KR20240074873A - 수술 도구에 대한 하드스톱 검출 및 핸들링 - Google Patents

Abstract

개시된 실시형태들은 수술 도구 또는 수술 로봇 시스템을 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 수술 도구에 대한 하드스톱을 검출하기 위한 하나의 예시적 시스템은 도구 구동기의 복수의 케이블에 연결되고 이에 의해서 구동되는 리스트(wrist), 복수의 케이블들과 연관된 힘들을 검출하도록 구성된 복수의 센서들, 및 하나 이상의 프로세서를 포함하며, 하나 이상의 프로세서는 복수의 케이블들과 연관된 힘들의 비교를 수행하도록, 복수의 케이블로부터 복수의 케이블들과 연관된 힘들의 비교에 기반하여, 최고 장력 케이블을 선택하도록, 최고 장력 케이블에 할당된 힘을 미리 결정된 값에 설정하도록, 최고 장력 케이블에 대한 미리 결정된 값과 복수의 케이블들에서 나머지 케이블들에 대한 검출된 힘들의 합에 기반하여, 리스트에 대한 가변 토크 임계값을 계산하도록, 리스트에 대한 조인트 토크 값을 수신하도록, 리스트에 대한 수신된 조인트 토크 값을 가변 리스트 토크 임계값에 대해 비교하도록, 그리고 리스트에 대한 수신된 조인트 토크 값을 가변 리스트 토크 임계값에 대해 비교하는 것에 기반하여 하드스톱을 식별하도록 구성된다.

Description

수술 도구에 대한 하드스톱 검출 및 핸들링

본 개시내용은 수술 도구의 작동 동안 하드스톱(hardstop) 검출 및 핸들링(handling)에 관한 것이다.

복강경 수술과 같은 최소-침습 수술(MIS: minimally-invasive surgery)은 외과 수술 중의 조직 손상을 감소시키도록 의도된 기술을 포함한다. 예를 들어, 복강경 시술은 전형적으로 환자에(예컨대, 복부에) 다수의 작은 절개부를 생성하는 것, 및 하나 이상의 수술 도구(예컨대, 엔드 이펙터(end effector) 및 내시경)를 절개부를 통해 환자 안으로 도입하는 것을 포함한다. 다음으로, 외과적 수술은 도입된 수술 도구를 사용하여 수행될 수 있으며, 시각화 지원이 내시경에 의해 제공될 수 있다.

일반적으로, MIS는 감소된 환자 반흔형성, 더 적은 환자 통증, 더 짧은 환자 회복 기간, 및 환자 회복과 연관된 더 낮은 의료 치료 비용과 같은 다수의 이득을 제공한다. 최근의 기술 개발은 더 많은 MIS가 원격 조작자로부터의 커맨드(command)에 기초하여 수술 도구를 조작하기 위한 하나 이상의 로봇 아암(robotic arm)을 포함하는 로봇 시스템으로 수행될 수 있게 한다. 로봇 아암은, 예를 들어, 이의 원위 단부에서 다양한 디바이스들, 예컨대, 환자의 체강 및 장기(organ)에의 접근을 제공하기 위한 수술 엔드 이펙터, 이미징 디바이스, 캐뉼라(cannula) 등을 지지할 수 있다. 로봇 MIS 시스템에서, 로봇 아암에 의해 지지되는 수술 기구(surgical instrument)에 대한 고도의 포지션(position) 정확성을 확립 및 유지하는 것이 바람직할 수 있다.

일부 실시예에서, 수술 엔드 이펙터는 신체 또는 다른 곳에서 하드스톱에 접촉될 수 있다. 하드스톱은 엔드 이펙터가 접촉하는 신체의 일부 또는 다른 실질적으로 강성인 물체일 수 있다. 일부 시스템들이 하드스톱과의 접촉에 관한 피드백을 사용자에게 제공하나, 다른 시스템들은 어떠한 피드백도 제공하지 않거나 단지 비디오만을 제공할 수 있다. 어떠한 피드백도 없이 하드스톱을 식별하는 것은 불가능할 수 있고, 비디오만으로 하드스톱을 식별하는 것은 어려울 수 있다. 하기 개시내용은 수술 도구에 의한 하드스톱의 식별 및 하드스톱의 핸들링을 위한 시스템, 장치 및 방법을 제공한다.

외과 의사들이 최소 침습 수술을 수행하도록 설계된 로봇 보조 수술 전기-기계 시스템이 본원에서 개시된다. 한 세트의 호환 가능한 도구들이 로봇 아암의 원위 단부에 장착된 기구 구동기에 부착/이로부터 분리될 수 있어서, 외과 의사가 다양한 수술 작업들을 수행할 수 있게 할 수 있다. 기구 구동기들은 수술 부위에 대한 체내 접근, 멸균 인터페이스를 통한 호환 가능한 도구들의 기계적 작동, 및 멸균 인터페이스 및 사용자 터치포인트들을 통한 호환 가능한 도구들과의 통신을 제공할 수 있다. 시스템은 도구에 의해서 경험되는 장애물 또는 하드스톱을 검출한다.

수술 도구에 대한 하드스톱을 검출하기 위한 하나의 장치는 도구 구동기의 복수의 케이블에 연결되고 이에 의해서 구동되는 리스트(wrist), 복수의 케이블들과 연관된 힘들을 검출하도록 구성된 복수의 센서들, 및 하나 이상의 프로세서를 포함하며, 하나 이상의 프로세서는 복수의 케이블들과 연관된 힘들의 비교를 수행하도록, 최고 장력 케이블을 복수의 케이블로부터 복수의 케이블들과 연관된 힘들의 비교에 기반하여 선택하도록, 최고 장력 케이블에 할당된 힘을 미리 결정된 값에 설정하도록, 리스트에 대한 가변 토크 임계값을 최고 장력 케이블에 대한 미리 결정된 값과 복수의 케이블들에서 나머지 케이블들에 대한 검출된 힘들의 합에 기반하여 계산하도록, 리스트에 대한 조인트 토크 값을 수신하도록, 리스트에 대한 수신된 조인트 토크 값을 가변 리스트 토크 임계값에 대해 비교하도록, 그리고 하드스톱을 리스트에 대한 수신된 조인트 토크 값을 가변 리스트 토크 임계값에 대해 비교하는 것에 기반하여 식별하도록 구성된다.

도 1은 수술 로봇 시스템을 포함하는 예시적 수술실 환경을 예시한다.
도 2는 로봇 아암, 도구 구동기, 및 수술 도구가 로딩된 캐뉼러를 포함하는 예시적 수술 로봇 시스템을 예시한다.
도 3a는 로딩된 수술 도구를 갖는 예시적 도구 구동기를 예시한다.
도 3b는 로딩된 수술 도구를 갖지 않는 예시적 도구 구동기를 예시한다.
도 4a 및 도 4b는 로봇 리스트(wrist), 한 쌍의 대향 죠(jaw)들 및 로봇 리스트와 한 쌍의 죠들을 도구 구동기의 액추에이터(actuator)들에 결합하기 위한 풀리 케이블 시스템(pulley and cable system)을 갖는 예시적 파지기(grasper)의 엔드 이펙터를 예시한다.
도 5는 도 4a 및 도 4b의 풀리 케이블 시스템의 풀리들을 예시한다.
도 6은, 로봇 리스트, 도구 구동기 및/또는 수술 도구를 위한 제어기를 예시한다.
도 7은 도구 구동기 대 수술 도구에 대한 매핑을 예시한다.
도 8은 센서 어레이 및 제어기의 상세한 실시형태를 예시한다.
도 9는 제어기의 예시적 동작들을 위한 예시적 흐름도를 예시한다.
도 10은 죠 핸들링을 위한 예시적 비례 제어기를 예시한다.
도 11은 제어기의 다른 예시적 동작에 대한 예시적 흐름도를 예시한다.

도 1은 수술 로봇 시스템(100)을 갖는 예시적 수술실 환경을 예시하는 다이어그램이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 수술 로봇 시스템(100)은 사용자 콘솔(110), 컨트롤 타워(130) 및 수술 로봇(120)을 포함하며, 이 수술 로봇은 수술 플랫폼(124)(예컨대, 테이블 또는 베드(bed) 등) 상에 장착된 하나 이상의 수술 로봇 아암(122)을 가지며, 여기서 엔드 이펙터들을 갖는 수술 도구들이 외과적 수술을 실행하기 위해 로봇 아암들(122)의 원위 단부들에 부착된다. 로봇 아암(122)은 테이블-장착식으로도 도시되지만, 다른 구성에서, 로봇 아암은 카트, 천장, 측벽 또는 다른 적절한 지지 표면에 장착될 수 있다.

일반적으로, 외과 의사 또는 다른 조작자와 같은 사용자는 로봇 아암들(122) 및/또는 수술 기구들을 원격으로 조작하기 위해(예컨대, 원격조종(teleoperation)) 사용자 콘솔(110)에 착석할 수 있다. 사용자 콘솔(110)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 로봇 시스템(100)과 동일한 수술실 내에 위치될 수 있다. 다른 환경들에서, 사용자 콘솔(110)은 인접한 또는 인근의 방에 위치되거나, 상이한 건물, 도시, 또는 국가의 원격 위치로부터 원격조종될 수 있다. 사용자 콘솔(110)은 좌석(112), 페달(114), 하나 이상의 핸드헬드 사용자 인터페이스 디바이스(UID)(116), 및 예를 들어, 환자 내부의 수술 부위의 뷰(view)를 디스플레이하도록 구성된 개방형 디스플레이(118)를 포함할 수 있다. 예시적 사용자 콘솔(110)에 도시된 바와 같이, 좌석(112)에 앉아 개방형 디스플레이(118)를 보고 있는 외과 의사가 로봇 아암(122) 및/또는 아암(122)의 원위 단부에 장착된 수술 기구를 원격으로 제어하기 위해 페달(114) 및/또는 핸드헬드 사용자 인터페이스 디바이스(116)를 조작할 수 있다.

몇몇 변형예에서, 사용자는 또한 수술 로봇 시스템(100)을 "오버 더 베드"(OTB: over the bed) 모드로 작동시킬 수 있으며, 이 모드에서 사용자는 환자의 측에 있고, 로봇-구동식 도구/이에 부착된 엔드 이펙터(예컨대, 한 손에 쥐어진 핸드헬드 사용자 인터페이스 디바이스(116)로)와 수동 복강경 도구를 동시에 조작하고 있다. 예를 들어, 사용자의 오른 손이 수동 복강경 검사 도구를 조작하고 있을 수 있는 동안 사용자의 왼 손은 로봇 수술 구성요소를 제어하기 위해서 핸드헬드 사용자 인터페이스 디바이스(116)를 조작하고 있을 수 있다. 이에 따라, 이러한 변형예에서, 사용자는 환자에 대해 로봇-지원 최소 침습 수술(MIS) 및 수동 복강경 수술 둘 모두를 수행할 수 있다.

엔드 이펙터는 절단(cutting), 파지(grasping), 포킹(poking), 또는 에너지 방출과 같은 수술 동작을 실행하도록 구성될 수 있다. 수술 도구는 수술 동안 수동으로, 로봇으로, 또는 이들 둘 모두로 조작될 수 있다. 예를 들어, 수술 도구는 환자의 내부 해부학적 구조에 들어가거나, 이를 관찰하거나, 조작하는 데 사용되는 도구일 수 있다. 실시형태에서, 수술 도구는 환자의 조직을 파지할 수 있는 그라스퍼이다. 수술 도구는 침대 옆 조작자의 손에 의해 직접 수동으로 제어될 수 있거나, 움직임을 작동시키는 전자 커맨드의 전송을 통해, 로봇으로 제어될 수 있다.

예시적 시술 또는 수술 동안, 환자는 마취를 달성하기 위해 멸균 방식으로 수술 준비되고 드레이핑(draping)된다. 수술 부위에 대한 초기 접근은 수술 부위에 대한 접근을 용이하게 하기 위해 로봇 시스템(100)이 격납된 구성(stowed configuration) 또는 후퇴된 구성(withdrawn configuration)에 있는 상태에서 수동으로 수행될 수 있다. 일단 접근이 완료되면, 로봇 시스템의 초기 포지셔닝(positioning) 및/또는 준비가 수행될 수 있다. 시술 동안, 사용자 콘솔(110)에 있는 외과 의사는 페달(114) 및/또는 사용자 인터페이스 디바이스(116)를 활용하여 다양한 엔드 이펙터 및/또는 이미징 시스템을 조작하여서 수술을 수행할 수 있다. 수동 지원이 또한 시술 테이블에서 멸균-가운 착용 요원에 의해서 제공될 수 있으며, 이 요원은, 조직을 견인하는 것 또는 하나 이상의 로봇 아암(122)이 관련된 수동 리포지셔닝(repositioning) 또는 도구 교환을 수행하는 것을 포함하나 이에 한정되지 않는 작업을 수행할 수 있다. 사용자 콘솔(110)에 있는 외과 의사를 보조하기 위해 비-멸균 요원이 또한 존재할 수 있다. 시술 또는 수술이 완료될 때, 로봇 시스템(100) 및/또는 사용자 콘솔(110)은 로봇 시스템(100) 세정 및/또는 멸균, 및/또는 예컨대 사용자 콘솔(110)을 통한, 건강관리 기록 입력 또는, 전자 카피이든지 또는 하드 카피이든지 간에, 출력을 포함하지만 이로 제한되지 않는, 하나 이상의 수술 후 절차를 용이하게 하는 상태로 구성되거나 설정될 수 있다.

일부 양태에서, 수술 로봇(120)과 사용자 콘솔(110) 사이의 통신은 콘솔 타워(130)를 통할 수 있으며, 이 콘솔 타워는 사용자 콘솔(110)로부터의 사용자 입력을 로봇 제어 커맨드로 바꾸고, 이 제어 커맨드를 수술 로봇(120)에 송신할 수 있다. 컨트롤 타워(130)는 또한 로봇(120)으로부터 다시 사용자 콘솔(110)로 상태 및 피드백을 송신할 수 있다. 수술 로봇(120), 사용자 콘솔(110), 및 컨트롤 타워(130) 사이의 연결은 유선 및/또는 무선 연결을 통해 이루어질 수 있고, 독점적인 것이고/이거나 다양한 데이터 통신 프로토콜 중 임의의 것을 사용하여 수행될 수 있다. 임의의 유선 연결부가 선택적으로 수술실의 바닥 및/또는 벽 또는 천장에 내장될 수 있다. 수술 로봇 시스템(100)은 수술실 내의 디스플레이뿐만 아니라 인터넷 또는 다른 네트워크를 통해 액세스 가능한 원격 디스플레이를 포함한 하나 이상의 디스플레이에 비디오 출력을 제공할 수 있다. 비디오 출력 또는 피드는 또한 프라이버시를 보장하기 위해 암호화될 수 있고, 비디오 출력의 전부 또는 부분이 서버 또는 전자 건강관리 기록 시스템에 저장될 수 있다.

수술 로봇 시스템을 이용한 수술을 개시하기 전에, 수술 팀은 수술 전 셋업을 수행할 수 있다. 수술 전 셋업 동안, 수술 로봇 시스템의 주요 구성요소(테이블(124) 및 로봇 아암(122), 컨트롤 타워(130), 및 사용자 콘솔(110))가 수술실 내에 포지션되고, 연결되고, 전력을 공급받는다. 수술 플랫폼(124) 및 로봇 아암(122)은 아암(122)이 보관 및/또는 운반 목적을 위해 수술 플랫폼(124) 아래에 있는 완전-격납된 구성에 있을 수 있다. 수술 팀은 멸균 드레이핑을 위해 아암들을 그들의 격납된 포지션으로부터 연장시킬 수 있다.

드레이핑 후에, 아암들(122)은 사용을 위해 필요할 때까지 부분적으로 후퇴될 수 있다. 투관침 배치 및 설치를 포함한 다수의 종래의 복강경 단계들이 수행될 수 있다. 예를 들어, 각각의 슬리브(sleeve)가 폐색구의 도움으로, 작은 절개부 내로 그리고 체벽을 통해 삽입될 수 있다. 슬리브 및 폐색구는 배치 동안의 손상의 위험을 최소화하기 위해 삽입 동안 조직 층의 시각화를 위한 광학적 진입을 허용한다. 전형적으로 다른 투관침의 배치를 위한 핸드-헬드 카메라 시각화를 제공하기 위해 내시경이 맨 먼저 배치된다.

취입 후에, 요구되는 경우, 손으로 임의의 복강경 단계를 수행하기 위해 수동 기구가 슬리브를 통해 삽입될 수 있다. 다음에, 수술 팀은 로봇 아암(122)을 환자 위에 포지션시키고 각각의 아암(122)을 이의 대응되는 슬리브에 부착할 수 있다. 수술 로봇 시스템(100)은 각각의 도구(내시경 및 수술 기구)가 부착되자마자 이것을 고유하게 식별하고, 사용자 콘솔(110)에 있는 개방형 또는 몰입형 디스플레이(118) 및 컨트롤 타워(130) 상의 터치스크린 디스플레이 상에 도구 유형 및 아암 위치를 디스플레이하는 능력을 갖는다. 대응되는 도구 기능이 유효화되고 마스터 UID(116) 및 풋 페달(114)을 사용하여 활성화될 수 있다. 환자측 보조자는 절차 전체에 걸쳐, 요구되는 대로, 도구를 부착하고 분리할 수 있다. 사용자 콘솔(110)에 착석한 외과 의사는 2개의 마스터 UID(116) 및 풋 페달(114)에 의해 제어되는 도구를 사용하여 수술을 수행하기 시작할 수 있다. 시스템은 외과 의사의 손, 손목 및 손가락 움직임을 마스터 UID(116)를 통해 수술 도구의 정확한 실시간 움직임으로 변환한다. 그에 따라, 시스템은 외과 의사의 모든 수술 조작(maneuver)을 끊임없이 모니터링하고, 시스템이 외과 의사의 손 모션(motion)을 정확하게 반영할 수 없는 경우 기구 움직임을 정지시킨다. 내시경이 수술 동안 하나의 아암으로부터 다른 것으로 이동되는 경우에, 시스템은 기구 정렬을 위해 마스터 UID(116)를 조정하고 기구 제어 및 모션을 계속할 수 있다. 풋 페달(114)은, 외과 의사의 손이 마스터 UID(116)로부터 제거되는 것을 수반함이 없이, 내시경 제어와 단극 및 양극 소작을 포함한 다양한 기구 기능과 같은, 다양한 시스템 모드를 활성화하는 데 사용될 수 있다.

수술 플랫폼(124)은 수술 중에 리포지션될 수 있다. 안전 이유 때문에, 모든 툴팁(tooltip)은 보이는 곳에, 그리고 사용자 콘솔(110)에 있는 외과 의사에 의한 능동적 제어 하에 있어야 한다. 능동적 외과 의사 제어 하에 있지 않은 기구들은 제거되고, 테이블 발 부분들은 로킹된다. 테이블 모션 동안, 통합 로봇 아암(122)은 테이블 움직임을 수동적으로 따를 수 있다. 오디오 및 시각적 큐(cue)들이 테이블 모션 동안 수술 팀을 안내하는 데 사용될 수 있다. 오디오 큐들은 톤(tone) 및 음성 프롬프트(voice prompt)를 포함할 수 있다. 사용자 콘솔(110) 및 컨트롤 타워(130)에 있는 디스플레이 상의 시각적 메시징은 테이블 모션 상태를 수술 팀에 알릴 수 있다.

도 2는 로봇 아암, 도구 구동기, 및 로봇 수술 도구가 로딩된 캐뉼러의 하나의 예시적 설계를 예시하는 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 예시적 수술 로봇 아암(200)은 복수의 링크들(예를 들어, 링크(202)), 및 복수의 링크들을 서로에 대해 작동시키기 위한 복수의 작동식 조인트 모듈들(예를 들어, 조인트(204))을 포함할 수 있다. 조인트 모듈들은 다른 것들에 대한 소정 축들을 중심으로 한 인접한 링크들의 움직임을 실질적으로 제약할 수 있는, 피치 조인트(pitch joint) 또는 롤 조인트(roll joint)와 같은, 다양한 유형들을 포함할 수 있다. 로봇 아암(200)의 원위 단부에 부착된 도구 구동기(230)가 또한 도 2의 예시적 설계에 도시되어 있다. 도구 구동기(230)는 (예를 들어, 내시경, 스테이플러(stapler) 등과 같은) 수술 기구를 수용하고 안내하기 위해 그의 단부에 커플링(couple)된 캐뉼러(214)를 포함할 수 있다. 수술 기구(220)(또는 "도구")는 도구(220)의 원위 단부에서 엔드 이펙터(222)를 포함할 수 있다. 로봇 아암(200)의 복수의 조인트 모듈들은 로봇 수술들을 위해 도구(220)를 작동시키는 도구 구동기(230)를 포지션 및 배향시키도록 작동될 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 기술의 태양들에 따른, 각각, 인접한 로딩된 도구를 갖는 그리고 갖지 않는 예시적 도구 구동기를 예시하는 개략도들이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 하나의 변형에서, 도구 구동기(230)는 종방향 트랙들(313), 및 종방향 트랙들(313)과 활주 가능하게 맞물리는 도구 캐리지(320)를 갖는 세장형(elongated) 베이스(또는 "스테이지")(310)를 포함할 수 있다. 스테이지(310)는 로봇 아암의 관절운동이 도구 구동기(230)를 공간 내에서 포지션시키고/시키거나 배향시키도록 로봇 아암의 원위 단부에 커플링되도록 구성될 수 있다. 또한, 도구 캐리지(320)는 도구의 도구 베이스(352)를 수용하도록 구성될 수 있고, 도구 베이스는 또한 도구 베이스(352)로부터 그리고 캐뉼러(214)를 통해 연장되는 도구 샤프트(354)를 포함할 수 있으며, 이때 엔드 이펙터(222)는 원위 단부에 배치된다.

또한, 도구 캐리지(320)는, 예를 들어 작동식 구동장치들에 의해 조작 및 제어되는 케이블 시스템 또는 와이어들을 통해, 엔드 이펙터의 관절식 움직임들의 세트를 작동시킬 수 있다. 도구 캐리지(320)는 상이한 구성들의 작동식 구동부들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 회전 축 구동부들은 중공형 로터 및 중공형 로터 내에 적어도 부분적으로 배치된 유성 기어 트랜스미션을 갖는 모터를 포함할 수 있다. 복수의 회전 축 구동부들은 임의의 적합한 방식으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도구 캐리지(320)는 캐리지의 폭을 감소시키고 도구 구동기의 콤팩트한 특성을 증가시키기 위해 약간 엇갈리게 되어 있는, 베이스를 따라 종방향으로 연장되는, 2개의 열(row)들로 배열된 6개의 회전 구동장치들(322A 내지 322F)을 포함할 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 회전 구동장치들(322A, 322B, 및 322C)은 대체로 제1 열로 배열될 수 있는 반면, 회전 구동장치들(322D, 322E, 및 322F)은 대체로 제1 열로부터 약간 종방향으로 오프셋된 제2 열로 배열될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 로봇 리스트, 한 쌍의 대향 죠들, 및 로봇 리스트 및 한 쌍의 죠들을 도구 구동기의 액추에이터들에 결합하기 위한 풀리 케이블 시스템을 갖는 예시적 도구의 엔드 이펙터를 예시하는 개략도들이다. 하기의 도구 모델 및 제어기 설계는 예시적 수술 로봇 파지기를 참조하여 설명되지만, 포지션 및 그립력 제어를 위한 제안된 제어 시스템은 엔드 이펙터의 다축 모션(예를 들어, 피치 및 요)을 허용하는, 로봇 리스트를 통해 도구 샤프트에 커플링된 엔드 이펙터를 포함하는 임의의 도구에 적응될 수 있다는 점에 유의한다. 유사한 도구는 니들(needle) 구동기, 단극 가위(monopolar scissors), 단극 후크, 양극 겸자(bipolar forceps) 및 다른 기구를 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 니들 구동기 또는 니들 홀더는 니들을 유지하기 위한 대향 그리퍼(gripper)들을 포함하고, 본원에서 상세히 설명되는 파지기와 유사한 방식으로 작동한다(예를 들어, 개방/폐쇄, 요, 및 피치). 한 세트의 단극 가위는, 또한 파지기와 유사한 방식으로 작동하는(예를 들어, 개방/폐쇄, 요, 및 피치) 만곡된 플랜(plan)들을 갖는 이중 작용 가위이다. 한 세트의 양극 겸자는, 선택된 조직을 파지하고, 조작하고, 응고시키고, 또한 파지기와 유사한 방식으로 작동하도록(예를 들어, 개방/폐쇄, 요, 및 피치) 설계된 2개의 팁(tip)을 포함한다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 대향 죠들(401A, 401B)은 제1 축(410)을 따른 연장된 액슬(axle)(412)을 통해 로봇 리스트의 제1 요크(yoke)(402)에 이동 가능하게 커플링된다. 제1 요크(402)는 제2 축(420)을 따른 제2 연장된 액슬(422)을 통해 로봇 리스트의 제2 요크(403)에 이동 가능하게 커플링될 수 있다. 한 쌍의 죠들(401A, 401B)은 각각 연장된 액슬(412)을 통해, 각각, 풀리들(415A, 415B)과 커플링되거나 그들과 일체로 형성될 수 있으며, 따라서 둘 모두의 죠들이 축(410)을 중심으로 회전할 수 있다. 풀리들(425A, 425B, 425C, 425D)은 연장된 액슬(422)에 커플링되고, 축(420)을 중심으로 회전한다. 풀리들(425A, 425B, 425C 및 425D)은 요크(402)의 한 쪽에 있는 제1 세트의 풀리들(425B 및 425C), 및 요크(402)의 다른 쪽에 있는 제2 세트의 풀리들(425A 및 425D)로 배열된다. 풀리들(425A, 42C)은 외측 풀리들이고 풀리들(425B, 425D)은 내측 풀리들이다. 유사하게, 제3 세트의 풀리들(435A, 435B, 435C, 435D)은 제3 연장된 액슬(432)에 커플링되고, 축(420)에 평행한 축(430)을 중심으로 회전된다.

엔드 이펙터(222)(파지기)는 죠들(401A 및 401B) 중 하나 또는 둘 모두를 축(410)을 중심으로 다양한 방식으로 움직이게 하도록 작동될 수 있다. 예를 들어, 죠들(401A, 401B)은 서로에 대해 개방 및 폐쇄될 수 있다. 죠들(401A 및 401B)은 또한 엔드 이펙터(222)(파지기)의 요 모션을 제공하기 위해 쌍으로서 함께 회전하도록 작동될 수 있다. 또한, 제1 요크(402), 풀리들(415A 및 415B), 및 죠들(401A 및 401B)은 엔드 이펙터(222)(파지기)의 피치 모션을 제공하기 위해 축(420)을 중심으로 회전할 수 있다. 도구의 로봇 리스트 및/또는 죠들의 모션은 4개의 독립적인 케이블들(405A 내지 405D)을 제어함으로써 작용될 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 케이블(405A)은 풀리(415A)의 한 쪽으로부터 시작하고(또는 종결되고) 풀리들(425A, 435A)을 따라 라우팅될 수 있고, 케이블(405B)은 풀리(415A)의 다른 쪽에서 종결되고 풀리들(425B, 435B)을 통해 라우팅되도록 구성된다. 유사하게, 다른 쌍의 케이블들(405C, 405D)이 죠(401B)에 커플링될 수 있다. 예를 들어, 케이블(405C)은 풀리(415B)의 한 쪽으로부터 풀리들(425C, 435C)로 연장되고; 케이블(405D)은 풀리들(425D, 435D)을 통해 라우팅되고 풀리(415B)의 다른 쪽에서 종결된다. 제3 세트의 풀리들(435A, 435B, 435C, 435D)은, 케이블들(405A 내지 405D)을 제2 세트의 풀리들(425A 내지 425D)에 부착된 상태로 유지하고 케이블들이 풀리들(425A 내지 425D)에 대해 미끄러지거나 활주하는 것을 방지하는 방식으로 배열된다.

4개의 독립적인 케이블을 통해 엔드 이펙터(222)(파지기)의 모션들을 제어하는 것은 몇 가지 이점들을 갖는다. 하나의 이점은 6개의 케이블(또는 6개의 케이블 단부를 갖는 3개의 케이블 루프)을 사용하는 전형적인 시중에 나와 있는 설계들과 비교하여 도구 베이스(352)로부터 로봇 리스트까지 연장되는 케이블들의 수의 감소일 수 있다. 더 적은 수의 케이블들은 도구 크기뿐만 아니라 리스트 조립체의 복잡성을 감소시킬 수 있으며, 이는 최소-침습 외과적 수술들 또는 비-외과적 응용들에 유익할 수 있다. 더욱이, 2개 또는 3개의 케이블 루프들 대신에 4개의 독립적인 케이블들의 배열은 케이블들의 프리-텐셔닝(pre-tensioning)에 대한 필요 없이 각각의 케이블 상의 장력의 독립적인 제어를 허용할 뿐만 아니라, 리스트 조인트들에서의 가변 컴플라이언스(variable compliance) 및 외부 하중들에 대한 증가된 민감성을 가능하게 한다. 또한, 각각의 케이블 상의 장력을 독립적으로 재조정하는 것이 가능하며, 이는 도구 성능을 더욱 증가시킬 수 있다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 엔드 이펙터(222)(파지기)는 풀리들(415A, 415B, 425A, 425B, 425C, 및 425D) 중 하나 이상에 모션을 부여하여서, 제1 요크(402) 및/또는 죠들(401A 및 401B) 중 하나 또는 둘 모두에 모션을 부여함으로써 파지(예를 들어, 죠들이 축(410)을 중심으로 독립적으로 회전함), 요(예를 들어, 죠들이 축(410)을 중심으로 함께 회전함), 및 피치(예를 들어, 죠들이 축(420)을 중심으로 회전함)와 같은 다양한 방식으로 죠들(401A 및 401B)을 움직이게 하도록 작동될 수 있다. 케이블(405A 내지 405D)은 두 개의 길항적(antagonistic) 쌍들로 그룹화될 수 있으며, 즉, 길항적 쌍 중 하나의 케이블이 작동되거나 텐셔닝되는 한편 나머지 케이블이 느슨해질 때, 죠는 일 방향으로 회전될 것이다. 반면에 다른 케이블만이 텐셔닝될 때, 죠는 반대 방향으로 회전할 것이다.

예를 들어, 케이블들(405A, 405B)은 죠(401A)를 움직이게 하기 위한 제1 길항적 쌍이고, 케이블들(405C, 405D)은 죠(401B)를 제어하기 위한 제2 길항적 쌍이다. 케이블(405A)은 (예를 들어, 회전 구동장치들(322A 내지 322F) 중 적어도 하나에 의해) 텐셔닝되는 반면 케이블(405B)은 느슨하게 될 때, 죠(401A)는 폐쇄된다(반대편 죠(401B)를 향해 이동함). 반면에, 케이블(405B)은 텐셔닝되고 케이블(405A)은 느슨하게 될 때, 죠(401A)는 개방된다(반대편 죠(401B)로부터 멀어지는 쪽으로 움직임). 유사하게, 텐셔닝될 때, 케이블(405C)은 죠(401B)를 폐쇄하고(반대편 죠(401A)를 향해 움직임) 케이블(405D)은 죠(401B)를 개방하는 반면(반대편 죠(401A)로부터 멀어지는 쪽으로 움직임) 다른 케이블은 느슨하게 된다. 다른 예로서, 죠(401A)와 죠(401B) 사이의 그립력은 죠들이 폐쇄(서로 접촉함)된 후에 케이블(405A) 및 케이블(405C) 둘 모두를 계속 텐셔닝(반면에 케이블(405B) 및 케이블(405D)은 느슨하게 됨)함으로써 달성될 수 있다.

길항적 쌍의 둘 모두의 케이블이 동시에 텐셔닝되는 반면 다른 쌍의 둘 모두의 케이블이 느슨하게 되는 경우에, 풀리(415A) 또는 풀리(415B)는 회전하지 않는다. 대신에, 죠들(401A, 401B)과 함께 제1 요크(402)가 풀리들(415A, 415B)에 의해 축(420)을 중심으로 피치 운동하도록 된다. 예를 들어, 한 쌍의 케이블(405A, 405B)이 둘 모두가 동시에 텐셔닝되는 반면 한 쌍의 케이블(405C, 405D)은 느슨하게 될 때, (요크(402)와 함께) 죠들은 종이의 평면 밖으로 피치 운동한다. 반면에 둘 모두의 케이블(405C 및 405D)이 동시에 텐셔닝되고 한 쌍의 케이블(405A 및 405B)이 느슨하게 유지될 때, 죠들은 종이의 평면 안으로 피치 운동한다.

도 4b는 엔드 이펙터(221)(파지기)의 다양한 모션들에 대한 예시적 각도 정의들을 예시하는 개략도이다. 각도들은 축들(410, 420)뿐만 아니라, 제1 요크(402)의 축(452) 및 제2 요크(403)의 축(453)을 참조하여 정의된다. 예를 들어, 도 4b에 도시된 바와 같이, 축(452)과 축(453) 사이의 각도(θ₁)는 축(420)을 중심으로 한 요크(402)의 회전각을 나타낼 수 있으며, 이는 또한 엔드 이펙터(222)(파지기)의 피치각(θ_pitch)으로 정의될 수 있다(반면에 도 4a에서, 요크(402)의 축(452)은 요크(403)의 축(453) 위에 중첩되어 있는데, 왜냐하면 죠들이 기준 포지션에 머물러 있기 때문인데, 즉 피치 모션들이 없기 때문이다). 또한, 각도(θ₂) 및 각도(θ₃)는 각각 죠들(401A 및 401B)의 각각과 요크(402)의 축(452) 사이의 각도를 나타낸다. 축(452)의 측들을 구별하기 위해, 각도(θ₂) 및 각도(θ₃)는 상이한 부호들을 취할 수 있다. 예를 들어, 도 4b에 예시된 바와 같이, 각도(θ₂)는 네가티브이고 각도(θ₃)는 포지티브이다.

제어 작업들을 수행하기 위해, 조인트 각도들에 대한 일관된 좌표 프레임을 정의하는 것이 종종 유익하다. 예를 들어, 죠 각도(θ_jaw)는 2개의 죠들(401A 및 401B) 사이의 각도로 정의될 수 있고, 요 각도(θ_yaw)는 축(452)과 죠 각도를 이등분하는 선 사이의 각도로 정의될 수 있다. 이러한 각도들은 식 1 내지 식 3에 따라 정의될 수 있다:

θ_pitch = θ₁ 식 1

θ_yaw = 1/2(θ₂ + θ₃) 식 2

θ_jaw = θ₂ - θ₃ 식 3

도 4b에서의 각도들과 정의된 각도들 사이의 변환은 식 4에서 설명되는 바와 같다:

식 4

도 5는 풀리 기하학적 구조들에 대해 확립된 하기의 명명법에 따라 도 4a 및 도 4b의 풀리 케이블 시스템의 풀리들을 예시한다.

a) r11은, 각각, 케이블들(405A 및 405C)이 그 상에 존재하고 있는 외측 풀리들(425A 및 425C)의 반경이고;

b) r12는, 각각, 케이블들(405B 및 405D)이 그 상에 존재하고 있는 내측 풀리들(425B 및 425D)의 반경이고(r11은 r12와 동일할 수 있거나 동일하지 않을 수 있음);

c) r21은 (도 4a에 도시된 바와 같은 풀리(415A) 및 액슬(412)의 중심에 관하여) 케이블(405A)이 존재하고 있는 쪽에서의 풀리(415A)의 반경이고;

d) r22는 (도 4a에 도시된 바와 같은 풀리(415A) 및 액슬(412)의 중심에 관하여) 케이블(405B)이 존재하고 있는 쪽에서의 풀리(415A)의 반경이고;

e) r31은 케이블(405C)이 존재하고 있는 쪽에서의 풀리(415B)의 반경이고;

f) r32는 케이블(405D)이 존재하고 있는 쪽에서의 풀리(415B)의 반경이다.

위의 예시적 대칭적인 설계에서, (도 4a에 도시된 바와 같이) r31=r21, r32=r22 및 r21이지만, 몇몇 다른 설계들에서 r31=r21=r32=r22뿐만 아니라, r11=r12를 갖는 것이 가능하다.

케이블 장력들(ξ[4×1]) 또는 케이블들에서의 힘들(F[4x1])을 조인트 토크들(τ[3×1])에 관련시키는 기본 식은 식 5에 의해 제공되며:

식 5a

여기서, 행렬(B)은 식 5b에 의해 주어지는 형태를 갖는다:

식 5b

식 6에 의해 나타내어진 바와 같이, 조인트 토크들은 피치 조인트(τ_pitch), 요 조인트(τ_yaw)를 포함할 수 있고, 요 조인트는 도 4a 및 도 4b의 예에서 τ_yaw = τ_jaw1 + τ_jaw2일 수 있으며, 케이블 장력들은 케이블들에서의 힘들(F[4x1])일 수 있다.

식 6

이상적인 케이블 변위들(케이블 탄성이 없는 것으로 가정함)과 죠 각도들을 관련시키는 운동학적 관계가 식 7에서 설명된다:

식 7

여기서, q = [q₁ q₂ q₃ q₄]^T은 케이블들이 강성인 이상적인 경우에서의 케이블들의 변위이다. 그에 따라, 확장된 형태의 관계들이 식(들) 8로서 설명되며:

여기서, θ₁은 피치 조인트 각도이고, θ₂ 및 θ₃은 각각 죠(A) 및 죠(B)의 조인트 각도들이다(도 3 참조). 실제로는, 케이블들은 어느 정도 탄성일 수 있고, 케이블 힘들 및 연신율은 식(들) 9에 나타내어진 바와 같은 후크의 법칙(Hook's law)을 따르며:

여기서, k는 케이블 탄성이고(4개의 케이블이 유사하다고 가정함), x는 액추에이터 변위들이다. 이어서 액추에이터 변위들은 2개의 상이한 좌표 프레임들에서 엔드 이펙터(222)에 대한 조인트 각도들에 관련될 수 있다.

케이블들이 탄성인 것으로 가정될 수 없는 경우, 상기의 식들은 케이블 연신율 및 힘에 관한 비선형 식으로 대체될 수 있다.

로봇 수술 기구의 원위 엔드 이펙터의 각도 포지션 및 그립력. 엔드 이펙터는 로봇 리스트 및 한 쌍의 대향 부재들(예를 들어, 죠들 또는 클로(claw)들)을 포함할 수 있으며, 한 쌍의 대향 부재들은 각각 2개의 길항적 케이블들에 의해 작동되는 개방 포지션과 폐쇄 포지션 사이에서 이동 가능하다. 총 4개의 케이블들이 각각 독립적인 액추에이터 또는 모터에 의해 구동될 수 있다. 제어 시스템은, 원하는 위치 및 그립력을 달성하기 위해, 액추에이터들로부터의 포지션 및 속도 피드백, 및 4개의 케이블들 상에서 측정된 힘 피드백을 포함하는 피드백 루프들을 포함할 수 있다. 몇몇 구현들에서, 액추에이터 제어기들은 포지션 + 피드포워드 전류 모드를 실행하고 있을 수 있다. 예를 들어, 포지션 제어기는 포지션 피드백에 기초하여 원위 엔드 이펙터를 공간 내의 원하는 각도 포지션으로 구동할 수 있는 반면, 그립력 제어기는 대향 부재들 사이의 원하는 그립력을 달성하기 위해 로드 셀(load cell)들에 의해 4개의 케이블 상에서 측정된 그립력에 기초하여 추가적인 피드포워드 전류를 제공한다.

도 6은 수술 로봇 아암(122)의 도구 구동기(230)(도구 구동기)에 대한 수술 도구(240)의 결합을 검출하기 위한, 수술 로봇 시스템(100)의 서브시스템 또는 일부의 예시이다. 수술 로봇 아암(122)은 도 1에 대하여 예시되고 논의된 수술 로봇 시스템(100)의 수술 로봇 아암들 중 하나일 수 있다. 제어 유닛(210)은 예를 들어 도 1에서의 컨트롤 타워의 일부일 수 있다. 본원에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 결합은 도구 구동기(230) 내의 하나 이상의 액추에이터들(예컨대, 액추에이터(238-j))의 하나 이상의 회전 모터 동작 파라미터에 기초하여 제어 유닛(210)에 의해 검출될 수 있다.

상이한 수술 도구들(예컨대, 수술 도구(240)뿐만 아니라, 내시경 카메라의 회전, 그라스퍼 죠의 피벗, 또는 니들의 병진을 위한 다른 분리 가능한 수술 도구들)이 (한 번에 하나씩) 선택적으로 부착될 수 있는 도구 구동기(230)가 있다.

이것은 예를 들어 인간 사용자가 수술 도구(240)의 하우징을 그녀의 손에 쥐고 수술 도구를 도시된 화살표(280)의 방향으로, 하나 이상의 도구 디스크들(예컨대, 도구 디스크(244-i))이 있는 수술 도구(240)의 외측 표면이 하나 이상의 구동 디스크들(예컨대, 구동 디스크(234-j))이 있는 도구 구동기(230)의 외측 표면과 접촉할 때까지 이동시키는 것에 의해 행해질 수 있다. 하나 이상의 도구 디스크 및/또는 하나 이상의 구동 디스크는 퍽(puck)들에 의해서 구현될 수 있으며, 이는 플라스틱 또는 다른 내구성 재료로 형성될 수 있다. 도시된 예에서, 도구 구동기(230)는 수술 로봇 아암(122)의 원위 단부 부분에 있는 수술 로봇 아암(122)의 세그먼트이다. 아암의 근위 단부 부분은 전술된 도 1에 도시된 수술 테이블과 같은 수술 로봇 플랫폼에 고정된다.

제어 유닛(210)은 사용자 입력 디바이스의 동작을 모방하는 엔드 이펙터(222)의 동작(그의 포지션 및 배향뿐만 아니라, 개방, 폐쇄, 절단, 압력 인가 등과 같은 그의 수술 기능)이 그것을 통해 달성되는 수술 로봇 아암(122) 내의 다양한 전동 조인트들(구동 디스크들(234)을 포함함)의 모션을 제어하도록 구성된다. 이것은, 수술 도구(240)가 도구 구동기(230)로부터의 힘 또는 토크를 전달하도록 결합된 때, 수술 도구(240)의 기계적 트랜스미션에 의하여 달성된다. 제어 유닛(210)은 프로그래밍된 프로세서로서, 예컨대 도 1의 컨트롤 타워(130)의 일부로서 구현될 수 있다. 이것은 로컬 또는 원격 사용자 입력(예컨대, 조이스틱, 터치 컨트롤, 웨어러블 디바이스, 또는 콘솔 컴퓨터 시스템을 통해 통신하는 다른 사용자 입력 디바이스)을 통해 수신된 하나 이상의 사용자 커맨드에 응답할 수 있다. 대안적으로, 제어 유닛(210)은 (예컨대, 제어 유닛(210)에 의해 또는 콘솔 컴퓨터 시스템에 의해 실행되고 있는 훈련된 수술 기계 학습 모델로부터 수신된) 하나 이상의 자율 커맨드 또는 제어, 또는 이들의 조합에 응답할 수 있다. 커맨드들은 로봇 아암(122)의 이동 및 이의 부착된 엔드 이펙터(222)의 동작을 결정한다.

엔드 이펙터(222)는 임의의 수술 기구, 예컨대, 죠들(예컨대, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같은), 절단 도구, 내시경, 스프레더(spreader), 임플란트 도구 등일 수 있다. 각각 상이한 엔드 이펙터들을 갖는 상이한 수술 도구들은 수술 또는 다른 의료적 시술 동안 사용을 위해 로봇 아암(122)에 (한번에 하나씩) 선택적으로 부착될 수 있다. 도 5의 예에 도시된 엔드 이펙터(222)는 수술 도구(240)의 원위 단부에 위치되고 도시된 바와 같이 캐뉼러(예컨대, 외과적 수술을 받는 환자에게 삽입될 수 있는 얇은 튜브) 내로 후퇴되거나 캐뉼러 외부로 확장될 수 있는 죠이다.

로봇 아암(122)은 액추에이터(238-j)와 같은 하나 이상의 액추에이터들이 그 안에 있는 도구 구동기(230)를 포함한다. 각각의 액추에이터는 하나 이상의 각각의 전기 모터(예컨대, 브러시리스 영구 자석 모터)를 갖는 선형 또는 회전 액추에이터일 수 있으며, 이의 구동 샤프트가 전달장치(예컨대, 소정의 기어 감속비를 달성하는 기어 트레인)를 통해 각자의 구동 디스크(234-j)에 커플링될 수 있다. 도구 구동기(230)는 도구 구동기(230)의 평탄한 또는 평평한 표면 상에 배열될 수 있는 하나 이상의 구동 디스크들(234)을 포함하며, 여기서 도면은 평평한 표면의 동일 평면 상에 배열된 몇몇의 그러한 구동 디스크들을 도시한다. 각각의 구동 디스크(예컨대, 구동 디스크(234-j))는 도구 구동기(230)의 외측 표면에서 노출되고, 수술 도구(240)의 정합하는 도구 디스크(244-j)와 기계적으로 맞물려(예컨대, 스냅(snap), 마찰, 또는 다른 정합하는 특징부들을 통해 단단히 체결되어), 그 둘 사이의 직접 토크 전달을 가능하게 하도록 설계된다. 이것은 일단 예를 들어 수술 도구(240)의 평탄한 또는 평평한 표면과 도구 구동기(230)의 대응되는 또는 정합하는 평탄한 또는 평평한 표면이 서로 접촉하게 되면 발생할 수 있다.

게다가, 모터 구동기 회로(예컨대, 도구 구동기(230) 내에 또는 수술 로봇 아암(122) 내의 다른 곳에 설치됨)가 액추에이터들(238) 중 하나 이상의 구성 모터의 입력 구동 단자들에 전기적으로 커플링된다. 모터 구동기 회로는 제어 유닛(210)에 의해 설정되거나 제어될 수 있는 모터 구동기 회로 입력에 따라, 예를 들어 모터의 속도 또는 이의 토크를 조절하기 위해 모터에 의해 인출되는 전력을 조작하며, 이는 연관된 구동 디스크(예컨대, 구동 디스크(234-j))의 피동력(powered) 회전을 유발한다.

정합하는 구동 디스크(234-j)가 각자의 도구 디스크(244-j)에 기계적으로 결합될 때, 구동 디스크(234-j)의 피동력 회전은 도구 디스크(244-j)로 하여금 회전되게 하며, 예컨대, 두 개의 디스크들은 하나로서 회전될 수 있으며, 이로써 모션을, 예를 들어, 트랜스미션 디바이스에 기계적으로 커플링될 수 있는 엔드 이펙터(222)의 움직임 및 작동을 제어하기 위해서 수술 도구(240) 내의 링키지, 기어, 케이블, 체인 또는 다른 트랜스미션 디바이스에 부여한다.

상이한 수술 도구들은 상이한 수의 도구 디스크들을 움직임의 유형들 및 자유도의 수에 기반하여 가질 수 있으며, 여기서 움직임, 예컨대, 회전, 아티큘레이션(articulation), 개방, 폐쇄, 연장, 후퇴, 가압 등은 엔드 이펙터에 의해서 수행된다.

더욱이, 수술 도구(240) 내에서, 하나 초과의 도구 디스크(244)가, 각각, 정합하는 구동 디스크들(234)을 구동하고 있는 2개 이상의 모터들에 의한 부하 공유와 같은 목표를 달성하기 위해 엔드 이펙터(222)의 단일 모션에 기여할 수 있다. 다른 양태에서, 도구 구동기(230) 내에, 부하를 공유하기 위해, 두 개 이상의 모터가 있을 수 있으며, 이의 구동 샤프트들이 (전달장치를 통해) 동일한 출력 샤프트(또는 구동 디스크(234))를 회전시키도록 커플링된다.

또 다른 양태에서, 수술 도구(240) 내에, 동일 자유도에서 상보적 액션들을 수행하기 위해 (각자의 도구 디스크들(244)을 통해) 2개의 구동 디스크들(234)로부터의 토크를 변환하는 트랜스미션이 있을 수 있는데, 예를 들어 제1 구동 디스크(234-j)는 로드(rod)의 하나의 단부를 받아들이도록 수술 기구(240)의 하우징 내의 드럼을 회전시키고, 제2 구동 디스크(234-i)는 로드의 다른 단부를 받아들이도록 수술 기구(240)의 하우징 내의 다른 드럼을 회전시킨다. 다른 실시예로서, 하나는 연장을 수행하기 위한 것이고 다른 것은 후퇴를 수행하기 위한 것인, 2개의 도구 디스크들(234-i, 234-j)을 사용하여, 단일 축을 따른 엔드 이펙터의 연장 및 단축이 달성될 수 있다. 이것은, 하나의 자유도(예컨대, 단일의 움직임 축을 따른 종방향의 연장 및 단축)로 움직이나 전범위의 움직임을 제어하기 위해서 단일의 도구 디스크만을 필요로 하는 이펙터에 대조된다. 다른 예로서, (예컨대, 리스트식 움직임, 다수의 축을 따른 움직임, 엔드 이펙터 움직임에 더하여 에너지 방출기의 활성화 등과 같은) 다수의 자유도에서 움직이는 이펙터가 몇몇의 도구 디스크들(각각은 각자의 구동 디스크에 결합됨)의 사용을 필요로 할 수 있다. 다른 유형의 수술 도구(240)에서, 단일의 도구 디스크(244)가, 직접 입력(예컨대, 기어들)을 통해, 연장 모션 및 후퇴 모션 둘 모두를 수행하기에 충분하다. 다른 예로서, 엔드 이펙터(222)가 죠들인 경우에, 본원에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 2개 이상의 도구 디스크들(244)이 부하 공유를 위해 죠들의 모션을 협력하여 제어할 수 있다.

또 다른 양태에서, 수술 도구(240) 내에, 동일 자유도에서 상보적 액션들을 수행하기 위해 (각자의 도구 디스크들(244)을 통해) 2개의 구동 디스크들(234)로부터의 토크를 변환하는 전달장치가 있을 수 있는데, 예를 들어 제1 구동 디스크(234-i)는 케이블의 하나의 단부를 받아들이도록 수술 도구(230)의 하우징 내의 드럼을 회전시키고, 제2 구동 디스크(234-j)는 케이블의 다른 단부를 받아들이도록 수술 도구(230)의 하우징 내의 다른 드럼을 회전시킨다. 다른 예로서, 예를 들어, 상이한 케이블을 통해서, 하나는 연장을 수행하기 위한 것이고 다른 것은 후퇴를 수행하기 위한 것인, 2개의 도구 디스크들(234-i, 234-j)을 사용하여, 단일 축을 따른 엔드 이펙터의 연장 및 단축이 달성될 수 있다. 이것은, 하나의 자유도(예컨대, 단일의 움직임 축을 따른 종방향의 연장 및 단축)로 움직이나 전범위의 움직임을 제어하기 위해서 단일의 도구 디스크만을 필요로 하는 이펙터에 대조된다. 다른 예로서, (예컨대, 리스트식 움직임, 다수의 축을 따른 움직임, 엔드 이펙터 움직임에 더하여 에너지 방출기의 활성화 등과 같은) 다수의 자유도에서 움직이는 이펙터가 몇몇의 도구 디스크들(각각은 각자의 구동 디스크에 결합됨)의 사용을 필요로 할 수 있다. 다른 유형의 수술 도구(240)에서, 단일의 도구 디스크(244)가, 직접 입력(예컨대, 기어들)을 통해, 연장 모션 및 후퇴 모션 둘 모두를 수행하기에 충분하다. 다른 예로서, 엔드 이펙터(246)가 죠들인 경우에, 본원에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 2개 이상의 도구 디스크들(244)이 부하 공유를 위해 죠들의 모션을 협력하여 제어할 수 있다.

도 7은 도구 디스크들(TD1-5)(TD 6은 이 예에서 사용되지 않음)에 대한 회전 디바이스 할당 또는 매핑을 포함하는 수술 도구(240)의 예를 예시한다. 이 예에서, 도구 디스크(TD5)는, 죠(251)로서 예시되고 제1 대향 죠(401A) 및 제2 대향 죠(401B)를 포함할 수 있는, 엔드 이펙터의 롤 축(258)에 매핑된다. 도구 디스크(TD5)는 롤 축을 중심으로 회전되도록 리스트(wrist)를 구동하는 하나 이상의 기어에 커플링될 수 있다. 각각의 대향 죠는 2개의 도구 디스크를 할당받는다. 예를 들어, 제1 대향 죠(401A)는 죠를 개방하기 위한(즉, 제1 대향 죠(401A)와 제2 대향 죠(401B) 사이의 각도를 증가시키기 위한) 도구 디스크(TD1), 및 죠를 폐쇄하기 위한(즉, 제1 대향 죠(401A)와 제2 대향 죠(401B) 사이의 각도를 감소시키기 위한) 도구 디스크(TD3)에 할당될 수 있다. 도구 디스크(TD1)는 풀리(415A)를 제1 방향으로 회전시키는 케이블에 커플링될 수 있고, 도구 디스크(TD3)는 풀리(415A)를 제2 방향으로 회전시키기 위한 케이블에 커플링될 수 있다.

유사하게, 제2 대향 죠(401B)는 죠를 개방하기 위한(즉, 제1 대향 죠(401A)와 제2 대향 죠(401B) 사이의 각도를 증가시키기 위한) 도구 디스크(TD2), 및 죠를 폐쇄하기 위한(즉, 제1 대향 죠(401A)와 제2 대향 죠(401B) 사이의 각도를 감소시키기 위한) 도구 디스크(TD4)에 할당될 수 있다. 도구 디스크(TD2)는 풀리(415B)를 제1 방향으로 회전시키는 케이블에 커플링될 수 있고, 도구 디스크(TD4)는 풀리(415B)를 제2 방향으로 회전시키기 위한 케이블에 커플링될 수 있다.

일부 실시형태에서, 도구 디스크들이 대응되는 구동 디스크들과 실질적으로 동일 평면 상에 있고 동축 정렬이 되도록 수술 도구(240)가 먼저 도구 구동기(230)에 부착되거나 설치될 때(하지만 도구 및 구동 디스크들은 아마도 아직 성공적으로 맞물리지 않음), 제어 유닛(210)은 초기에 수술 도구(240)의 유형을 검출한다. 일 실시형태에서, 수술 도구(240)는 정보 스토리지 유닛(242), 예컨대, 솔리드 스테이트 메모리, 전파 식별(radio frequency identification, RFID) 태그, 바 코드(이차원 또는 매트릭스 바코드를 포함함) 등을 가지며, 이는 도구 또는 엔드 이펙터 정보, 예컨대, 도구 또는 엔드 이펙터 유형의 식별, 고유한 도구 또는 엔드 이펙터 ID, 사용되는 도구 디스크의 수, 사용되고 있는 이러한 도구 디스크들의 위치(예컨대, 총 6개의 가능한 도구 디스크들(244-e, f, g, h, i, j)로부터), 도구 디스크들을 위한 트랜스미션의 유형(예컨대, 직접 구동, 케이블 구동(cable driven) 등), 도구 디스크가 엔드 이펙터 상에 부여하는 모션 및 작동, 하나 이상의 도구 캘리브레이션 값(예컨대, 도구의 팩터 테스팅/조립 동안 결정되는 바와 같은 도구 디스크의 회전 포지션), 엔드 이펙터의 모션이 최대 또는 최소 움직임에 의해서 제약되는지 여부, 및 다른 도구 속성들 중 하나 이상을 식별한다. 일 실시형태에서, 정보 스토리지 유닛(242)은 최소 정보, 예컨대, 도구 ID를 식별하며, 이는 제어 유닛(210)이 다양한 도구 속성들의 룩업(lookup)을 수행하기 위해서 사용할 수 있다.

도구 구동기(230)는 정보 저장 유닛(242)으로부터 정보를 판독하고 그 정보를 제어 유닛(210)에 전달하기 위한 통신 인터페이스(232)(예를 들어, 메모리 라이터(writer), 근거리 통신, 근거리 통신(NFC), 트랜시버, RFID 스캐너, 바코드 리더 등)를 포함할 수 한다. 더욱이, 일부 실시형태에서, 각각의 도구 디스크(244)와 연관된 하나의 정보 저장 유닛과 같은, 하나 초과의 정보 저장 유닛이 수술 도구(240) 내에 있을 수 있다. 이 실시형태에서, 도구 구동기(230)는 또한 소정의 도구 내에 존재할 각각의 가능한 정보 저장 유닛에 대한 대응되는 센서를 포함할 수 있다.

도구 디스크들이 대응되는 구동 디스크들과 정렬되고 그들에 중첩되도록, 수술 도구(240)가 도구 구동기(230)와 부착된 후에(하지만 반드시 기계적으로 맞물리지는 않음), 그리고 도구 디스크 정보가 획득된 후에, 예컨대 제어 유닛(210)에 의해 판독된 후에, 제어 유닛(210)은 각자의 구동 디스크들에 부착된 것으로 예상되는 도구 디스크들 모두가 그들의 각자의 구동 디스크들과 기계적으로 맞물리는 때(예를 들어, 그들의 기계적 결합이 달성됨, 또는 도구 구동기(230)가 이제 도구와 맞물린 것으로 간주됨)를 검출하기 위해 결합 프로세스를 수행한다. 즉, 수술 도구(240)를 도구 구동기(230)와 부착하는 것은 도구 디스크들의 대응되는 구동 디스크들과의 기계적 결합을 위해 필요한 적합한 정합을 반드시 보장하지 않는다(예컨대, 정합 특징부들의 오정렬로 인해). 결합 프로세스는 대응되는 구동 디스크(234-j)를 구동하는 액추에이터(예를 들어, 액추에이터(238-j))의 하나 이상의 모터를 활성화하는 것을 포함할 수 있다. 이어서, 액추에이터(238-j)의 하나 이상의 모니터링된 모터 동작 파라미터에 기초하여, 액추에이터(238-j)가 구동 디스크(234-j)를 구동하고 있는 동안에, 도구 디스크(244-i)와 구동 디스크(234-j)의 기계적 결합이 검출될 수 있다. 이 프로세스는 현재 각자의 도구 디스크(244)에 부착된 것으로 예상되는(예를 들어, 현재 부착된 특정 수술 도구(240)에 대해 획득된 도구 디스크 정보에 기초하여 결정된 바와 같은) (도구 구동기(230)의) 모든 구동 디스크(234)에 대해 반복될 수 있다.

특정 유형의 수술 도구(240)가 도구 구동기(230)와 부착된 것을 검출하면, 제어 유닛(210)은 그 유형의 수술 도구(240)와 이전에 연관된 도구 구동기(230)의 하나 이상의 액추에이터들(예를 들어, 모터들)을 활성화한다. 일부 실시형태에서, 수술 도구(240)의 대응되는 구동 디스크(234)와 연관된 각각의 액추에이터는 동시에, 연속적으로, 또는 동시와 연속 활성화의 조합으로 활성화될 수 있다.

도 8은 도구 디스크들(244-e, f, g, i, j)과 같은, 5개의 도구 디스크들을 활용하는 수술 도구(240)의 예를 예시하며, 이 도구 디스크들은 이 수술 도구의 하우징의 정합하는 표면 상에 동일 평면 상의 방식으로 배열된다. 각각의 도구 디스크는 엔드 이펙터(222)의 움직임 및/또는 활성화의 적어도 일부에 기여한다. 수술 도구(240)와 도구 구동기(230)의 부착(예컨대, 각자의 하우징들의 정합하는 표면들의 접합)을 검출하면, 제어 유닛(210)(또는 메모리(314)에 저장된 명령어를 실행하는 동안 그의 프로세서(312))은 맞물림 프로세스를 수행하기 위해 구동 디스크들(234 e, f, g, i, j)과 같은 대응하는 5개의 구동 디스크들만이 회전될 것임(대응하는 액추에이터(238)가 활성화됨)을 결정하는 프로세스를 수행한다.

일부 실시형태에서, 제어 유닛(210)에 의해서 (센서(236)를 통하여) 모니터되는 모터 작동 파라미터들은 도구 디스크의 구동 디스크와의 성공적 기계적 결합을 의미하는 것으로 해석된다. 제어 유닛(210)은 존재 센서(presence sensor)(341), 토크 센서(342), 포지션 센서(343), 전기 센서(345), 광학 센서(347), 및 힘 센서(348)의 임의의 조합을 포함하는 예시적 센서 어레이 내의 센서(236)와 통신하고 그로부터 센서 데이터를 수신한다. 센서 어레이는 수술 도구의 상이한 자유도들(예컨대, 폐쇄 조인트, 롤 조인트, 또는 수술 도구의 다른 동작)을 위한 별개의 센서들을 포함할 수 있다. 즉, 센서 어레이 또는 이의 하나 이상의 센서는 도구 구동기(230) 내의 다수의 도구 디스크(244)에 대해 반복될 수 있다.

측정치는, 토크 센서(342) 또는 힘 센서(348)에 의해 측정된 바와 같이 액추에이터(238-j)에 의해 적용된 토크의 측정치, 액추에이터를 구동하여 일정한 속도로 이동시키도록 시도할 때 액추에이터(238-j)의 모터에 공급되는 전류의 전기 센서(345)에 의한 측정치(예를 들어, 센서(236-j)는 모터 입력 구동 단자와 직렬로 전류 감지 저항기를 포함할 수 있음), 일정한 속도로 이동하도록 모터를 구동하려고 시도할 때 액추에이터(238)의 모터의 입력 구동 단자로 입력되는 것으로 관찰되는 것과 같은 전기 센서(345)에 의한 전기 임피던스의 측정치(예를 들어, 센서(236-j)는 또한 모터 입력 구동 단자의 전압을 측정하기 위한 전압 감지 회로를 포함할 수 있음), 액추에이터(238-j)의 속력(예를 들어, 광학 센서(347)는 액추에이터(238-j)의 출력 샤프트 상에 또는 모터의 구동 샤프트 상에 포지션 인코더를 포함할 수 있음), 그리고 본원에서 모터 동작 파라미터들로 지칭되는 다른 파라미터들을 포함할 수 있다. 측정치는 존재 센서(341)로부터의 존재 데이터(presence data) - 센서 어레이(236)의 임의의 센서로부터 암시되거나, 정보 스토리지 유닛(242)과 통신 인터페이스(232) 사이의 상호 작용으로부터 결정됨 - 를 포함할 수 있다. 포지션 센서(343)가 별도로 예시되어 있지만, 존재 센서(341), 토크 센서(342), 전기 센서(345), 광학 센서(347), 및 힘 센서(348)의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 일례에서, 동일한 유형의 추가적인 센서들이 포지션 센서(343)에 대해 사용될 수 있다.

특정 액추에이터의 하나 이상의 모터 동작 파라미터들을 모니터링하는 동안, 이러한 파라미터들 중 하나 이상이 미리 결정된 조건 또는 임계값을 충족시킬 때(예를 들어, 만족시키거나 그에 도달함), 그러한 상황의 검출은 제어 유닛(210)에 의해 기계적 결합 이벤트로 해석될 수 있다. 미리 결정된 조건을 충족시키는 것은 예를 들어 모니터링된 동작 파라미터가, 임계값에 따라, 동일한 액추에이터(238-j)의 일부인, 또는 결합 검출 프로세스 동안 제어 유닛(210)에 의해 동시에 제어되는 다른 액추에이터(238-i)의 일부인 다른 모터의 동작 파라미터에 대한, 소정 변화들을 나타낸다는 것을 의미할 수 있음에 유의한다.

일부 실시형태에서, 액추에이터(238-j)의 작동 동안 특정 모터 작동 파라미터들, 예컨대, i) 토크 임계값을 만족시키는(예컨대, 상승하여 이에 도달하는) 토크, ii) 전류 임계값을 만족시키는(예컨대, 상승하여 이에 도달하는) 모터 전류, iii) 임피던스 임계값 아래로 떨어지는 임피던스, iv) 모터 속도 임계값 아래로 떨어지는 모터 속도, 또는 이들의 조합 중 하나 이상의 검출은 도구 디스크(244-j)의 구동 디스크(234-j)에 대한 기계적 결합이 발생했다는 것을 결정하기 위해서 제어 유닛(210)에 의해서 사용된다. 다음은 이러한 프로세스의 일부 실시예들이다.

프로그래밍된 프로세서(312)를 포함하는 제어 유닛(210)은, 예를 들어, 제어 타워(130) 내의 공유 마이크로프로세서 및 프로그램 메모리로서 수술 로봇 시스템(100)(도 1) 안으로 통합될 수 있다. 대안적으로, 제어 유닛(210)은 원격 컴퓨터에서, 예를 들어 수술실과는 상이한 방에서, 또는 도 1에 도시된 수술장(operating arena)과는 상이한 건물에서 구현될 수 있다. 더욱이, 제어 유닛(210)은 또한, 예시되어 있지 않지만, 로봇 아암 및 이의 부착된 수술 도구(240), 전력 디바이스(예를 들어, 배터리)뿐만 아니라, 전형적으로 수술 로봇 시스템들을 제어하기 위한 전자 디바이스들과 연관된 다른 구성요소들의 수동 제어를 가능하게 할 수 있는 사용자 인터페이스 하드웨어(예를 들어, 키보드, 터치-스크린, 마이크들, 스피커들)를 포함할 수 있다.

메모리(314)는 프로세서(312)에 의한 실행을 위한 명령어를 저장하도록 하나 이상의 프로세스(312)(여기서 간략성을 위해 총칭적으로 프로세서로 지칭됨)에 커플링된다. 일부 실시형태에서, 메모리는 비일시적이고, 하나 이상의 프로그램 모듈을 저장할 수 있으며, 이 모듈은 하드스톱 검출 알고리즘(325), 하드스톱 핸들링을 위한 상대적 추적 알고리즘(236), 하드스톱 핸들링을 위한 절대적 추적 알고리즘(237), 및 하드스톱 핸들링을 위한 죠 캐치업(catchup) 알고리즘(328)을 포함하며, 이의 명령어는 프로세서(312)가 본원에서 설명되는 캘리브레이션 및 캘리브레이션 평가를 수행하도록 구성한다. 다시 말해서, 프로세서(312)는 본원에 설명된 양태들 및 특징들에 따라 방법들 또는 프로세스들을 실행하기 위해 캘리브레이션 알고리즘(316) 및 캘리브레이션 평가 알고리즘(315)의 일부로서 메모리(314)에 저장된 명령어의 실행, 루틴, 또는 프로그램의 제어 하에서 작동될 수 있다. 메모리(314)는 수술 도구(240) 및/또는 도구 구동기(230)에 대한 하나 이상의 설정들, 계수 값들, 임계값들, 허용오차 값들, 캘리브레이션 값들을 포함할 수 있다. 이러한 값들은 메모리(314)에 구성 파일, 테이블, 또는 행렬로서 저장될 수 있다. 구성 파일 내의 몇몇 값들은 사용자에 의해 제공될 수 있고, 몇몇은 수술 도구(240) 또는 도구 구동기(230)의 식별자들에 기초하여 액세스되거나 검색될 수 있고, 다른 것들은 제어 유닛(210)에 의해 설정될 수 있다.

도 9는 본원에 설명된 시스템들 중 임의의 것에 의해, 예를 들어 제어 유닛(210)과 같은 제어기에 의해 수행될 수 있는 절차 또는 기술을 예시한다. 도 9에서 각각의 액트(act)는 많은 단계들을 가질 수 있는 별개의 프로세스를 지칭할 수 있다. 예시된 시퀀스는 단지 일 실시예일 뿐이며, 단계들은 임의의 순서로 수행될 수 있다. 추가적, 상이한, 또는 더 적은 액트들이 포함될 수 있다.

S101에서, 하드스톱 검출 단계가 수행된다. 하드스톱은 엔드 이펙터(222)에 의해서 접촉되는 장애물일 수 있다. 하드스톱은 하드스톱과 접하는 리스트의 자유도 또는 축에 따라 정의될 수 있다. 따라서, 엔드 이펙터(222)는 하드스톱이 피치 자유도에서 검출될 때 피치 하드스톱을, 하드스톱이 요 자유도에서 검출될 때 요 하드스톱을, 그리고/또는 하드스톱이 롤 자유도에서 검출될 때 롤 하드스톱을 경험할 수 있다. 죠를 개방 또는 폐쇄하는 것도 하드스톱들을 경험할 수 있다. 이러한 하드스톱들은 개별적으로 분석될 수 있거나, 죠의 움직임은 연관된 축에 대한 팩터일 수 있다(예컨대, 죠는 요 축에서의 하드스톱 핸들링에 기여할 수 있다). 하드스톱은 환자의 신체 내에서 접촉되는 장애물일 수 있다.

전술된 바와 같이, 액추에이터들(238)(모터들) 중 하나 이상 또는 각각은 토크 센서(342)와 같은 센서와 연관될 수 있다. 각자의 토크 센서들(342)은 액추에이터들(238) 상의 토크를 측정한다. 액추에이터(238)에 커플링된 케이블에서의 장력은 측정된 토크에 기초하여 결정된다. 액추에이터(238)의 반경 및/또는 트랜스미션 풀리의 반경이 곱해진 토크 센서(342)에 의해 측정된 액추에이터(238) 상의 토크는 각자의 커플링된 케이블에서의 장력과 동일할 수 있다. 일 실시예로서, 장력들 또는 케이블 힘들(F1, F2, F3, 및 F4)은 케이블들(405A, 405B, 405C 및 405D)의 임의의 순서, 예를 들어, 표 1의 순서로 대응될 수 있다.

[표 1]

제어 유닛(210)은 케이블 힘들에 대한 값들을 각자의 토크 센서들(342)로부터 직접적으로, 또는 여기에 수집된 데이터로부터 유도된 케이블 힘들에 대한 값들을 수신한다. 제어 유닛(210)은 케이블 힘들 중 어느 것이 가장 큰지를 결정한다. 예를 들어, 표 1에서 데이터는 소팅(sorting)될 수 있거나, 각각의 케이블 힘이 각각의 다른 케이블 힘과 비교된다. 제어 유닛(210)은 힘들의 비교에 기반하여 최고 장력의 케이블을 선택한다. 제어 유닛(210)은 미리 결정된 값 또는 미리 결정된 힘을 선택된 최고 장력의 케이블에 할당한다. 미리 결정된 힘은 메모리(314)에 이전에 사용자에 의해서 입력되었거나(예컨대, 하나 이상의 UID를 포함할 수 있는 입력 디바이스(317)를 통하여), 또는 달리 저장되었다. 미리 결정된 힘은 케이블 또는 엔드 이펙터(222)의 재료 특성으로부터 결정될 수 있다. 미리 결정된 힘은 케이블 단절 또는 다른 손상이 엔드 이펙터(222)에서 발행될 상당한 위험이 있기 전에 케이블에 의해서 경험될 수 있는 정격 힘(rated force)일 수 있다. 미리 결정된 힘은 케이블의 제조사에 의해서 제공될 수 있다. 미리 결정된 힘은 케이블 또는 엔드 이펙터(222)를 테스트하는 것을 통해서 실험적으로 결정될 수 있다.

S103에서, 토크 비교는 변경된 케이블 힘들 및 리스트의 조인트들에 대한 토크 임계값을 사용하여 수행된다. 리스트의 조인트의 토크를 풀리의 반경 및 풀리 상에서 작용하는 케이블의 힘에 연관시키는 관계는 제어 유닛(210)에 의해서 저장된다. 제어 유닛(210)은 소정의 조인트에 대한 토크 임계값을 적어도 하나의 변경된 케이블 힘에 기반하여 계산하며, 이 변경된 케이블 힘은 선택된 최고 장력 케이블 대신 사용되는 미리 결정된 힘이다. 예를 들어, 제어 유닛(210)은, 각자의 모터 토크 센서들로부터 결정된 복수의 케이블들과 연관된, 그리고 이 케이블들에 대한 각자의 풀리들에 대한 풀리 치수들(R11, R12, R21, R22, R31 및 R32)과 연관된 힘들(F1, F2, F3 및 F4)에 기반하여, 하나 이상의 토크 임계값을 계산할 수 있다. 토크 임계값들은, 이 값들이 모터 토크 센서들로부터의 측정된 값들에 따라 변경되기 때문에, 가변 토크 임계값들로 간주될 수 있다. 즉, 다음 토크 임계값들 각각은, 케이블들 상의 힘들이 변경됨에 따라, 실시간 또는 실질적으로 실시간으로 변경된다. 각각의 경우에, 힘 값들 중 하나는 일정하게 유지되는 한편, 다른 것들은 모터 토크 센서들로부터의 데이터에 따라 오르내린다. 다음 8개의 시나리오들(식 10a 내지 식 10h에 대응함) 각각에서, 리스트에 대한 가변 토크 임계값은 최고 장력 케이블에 대해 미리 결정된 값과 나머지 케이블들에서 나머지 케이블들에 대한 검출된 힘들의 합에 기반한다.

식 10a는 리스트의 피치 각도( )에 대한 가변 리스트 토크 최대 임계값을 제공한다. 값들 F1, F2 및 F4는 측정된 토크 값들(예컨대, 각자의 액추에이터들(238)로부터의)에 기반한다. 이 경우에, F3에 대한 케이블은 선택된 최고 장력의 케이블에 대응되며, 이는 F3에 대한 측정된 토크 값이 아닌, 미리 결정된 힘이 F3'으로서 대용된다는 것을 의미한다.

식 10a

식 10b는 리스트의 피치 각도( )에 대한 가변 리스트 토크 최대 임계값을 제공한다. 값들 F1, F2 및 F3은 측정된 토크 값들(예컨대, 각자의 액추에이터들(238)로부터의)에 기반한다. 이 경우에, F4에 대한 케이블은 선택된 최고 장력의 케이블에 대응되며, 이는 F4에 대한 측정된 토크 값이 아닌, 미리 결정된 힘이 F4'으로서 대용된다는 것을 의미한다.

식 10b

식 10c는 리스트의 피치 각도( )에 대한 가변 리스트 토크 최소 임계값을 제공한다. 값들 F2, F3 및 F4는 측정된 토크 값들(예컨대, 각자의 액추에이터들(238)로부터의)에 기반한다. 이 경우에, F1에 대한 케이블은 선택된 최고 장력의 케이블에 대응되며, 이는 F1에 대한 측정된 토크 값이 아닌, 미리 결정된 힘이 F1'으로서 대용된다는 것을 의미한다.

식 10c

식 10d는 리스트의 피치 각도( )에 대한 가변 리스트 토크 최소 임계값을 제공한다. 값들 F1, F3 및 F4는 측정된 토크 값들(예컨대, 각자의 액추에이터들(238)로부터의)에 기반한다. 이 경우에, F2에 대한 케이블은 선택된 최고 장력의 케이블에 대응되며, 이는 F2에 대한 측정된 토크 값이 아닌, 미리 결정된 힘이 F2'으로서 대용된다는 것을 의미한다.

식 10d

식 10e는 리스트의 요 각도( )에 대한 가변 리스트 토크 최대 임계값을 제공한다. 값들 F1, F3 및 F4는 측정된 토크 값들(예컨대, 각자의 액추에이터들(238)로부터의)에 기반한다. 이 경우에, F2에 대한 케이블은 선택된 최고 장력의 케이블에 대응되며, 이는 F2에 대한 측정된 토크 값이 아닌, 미리 결정된 힘이 F2'으로서 대용된다는 것을 의미한다.

식 10e

식 10f는 리스트의 요 각도( )에 대한 가변 리스트 토크 최대 임계값을 제공한다. 값들 F1, F2 및 F4는 측정된 토크 값들(예컨대, 각자의 액추에이터들(238)로부터의)에 기반한다. 이 경우에, F3에 대한 케이블은 선택된 최고 장력의 케이블에 대응되며, 이는 F3에 대한 측정된 토크 값이 아닌, 미리 결정된 힘이 F3'으로서 대용된다는 것을 의미한다.

식 10f

식 10g는 리스트의 요 각도( )에 대한 가변 리스트 토크 최소 임계값을 제공한다. 값들 F2, F3 및 F4는 측정된 토크 값들(예컨대, 각자의 액추에이터들(238)로부터의)에 기반한다. 이 경우에, F1에 대한 케이블은 선택된 최고 장력의 케이블에 대응되며, 이는 F1에 대한 측정된 토크 값이 아닌, 미리 결정된 힘이 F1'으로서 대용된다는 것을 의미한다.

식 10g

식 10h는 리스트의 요 각도( )에 대한 가변 리스트 토크 최소 임계값을 제공한다. 값들 F1, F2 및 F3은 측정된 토크 값들(예컨대, 각자의 액추에이터들(238)로부터의)에 기반한다. 이 경우에, F1에 대한 케이블은 선택된 최고 장력의 케이블에 대응되며, 이는 F1에 대한 측정된 토크 값이 아닌, 미리 결정된 힘이 F1'으로서 대용된다는 것을 의미한다.

식 10h

상술된 최고 장력의 케이블의 선택에 부가하여, 제어 유닛(210)은, 둘 이상의 케이블 힘들의 비교에 기반하여 토크 임계값 식들을 선택할 수 있다. 예를 들어, F3>F4일 때, (식 10b가 아니라) 식 10a가 피치 각도( )에 대한 가변 리스트 토크 최대 임계값에 대해 선택된다. 그렇지 않으면, 또는 F4>F3일 때, 식 10b가 선택된다. 다른 실시예에서, F1>F2일 때, (식 10d가 아니라) 식 10c가 피치 각도( )에 대한 가변 리스트 토크 최소 임계값에 대해 선택된다. 그렇지 않으면, 또는 F2>F1일 때, 식 10d가 선택된다.

다른 실시예에서, F2>F3일 때, (식 10f가 아니라) 식 10e가 요 각도( )에 대한 가변 리스트 토크 최대 임계값에 대해 선택된다. 그렇지 않으면, 또는 F3>F2일 때, 식 10f가 선택된다. 다른 실시예에서, F1>F4일 때, (식 10h가 아니라) 식 10g가 요 각도( )에 대한 가변 리스트 토크 최소 임계값에 대해 선택된다. 그렇지 않으면, 또는 F4>F1일 때, 식 10h가 선택된다.

리스트에 대한 가변 토크 임계값이 계산된 후 또는 리스트에 대한 가변 토크 임계값이 계산될 때 특정 시간 간격을 두고, 제어 유닛(210)은 가변 토크 임계값을 모터 또는 도구 구동기 단부 상의 토크 센서에 의해서 측정된 모터 토크에 기반하여 계산된 조인트 토크에 비교한다.

제어 유닛(210)은 피치 조인트에서 토크( )를 나타내는 데이터 및/또는 요 조인트에서 토크( )를 나타내는 데이터를 수신할 수 있다. 제어 유닛(210)은 수신된 조인트 토크를 계산된 가변 토크 임계값(들)에 비교한다. 가변 리스트 토크 임계값 < 이라는 것을 비교가 표시할 때, 리스트는 수술 도구의 피치 조인트의 네가티브 측 상에서 하드스톱에 닿고 있다. 가변 리스트 토크 임계값 > 라는 것을 비교가 표시할 때, 리스트는 수술 도구의 피치 조인트의 포지티브 측 상에서 하드스톱에 닿고 있다. 가변 리스트 토크 임계값 < 이라는 것을 비교가 표시할 때, 리스트는 수술 도구의 요 조인트의 네가티브 측 상에서 하드스톱에 닿고 있다. 가변 리스트 토크 임계값 > 라는 것을 비교가 표시할 때, 리스트는 수술 도구의 요 조인트의 포지티브 측 상에서 하드스톱에 닿고 있다.

각각의 경우에, 입력 디바이스(317) 상의 그래픽 사용자 인터페이스는 피치 또는 요가 한계에 닿고 있다는 것을 사용자에게 통지하고, 사용자가 특정 조인트 각도(예컨대, 피치 또는 요)를 중심 포지션(예컨대, 호밍 포지션(homing position))을 향해 더 가깝게 이동시키거나 또는 죠를 폐쇄시킬 것을 요청하는 명령어를 디스플레이할 수 있다. 통지는 하드스톱으로부터 멀어지게 이동하기 위해서 필요한 방향을 표시하는 문자 메시지를 포함할 수 있다. 통지는 하드스톱으로부터 멀어지게 이동하기 위해서 필요한 방향을 예시하는, 예컨대, UID 이미지를 포함하는 그래픽 메시지를 포함할 수 있다.

S105에서, 가변 토크 임계값들 중 어느 것도 초과되는 것이 없었다는 것을 토크 비교가 표시할 때, 시스템은 정상 동작으로 복귀된다. 정상 동작 동안, 사용자 입력부(317)의 UID에서 수신되는 사용자 커맨드는 제어 유닛(210)에서 수신되는 수술 도구(230)의 하나 이상의 포지션, 리스트 각도 또는 죠 각도를 특정한다. 제어 유닛(210)은 리스트 및/또는 죠를 요망되는 포지션으로 이동시키기 위해서 필요한 액추에이터 커맨드들을 계산한다.

S107에서, 가변 토크 임계값들 중 하나 이상이 초과되었다는 것을 토크 비교가 표시할 때, 사용자로부터 (예컨대, 사용자 입력부(317)를 통하여) 수신되는 임의의 커맨드는 하드스톱 핸들링 단계 또는 하드스톱 핸들링 모드로 변경된다. 가변 토크 임계값은 조인트 토크가 최대 토크 임계값보다 더 클 때 또는 조인트 토크가 최소 토크 임계값보다 더 작을 때 초과될 수 있다. 제어 유닛(210)은, 가변 토크 임계값들 중 하나가 초과되었다는 것을 표시하는 비교에 응답하여, 하드스톱 핸들링 모드를 활성화시킬 수 있다. 일 실시예에서, 하드스톱 핸들링 모드는 가변 토크 임계값이 미리 결정된 시간의 양 또는 미리 결정된 수의 샘플들 또는 비교들 동안 초과되었을 때 활성화될 수 있다.

하드스톱 핸들링 단계에서, 제어 유닛(210)은 사용자 입력부(317)로부터 커맨드를 수신하고 이 커맨드를 하드스톱의 유형에 따라 변경한다. 일 실시예에서, 제어 유닛(210)은 이러한 커맨드를 무시한다. 하드스톱 핸들링 단계는 피치 추적 및 핸들링(S109), 요 추적 및 핸들링(S111), 및 죠 추적 및 핸들링(S113)의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

피치 추적 및 핸들링(S109) 실시예는 가변 피치 토크 임계값이 만족될 때 발생된다. 즉, 하드스톱이 피치의 네가티브 측에서 이미 검출된 때 제어 유닛(210)이 좌측으로 피치하라는 커맨드를 수신하는 경우, 제어 유닛(210)은 리스트가 좌측으로 피치하도록 커맨드하지 않을 것이다. 피치 조인트 토크가 수용 가능한 범위로 복귀되는 것에 의해서 표시되는 바와 같이, 하드스톱이 더 이상 존재하지 않을 때, 이 커맨드는 추종되어 리스트가 좌측으로 피치하도록 지시할 수 있다. 일부 실시형태에서, 좌측으로 피치하라는 커맨드는 미리 결정된 백분율만큼 감소된다. 역으로, 하드스톱이 피치 각도의 포지티브 측에서 이미 검출된 때 제어 유닛(210)이 우측으로 피치하라는 커맨드를 수신하는 경우, 제어 유닛(210)은 리스트가 우측으로 피치하도록 커맨드하지 않을 것이다. 피치 조인트 토크가 수용 가능한 범위로 복귀되는 것에 의해서 표시되는 바와 같이, 하드스톱이 더 이상 존재하지 않을 때, 이 커맨드는 추종되어 리스트가 우측으로 피치하도록 지시할 수 있다.

요 추적 및 핸들링(S111) 실시예는 가변 요 토크 임계값이 만족될 때 발생된다. 제어 유닛(210)이 리스트의 요 각도를 증가시키라는 커맨드를 수신한 때, 그러나 하드스톱이 요의 포지티브 방향에서 이미 검출된 경우, 제어 유닛(210)은 리스트가 요 각도를 증가시키도록 커맨드하지 않을 것이다. 요 조인트 토크가 수용 가능한 범위로 복귀되는 것에 의해서 표시되는 바와 같이, 하드스톱이 더 이상 존재하지 않을 때, 요 각도를 증가시키라는 커맨드는 추종될 수 있다. 역으로, 제어 유닛(210)이 리스트의 요 각도를 감소시키라는 커맨드를 수신한 때, 그러나 하드스톱이 요의 네가티브 방향에서 이미 검출된 경우, 제어 유닛(210)은 리스트가 요 각도를 감소시키도록 커맨드하지 않을 것이다. 요 조인트 토크가 수용 가능한 범위로 복귀되는 것에 의해서 표시되는 바와 같이, 하드스톱이 더 이상 존재하지 않을 때, 요 각도를 감소시키라는 커맨드는 추종될 수 있다.

이러한 실시예들은 표 2에 요약된다. 피치 추적 실시예들은 사례 1 및 사례 2에 있고, 요 추적 실시예들은 사례 3 및 사례 4이다.

[표 2]

사례 1 내지 사례 4는 상호 배타적이지 않다는 점이 주의되어야 한다. 사례 2 및 사례 4는, 예를 들어, 동시에 참일 수 있다. 하드스톱 핸들링 단계는 모든 사례들에 대한 동시의 독립적인 결정들을 포함할 수 있다.

죠 핸들링 및 추적(S113)은 독립적으로 또는 피치 추적 및 핸들링(S109) 및/또는 요 추적 및 핸들링(S111)과 조합하여 수행될 수 있다. 특정 수술 도구(240) 및 엔드 이펙터(222)에 따라, 엔드 이펙터(220)의 각도는 피치, 요 및 롤의 임의의 조합과 같은 다른 축 상의 하드 스톱들에 닿는 것에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 엔드 이펙터가 죠를 포함하는 도 4a 및 도 4b를 참조한다. 죠의 포지션은 수술 도구(240)으로 하여금 하드스톱에 닿게 할 수 있다. 도 4a 및 도 4b의 실시예에서, 죠는 요 각도를 중심으로 개방된다. 따라서, 죠를 개방하는 것은 요 방향으로 하드스톱에 닿는 것의 한 원인이 될 수 있다.

제어 유닛(210)은 죠 각도 커맨드를 입력 디바이스(317)로부터 수신하도록 구성된다. 죠 각도 커맨드는 죠에 대한 요망되는 각도를 표시할 수 있다. 죠 각도 커맨드는 다수의 각도 값들, 예컨대, 죠(401A)에 대한 제1 각도 및 죠(401B)에 대한 제2 각도인 401을 포함할 수 있다. 죠 각도 커맨드는 죠(401A)에 대한 제1 각도와 죠(401B)에 대한 제2 각도 사이의 차이에 대한 값을 포함할 수 있다. 죠 각도는 입력 디바이스(317)로부터의 특정 포지션을 절대 죠 각도로 맵핑하는 절대 추적 메커니즘을 사용하여 제어될 수 있다. 입력 디바이스(317)는, 사용자의 움직임을 결정하고 이 측정을 절대 죠 각도에 맵핑하는 압력 센서를 포함할 수 있다.

하드스톱 핸들링 단계는 죠 각도 커맨드가 비제로(nonzero) 죠 각도를 표시할 때 죠 핸들링을 포함할 수 있다. 제어 유닛(210)은 죠 각도가 제어 유닛(317)으로부터 수신되었는지 여부를 결정한다. 죠 각도가 수신되었으면, 제어 유닛(210)은 죠 핸들링 모드를 활성화시키며, 이 모드는 죠 핸들링 단계로 지칭될 수 있다. 다른 실시예에서, 제어 유닛(210)은 죠 각도를 최소 레벨(예컨대 5도)에 비교하고, 수신된 죠 각도가 이 최소 레벨을 초과하면 죠 핸들링 모드를 활성화시킨다.

죠 핸들링 모드는 제어 유닛(210)이 비례 제어기를 사용함으로써 수행될 수 있다. 도 10은 죠 핸들링 및 추적(S113)을 위한 예시적 죠 핸들링 비례 제어기(501)를 예시한다. 죠 핸들링 비례 제어기(501)는 케이블들을 보호하기 위해서 사용자로부터의 죠 조인트 커맨드를 보상(compensate)한다.

죠 핸들링 비례 제어기(501)의 입력은 각자의 케이블 힘들(F1, F2, F3 및 F4)을 갖는 4개의 리스트 케이블들로부터의 최고 케이블 힘(Max(F_i) = Max(F1, F2, F3, F4))과 미리 결정된 케이블 힘(예컨대, 최대 케이블 힘 또는 F_nominal, 예컨대, 140 N) 사이의 힘 에러를 포함한다. 구체적으로, 제어 유닛(210)에 의해서 구현된 바와 같이, 감산기(502)는 Max(F_i)와 F_nominal 사이의 차이를 계산할 수 있다. 죠 핸들링 비례 제어기(501)의 출력은 죠에 대한 변경된 조인트 커맨드로서 사용되는 조인트 각도 제어 값(503)이다. 변경된 조인트 커맨드는 네가티브일 수 있다. 하드스톱 핸들링이 활성화되었을 때, 최고 케이블 힘은 미리 결정된 값(예컨대, 140 N)보다 더 커야 하기 때문이다. 이러한 네가티브 죠 커맨드는 로봇 리스트 제어를 위해 역 운동학(inverse kinematic) 계산 후에 모터 커맨드(504)로 변환될 수 있다.

피치 및 요에 대한 더 초기의 하드스톱 핸들링 단계와 일관되게, 죠 핸들링 비례 제어기(501) 및 죠 추적 및 핸들링 단계는 죠 조인트 커맨드가 제로로 또는 제로보다 더 작게 복귀될 때 정지될 수 있다. 제어 유닛(210)은 죠 조인트 커맨드를 제로 또는 최소 임계값에 계속 비교하고, 죠 조인트 커맨드가 제로와 동일하거나 최소 임계값보다 더 작을 때 죠 추적 및 핸들링 모드를 비활성화시킨다. 또한, 도 4a 및 도 4b에 의해서 도시된 바와 같이 요 축 상의 죠의 경우, 죠 핸들링 비례 제어기(501) 및 죠 추적 및 핸들링 단계는 요 조인트 각도가 수용 가능한 범위(예컨대, 과 사이)로 복귀될 때 중지될 수 있다. 제어 유닛(210)은 요 조인트 각도를 계속 비교하고, 죠 조인트 각도가 보다 더 크고 보다 더 작을 때 죠 추적 및 핸들링 모드를 비활성화시킨다.

제어 유닛(210)은, 죠 핸들링 및 추적(S113)에 응답하여, 죠 커맨드 캐치업 알고리즘(S115)을 수행할 수 있다. 죠 추적 및 핸들링 단계가 발생되었고(예컨대, 대응되는 하드스톱이 검출되고 있었을 동안 사용자로부터 수신된 비제로 죠 커맨드가 있었을 때) 더 이상 존재하지 않을 때, 제어 유닛(210)은 죠 커맨드 캐치업 단계로 진행된다.

도 4a 및 도 4b의 실시형태를 일 실시예로서 사용하여, 요 토크가 공칭 값(nominal value)(예컨대, 과 사이)으로 복귀될 때, 죠 핸들링 메커니즘이 이전에 활성화되었던 경우, 죠에 대한 사용자의 커맨드(예컨대, UID를 포함하는 입력 디바이스(317)로부터의)와 모터들이 추종하는 실제 죠 커맨드 사이에 불일치가 있을 수 있다. 따라서, 모터 커맨드를 UID 죠 커맨드와 재동기화(re-sync)하고 죠 포지션 제어에서의 갑작스런 점프를 방지하기 위해서, 다음의 죠에 대한 캐칭 업 알고리즘이 구현될 수 있다.

캐칭 업 알고리즘에서, 죠 핸들링 P 제어기로부터 출력된 마지막 조인트 커맨드는 초기 죠 캐칭 업 양(amount)으로서 래치(latch)될 수 있다. 제어 유닛(210)은 초기 죠 캐칭 업 양을 조인트 각도 제어(503)로부터의 마지막 조인트 커맨드로서 정의할 수 있다.

제어 유닛(210)은 이후에 사용자 입력부(317)로부터의 하나 이상의 후속 UID 커맨드를 식별하고, 후속 사용자 입력 죠 각도에 기반하여 조절된 죠 커맨드를 생성한다.

죠에 대한 사용자의 UID 커맨드가 증가되는 각도(즉, 사용자가 죠를 더 개방하도록 지시하고 있음)이거나 변경되지 않는(즉, 사용자가 현재의 죠 개방 각도를 유지하도록 지시하고 있음) 경우, 죠 캐칭 업 양은 사용자의 죠 커맨드로부터 차감될 것이고, 전체 죠 커맨드는 죠 포지션 제어를 위해서 사용된다. 따라서, 제어 유닛(210)은 사용자 입력 죠 각도가 죠를 개방하는 것일 때 초기 죠 캐칭 업 양을 죠 커맨드에 대한 후속 사용자 입력 죠 각도로부터 차감하도록 구성된다.

만약 죠에 대한 사용자의 UID 커맨드가 감소되고 있는(즉, 사용자가 죠를 폐쇄하도록 지시하고 있는) 경우, 죠 캐칭 업 양은 총 캐칭 업 양이 미리 정의된 스텝 사이즈보다 더 작을 때까지 미리 정의된 스텝 사이즈만큼 감소된다. 이러한 스텝 사이즈는 사용자 인지가능 죠 움직임 각도보다 더 작도록 정의된다. 이러한 방식으로, 캐치 업 양은, 사용자가 특정 시간 사이클 동안 죠를 폐쇄하는 경우, 0으로 감소될 것이다. 따라서, 제어 유닛(210)은 사용자 입력 죠 각도가 죠를 폐쇄하는 것일 때 미리 정의된 스텝 사이즈를 죠 커맨드에 대한 후속 사용자 입력 죠 각도로부터 차감하도록 구성된다.

제어 유닛(210)은 캐치 업 양이 제로에 도달되었는지 여부를 결정한다. 캐치 업 양이 제로에 도달되었을 때, 작동 루틴(routine)은 정상으로 복귀될 것이다(예컨대, 제어 유닛(210)은 S105로 복귀된다).

도 11은 하나 이상의 하드스톱을 핸들링하기 위한 프로세스를 설명한다. 프로세스는 메모리에 저장된 명령어에 따라 구성된 프로그래밍된 프로세서(여기서 프로세서 또는 제어기로 또한 지칭됨)에 의해 수행될 수 있다(예컨대, 도 8의 프로세서(312) 및 메모리(314)로서, 여기서 프로세서(312)는 캘리브레이션 제어(316) 및 캘리브레이션 평가(315)의 명령어에 따라 구성됨). 도 11에서의 액트들에 추가적인, 그들과는 상이한, 또는 그들보다 더 적은 액트들이 수행될 수 있다.

액트 S201에서, 프로세서(312)는 케이블의 세트와 연관된 힘들의 힘 비교를 수행한다. 힘들은, 예컨대, 각각의 케이블과 연관된 힘 센서(예컨대, 케이블에 커플링된 힘 트랜스듀서)로부터의 센서 데이터로 설명될 수 있다. 힘들은 각자의 케이블에 커플링된 액추에이터들에 커플링된 토크 센서들로부터 수신된 데이터에 기반하여 계산될 수 있다. 프로세서(312)는, 복수의 케이블들과 연관된 힘들의 비교에 기반하여, 최고 장력 케이블을 케이블들로부터 선택한다.

액트 S203에서, 프로세서(312)는 미리 결정된 값을 최고 장력 케이블에 설정한다. 예를 들어, 먼저 프로세서(312)는, 복수의 케이블들과 연관된 힘들의 비교에 기반하여, 최고 장력의 케이블을 케이블들로부터 선택한다. 다음으로, 프로세서(312)는 최고 장력의 케이블의 힘을 미리 결정된 값에 설정한다. 즉, 프로세서(312)는 최고 장력 케이블에 대한 검출된 힘 값을 제거 또는 삭제하고 이를 미리 결정된 값으로 교체한다.

액트 S205에서, 프로세서(312)는, 최고 장력 케이블에 대한 미리 결정된 값과 복수의 케이블에서 나머지 케이블들에 대한 검출된 힘들의 합에 기반하여, 리스트에 대한 임계값을 계산한다. 임계값은 미리 결정된 값에 의해서 표현되는 최고 장력의 케이블의 고장에 대응되고, 임계값은 다른 케이블들에 대해 측정되고 있는 힘들에 따라 오르내린다. 임계값은 리스트의 임의의 조인트, 예컨대, 롤, 피치 또는 요에 대응될 수 있다.

액트 S207에서, 프로세서(312)는 또한 리스트에 대한 센서 데이터를 수신한다. 센서 데이터는 리스트에 커플링된 토크 센서에 의해서 생성될 수 있다. 상이한 센서가 리스트의 조인트들의 각각에 대해서 사용될 수 있다.

액트 S209에서, 프로세서(312)는 리스트에 대한 수신된 조인트 토크 값을 가변 리스트 토크 임계값에 대해 비교한다. 일부 실시예에서, 비교는 수신된 조인트 토크 값이 가변 리스트 토크 임계값들을 초과할 때(예컨대, 가변 리스트 토크 임계값이 최소 임계값일 때 최소 값보다 더 작거나 또는 가변 리스트 토크 임계값이 최대 임계값일 때 최대 값보다 더 클 때) 표시(예컨대, 고장 또는 경고)로 귀결된다. 일부 실시예에서, 비교는 수신된 조인트 토크 값이 가변 리스트 토크 임계값의 미리 결정된 범위에 도달될 때 표시(예컨대, 고장 또는 경고)로 귀결된다. 미리 결정된 범위는 임계값이 충족되는 것에 가까워지고 있다는 것을 표시할 수 있다. 즉, 엔드 이펙터가 방금 하드스톱에 접촉되기 시작했을 수 있다. 미리 결정된 범위는 엔드 이펙터가 하드스톱에 닿을 위험에 있다는 표시이다.

액트 S211에서, 프로세서(312)는, 리스트에 대한 수신된 조인트 토크 값을 가변 리스트 토크 임계값에 대해 비교하는 것에 기반하여, 하드스톱 또는 하드스톱의 위험을 식별한다. 하드스톱이 접촉될 때, 프로세서(312)는 연관된 액추에이터들(238)이 중지하도록 또는 최대 임계값 또는 최소 임계값이 초과되었는지 여부에 의존하여 증가 또는 감소시키는 것을 중지하도록 지시할 수 있다. 수신된 조인트 토크가 임계값의 미리 결정된 범위 내에 있다는 것을 비교가 표시하는 경우, 프로세서(312)는 커맨드를 연관된 액추에이터들(238)의 하나 이상의 속도가 감소되도록 변경할 수 있다. 감소의 양은 수신된 조인트 토크 값과 가변 리스트 토크 임계값 사이의 차이에 비례하여 계산될 수 있다. 어느 경우든, 지시 메시지는 사용자에 대해 디스플레이될 수 있다. 수신된 조인트 토크 값이 가변 리스트 토크 임계값에 대한 최소와 최대 사이의 간격에 복귀된다는 것을 비교가 표시할 때, 프로세서(312)는 프로세스를 정상 작동으로 복귀시키고/시키거나 사용자로부터 수신되는 커맨드를 변경하는 것을 중지한다.

본원에서, "~와 커플링된다"는 문구는 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 구성요소들을 통해 간접적으로 연결되는 것을 의미하는 것으로 정의된다. 이러한 중간 구성요소들은 하드웨어 기반 구성요소 및 소프트웨어 기반 구성요소 둘 모두를 포함할 수 있다. 또한, 계류 중인 청구항에서의 사용을 명확히 하고 이에 따라 대중에게 통지하기 위해, "<A>, <B>, ... 및 <N> 중 적어도 하나" 또는 "<A>, <B>, ... <N> 중 적어도 하나, 또는 이들의 조합"이라는 문구들은 가장 넓은 의미로 출원인에 의해 정의되며, 출원인에 의해 명시적으로 반대로 주장되지 않는 한, 이전 또는 이후의 다른 묵시적 정의들을 대체하여 A, B, ... 및 N을 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 요소들, 즉, 어느 하나의 요소를 단독으로, 또는 나열되지 않은 부가의 요소들을 조합하여 또한 포함할 수 있는 다른 요소들 중 하나 이상과 조합하여 포함하는 요소들 A, B, ... 또는 N 중 하나 이상의 임의의 조합을 의미할 수 있다.

개시된 메커니즘은, 하나 이상의 마켓 참가자, 예컨대, 클라이언트 컴퓨터들 등의 하나 이상의 게이트웨이 디바이스, 모뎀, 컴퓨터 또는 터미널을 포함하는 임의의 논리적 그리고/또는 물리적 포인트(들) 또는 이들의 조합에서 구현될 수 있으며, 이 포인트에서 관련 정보/데이터(예컨대, 메시지 트래픽 및 이에 대한 응답들)는 모니터될 수 있거나 유동되거나 달리 접근될 수 있거나 측정될 수 있다.

당 기술분야에서 숙련된 자는 본원에서 설명되는 하나 이상의 모듈이, 다른 것들 중에서, 컴퓨터-실행가능 명령어(예컨대, 실행가능 소프트웨어 코드)를 포함하는 유형의(tangible) 컴퓨터-판독가능 매체를 사용하여 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 대안적으로, 모듈들은 소프트웨어 코드, 펌웨어 코드, 특별 구성 하드웨어 또는 프로세서들, 및/또는 전술된 것의 조합으로 구현될 수 있다.

도 1 내지 도 25에 도시된 컴퓨터 디바이스들 및 시스템들의 동작들은 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 저장된 컴퓨터 실행가능 명령어에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 예시적 컴퓨터 디바이스 또는 제어 유닛(210)은 컴퓨터 실행가능 명령어를 저장하고, 전자 메시지들을 생성하고, 전자 메시지들로부터 정보를 추출하고, 전자 메시지들과 관련된 액션들을 실행하고/하거나 전자 메시지들로부터 값들을 계산하여 본원에 기술된 알고리즘들 또는 액트들 중 임의의 것을 용이하게 할 수 있다. 수 많은 추가 서버들, 컴퓨터들, 핸드헬드 디바이스들, 개인 휴대 정보 단말기들, 전화기들 및 다른 디바이스들이 또한 제어 유닛(210)에 연결될 수 있다.

도 3에 예시된 바와 같이, 컴퓨터 시스템은 중앙 처리 유닛(CPU), 그래픽 처리 유닛(GPU), 또는 둘 모두에 의해 구현되는 프로세서(312)를 포함할 수 있다. 프로세서(312)는 다양한 시스템들에서의 구성요소일 수 있다. 예를 들어, 프로세서(312)는 표준 개인용 컴퓨터 또는 워크스테이션의 일부일 수 있다. 프로세서(312)는 하나 이상의 일반 프로세서들, 디지털 신호 프로세서들, 특별 구성 프로세서들, 주문형 집적 회로들, 필드 프로그래머블 게이트 어레이, 서버들, 네트워크들, 디지털 회로들, 아날로그 회로들, 이들의 조합, 또는 데이터를 분석하고 처리하기 위한 현재 알려지거나 나중에 개발되는 다른 디바이스들일 수 있다. 프로세서(312)는 소프트웨어 프로그램, 예컨대, 수동으로 생성되는(즉, 프로그램되는) 코드를 구현할 수 있다.

컴퓨터 시스템은 버스를 통해 통신할 수 있는 메모리(314)를 포함한다. 메모리(314)는 메인 메모리, 정적 메모리 또는 동적 메모리일 수 있다. 메모리(314)는 랜덤 액세스 메모리, 판독 전용 메모리, 프로그래머블 판독 전용 메모리, 전기적 프로그래머블 판독 전용 메모리, 전기적으로 소거가능한 판독 전용 메모리, 플래시 메모리, 자기 테이프 또는 디스크, 광학 매체 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 유형들의 휘발성 및 비휘발성 저장 매체들과 같은 컴퓨터 판독가능 저장 매체들을 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 일 실시형태에서, 메모리(314)는 프로세서(312)를 위한 캐시 또는 랜덤-액세스 메모리를 포함한다. 대안적인 실시형태들에서, 메모리(314)는 프로세서의 캐시 메모리, 시스템 메모리, 또는 다른 메모리와 같이, 프로세서(312)와는 별개이다. 메모리(314)는 데이터를 저장하기 위한 외부 저장 디바이스 또는 데이터베이스일 수 있다. 예들은 하드 드라이브, 컴팩트 디스크("CD"), 디지털 비디오 디스크("DVD"), 메모리 카드, 메모리 스틱, 플로피 디스크, 범용 직렬 버스("USB") 메모리 디바이스 또는 데이터를 저장하도록 동작가능한 임의의 다른 디바이스를 포함한다. 메모리(314)는 프로세서(312)에 의해 실행가능한 명령어를 저장하도록 동작가능하다. 도면들에 예시되거나 본원에 기술된 기능들, 액트들 또는 작업들은 메모리(314)에 저장된 명령어를 실행하는 프로그래밍된 프로세서(312)에 의해 수행될 수 있다. 기능들, 액트들 또는 작업들은 특정 유형의 명령어 세트, 저장 매체들, 프로세서 또는 처리 전략과는 무관하며 단독으로 또는 조합하여 동작하는 소프트웨어, 하드웨어, 집적 회로, 펌웨어, 마이크로 코드 등에 의해 수행될 수 있다. 마찬가지로, 처리 전략들은 멀티프로세싱, 멀티태스킹, 병렬 처리 등을 포함할 수 있다.

컴퓨터 시스템은 결정된 정보를 출력하기 위한 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광 다이오드(OLED), 플랫 패널 디스플레이, 솔리드 스테이트 디스플레이, 캐소드 선관(CRT), 프로젝터, 프린터 또는 현재 알려지거나 추후 개발될 다른 디스플레이 디바이스와 같은 디스플레이 유닛(319)을 더 포함할 수 있다. 디스플레이(319)는 사용자가 프로세서(312)의 기능을 보기 위한 인터페이스로서, 또는 구체적으로 메모리(314) 또는 제어 유닛(210)의 다른 곳에 저장된 명령어와의 인터페이스로서 작용할 수 있다.

부가적으로, 컴퓨터 시스템은 사용자가 시스템의 임의의 구성요소들과 상호작용하는 것을 허용하도록 구성된 입력 디바이스(317)를 포함할 수 있다. 입력 디바이스(317)는 숫자 패드, 키보드, 또는 마우스와 같은 커서 제어 디바이스, 또는 조이스틱, 터치 스크린 디스플레이, 리모콘 또는 제어 유닛(210)과 상호작용하도록 동작가능한 임의의 다른 디바이스일 수 있다.

본 개시내용은 네트워크에 연결된 디바이스가 네트워크를 통해 음성, 비디오, 오디오, 이미지들 또는 임의의 다른 데이터를 통신할 수 있도록 명령어를 포함하거나 신호에 응답하여 명령어를 수신 및 실행하는 컴퓨터 판독가능 매체를 고려한다. 또한, 명령어는 통신 인터페이스(318)를 통해 네트워크를 거쳐 송신되거나 수신될 수 있다. 통신 인터페이스(318)는 프로세서(312)의 일부일 수 있거나 별도의 구성요소일 수 있다. 통신 인터페이스(218)는 하드웨어의 물리적 연결일 수 있다. 통신 인터페이스(318)는 네트워크, 외부 매체들, 디스플레이 유닛(319), 또는 시스템의 임의의 다른 구성요소들, 또는 이들의 조합과 연결하도록 구성된다. 네트워크와의 연결은 유선 이더넷 연결과 같은 물리적 연결일 수 있거나, 무선으로 확립될 수 있다. 마찬가지로, 시스템의 다른 구성요소들과의 부가의 연결은 물리적 연결일 수 있거나, 무선으로 확립될 수 있다.

본원에 기술된 실시형태들의 예시는 다양한 실시형태들의 구조에 대한 일반적인 이해를 제공하기 위한 것이다. 예시들은 본원에 기술된 구조들 또는 방법들을 활용하는 장치들 및 시스템들의 모든 요소들 및 특징들에 대한 완전한 설명으로서의 역할을 하도록 의도되지 않았다. 많은 다른 실시형태들이 본 개시내용을 검토하는 경우에 당업자에게 명백할 수 있다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 구조적 및 논리적 대체 및 변경이 이루어질 수 있도록, 다른 실시형태들이 본 개시내용으로부터 이용 및 유도될 수 있다. 또한, 예시들은 단지 표현적인 것일 뿐이며 일정한 축척으로 작성되지 않을 수 있다. 예시들 내의 소정 부분들은 과장될 수 있는 한편, 다른 부분들은 최소화될 수 있다. 따라서, 본 개시내용 및 도면들은 제한적이기보다는 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

본 명세서는 많은 구체적인 상세사항들을 포함하지만, 이들은 본 발명 또는 청구될 수 있는 것의 범위에 대한 제한으로서가 아니라, 오히려 본 발명의 특정 실시형태들에 고유한 특징들의 설명으로서 해석되어야 한다. 별개의 실시형태들의 맥락에서 본원에 기술된 소정 특징들은 또한 단일 실시형태에서 조합되어 구현될 수 있다. 반대로, 단일 실시형태의 맥락에서 기술된 다양한 특징부들이 또한 다수의 실시형태들에서 개별적으로 또는 임의의 적합한 하위 조합으로 구현될 수 있다. 게다가, 특징부들이 소정의 조합들로 작용하는 것으로 기술될 수 있고 심지어 처음에 그와 같이 청구될 수 있지만, 몇몇 경우들에서, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징부들이 조합으로부터 삭제될 수 있고, 청구된 조합은 하위 조합, 또는 하위 조합의 변형에 관한 것일 수 있다.

유사하게, 동작들이 특정 순서로 도면에 묘사되고 본원에 기술되지만, 이는, 원하는 결과들을 달성하기 위해, 그러한 동작들이 예시된 특정 순서로 또는 순차적인 순서로 수행되거나, 또는 모든 예시된 동작들이 수행되는 것을 요구하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 소정 상황들에서, 멀티태스킹 및 병렬 처리가 유리할 수 있다. 더욱이, 상기에 기술된 실시형태에서의 다양한 시스템 구성요소들의 분리는 모든 실시형태에서 그러한 분리를 요구하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 기술된 프로그램 구성요소들 및 시스템들은 일반적으로 단일 소프트웨어 제품에 함께 통합되거나 다수의 소프트웨어 제품들로 패키징될 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims (20)

1. 복수의 센서들, 및 복수의 케이블들에 커플링(couple)된 리스트(wrist)를 포함하는 수술 도구에 대한 하드스톱(hardstop)을 검출하기 위한 장치로서,
   하나 이상의 프로세서를 포함하며, 상기 하나 이상의 프로세서는,
   상기 복수의 케이블들과 연관된 힘들의 비교에 기반하여, 상기 복수의 케이블들로부터 최고 장력 케이블을 선택하도록;
   상기 최고 장력 케이블에 할당된 힘을 미리 결정된 값에 설정하도록;
   상기 최고 장력 케이블에 대한 상기 미리 결정된 값과 상기 복수의 케이블들에서 나머지 케이블들에 대한 검출된 힘들의 합에 기반하여, 상기 리스트에 대한 가변 리스트 토크 임계값을 계산하도록; 그리고
   상기 리스트에 대한 수신된 조인트 토크 값을 상기 가변 리스트 토크 임계값에 대해 비교하는 것에 기반하여, 하드스톱을 식별하도록 구성된, 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서는,
   상기 비교가 상기 리스트에 대한 상기 수신된 조인트 토크 값이 상기 가변 리스트 토크 임계값을 초과한다는 것을 나타낼 때, 상기 리스트를 이동하라는 지시를 갖는 사용자 메시지를 생성하도록 구성된, 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 리스트를 이동하라는 상기 지시는 요(yaw) 방향에서 홈 포지션(home position)에 더 가까워지도록 이동하라는 지시, 또는 피치(picth) 방향에서 상기 호밍 포지션(homing position)에 더 가까워지도록 이동하라는 지시, 또는 상기 리스트의 엔드 이펙터를 작동시키라는 지시를 포함하는, 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 케이블들과 연관된 상기 힘들(F1, F2, F3 및 F4)은 각자의 모터 토크 센서들로부터 결정되고, 상기 케이블들에 대한 각자의 풀리들에 대한 풀리 치수들(R11, R12, R21, R22, R31 및 R32)과 연관되는, 장치.
5. 제4항에 있어서, 피치 각도에 대한 상기 가변 리스트 토크 임계값은, 하나의 케이블이 상기 선택된 최고 케이블일 때 최소 피치 각도이거나, 다른 케이블이 상기 선택된 최고 케이블일 때 최대 피치 각도인, 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 비교가 상기 가변 리스트 토크 임계값이 상기 최소 피치 각도보다 더 작다는 것을 표시할 때, 상기 리스트는 상기 수술 도구의 피치 조인트의 네가티브 측 상에서 하드스톱에 닿고 있거나; 또는
   상기 비교가 상기 가변 리스트 토크 임계값이 상기 최대 피치 각도보다 더 크다는 것을 표시할 때, 상기 리스트는 상기 수술 도구의 상기 피치 조인트의 포지티브 측 상에서 하드스톱에 닿고 있는, 장치.
7. 제4항에 있어서, 요 각도에 대한 상기 가변 리스트 토크 임계값은, 하나의 케이블이 상기 선택된 최고 케이블일 때 최소 요 각도이거나, 다른 케이블이 상기 선택된 최고 케이블일 때 최대 요 각도인, 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 비교가 상기 가변 리스트 토크 임계값이 상기 최소 요 각도보다 더 작다는 것을 표시할 때, 상기 리스트는 상기 수술 도구의 요 조인트의 네가티브 측 상에서 하드스톱에 닿고 있거나; 또는
   상기 비교가 상기 가변 리스트 토크 임계값이 상기 최대 요 각도보다 더 크다는 것을 표시할 때, 상기 리스트는 상기 수술 도구의 상기 요 조인트의 포지티브 측 상에서 하드스톱에 닿고 있는, 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서는,
   상기 리스트에 대한 상기 수신된 조인트 토크 값을 가변 리스트 토크 임계값에 대해 비교하는 것에 응답하여, 하드스톱 핸들링 단계를 활성화시키도록 구성된, 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서는,
    사용자 입력 리스트 각도를 식별하도록; 그리고
    상기 리스트에 대한 상기 수신된 조인트 토크 값이 상기 가변 리스트 토크 임계값을 초과할 때, 상기 사용자 입력 각도와 관계없이 모터 커맨드를 제공하도록 구성된, 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 리스트에 대한 상기 수신된 조인트 토크 값이 상기 가변 리스트 토크 임계값을 초과하지 않을 때, 상기 사용자 입력 각도에 기반하여 제2 모터 커맨드를 제공하도록 구성된, 장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 수술 도구의 죠에 대한 사용자 입력 죠 각도를 식별하도록;
    힘 에러를 상기 최고 장력 케이블에 할당된 상기 힘과 상기 미리 결정된 값 사이의 차이로서 계산하도록; 그리고
    상기 사용자 입력 죠 각도를 비례 제어 알고리즘으로 변경하게끔 상기 힘 에러를 보상하도록 구성된, 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 죠에 대한 캐칭 업(catching up) 알고리즘을 활성화시키도록;
    비례 제어 알고리즘으로부터의 마지막 조인트 커맨드를 초기 죠 캐칭 업 양으로서 래치(latch)하도록;
    후속 사용자 입력 죠 각도를 상기 죠를 개방하는 것 또는 상기 죠를 폐쇄하는 것으로 식별하도록; 그리고
    상기 후속 사용자 입력 죠 각도에 기반하여 조절된 죠 커맨드를 생성하도록 구성된, 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 사용자 입력 죠 각도가 상기 죠를 개방하는 것일 때 상기 초기 죠 캐칭 업 양을 죠 커맨드에 대한 상기 후속 사용자 입력 죠 각도로부터 차감하도록 구성된, 장치.
15. 제13항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 사용자 입력 죠 각도가 상기 죠를 폐쇄하는 것일 때 미리 정의된 스텝 사이즈를 죠 커맨드에 대한 상기 후속 사용자 입력 죠 각도로부터 차감하도록 구성된, 장치.
16. 복수의 케이블들을 포함하는 수술 도구에 대한 하드스톱을 검출하기 위한 방법으로서,
    최고 장력 케이블을 상기 복수의 케이블들로부터 선택하는 단계;
    상기 최고 장력 케이블에 할당된 힘을 미리 결정된 값에 설정하는 단계;
    상기 최고 장력 케이블에 대한 상기 미리 결정된 값과 상기 복수의 케이블들에서 나머지 케이블들에 대한 검출된 힘들의 합에 기반하여, 상기 수술 도구의 리스트에 대한 가변 리스트 토크 임계값을 계산하는 단계; 및
    상기 리스트에 대한 수신된 조인트 토크 값을 상기 가변 리스트 토크 임계값에 대해 비교하는 것에 기반하여, 하드스톱 또는 하드스톱의 위험을 식별하는 단계를 포함하는, 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 복수의 케이블들과 연관된 상기 힘들(F1, F2, F3 및 F4)은 각자의 모터 토크 센서들로부터 결정되고, 상기 케이블들에 대한 각자의 풀리들에 대한 풀리 치수들(R11, R12, R21, R22, R31 및 R32)과 연관되는, 방법.
18. 제17항에 있어서,
    상기 가변 리스트 토크 임계값은, 제1 케이블 또는 제2 케이블이 상기 선택된 최고 케이블일 때 최소 피치 각도이거나; 또는
    상기 가변 리스트 토크 임계값은, 제3 케이블 또는 제4 케이블이 상기 선택된 최고 케이블일 때 최대 피치 각도이거나; 또는
    상기 가변 리스트 토크 임계값은, 상기 제1 케이블 또는 상기 제4 케이블이 상기 선택된 최고 케이블일 때 최소 요 각도이거나; 또는
    상기 가변 리스트 토크 임계값은, 다른 케이블 상기 제2 케이블 또는 상기 제3 케이블이 상기 선택된 최고 케이블일 때 최대 요 각도인, 방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 비교가 상기 가변 리스트 토크 임계값이 상기 최소 피치 각도보다 더 작다는 것을 표시할 때, 상기 리스트는 상기 수술 도구의 피치 조인트의 네가티브 측 상에서 하드스톱에 닿고 있거나; 또는
    상기 비교가 상기 가변 리스트 토크 임계값이 상기 최대 피치 각도보다 더 크다는 것을 표시할 때, 상기 리스트는 상기 수술 도구의 상기 피치 조인트의 포지티브 측 상에서 하드스톱에 닿고 있거나; 또는
    상기 비교가 상기 가변 리스트 토크 임계값이 상기 최소 요 각도보다 더 작다는 것을 표시할 때, 상기 리스트는 상기 수술 도구의 요 조인트의 상기 네가티브 측 상에서 하드스톱에 닿고 있거나; 또는
    상기 비교가 상기 가변 리스트 토크 임계값이 상기 최대 요 각도보다 더 크다는 것을 표시할 때, 상기 리스트는 상기 수술 도구의 상기 요 조인트의 상기 포지티브 측 상에서 하드스톱에 닿고 있는, 방법.
20. 수술 도구에 대한 하드스톱을 검출하기 위한 장치로서,
    상기 수술 도구에 대한 최대 케이블 힘 및 상기 수술 도구에 대한 케이블의 세트와 연관된 측정된 힘의 세트를 저장하도록 구성된 메모리;
    최고 장력의 케이블을 상기 케이블의 세트에 대한 상기 측정된 힘의 세트로부터 결정하도록, 그리고, 상기 최대 케이블 힘 및 상기 측정된 힘의 세트에 기반하여, 가변 리스트 토크 임계값을 계산하도록 구성된 제어기를 포함하며,
    상기 제어기는 상기 가변 리스트 토크 임계값을 상기 수술 도구의 리스트에 대한 수신된 조인트 토크 값에 대해 비교하고, 하드스톱의 위험을, 상기 리스트에 대한 상기 수신된 조인트 토크 값이 상기 가변 리스트 토크 임계값을 초과하는 것에 응답하여 식별하는, 장치.

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