유표 탄성 상구 값은 시스템 응답 안정성을 보장하기 위해 실험적으로 결정되거나 계산되거나 사전 설정될 수 있다.

실시예에 따라, 위치 제어를 위해 추정된 길이 변화를 사용하는 단계와 각각의 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 단계는 하기 공식에 기초하여 수행된다:

여기서, 이러한 공식은 각 전동식 액추에이터에 대해 특정적이므로 각 전동식 액추에이터의 특정 제어를 결정할 수 있다.

상기 공식에서, u는 전동식 액추에이터에 명령되는 위치이고, Kel은 작동 텐던의 탄성 상수(이하, 이러한 탄성 상수는 실험적으로 결정된 경우 K_exp로 표시됨)이며, Ω는 곱셈 파라미터이다.

변형 실시예에 따르면, 곱셈 파라미터는 1보다 크므로, 계산에 사용된 유효 탄성 상수값 K = Ω Kel이 상기 곱셈 파라미터(Ω)와 동일한 계수만큼 텐던 탄성 상수 값보다 커지도록 하여, 유효 텐던 탄성 상수 값(K)은 과대 평가되고, 동일한 작동 텐던의 탄성 상수(Kel)보다 큰 것을 보장한다.

전술한 실시예에서 중요한 양상은 실험적으로 확인된 탄성 상수(Kel 또는 K_exp)와 모델 내에서 사용되는 탄성 상수(K) 사이의 비율과 관련되며, 이는 "유효 탄성 상수 값(K)"으로도 정의된다.

특히, 이러한 실시예에서, 상기한 바와 같이 알고리즘에서 사용되는 값(K)은 알고리즘의 수렴 요구를 위해 실험적으로 결정된 값인 k_exp보다 커야 한다.

상기 파라미터 Ω는 100% 내지 150%, 바람직하게는 +10%부터 +50%까지의 간격으로 구성된 K와 K_exp 사이의 비율을 정의한다.

변형 실시예에 따르면, 이러한 곱셈 파라미터는 0.7 내지 1.5이다.

전술한 실시예의 변형 실시예에 따르면, 전술한 유효 탄성 상수 값(K) 및 따라서 승수 파라미터(Ω)는 로봇 시스템의 상태, 및/또는 마스터 장치 및/또는 슬레이브 장치의 공간 조건 및/또는 원격 조작 지속 시간에 따라 가변적으로 결정된다.

즉, 원격 조작 지속 시간에 따라, 또는 (마스터 또는 슬레이브) 작업 공간이 위치한 지점에 따라, 또는 시스템 정합성과 안정성 간의 절충점을 변경하기 위해 K는 달라질 수 있다. K 값은 원격 조작 중에 추정될 수 있고, 예를 들어 힘이 갑자기 크게 증가하는 경우, K 값은 안정성 요구에 따라 변경/조정될 수 있다.

K 값은 실제 텐던의 탄성 강성 값에 관계없이 경험적으로 조정될 수 있다. 예를 들어, 텐던-기구 시스템의 분산(즉, 텐던이 늘어날 때 국부적인 슬라이딩 마찰로 인한)을 설명하기 위해 실험적으로 K 값을 선택할 수 있으므로, K 값은 단독으로 고려할 때 텐던의 실제 탄성 상수와 반드시 관련이 있을 필요는 없다.

변형 실시예에 따르면, K 값은 단독으로 고려할 때 텐던 탄성 상수의 과소 평가된 값이다.

변형 실시예에 따르면, K의 값은 시스템 안정성을 실험적으로 보장하기 위해 임의의 방식으로 실험적으로 선택된다.

실시예에 따르면, 보상 방법은 검출된 힘 값이 40N보다 낮은 경우 수행된다.

연속적으로 검출된 힘 간격(Fm)과 관련된 몇 가지 가능한 구현에 따르면, 알고리즘은 전체 스펙트럼에서 작동할 수 있다. 이 방법이 미세 수술을 위한 로봇 시스템에 적용되는 변형 실시예에서는 이러한 상황에 존재하는 낮은 힘, 즉 40N보다 낮은 힘, 예를 들어 10N 정도의 힘이 있는 상태에서 수행된다.

이러한 변형 실시예의 장점은 작동 중 보상을 보장하는 것이다.

실시예에 따라, 이 방법은 각각의 적어도 하나의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)에 작동 가능하게 연결되고 각각의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에 작동 가능하게 연결된 적어도 하나의 트랜스미션 부재(21, 22, 23, 24, 25, 26)를 더 포함하는 수술 기구(20)에 적용된다.

따라서 이러한 경우에, 수술 기구는 복수의 "트랜스미션 유닛"을 포함하며, 각 트랜스미션 유닛은 작동 텐던과 피스톤을 포함하며, 여기서 텐던은 바람직하게 피스톤에 고정되고, 각각의 전동식 액추에이터는 트랜스미션 유닛의 피스톤에 변위를 부여하여 작용한다.

변형 실시예에 따르면, 수술 기구는 6개의 트랜스미션 유닛, 즉 6개의 텐던, 6개의 전동식 액추에이터 및 6개의 피스톤을 포함한다.

변형 실시예에 따르면, 각 트랜스미션 유닛(즉, 각 모터-피스톤-텐던 체인)은 개별적으로 관리된다.

다른 변형 실시예에 따르면, 길항성 트랜스미션 유닛 (따라서 길항성 텐던)은 쌍으로 관리된다.

변형 실시예에 따르면, 이동을 부여하는 및/또는 힘을 가하는 단계는 각각의 작동 텐던의 추정된 길이 변화 및 상기 작동 텐던의 계수와 강성 모두에 기초하여, 트랜스미션 부재의 이동이 각각의 작동 텐던의 신장 또는 이완으로 인한 보상을 포함하도록 각각의 전동식 액추에이터의 이동을 제어하는 것을 포함한다.

변형 실시예에 따르면, 참조 운동학적 영점 조건은 제어 수단에 의해 전동식 액추에이터에 부여된 이동이 저장된 참조 위치와 관련된 가상 영점을 연관시킴으로써 로봇 시스템에서 정의되고, 이러한 경우, 상기 트랜스미션 부재 각각에 이동을 부여하는 및/또는 힘을 가하는 단계는 수행된 보상을 고려하는 보정된 운동학적 영점을 계산하는 것을 포함한다.

변형 실시예에 따라, 각 트랜스미션 부재에 이동을 부여하는 및/또는 힘을 가하는 단계는 이중 피드백 작동 루프에 의해 트랜스미션 부재에 힘을 가하는 것을 포함하며, 여기서 탄성 보상 보정은 이동 운동학적 메커니즘으로 인해 전동식 액추에이터의 변위에 대해 평행하게 삽입된다.

실시예에 따라, 전동식 액추에이터가 스테퍼 모터 액추에이터인 경우, 위치 제어는 작업 시간 단위로 알려진 속도 제어를 통해 수행되며, 상기 속도 제어는 위치 제어를 결정한다.

이러한 실시예의 변형 실시예에서, 속도 및 위치 제어는 최대 수렴 시간보다 낮은 시간 상수로 보상의 수렴을 보장하도록 치수 설정된 이득 파라미터(Kp)를 사용하여 피드백 작동 제어 루프에 의해 수행된다.

실시예에 따르면, 이러한 최대 수렴 시간은 1초 미만이며, 바람직하게는 100ms 내지 200ms의 간격으로 구성된다.

변형 실시예에 따르면, 속도 제어는 운동학적 구성 요소와 동역학 보상 구성 요소를 포함한다.

동역학적 보상 구성 요소는 검출된 힘(Fm)을 입력으로서 수신하고, 작동 텐던의 탄성으로 인해 손실된 추정 변위를 앞에 제시된 공식에 따라 그리고 안정성 요구에 부합하는 동역학을 갖도록 조정된 비례 컨트롤러를 사용하여 계산하고, 상기 속도 운동학적 구성 요소에 추가되는 속도 보상 기여분을 생성한다.

언급한 운동학적 및 동적 속도 기여분도의 합은 제어될 전동식 액추에이터에 입력으로서 제공된다.

운동학적 구성 요소와 동적 구성 요소의 컨트롤러는 바람직하게 평행하게 배치된다.

실시예에 따르면, 위치 및/또는 속도 제어는 복수의 전동식 액추에이터에 대해 공통으로, 마스터 또는 슬레이브 장치의 위치 및/또는 로봇 시스템의 노화 또는 상태와 같은 조건에 따라, 공통 유효 탄성 상수 값에 기초하여, 예를 들어 각 쌍의 길항 텐던에 대한 관절 제어를 실행함으로써 수행된다.

실시예에 따르면, 위치 및/또는 속도 제어는 검출된 힘(Fm)이 최대 작동력 값(Fmax)보다 낮은 경우에만 수행되며, 전동식 액추에이터 중 하나만이라도 이러한 최대 작동력(Fmax)보다 큰 힘을 검출하면 방법의 실행이 억제된다.

실제로 이러한 경우에 알고리즘이 발산하는 것을 방지하기 위해, 즉 수렴을 보장하기 위해 안전 한계에 사용할 수 있는 최대 힘이 필요하다.

전술한 바와 같이, 대안으로서, 컨트롤러가 여러 텐던에 작용하여 전체 제어 시스템의 상태를 고려할 수 있다.

실시예에서, 알고리즘은 모터 중 하나만이 특정 임계값 이상일 때 비활성화된다.

실시예에 따르면, 신장 보정 파라미터는 서로 다른 포즈와 관련된 서로 다른 마찰을 고려하기 위해 관절형 엔드 이펙터(40)의 포즈에 따라 제어되는 가변적인 방식으로 결정된다.

예를 들어, 엔드 이펙터 링크의 텐던의 와인딩 각도는, 예를 들어 요 자유도의 스트로크 단부 근처에 있을 때, 하나의 텐던과 다른 길항 텐던 간에 다를 수 있다. 이러한 실시예에서, 각 텐던은 접촉 경로를 정의하는 링크의 볼록 곡면에서 슬라이딩하며, 특정 시간에 모든 링크(고정된 링크 제외)의 볼록 곡면에 있는 텐던의 모든 접촉 경로의 합이 와인딩 각도를 정의한다.

따라서 한 쌍의 2개의 길항 텐던 사이의 링크-텐던 마찰력은 항상 동일하지 않으며 손목의 포즈에 기반한다. 알고리즘은 손목의 포즈를 인식하여 하나의 덴던의 탄성을 다른 텐던과 다르게 보상한다.

이 실시예에서, 알고리즘은 알려진 또는 계산된 손목(엔드 이펙터)의 운동학적 위치에 기초하여 가변 값(K)의 결정 및/또는 보상의 억제 또는 작동 및/또는 보상 방법의 사용을 다른 텐던이 아닌 하나의 텐던에 연결할 수 있다.

변형 실시예에서는 슬라이딩 마찰로 인한 손목의 포즈에 따라 실험 데이터가 저장되고 및/또는 각 텐던에 예상되는 힘이 수학적으로 컴퓨터로 모델링된다.

물체가 부딪히거나 움직이면(엔드 이펙터에 작용하는 외부 힘이 증가로 인해), 자유도를 활성화하지 않고도 한 쌍의 텐던 중 적어도 하나에 관련된 검출된 힘이 증가한다. 이러한 경우에, 실시예에 따르면, 방법은 K를 변경할 수 있고 및/또는 보상의 작동을 억제할 수 있고 및/또는 다른 텐던이 아닌 하나의 텐던에서 보상 방법을 사용할 수 있다.

보다 일반적으로, 실시예에서, 전동식 액추에이터의 센서에 의해 판독된 힘의 증가가 손목의 이동으로 인한 것인지 또는 외부 힘으로 인한 것인지가 결정되고, 그에 따라 보상이 조정된다.

실시예에 따르면, 이 방법은 바람직하게는 서로 얽힌 폴리머 섬유로 형성된 폴리머 작동 텐던에 적용된다.

실시예에 따르면, 로봇 시스템은 미세 수술 원격 조작을 위한 로봇 시스템이고, 수술 기구는 미세 수술 기구이다.

다시 도 1 내지 도 14를 참조하여, 방법의 일부 특정 실시예를 한정되지 않는 예시로서 설명한다.

먼저, 원격 조작 중에 사용자는 마스터 장치의 변위를 전동식 액추에이터(예를 들어, 모터 박스에 수용된 6개의 선형 전동식 액추에이터)의 변위와 연관시키는 운동학적 관계에 의해 기구를 제어할 수 있다는 점에 유의해야 한다.

기구의 제어 가능성은 앞서 언급한 전동식 액추에이터와 기구 자체의 백엔드에 있는 해당 피스톤 사이의 기계적 커플링에 의해서도 보장된다.

따라서 이러한 결합의 올바른 성공을 보장하는 기구 "결합"이라고 하는 절차가 예상된다. 결합 절차는 기구 자체의 각 제어 작동에 필요한 조건이다.

이 실시예에서, 모터 박스에 존재하는 선형 액추에이터는 텐던 시스템을 구성하는 적절한 전송 시스템을 통해 수술 기구의 손목(즉, 엔드 이펙터 또는 관절형 엔드 장치)에 존재하는 세 가지 자유도[앞서 언급한 "요(Yaw)", "피치(Pitch)" 및 "그립(Grip)"]를 제어할 수 있다.

특히, 미세 수술 기구의 제어 가능한 부분은 공유 자유도(피치)와 각 팁에 특정한 자유도(요)를 갖는 2개의 팁으로 구성된다. 따라서 이 도면에서 자유도 그립은 미세 수술 기구의 2개의 팁의 명령된 요 값의 차이로 정의될 수 있다.

이러한 메커니즘에서 기구 피스톤과 손목 사이의 결합은 앞서 설명한 각 자유도, 즉 2개의 팁이 공유하는 "피치" 자유도 제어를 위한 2개의 길항 텐던과 2개의 팁의 각 "요" 자유도 제어를 위한 2개의 길항 텐던에 의해 수행된다.

대략적으로 기구의 6개의 피스톤을 기구의 팁에 묶는 운동학 법칙은 모터 박스의 피스톤이 신축성이 없는 텐던을 통해 미세 수술 기구의 2개의 팁에 연결된 것으로 간주한다. 이전 설명에서 이미 확인한 바와 같이, 기구를 견고하고 효율적으로 제어하기 위해 필요한 모델 정확도는 텐던이 응력을 받을 때마다 가역적 및 비가역적적으로 변형될 수 있다는 점을 고려해야 한다.

특히 여기에 사용된 작동 모델은 모터의 변위를 상대 피스톤의 변위로 직접 변환하는 전용 기계식 커플링을 통해 6개의 모터에 의해 기구 피스톤이 작동되는 것을 제공한다. 기구의 내부 마찰이 크지 않기 때문에 모터의 변위로 인해 상대 피스톤에 힘이 가해진다. 이러한 명령은 관련 텐던의 주기적인 신장으로 해석된다.

동작의 동적 구성 요소와 외부 힘의 존재를 무시하고 정적 평형 상태에서 시스템을 단독으로 분석하면 기구의 자유도를 제어하도록 조정된 제어 시스템은 다음 구성 요소를 함께 고려해야 한다는 것이 명확해진다:

- 손목이 원하는 구성에 도달할 수 있도록 하는 피스톤의 변위;

- 케이블의 신장을 보상하기 위해, 상기 피스톤의 변위의 존재.

이 실시예에서는, 예를 들어, 내부 및 외부 안정성 조건을 준수하면서 상기 텐던의 탄성 신장을 보상함으로써, 마스터 장치와 슬레이브 장치 간의 운동학적 일치를 보장하는 것을 목표로 하는 알고리즘이 설명된다.

이러한 맥락에서 플라스틱 구성 요소는 무시할 수 있거나 어떤 경우에도 제어 시스템의 적절하게 설계된 다른 구성 요소에 의해 보상되는 것으로 가정한다.

알고리즘은 액추에이터에 의해 가해지는 힘의 관찰 가능성과 후크의 법칙에 따라 계산된 탄성 손실의 개방 루프 및 실시간 보상을 기반으로 한다. 변형 실시예에 따라 알고리즘은 로봇 원격 조작 단계 동안 작동한다.

이전 단락의 가정에 따라 각 모터-피스톤-텐던 시스템이 고립된 시스템으로 간주되고, 도 7b와 같이 그래픽으로 모델링될 수 있다. 제 1 근사치로, 팁에 가해지는 외부 힘이나 길항 텐던으로 인한 힘은 고려되지 않는다.

특히, 모터가 적절하게 치수 설정되고 문제의 모델보다 훨씬 빠른 동역학으로 제어되므로, 모터의 동역학이 위치의 순수한 변위로 모델링될 수 있다. 이러한 맥락에서 모터의 제어된 변위(u)는 피스톤에 가해지는 힘(Fp)에 해당한다. 그런 다음 모터와 피스톤 사이의 접촉면에 배치된 적절한 힘 센서에 의해 움직이는 동안 모터가 겪는 반력(Fm = -Fp)이 얻어진다. 모터-피스톤 커플링은 항상 보장되는 것이 가정된다.

따라서 피스톤은 텐던에 힘(Fp)를 전달하고, 텐던은 견인 작용을 통해 미세 수술 기구의 팁에 동작을 전달하며, 여기서 (기구 팁과 일체형인 0이 아닌 반경의 도넛형 조인트의 외부 표면에 작용하는) 힘(Fp)은 최종 도넛형 조인트에 존재하는 마찰력을 요약하는 토크(Ma)에 의해 균형을 이룬다.

도 5를 참조하면 볼 베어링(도에서 원으로 표시됨)에 의해 도입되는 마찰은 Fp에 대해 무시할 수 있는 수준이므로, 베어링 사이의 케이블 섹션의 힘은 손목을 향한 케이블 섹션의 힘과 동일한 것으로 간주할 수 있다.

케이블 단부 섹션(손목 피치 조인트와 단부 노드 사이에 구성됨)은 일반적으로 케이블의 전체 길이보다 두 배 정도 작기 때문에, 이러한 단부 섹션의 신장은 무시할 수 있다. 따라서 텐던 탄성 상수 Kel과 전체 케이블에 걸친 일정한 힘(Fm)을 고려할 수 있으며 연신율은 |Fm|/Kel로 계산된다:

r = u - |Fm|/Kel (1)

여기서 Kel은 텐던 탄성 상수이며, 이 경우 Kel = E A L (여기서 E= 영의 계수, A= 케이블 단면, L =케 이블 길이)로 계산되고, r은 팁의 실제 이동이다.

실시예에서, Kel은 폴리머 텐던이 특정 작동 방식에 대해 사이클링될 수 있음에도 불구하고 일정한 것으로 간주될 수 있으며, 따라서 변수 Kel에 의해 결정된다. 이는 다시 특정 유형의 작동에 대해 각 자유도가 푸시 모터와 관련된 텐던만 원하는 방향으로의 실제 변위에 기여하고 길항근은 동작에 반대되는 힘 성분을 피하기 위해 무시할 수 있는 힘으로 배치되는 2개의 길항 텐던에 의해 제어된다는 사실에 기인한다. 따라서 문제의 폴리머 섬유의 히스테리시스 사이클 특성의 상승 전선을 반영하는 상수 값으로 Kel 값을 근사화할 수 있다.

|Fm|은 피스톤에 의해 가해지고 적절한 힘 센서로 측정된 힘의 계수이고, u는 모터에 의해 제어되는 위치이며, r은 y=r/R 비율에서 팁 y의 각도 회전과 연결된 0이 아닌 조인트 외부 표면의 한 점의 변위이며, R은 도넛형 조인트의 반경이다.

방정식(1)에서 시작하면 다음과 같이 구할 수 있다:

y = (u - |Fm|/Kel) / R (2)

이러한 맥락에서 제어 알고리즘의 목적은 다음과 같은 것을 위해 모터에 적절한 제어 위치(u)를 제공하는 것이다:

1. 바람직한 위치(x)와 최종 위치(r) 사이의 오류를 최소화하기 위해, 나아가 최종 위치(r)의 점근 안정성과 유한한 시간 내에 상기 위치으 l도달 가능성을 보장해야 한다;

2. 예를 들어 외부 힘의 존재 또는 정적 마찰의 만연으로 인해 임의의 긴 시간 간격 동안 바람직한 목표 위치 변화에서 엔드 이펙터의 이동이 없는 경계선의 경우에 시스템의 내부 안정성(유한 u 및 Fm)을 보장하기 위해.

일반성을 잃지 않고 액추에이터가 이산 속도 제어에 의해 제어된다고 가정한다. 액추에이터의 제어 동역학은 문제의 시스템의 동역학보다 훨씬 빠른 것으로 간주될 수 있으므로, 임의의 순간(t) (알고리즘의 이산 실행 시간의 배수)에 위치 (u)는 해당 순간까지 모터에 전송된 속도(v)의 시간 적분과 같은 것으로 간주할 수 있다.

도 12에는 Delta_r ≠ 0(동작 중인 시스템)의 경우에 대한 제어 알고리즘이 도시된다. 유사하게 Delta_r = 0의 경우에, 물리적 시스템 블록의 방정식은 Fm = Kel u 유형이다.

따라서 Z 변환의 공간에서 이산적으로 모델링된 제안된 알고리즘은 도 12a에서와 같이 Delta_r ≠ 0인 경우와 도 12b에서와 같이 Delta_r = 0인 경우에 나타난다.

본원에 설명된 실시예에서 알고리즘은 엔드 이펙터가 고정되어 있거나 움직이고 있다는 사실을 가정하지 않고 아래에 제시된 단계에 따라 진행한다는 점에 유의해야 한다. 따라서 도 12, 도 12a 및 도 12b는 단순히 Z 변환의 공간에서 설명되는 예시적인 모델링으로 이해되어야 한다.

이 실시예에서, 제안된 알고리즘은 각각의 모터-피스톤-트랜스미션-텐던 시스템에서 서로 독립적으로 실행되도록 의도되었다.

따라서 알고리즘은 다음 단계로 구성된다.

A) 예를 들어 모터와 피스톤 사이의 접촉면에 로드셀을 배치하여 모터가 피스톤에 가하는 힘 계수 |Fm|을 실시간으로 수집한다.

B) 텐던이 경험하는 신장이 탄성 유형만이라고 가정하면 다음과 같이 계산된다: Δ_stretch=(|Fm|)/K, 텐던 탄성 상수 K는 이전에 실험적으로 추정된다(, 여기서 0.7 >Ω > 1.5이고, 따라서 실험적으로 얻은 탄성 상수의 과소 평가 또는 과대 평가).

C) 얻어진 값 Δ_stretch는 각 제어 사이클에서 텐던 신장을 보상하기 위해 명령된 운동 궤적에 추가할 피드 포워드의 속도 Vstr(z) 성분을 반환하는 비례 컨트롤러의 참조로서 사용된다. 적절하게 보정된 비례 컨트롤러는 이렇게 모델링된 시스템의 안정성을 얻기 위한 충분한 조건임을 입증할 수 있다.

마지막으로, 이 실시예에서 알고리즘의 활성화 및 비활성화의 관리는 다음 단락에서 설명되는 상태 머신을 기반으로 한다.

다음 파라미터가 관련된다.

K - 추정된 텐던 탄성 상수(위에서 '유효 탄성 상수 값'으로도 정의됨)

탄성 상수는 제안된 모델에 따라 제어 변수 u(z)가 제한되도록 하기 위해 실제 값(실험적으로 얻은) k_exp보다 훨씬 커야 하므로 중요한 파라미터이다.

특히 토크(Me)가 힘(Fm)에 의해 생성된 토크를 보상하거나 초과하는 경우(예를 들어 강한 정적 마찰이나 길항 텐던의 활성 존재, 또는 엔드 이펙터에 작용하는 외부 힘으로 인해 엔드 이펙터의 이동이 없음)를 고려한다. 이 조건에서 힘(Fm)은 케이블의 연신에 따라 달라지며, 따라서

Fm = -K u이고,

여기서 K = Ω k_exp이다. 따라서 센서에 의해 측정된 힘은 Fm = Ω k_exp u이며, 여기서 Ω>1이고, 이것으로부터 모터에 대한 명령 u= Fm/(Ω k_exp)이다.

도 12b에 도시된 모델에 따라, 제어된 변수 u(z)는 입력 xkine(z)에 대해표현될 수 있다. 컨트롤러, 액추에이션 및 물리적 시스템에 의해 형성된 시스템의 Z 변환 공간에서의 전달 함수는 다음과 같다:

상기 식은 하기 단극점을 갖는다.

이산 시스템 분석 연구에 따르면 이러한 참조 함수는 그 극점이 단위 원에 완전히 포함되는 경우, 즉 다음 관계가 유효할 때 안정적이다:

상기 식에서 K_p > 0의 경우 K >k_exp 값이 준수된다. K가 증가함에 따라, 시스템의 안정성 마진도 증가한다. K가 실제 k_exp보다 크다는 물리적 의미는 물리적 시스템 내에 존재하는 것보다 작은 신장을 보상하는 것과 같다.

K - k_exp 차이로 인해 도입되는 오류의 평가는 Delta_r ≠ 0인 경우 오류의 추세를 분석함으로써 수행될 수 있다(도 12a 참조):

e = r - u

이러한 맥락에서 오류,

는 위치 Xkine(z)와 힘 Fm(z)의 MISO 시스템 함수로서 표현할 수 있다:

즉,

F_m(z)의 이산 변동에 대해 오류의 정도는 최종값 정리, 즉 다음을 사용하여 평가될 수 있고,

상기 식에서 완전한 오류 보상은 K = k_exp에 대해서만 얻어질 수 있음을 알 수 있다. 이러한 시나리오에서, 제안된 알고리즘에 따르면 K의 선택은 보상된 텐던 신장의 양과 알고리즘 자체의 견고성 사이의 절충안에 의존한다.

따라서 이러한 파라미터의 미세 조정은 사용된 모델에 대한 실제 물리 시스템의 변화뿐만 아니라 미세 수술 기구의 팁 이동을 방해하는 위태로운 힘의 발생에 의해 제공된 경험적 고려 사항에 의존한다.

시스템의 동역학은 1차 근사치로서 1차 차수의 시스템 동역학을 반영한다는 점, 즉 제어 파라미터를 적절히 선택하면 바람직한 목표에서 위치의 단조로운 수렴을 보장할 수 있다는 점에 유의해야 한다.

마지막으로, 제어되는 시스템의 특성으로 인해 알고리즘이 선험적으로 수렴하는 최종 힘(Fm)을 아는 것이 불가능하다는 점에 유의해야 한다. 따라서 이러한 값 Fm은 적용된 궤적의 동역학, 물리적 소성 탄성 신장 특성, 시스템의 외부 교란 및 시스템 내부의 마찰에 기반한 힘 값으로 수렴한다.

대안으로서 또는 추가로, 언급한 바와 같이, 상수 K는 실제 텐던 탄성 상수의 값에 관계없이 경험적으로 선택할 수 있다. 따라서, 곱셈 파라미터 Ω의 값은 1보다 작을 수 있으며, 예를 들어 0.7 내지 1일 수 있다. 실시예에서, 곱셈 파라미터 Ω의 값은 0.7 - 1.5 간격에 속한다.

K_p: 알고리즘 수렴 속도.

이전 단락의 방정식을 참조하면, 정적 마찰이 초과되는 경우, 전달 함수 SYS2(z)는 위치 1 - K_p에 단극점을 갖는다는 것을 알 수 있다. 이 맥락에서, 0 < K_p < 2는 제어 시스템을 안정적으로 만는다.

수렴 속도는 K_p → 1만큼 증가한다. 그러나 수렴 속도가 증가함에 따라, 시스템의 위상 마진은 감소한다.

정적 마찰을 초과하지 않는 경우, 전달 함수 SYS1(z)는 위치,

에 존재하는 단극점을 갖는다.

이러한 맥락에서, K_p → 1의 경우 동역학은 (k_exp)/K의 비율에 의해 지배된다(여기서 K의 값이 증가하면 알고리즘 자체의 정밀도를 희생하여 얻은 더 높은 수렴 속도에 해당함). 작은 K_p의 경우, 알고리즘의 동역학은 주로 K_p에 의해 지배된다.

따라서, 이전 단락에서 고려한 사항으로부터, 알고리즘의 특성상, 주어진 힘이 유한한 시간 내에 수렴되는 경우 탄성 신장의 100%를 보상하는 것은 불가능하다는 것이 분명해졌다. 이득 K_p의 선택과 추정치 K의 정확도는 안정성 참조과 마스터-슬레이브 원격 조작의 시간적 유용성 요구 사항을 반영하는 수렴 시간 보장을 모두 보장해야 한다.

지나치게 느린 알고리즘은 조작자가 제공한 명령에 대한 미세 수술 기구의 반응의 직관성을 저하시킬 수 있다. 제어 가능한 파라미터 v(z) 및 u(z)(각각 순간 액추에이터 속도 및 위치)는 고려되는 액추에이터 시스템의 물리적 진폭 및 대역폭 제약에 따라 달라질 수 있다는 점에 유의해야 한다. 유사하게, 변수 F_m (시점 t에 액추에이터에 의해 제공되는 힘)의 관찰 가능성은 선택된 측정 기구의 물리적 한계에 따라 달라진다. 마지막으로, 힘 F_m의 크기는 순수한 위치를 기반으로 명령된 제 1 근사치로서 작동 시스템의 동역학에 영향을 미치지 않을 만큼 충분히 작아야 한다. 이러한 맥락에서 파라미터 K와 K_p의 선택은 위에 나열된 제약 조건도 고려해야 한다.

비모델링 동역학으로 알고리즘의 견고성을 높이기 위해 알고리즘이 작동할 수 있는 변수 F_max의 간격을 정의하는 파라미터 Max Force도 도입되었다. 이러한 비모델링 동역학은 다음과 같은 계열에 속한다:

- 기구의 전체 트랜스미션을 따라 텐던 마찰이 발생하고 단부점에서 완전히 적용되지 않음;

- 기구 팁에 가해지는 토크의 결과로서 텐던에 직접적인 힘이 가해지는 경우;

- 후크의 법칙을 따르지 않는 텐던의 가역적 및 비가역적 신장; 이러한 구성 요소의 영향은 오픈 루프에 추가 보상 구성 요소를 도입함으로써, 지금까지 수행한 것과 유사하게 전체 제어 시스템의 안정성을 연구함으로써 완화될 수 있다.

가능한 구성 설정이 예시에 의해 제공된다. 이러한 설정은 이전 단락에서 언급한 파라미터에 의존할 뿐만 아니라 미세 수술 기구의 유형/분류와도 명확하게 연관되어 있다. 이러한 설정의 식별은, 이전 단락에 명시된 참조을 고려하여 실험적으로 수행된다:

Kp = 0.02

K = 25 N/mm

최대 힘 = 14N.

알고리즘 활성화 관리

해당 기구의 특징 중 하나는 수술 봉합사를 잡을 수 있다는 점이다. 그리핑 개념은 미세 수술 기구에 속한 2개의 팁이 동시에 닫히는 방식으로 이루어진다.

이러한 맥락에서, 그리핑력은 기구의 자유도를 제어하여 생성되며, 이는 미세 수술 시스템의 2개의 팁 각각이 기구 자체의 운동학으로는 도달할 수 없는 목표물을 향한 요 자유도의 반사 제어에 불과하다(팁 자체의 상호 관통이 필요하고 따라서 운동학적 제약이 깨짐). 따라서 이 시스템은 2개의 텐던의 기계적 임피던스가 제어 변수 u(z)에 따라 그리핑력을 결정하는 데 사용되는 개방형 루프 힘 제어처럼 작동한다.

이러한 맥락에서 케이블 신장은 엔드 이펙터에 존재하는 힘의 원인이 되므로 케이블 신장을 보정해야 할 필요성은 의미가 없어진다.

상기 고려 사항에 따라 알고리즘이 그립의 품질에 부정적인 영향을 미치지 않도록 하는 것이 중요하다. 이를 위해 알고리즘이 사용될 수 있는 기구의 조작 가능성의 단계가 아래에서 분석된다.

기구의 조작성 단계(또는 상태)는 다음과 같이 요약할 수 있다.

유지(HOLD): 기구가 작동되는 상태 또는 모터 박스에 있는 작동 시스템과 기구에 장착된 피스톤 사이에 운동학적 연속성이 있는 상태. 이러한 상태에서 사용자가 기구를 직접 제어할 수 없다. 모터는 피스톤에 힘 F_0을 가하고 유지한다. 따라서 엔드 이펙터의 운동학적 위치는 팁에 작용하는 외부 힘을 희생하여 유지된다.

조작(Operation): 조작자가 특수한 마스터 장치를 사용하여 슬레이브 장치를 직접 제어할 수 있는 상태, 즉 조작자가 미세 수술 기구의 팁을 마음대로 움직일 수 있는 상태. 특히, 도 13에 도시된 바와 같이, 사용자는 마스터 장치의 개방을 상기 "조작 스퀴즈(Operation Squeeze)" 영역의 그리핑 간격 내로 가져옴으로써 그리핑력을 조절할 수 있다. 이러한 "조작 스퀴즈" 상태는 다음과 같은 두 가지 하위 상태로 나눌 수 있다:

- Operation Not Squeeze: 원격 조작이 활성화되고 조작자는 마스터 장치를 그리핑 임계값 이상으로 유지한다.

- Operation Squeeze: 원격 조작이 활성화되고 조작자는 마스터 장치를 그리핑 임계값 내에 유지한다.

탄성 보상 알고리즘은 "Operation Not Squeeze"라는 상태에서 활성화된다. "Operation Squeeze" 상태에서는, 알고리즘에 의해 도입된 피드 포워드(Feed-Forward) 구성 요소가 고정되고, 즉 "Operation No Squeeze" 단계로 돌아갈 때까지 알고리즘에 의해 제공된 위치 오프셋을 변경할 수 없다.

해당 팁에 참여하는 2개의 특정 모터가 기구 내부를 향해 닫히는 실시예에서, 전술한 바와 같이 알고리즘이 임의의 힘 값으로 수렴하여 그리핑에 필요한 힘에 도달하는 데 방해가 될 수 있으므로 오프셋의 정지이 필요하다.

슬레이브 장치의 직접 제어를 중단하려는 조작자의 직접 명령을 통해 "조작" 상태를 종료할 수 있다. "조작" 상태를 포기하면 "홀드" 상태로 전환되어 "해제" 상태("Operation Not Squeeze" 하위 상태인 경우) 또는 "정지" 상태("Operation with Squeeze" 하위 상태인 경우)를 거치게 된다.

해제(RELEASE): Operation Not Squeeze로부터 HOLD로 전환되는 중간 상태. 이 상태에서는, 각 모터로부터 탄성 보상 구성 요소를 제거하는 대신 모터의 운동학적 위치 구성 요소가 유지되므로, 반복 가능한 동적 조건에서 원격 조작이 재개될 수 있다.

- 정지(FREEZE): Operation Squeeze로부터 HOLD로 전환되는 중간 상태이다. 이 상태에서는 모터가 현재 위치에서 정지되어, 다음 HOLD 단계 동안 그리핑력을 유지한다. 또 다른 변형 실시예에서 FREEZE 단계는 그립에 운동학적으로 참여하는 텐던을 순전히 힘으로만 제어하는 단계로 전환하는 것을 포함한다.

도 14는 앞서 설명한 상태와 한 상태에서 다른 상태로 넘어가는 과정을 나타내는 다이어그램을 도시한다.

이러한 도면에서 볼 수 있듯이, 탄성 보상 알고리즘은 원격 조작 단계(Operation) 동안만 활성화된다. 사용자가 "Operation Not Squeeze" 범위에서 마스터를 사용하여 기구를 제어하면, 각 모터에서 알고리즘이 활성화되는 한편, 사용자가 "Operation Squeeze" 범위에서 마스터를 사용하여 원격 조작 중이면, 팁을 닫는 데 기여하는 2개의 모터의 탄성 보상의 위치 기여도는 해당 상태로 진입할 때 고정되고 해당 모터에서 알고리즘이 비활성화된다. 다음 항목인 "Operation Not Squeeze" 로 진입하면, 모든 모터에서 알고리즘이 다시 활성화된다.

본 발명에 따른 수술용 로봇 시스템이 다시 도 1 내지 도 14를 참조하여 아래에 설명된다.

이러한 수술용 로봇 시스템은 수술 기구(20), 제어 수단(9), 적어도 하나의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16) 및 힘 검출 수단을 포함한다. 수술 기구(20)는 관절형 엔드 이펙터(40)와 관절형 엔드 이펙터(40)를 작동하도록 구성된 적어도 하나의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)을 포함한다. 적어도 하나의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)는 전술한 적어도 하나의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)에 작동 가능하게 연결되어, 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)의 적어도 하나의 이동과 관절형 엔드 이펙터(40)의 적어도 하나의 이동 사이의 일의적 상관관계를 결정하기 위해 제어 수단(9)에 의해 제어되는 동작을 각 액추에이터 텐던에 부여할 수 있도록 구성된다. 힘 검출 수단은 수술 기구의 작동 단계 동안 상기 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16) 중 적어도 하나에 의해 가해지는 힘(Fm)을 검출하도록 구성된다. 제어 수단(9)은 다음 동작을 수행하도록 구성된다:

- 검출된 힘(Fm)에 기초하여, 미리 정의된 수학적 모델에 의해 상기 작동 텐던의 탄성 신장으로 인한 상기 하나 이상의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36) 중 적어도 하나의 길이 변화를 추정하는 단계;

- 추정된 길이 변화를 상기 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)의 위치 제어를 위해 사용하는 단계, 여기서 관절형 엔드 이펙터(40)에 의해 도달된 위치와 관절형 엔드 이펙터(40)의 소정의 공칭 위치 사이의 상기 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 또는 상쇄할 수 있도록, 상기 위치 제어는 상기 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15) 중 적어도 하나에 이동을 부여하는 것을 포함한다.

실시예에 따르면, 로봇 시스템은, 수술 기구가 로봇 시스템의 마스터 장치에 의해, 제어 모드에 따라 제어되는 슬레이브 장치인 마스터-슬레이브 시스템이다. 로봇 시스템은 외부 힘이 없는 경우, 마스터 장치에 의해 명령된 포즈와 슬레이브 장치의 관절형 엔드 이펙터(40)에 의해 달성된 포즈 사이의 오류를 유한 시간 내에 최소화할 수 있도록 구성된다.

로봇 시스템의 실시예에 따르면, 수술 기구(20)는 복수의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)을 포함하고, 수술용 로봇 시스템은 각각 복수의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)를 포함한다.

이 실시예의 변형예에 따르면, 상기 힘 검출 작동은 복수의 또는 모든 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에서 수행되고, 상기 추정 작동은 복수의 또는 모든 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)과 관련하여 수행되고, 상기 부여하는 액션은 복수의 또는 모든 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에서 수행된다.

로봇 시스템의 실시예에 따르면, 제어 수단(9)은 추가로, 로봇 시스템의 상태와 관련된 정보를 확인하도록, 로봇 시스템의 상태와 관련된 하나 이상의 조건에 기초하여, 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 및/또는 상쇄 및/또는 보상하기 위해, 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 단계를 수행할지 여부를 결정하도록, 그리고 상기 하나 이상의 조건이 충족되는 경우에만 상기 부여하는 액션을 수행하도록 구성된다.

변형 실시예에 따르면, 마스터 장치는 조작자에 의해 이동되고 미세 수술용 슬레이브 기구의 폐쇄 및/또는 그리핑과 관련된 자유도에 따라 조작자에 의해 조종되도록 조정된 휴대용, 비구속형 마스터 장치이다.

이러한 경우에, 원격 조작 동안 수술 기구가 그리핑 상태에 있을 때, 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 및/또는 상쇄 및/또는 보상하기 위해 상기 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 액션은, 그리핑 자유도의 작동을 위해 각각의 적어도 하나의 작동 텐던에 연결된 전동식 액추에이터 중 적어도 하나의 경우 0 내지 1의 스케일링 팩터에 따라 억제 또는 감소된다.

시스템의 실시예에 따르면, 상기 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에 의해 가해지는 힘의 상기 검출 수단은, 각각의 전동식 액추에이터에 작동 가능하게 연결된 각각의 힘 센서 또는 토크 센서를 포함한다.

실시예에 따라, 로봇 시스템은 힘(Fm)을 검출하는 액션이 검출 주파수(Fr)로 연속적으로 수행되고, 하나 이상의 전동식 액추에이터의 전술한 위치 제어가 위치 제어 주파수(Fcp)로 연속적으로 수행되도록 구성된다.

상기 검출 주파수(Fr) 및 상기 위치 제어 주파수(Fcp)는 최종 사용자에 의해 실시간으로 인지될 수 없는 동역학으로 탄성 신장의 보상을 실시간으로 보장하도록, 사용자에 의해 인지될 수 없는 동역학으로 설정된다.

변형 실시예에 따르면, 전술한 검출 주파수(Fr) 및 위치 제어 주파수(Fcp)는 일치하고, 100Hz 내지 1000Hz의 간격으로 구성되며, 따라서 보상 방법은 동일한 기간에 검출된 힘(Fm)에 기초하여, 1 내지 10ms의 간격으로 구성된 각 주기(T)에 수행된다.

실시예에 따르면, 추정하는 액션은 작동 텐던의 길이 변화를 작동 텐던에서 검출된 힘의 계수(Fm)와 유효 탄성 상수 값(K) 사이의 비율로서 추정하는 것을 포함하고, 상기 유효 탄성 상수 값은 시스템 응답 안정성을 보장하기 위해 실험적으로 결정되거나 계산 또는 사전 설정된다.

상기 계산을 위해 채택된 공식 및 파라미터에 대한 예시적인 추가 세부 사항은 본 발명에 따른 방법의 설명에서 이미 이전에 제시되었다.

로봇 시스템의 실시예에 따르면, 상기 수술 기구(20)는 각각의 적어도 하나의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)에 작동 가능하게 연결되고 각각의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에 작동 가능하게 연결되는 적어도 하나의 트랜스미션 부재(21, 22, 23, 24, 25, 26)를 더 포함한다.

이러한 경우에, 이동을 부여하는 및/또는 힘을 가하는 액션은, 각각의 작동 텐던의 추정된 길이 변화 및 작동 텐던의 계수와 강성에 기초하여, 트랜스미션 부재의 이동이 각각의 작동 텐던의 신장 또는 이완으로 인한 보상을 포함하도록 각각의 전동식 액추에이터의 이동을 제어하는 것을 포함한다.

변형 실시예에 따르면, 로봇 시스템에 대해 참조 운동학적 영점 조건이 정의되고, 제어 수단에 의해 전동식 액추에이터에 부여된 이동이 저장된 참조 위치와 관련해서 참조될 가상 영점이 연관된다. 이러한 경우, 각 트랜스미션 부재에 이동을 부여하거나 힘을 가하는 액션은 수행된 보상을 고려한 보정된 운동 영점을 계산하는 것을 포함한다.

변형 실시예에 따르면, 각 트랜스미션 부재에 이동을 부여하는 및/또는 힘을 가하는 액션은 이중 피드백 작동 루프에 의해 트랜스미션 부재에 힘을 가하는 것을 포함하며, 여기서 탄성 보상 보정은 이동 운동학적 메커니즘으로 인해 전동식 액추에이터의 변위에 평행하게 삽입된다.

로봇 시스템의 실시예에 따라, 전동식 액추에이터는 스테퍼 전동식 액추에이터이며, 위치 제어는 작업 시간 단위로 알려진 속도 제어를 통해 수행되며, 위치 제어는 위치 제어를 결정한다. 특히, 속도 및 위치 제어는 최대 수렴 시간보다 낮은 시간 상수로 보상의 수렴을 보장하도록 치수 설정된 이득 파라미터(Kp)를 사용하여 피드백 작동 제어 루프에 의해 수행된다.

변형 실시예에 따르면 속도 제어는 운동학적 구성 요소와 동역학 보상 구성 요소로 구성된다.

동역학 보상 구성 요소는 검출된 힘(Fm)을 입력으로서 수신하고, 제 16 항에 명시된 공식에 따라 작동 텐던의 탄성으로 인해 손실된 추정 변위를 계산하며, 안정성 요구에 부합하는 동역학을 갖도록 조정된 비례 컨트롤러에 의해 속도 운동학적 구성 요소에 추가되는 속도 보상 기여분을 생성한다.

운동학 및 동역학 속도 기여분도의 합은 제어할 전동식 액추에이터에 입력으로 제공된다. 운동학적 구성 요소와 동역학 구성 요소의 컨트롤러는 평행하게 배치하는 것이 바람직하다.

실시예에 따르면, 위치 및/또는 속도 제어는 검출된 힘(Fm)이 최대 작동력 값(Fmax)보다 낮은 경우에만 수행되며, 전동식 액추에이터 중 하나만이라도 상기 최대 작동력(Fmax)보다 큰 힘을 검출하면 보상이 억제된다.

다양한 가능한 실시예에 따르면, 로봇 시스템은 (특히, 로봇 시스템의 제어 수단의 제어 하에) 전술한 방법의 임의의 실시예 중 하나에 따른 방법을 수행하도록 구성된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 목적은 전술한 방법 및 시스템에 의해, 전술한 특징들에 의해, 그리고 앞의 섹션 "발명의 요약"에서 광범위하게 설명된 바와 같이, 전술한 방법 및 시스템에 의해 충분히 달성될 수 있다.

당업자는 첨부된 청구범위의 범위를 벗어나지 않으면서 임의의 요구를 충족시키기 위해 위에서 설명한 방법 및 시스템의 실시예를 변경 및 조정할 수 있거나 기능적으로 동등한 다른 요소로 대체할 수 있다. 가능한 실시예와 연관된 설명된 특징들 각각은 설명된 다른 실시예와 독립적으로 달성될 수 있다.

1 원격 조작 수술용 로봇 시스템
2 로봇 시스템의 슬레이브 어셈블리
3 마스터 콘솔
9 컨트롤러
10 로봇 시스템 마니퓰레이터
11, 12, 13, 14, 15, 16 전동식 마니풀레이터 액추에이터, 또는 모터
17, 18 힘 센서, 또는 로드 셀
19 멸균 베리어
20 수술 기구
27 샤프트
28 포켓
29 수술 기구 백앤드, 또는 수술 기구 트랜스미션 인 터페이스 부분
31, 32, 33, 34, 35, 36 텐던
40 수술 기구의 앤드 디바이스, 또는 관절형 팁 또는 앤드 이팩터
41, 42, 43, 44 관절형 앤드 이팩터의 좌측
x-x 직선 방향
r-r 중앙 라인
P, Y, G 각각 힌지형 팁, 피치, 요, 그립의 자유도
k_exp 실험적으로 얻어진 탄성 상수
K 알고리즘에 의해 사용되는 탄성 상수
Ω K와 k_exp 사이의 비율 파라미터
Fm 검출된 힘
u 전동식 액추에이터의 모터의 제어된 이동

Claims (51)

1. 바람직하게 수술 기구의 작동 단계 동안 실행할 수 있는, 수술용 로봇 시스템의 수술 기구(20)의 하나 이상의 작동 텐던에 의해 작동되는 관절형 엔드 이펙터(40)를 제어하기 위한 방법으로서,
   상기 수술 기구(20)는 상기 관절형 엔드 이펙터(40) 및 상기 관절형 엔드 이펙터(40)를 작동하도록 구성된 적어도 하나의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)을 포함하고,
   상기 수술용 로봇 시스템은 상기 수술 기구(20) 이외에, 제어 수단(9) 및 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)의 적어도 하나의 이동과 관절형 엔드 이펙터(40)의 각각의 적어도 하나의 이동 사이의 일의적 상관 관계를 결정하기 위해 제어 수단(9)에 의해 제어되는 각각의 작동 텐던에 이동을 부여하도록 각각의 적어도 하나의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35)에 작동 가능하게 연결 가능한 적어도 하나의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)를 포함하고,
   상기 방법은 다음 단계들, 즉
   - 전술한 작동 단계 동안, 상기 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16) 중 적어도 하나에 의해 가해지는 힘(Fm)을 검출하는 단계.
   - 검출된 힘(Fm)에 기초하여, 미리 정의된 수학적 모델에 의해, 작동 텐던의 탄성 신장으로 인한 상기 하나 이상의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36) 중 적어도 하나의 길이 변화를 추정하는 단계;
   - 추정된 길이 변화를 상기 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)의 위치 제어에 사용하는 단계를 포함하고, 상기 위치 제어는,
   - 상기 관절형 엔드 이펙터(40)에 의해 도달된 위치와 상기 관절형 엔드 이펙터(40)의 소정의 공칭 위치 사이에 상기 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 또는 상쇄하기 위해, 상기 하나 이상의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36) 중 적어도 하나의 추정된 길이 변화를 고려하여 상기 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16) 중 적어도 하나에 이동을 부여하는 것을 포함하는 것인 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 로봇 시스템은, 수술 기구가 로봇 시스템의 마스터 장치에 의해 제어 모드에 따라 제어되는 슬레이브 장치인 마스터-슬레이브 시스템이고,
   상기 방법은 외부 힘이 없는 경우에, 마스터 장치에 의해 명령된 포즈와 슬레이브 장치의 상기 관절형 엔드 이펙터(40)에 의해 달성된 포즈 사이의 오류를 유한 시간 내에 최소화할 수 있게 하고,
   및/또는 부여하는 상기 단계는 사용자에 의해 수행되는 커맨드 액션을 고려하는 것인 방법.
3. 제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수술 기구(20)는 복수의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)을 포함하고, 수술용 로봇 시스템은 각각의 복수의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)를 포함하고,
   힘을 검출하는 상기 단계는 복수의 또는 모든 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에서 수행되고,
   추정하는 상기 단계는 복수의 또는 모든 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)과 관련해서 수행되며,
   부여하는 상기 단계는 상기 복수의 또는 모든 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에서 수행되는 것인 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 다음의 추가 단계들, 즉
   - 로봇 시스템의 상태와 관련된 정보를 확인하는 단계;
   - 로봇 시스템의 상태와 관련된 하나 이상의 조건에 기초하여, 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 및/또는 상쇄 및/또는 보상하기 위해, 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 단계를 수행할지 여부를 상기 제어 수단(9)에 의해 결정하는 단계;
   - 상기 하나 이상의 조건이 충족되는 경우에만 부여하는 상기 단계를 수행하는 단계를 포함하는 것인 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 마스터 장치는, 미세 수술 슬레이브 기구의 폐쇄 및/또는 그리핑과 관련된 자유도에 따라 조작자에 의해 이동되고 조작자에 의해 조종되도록 조정된 휴대용, 비구속형 마스터 장치이고,
   원격 조작 동안, 수술 기구가 그리핑 상태에 있을 때, 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 및/또는 상쇄 및/또는 보상하기 위해 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 단계는, 그리핑 자유도의 작동을 위해 각각의 적어도 하나의 작동 텐던에 연결된 전동식 액추에이터 중 적어도 하나의 경우 0 내지 1의 스케일링 팩터에 따라 억제 또는 감소되는 것인 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 및/또는 상쇄 및/또는 보상하기 위해 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 단계는, 그립 폐쇄 자유도의 각각 2개의 길항 작동 텐던에 연결된 2개의 전동식 액추에이터, 또는 그립 개방 및 그립 폐쇄 자유도의 한 쌍의 길항 작동 텐던의 4개의 작동 텐던에 연결된 4개의 전동식 액추에이터의 경우, 0 내지 1의 스케일링 팩터에 따라 억제 또는 감소되는 것인 방법.
7. 제 5 항에 있어서, 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 및/또는 상쇄 및/또는 보상하기 위해 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 단계는 모든 전동식 액추에이터의 경우, 0 내지 1의 스케일링 팩터에 따라 억제 또는 감소되는 것인 방법.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 마스터 장치는 미세 수술 슬레이브 기구의 폐쇄 및/또는 그리핑과 관련된 자유도에 따라 조작자에 의해 이동되고 조작자에 의해 조종되도록 조정된 휴대용 비구속형 마스터 장치이고,
   원격 조작의 종료 시, 수술 기구가 그리핑 상태에 있고 그리핑 상태가 유지되어야 할 때, 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 및/또는 상쇄 및/또는 보상하기 위해 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 단계는 각각의 작동 텐던에 연결된 모든 전동식 액추에이터에 대해 억제되는 것인 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 원격 조작이 비그리핑 상태에서 종료될 때, 새로운 원격 조작에 다시 들어가기 전에, 이전 원격 조작 동안 하나 이상의 작동 텐던 각각에 대해 추정된 길이 변화가 리셋되는 것인 방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36) 각각이 수술용 로봇 시스템의 각각의 전동식 액추에이터 및 상기 관절형 엔드 이펙터(40) 모두에 작동적으로 연결되어, 상기 관절형 엔드 이펙터(40)의 하나 이상의 자유도(P, Y, G) 중 각각의 자유도를 작동시키는 것인 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 하나 이상의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36) 중 적어도 하나가 상기 관절형 엔드 이펙터(40)의 회전 자유도를 작동시키는 것인 방법.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에 의해 가해지는 힘을 검출하는 상기 단계는 각각의 전동식 액추에이터에 작동 가능하게 연결된 각각의 힘 센서 또는 토크 센서에 의해 수행되는 것인 방법.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 힘(Fm)을 검출하는 단계가 검출 주파수(Fr)로 연속적으로 수행되고, 하나 이상의 전동식 액추에이터의 상기 위치 제어는 위치 제어 주파수(Fcp)로 연속적으로 수행되고,
    상기 검출 주파수(Fr) 및 상기 위치 제어 주파수(Fcp)는, 최종 사용자에 의해 실시간으로 인지될 수 없는 동역학으로 탄성 신장의 보상을 실시간으로 보장하도록, 사용자에 의해 인지될 수 없는 동역학으로 설정되는 것인 방법.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 검출 주파수(Fr)와 상기 위치 제어 주파수(Fcp)가 일치하고, 100Hz 내지 1000Hz의 간격으로 구성되므로,
    상기 보상 방법은 동일한 주기에 검출된 힘(Fm)에 기초하여, 1 내지 10ms의 간격으로 구성되는 각 주기(T)에 수행되는 것인 방법.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 추정하는 상기 단계는 작동 텐던의 길이 변화를 상기 작동 텐던에서 검출된 힘(Fm)의 계수와 유효 탄성 상수 값(K) 사이의 비율로서 추정하는 것을 포함하고, 상기 유효 탄성 상수 값(K)은 시스템 응답 안정성을 보장하기 위해 실험적으로 결정되거나, 계산되거나 사전 설정되는 것인 방법.
16. 제 15 항에 있어서, 위치 제어를 위해 추정된 길이 변화를 사용하는 단계와 각각의 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 단계가 하기 공식에 기초하여 수행되고:
    
    상기 공식은 각 전동식 액추에이터에 대해 특정적이므로 각 전동식 액추에이터에 대한 특정 제어를 결정하는 것과 같고,
    여기서 u는 전동식 액추에이터에 의해 제어되는 위치이고, Kel은 작동 텐던의 탄성 상수이며, Ω은 곱셈 파라미터인 것인 방법.
17. 제 16 항에 있어서, 곱셈 파라미터(Ω)는 1보다 크므로, 계산에 사용된 유효 탄성 상수 값 K = Ω Kel은 상기 곱셈 파라미터(Ω)와 동일한 팩터만큼 텐던 탄성 상수 값보다 크고, 따라서 유효 텐던 탄성 상수 값(K)은 과대 평가되어 동일한 작동 텐던의 탄성 상수(Kel)보다 큰 것인 방법.
18. 제 16 항에 있어서, 상기 곱셈 파라미터는 0.7 내지 1.5인 것인 방법.
19. 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유효 탄성 상수 값(K) 및 따라서 상기 곱셈 파라미터(Ω)는 로봇 시스템의 상태, 및/또는 마스터 장치 및/또는 슬레이브 장치의 공간 조건 및/또는 원격 조작 지속 시간에 따라 가변적으로 결정되는 것인 방법.
20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 보상 방법은 40N보다 낮은 검출된 힘 값이 있을 때 수행되는 것인 방법.
21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수술 기구(20)는 각각의 적어도 하나의 작동 텐던(31, 32, 33 , 34, 35, 36)에 작동 가능하게 연결되고 각각의 상기 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에 작동 가능하게 연결된 적어도 하나의 트랜스미션 부재(21, 22, 23, 24, 25, 26)를 더 포함하는 것인 방법.
22. 제 21 항에 있어서, 이동을 부여하는 및/또는 힘을 가하는 단계는, 각각의 작동 텐던의 추정된 길이 변화 및 상기 작동 텐던의 계수와 강성에 기초하여, 트랜스미션 부재의 이동이 각각의 작동 텐던의 신장 또는 이완으로 인한 보상을 포함하도록 각각의 전동식 액추에이터의 이동을 제어하는 것을 포함하는 것인 방법.
23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서, 참조 운동학적 영점 조건이 로봇 시스템에서 정의되고, 제어 수단에 의해 전동식 액추에이터에 부여된 이동이 저장된 참조 위치와 관련해서 참조될 가상 영점을 연관시키며,
    상기 트랜스미션 부재 각각에 이동을 부여하는 및/또는 힘을 가하는 단계는 수행된 보상을 고려하는 보정된 운동학적 영점을 계산하는 것을 포함하는 것인 방법.
24. 제 21 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 트랜스미션 부재에 이동을 부여하고 및/또는 힘을 가하는 단계는 이중 피드백 작동 루프에 의해 트랜스미션 부재에 힘을 가하는 것을 포함하며, 탄성 보상 보정은 이동 운동학적 메커니즘으로 인해 전동식 액추에이터의 변위에 평행하게 삽입되는 것인 방법.
25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 전동식 액추에이터는 스테퍼 전동식 액추에이터이고, 위치 제어는 작업 시간 단위로 알려진 속도 제어를 통해 수행되어 위치 제어를 결정하는 것인 방법.
26. 제 25 항에 있어서, 속도 및 위치 제어는 최대 수렴 시간보다 낮은 시간 상수로 보상의 수렴을 보장하도록 치수 설정된 이득 파라미터(Kp)를 사용하여 피드백 작동 제어 루프에 의해 수행되는 것인 방법.
27. 제 26 항에 있어서, 상기 최대 수렴 시간은 1초 미만이며, 바람직하게는 100ms 내지 200ms의 간격으로 구성되는 것인 방법.
28. 제 24 항 및 제 25 항에 있어서, 상기 속도 제어는 운동학적 구성 요소와 동역학적 보상 구성 요소를 포함하고,
    상기 동역학적 보상 구성 요소는 검출된 힘(Fm)을 입력으로서 수신하고, 작동 텐던의 탄성으로 인해 손실된 추정 변위를 제 16 항에 명시된 공식에 따라 그리고 안정성 요구에 부합하는 동역학을 갖도록 조정된 비례 컨트롤러를 사용하여 계산하고, 상기 속도 운동학적 구성 요소에 추가되는 속도 보상 기여분을 생성하고,
    상기 운동학적 및 동역학적 속도 기여분의 합은 제어될 전동식 액추에이터에 입력으로서 공급되고,
    운동학적 구성 요소와 동역학적 구성 요소의 컨트롤러는 바람직하게 평행한 것인 방법.
29. 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 위치 및/또는 속도 제어는, 예를 들어 마스터 또는 슬레이브 장치의 위치 및/또는 로봇 시스템의 노화 또는 상태와 같은 조건에 따라, 공통 유효 탄성 상수 값에 기초하여, 예를 들어 각 쌍의 길항 텐던에 대한 관절 제어를 수행함으로써, 복수의 전동식 액추에이터에 대해 공통된 방식으로 수행되는 것인 방법.
30. 제 1 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서, 위치 및/또는 속도 제어는 검출된 힘(Fm)이 최대 작동 힘 값(Fmax)보다 낮은 경우에만 수행되고, 전동식 액추에이터 중 하나만이라도 상기 최대 작동력(Fmax)보다 큰 힘을 검출하면 상기 방법은 억제되는 것인 방법.
31. 제 1 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서, 신장 보상 파라미터는 서로 다른 포즈와 관련된 서로 다른 마찰을 고려하기 위해 상기 관절형 엔드 이펙터(40)의 포즈에 따라 제어되는 가변적인 방식으로 결정되는 것인 방법.
32. 제 1 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 텐던은 바람직하게는 서로 얽힌 폴리머 섬유에 의해 형성된 폴리머 텐던인 것인 방법.
33. 수술용 로봇 시스템으로서,
    - 관절형 엔드 이펙터(40)와 상기 관절형 엔드 이펙터(40)를 작동하도록 구성된 적어도 하나의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)을 포함하는 수술 기구(20);
    - 제어 수단(9);
    - 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)의 적어도 하나의 이동과 상기 관절형 엔드 이펙터(40)의 각각의 적어도 하나의 이동 사이의 일의적 상관관계를 결정하기 위해, 제어 수단(9)에 의해 제어되는 각각의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)에 액션을 부여하도록 각각의 상기 적어도 하나의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)에 작동 가능하게 연결 가능한 적어도 하나의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16);
    - 수술 기구의 작동 단계 동안, 상기 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16) 중 적어도 하나에 의해 가해지는 힘(Fm)을 검출하도록 구성된 힘 검출 수단을 포함하고;
    상기 제어 수단(9)은 다음의 액션을 수행하도록 구성되는 것인 장치:
    - 검출된 힘(Fm)에 기초하여, 미리 정의된 수학적 모델에 의해, 작동 텐던의 신장으로 인한 상기 하나 이상의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36) 중 적어도 하나의 길이 변화를 추정하는 것;
    - 추정된 길이 변화를 상기 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)의 위치 제어에 사용하는 것으로서, 상기 위치 제어는, 상기 관절형 엔드 이펙터(40)에 의해 도달된 위치와 상기 관절형 단부 이펙터(40)의 소정의 공칭 위치 사이에 상기 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 또는 상쇄하기 위해, 상기 하나 이상의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36) 중 적어도 하나의 추정된 길이 변화를 고려하여 상기 하나 이상의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16) 중 적어도 하나에 이동을 부여하는 것을 포함하는 것인 로봇 시스템.
34. 제 33 항에 있어서, 상기 로봇 시스템은, 수술 기구가 로봇 시스템의 마스터 장치에 의해 제어 모드에 따라 제어되는 슬레이브 장치인 마스터-슬레이브 시스템이고,
    상기 로봇 시스템은 외부 힘이 없는 경우에, 마스터 장치에 의해 명령된 포즈와 슬레이브 장치의 관절형 엔드 이펙터(40)에 의해 달성된 포즈 사이의 오류를 유한 시간 내에 최소화할 수 있도록 구성되고,
    및/또는 하나 이상의 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 액션은 사용자에 의해 수행되는 커맨드 액션을 고려하는 것인 로봇 시스템.
35. 제 33 항 또는 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수술 기구(20)는 복수의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)을 포함하고, 수술용 로봇 시스템은 각각의 복수의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)를 포함하고,
    힘을 검출하는 상기 액션은 복수의 또는 모든 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에서 수행되고,
    추정하는 상기 액션은 복수의 또는 모든 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)과 관련해서 수행되며,
    부여하는 상기 액션은 상기 복수의 또는 모든 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에서 수행되는 것인 로봇 시스템.
36. 제 33 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 수단(9)은 추가로,
    - 로봇 시스템의 상태와 관련된 정보를 확인하도록;
    - 로봇의 상태와 관련된 하나 이상의 조건에 기초하여, 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 및/또는 상쇄 및/또는 보상하기 위해, 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 단계를 수행할지 여부를 결정하도록;
    - 상기 하나 이상의 조건이 충족되는 경우에만 부여하는 상기 액션을 수행하도록 구성되는 것인 로봇 시스템.
37. 제 36 항에 있어서, 상기 마스터 장치는, 미세 수술 슬레이브 기구의 폐쇄 및/또는 그리핑과 관련된 자유도에 따라 조작자에 의해 이동되고 조작자에 의해 조종되도록 조정된 휴대용, 비구속형 마스터 장치이고,
    원격 조작 동안, 수술 기구가 그리핑 상태에 있을 때, 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 및/또는 상쇄 및/또는 보상하기 위해 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 액션은, 그리핑 자유도의 작동을 위해 각각의 적어도 하나의 작동 텐던에 연결된 전동식 액추에이터 중 적어도 하나의 경우 0 내지 1의 스케일링 팩터에 따라 억제 또는 감소되는 것인 로봇 시스템.
38. 제 37 항에 있어서, 상기 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 및/또는 상쇄 및/또는 보상하기 위해 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 액션은, 그립 폐쇄 자유도의 작동과 관련된 각각 2개의 길항 텐던에 연결된 2개의 전동식 액추에이터, 또는 그립 폐쇄 및 그립 개방 자유도의 작동과 관련된 한 쌍의 길항 텐던의 4개의 작동 텐던에 연결된 4개의 전동식 액추에이터의 경우, 0 내지 1의 스케일링 팩터에 따라 억제 또는 감소되고;
    또는 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 및/또는 상쇄 및/또는 보상하기 위해 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 액션은 모든 전동식 액추에이터의 경우, 0 내지 1의 스케일링 팩터에 따라 억제 또는 감소되는 것인 로봇 시스템.
39. 제 36 항에 있어서, 상기 마스터 장치는 미세 수술 슬레이브 기구의 폐쇄 및/또는 그리핑과 관련된 자유도에 따라 조작자에 의해 이동되고 조작자에 의해 조종되도록 조정된 휴대용, 비구속형 마스터 장치이고,
    원격 조작의 종료 시, 수술 기구가 그리핑 상태에 있고 그리핑 상태가 유지되어야 할 때, 탄성 신장에 의해 도입된 오류를 감소 및/또는 상쇄 및/또는 보상하기 위해 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 상기 액션은 각각의 작동 텐던에 연결된 모든 전동식 액추에이터에 대해 억제되는 것인 로봇 시스템.
40. 제 33 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에 의해 가해지는 힘의 상기 검출 수단은 각각의 전동식 액추에이터에 작동 가능하게 연결된 각각의 힘 센서 또는 토크 센서를 포함하는 것인 로봇 시스템.
41. 제 33 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 있어서, 힘(Fm)을 검출하는 액션은 검출 주파수(Fr)로 연속적으로 수행되고, 하나 이상의 전동식 액추에이터의 상기 위치 제어는 위치 제어 주파수(Fcp)로 연속적으로 수행되고,
    상기 검출 주파수(Fr) 및 상기 위치 제어 주파수(Fcp)는, 최종 사용자에 의해 실시간으로 인지될 수 없는 동역학으로 탄성 신장의 보상을 실시간으로 보장하도록, 사용자에 의해 인지될 수 없는 동역학으로 설정되는 것인 로봇 시스템.
42. 제 41 항에 있어서, 상기 검출 주파수(Fr)와 위치 제어 주파수(Fcp)는 일치하고, 100Hz 내지 1000Hz의 간격으로 구성되므로, 상기 보상 방법은 동일한 주기에 검출된 힘(Fm)에 기초하여, 1 내지 10ms의 간격으로 구성된 각 주기(T)에 수행되는 것인 로봇 시스템.
43. 제 33 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서, 추정하는 액션은 작동 텐던의 길이 변화를 작동 텐던에 대한 검출된 힘의 계수(Fm)와 유효 탄성 상수 값(K) 사이의 비율로서 추정하는 것을 포함하며, 상기 유효 탄성 상수 값(K)은 시스템 응답 안정성을 보장하기 위해 실험적으로 결정되거나, 계산되거나 사전 설정되는 것인 로봇 시스템.
44. 제 43 항에 있어서, 위치 제어를 위해 추정된 길이 변화를 사용하는 단계와 각각의 전동식 액추에이터에 이동을 부여하는 단계는 하기 공식에 기초하여 수행되고,
    
    상기 공식은 각 전동식 액추에이터에 대해 특정적이므로, 각 전동식 액추에이터에 대한 특정 제어를 결정하는 것과 같고,
    여기서 u는 전동식 액추에이터에 의해 제어되는 위치이고, Kel은 작동 텐던의 탄성 상수이며, Ω는 곱셈 파라미터이고;
    및/또는 상기 곱셈 파라미터(Ω)는 1보다 크므로, 계산에 사용된 유효 탄성 상수값 K = Ω Kel은 상기 곱셈 파라미터(Ω)와 동일한 팩터만큼 텐던 탄성 상수 값보다 크고, 따라서 유효 텐던 탄성 상수 값(K)은 과대 평가되어 동일한 작동 텐던의 탄성 상수(Kel)보다 크고;
    및/또는 상기 곱셈 파라미터는 0.7 내지 1.5이고;
    및/또는 상기 유효 탄성 상수 값(K) 및 따라서 상기 곱셈 파라미터(Ω)는 로봇 시스템의 상태, 및/또는 마스터 장치 및/또는 슬레이브 장치의 공간 조건 및/또는 원격 조작 지속 시간에 따라 가변적으로 결정되는 것인 로봇 시스템.
45. 제 33 항 내지 제 44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수술 기구(20)는 각각의 적어도 하나의 작동 텐던(31, 32, 33, 34, 35, 36)에 작동 가능하게 연결되고 각각의 전동식 액추에이터(11, 12, 13, 14, 15, 16)에 작동 가능하게 연결되는 적어도 하나의 트랜스미션 부재(21, 22, 23, 24, 25, 26)를 더 포함하고,
    이동을 부여하는 및/또는 힘을 가하는 액션은, 각각의 작동 텐던의 추정된 길이 변화 및 상기 작동 텐던의 계수와 강성에 기초하여, 트랜스미션 부재의 이동이 각각의 작동 텐던의 신장 또는 이완으로 인한 보상을 포함하도록 각각의 전동식 액추에이터의 이동을 제어하는 것을 포함하는 것인 로봇 시스템.
46. 제 45 항에 있어서, 참조 운동학적 영점 조건이 정의되고, 제어 수단에 의해 전동식 액추에이터에 부여된 이동이 저장된 참조 위치와 관련해서 참조될 가상 영점을 연관시키며,
    상기 트랜스미션 부재 각각에 이동을 부여하는 및/또는 힘을 가하는 액션은 수행된 보상을 고려하는 보정된 운동학적 영점을 계산하는 것을 포함하는 것인 로봇 시스템.
47. 제 45 항 내지 제 46 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 트랜스미션 부재에 이동을 부여하고 및/또는 힘을 가하는 액션은 이중 피드백 작동 루프에 의해 트랜스미션 부재에 힘을 가하는 것을 포함하며, 탄성 보상 보정은 이동 운동학적 메커니즘으로 인해 전동식 액추에이터의 변위에 평행하게 삽입되는 것인 로봇 시스템.
48. 제 33 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서, 전동식 액추에이터는 스테퍼 전동식 액추에이터이고, 위치 제어는 작업 시간 단위로 알려진 속도 제어를 통해 수행되어 위치 제어를 결정하고,
    속도 및 위치 제어는 최대 수렴 시간보다 낮은 시간 상수로 보상의 수렴을 보장하도록 치수 설정된 이득 파라미터(Kp)를 사용하여 피드백 작동 제어 루프에 의해 수행되는 것인 로봇 시스템.
49. 제 47 항 및 제 48 항에 있어서, 상기 속도 제어는 운동학적 구성 요소와 동역학적 보상 구성 요소를 포함하고,
    상기 동역학적 보상 구성 요소는 검출된 힘(Fm)을 입력으로서 수신하고, 작동 텐던의 탄성으로 인해 손실된 추정 변위를 제 16 항에 명시된 공식에 따라 그리고 안정성 요구에 부합하는 동역학을 갖도록 조정된 비례 컨트롤러를 사용하여 계산하고, 상기 속도 운동학적 구성 요소에 추가되는 속도 보상 기여분을 생성하고,
    상기 운동학적 및 동역학적 속도 기여분의 합은 제어될 전동식 액추에이터에 입력으로서 공급되고,
    운동학적 구성 요소와 동역학적 구성 요소의 컨트롤러는 바람직하게 평행한 것인 로봇 시스템.
50. 제 33 항 내지 제 49 항 중 어느 한 항에 있어서, 위치 및/또는 속도 제어는 검출된 힘(Fm)이 최대 작동력 값(Fmax)보다 낮은 경우에만 수행되고, 상기 전동식 액추에이터 중 하나만이라도 상기 최대 작동력(Fmax)보다 큰 힘을 검출하면 보상이 억제되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
51. 제 33 항 내지 제 50 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 항 내지 제 32 항 중 어느 하나에 따른 방법을 수행하도록 구성된 로봇 시스템.