KR102173992B1 - 힘 또는 토크 한계 보정을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

힘 또는 토크 한계 보정에 관한 시스템 및 방법은 컴퓨터 보조 의료 장치와 함께 사용하기 위한 수술 기구를 포함한다. 수술 기구는, 기구의 원위 단부에 위치되어 있는 엔드 이펙터, 기구의 자유도를 조종하기 위한 구동 유닛, 구동 유닛에 연결되는 샤프트, 및 힘이나 토크를 구동 유닛으로부터 엔드 이펙터와 관절식 리스트에 연결하기 위하여 샤프트 안에 있는 하나 이상의 구동 메커니즘을 포함한다. 자유도를 제어하기 위하여, 기구는, 자유도의 현재의 포지션을 결정하는 것, 상기 현재의 포지션에 기초하여 힘 또는 토크 한계 보정을 결정하는 것, 상기 힘 또는 토크 한계 보정에 기초하여 하나 이상의 힘 또는 토크 한계를 변경하는 것, 및 상기 하나 이상의 힘 또는 토크 한계를 조건으로 자유도를 조절하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.

Description

힘 또는 토크 한계 보정을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR FORCE OR TORQUE LIMIT COMPENSATION}
본 특허 출원은 "힘 또는 토크 한계 보정을 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR FORCE OR TORQUE LIMIT COMPENSATION)"이라는 제목으로 2015년 5월 15일자로 출원된 미국 가특허출원 62/162,239의 우선권과 그 출원일의 이익을 주장하고, 그 내용은 전체로 본 명세서에 참조사항으로 통합되어 있다.
본 발명은 대체로 관절식 아암과 엔드 이펙터가 있는 장치들의 조종에 관한 것이고, 보다 상세하게는 엔드 이펙터에서의 힘 또는 토크 한계 보정에 관한 것이다.
더욱더 많은 장치들이 자율 전자 장치와 반자율 전자 장치로 대체되고 있다. 이는 특히 수술실, 중재실, 집중 치료 병동, 응급실 및 이와 유사한 곳 등에서 수많은 자율 전자 장치와 반자율 전자 장치를 발견할 수 있는 오늘날의 병원에서 그러하다. 예를 들어, 유리 온도계와 수은 온도계는 전자 온도계로 대체되고 있고, 정맥내 점적 라인은 전자 모니터와 플로우 레귤레이터를 포함하며, 전통적으로 손으로 파지하는 수술 기구는 컴퓨터 보조 의료 장치(computer-assisted medical device)에 의해 대체되고 있다.
컴퓨터 보조 의료 장치를 사용하는 최소 침습 수술 기법은 일반적으로 건강한 조직에 대한 손상은 최소화하면서 수술 및/또는 다른 시술을 수행하도록 시도한다. 일부 최소 침습 시술은 수술 기구와 컴퓨터 보조 의료 장치의 사용을 통해 원격으로 수행될 수 있다. 다수의 컴퓨터 보조 의료 장치에 있어서, 의사 및/또는 다른 의료 인원은 통상적으로 오퍼레이터 콘솔 상의 하나 이상의 제어수단을 사용하여 입력 장치를 조작할 수 있다. 의사 및/또는 다른 의료 인원이 오퍼레이터 콘솔에서 다양한 제어수단들을 조종할 때, 명령어들은 오퍼레이터 콘솔로부터, 하나 이상의 엔드 이펙터 및/또는 수술 기구가 장착되어 있는 환자 측 장치 쪽으로 중계된다. 이러한 방식으로, 의사 및/또는 다른 의료 인원은 엔드 이펙터 및/또는 수술 기구를 사용하여 환자에게 하나 이상의 시술을 수행할 수 있다. 사용중 원하는 시술 및/또는 수술 기구에 따라, 원격조종을 이용하는 의사 및/또는 의료 인원의 제어 하에서 그리고/또는 의사 및/또는 다른 의료 인원에 의한 하나 이상의 활성화 동작에 기초하여 수술 기구가 연속적인 수술을 수행할 수 있는 반자율식 제어 하에서 원하는 시술이 부분적으로 또는 전체적으로 수행될 수 있다.
최소 침습 수술 기구는 수동으로 작동되든 원격조종식으로 작동되든 그리고/또는 반자율식으로 직동되든 여러 가지 수술 및/또는 시술에서 사용될 수 있고, 다양한 구성을 가질 수 있다. 이러한 다수의 기구들은 관절식 아암의 원위 단부에 장착될 수 있는 샤프트의 원위 단부에 장착되는 엔드 이펙터를 포함한다. 많은 조종 시나리오에서, 샤프트는 원격 수술 부위에 도달하기 위해서 개구(예컨대 체벽 절개부, 자연 구멍 및/또는 이와 유사한 것)를 통해 삽입되도록(예컨대 복강경식으로, 흉강경식으로 그리고/또는 이와 유사한 방식으로 삽입되도록) 구성될 수 있다. 일부 기구에서, 관절형 리스트 메커니즘(articulating wrist mechanism)은 샤프트의 길이방향 축에 대한 엔드 이펙터의 배향을 바꾸는 능력을 제공하는 관절형 리스트로 엔드 이펙터를 지원하기 위해서 기구 샤프트의 원위 단부에 장착될 수 있다.
다른 설계 및/또는 구성으로 되어 있는 엔드 이펙터는 의사 및/또는 다른 의료 인원이 여러 가지 수술 시술들 중 어떤 것이라도 수행할 수 있도록 상이한 작업, 시술 및 기능을 수행하는데 사용될 수 있다. 예시들은 소작, 절제, 봉합, 절단, 스테이플링, 융착, 봉인 등 및/또는 이들의 조합을 포함하지만 이것들로 제한되는 것은 아니다. 따라서, 엔드 이펙터는 이러한 수술 시술들을 수행하는 여러 가지 구성요소들 및/또는 이러한 구성요소들의 조합을 포함할 수 있다.
최소 침습 시술의 목적에 따르면, 엔드 이펙터의 크기는 그 의도된 작업을 수행하는 것을 가능하게 하면서도 통상적으로 가능한한 소형으로 유지되어 있다. 엔드 이펙터의 크기를 소형으로 유지하는 한가지 접근법은 통상적으로 환자의 외부에 위치되어 있는 수술 기구의 근위 단부에서의 하나 이상의 입력부의 사용을 통해 엔드 이펙터의 작동을 달성하는 것이다. 다양한 기어, 레버, 풀리, 케이블, 로드, 밴드 및/또는 이와 유사한 것은 이때 수술 기구의 샤프트를 따라 하나 이상의 입력부로부터의 동작을 전달해서 엔드 이펙터를 작동시키는데 사용될 수 있다. 적합한 수술 기구가 있는 컴퓨터 보조 의료 장치의 경우, 기구의 근위 단부에 있는 트랜스미션 메커니즘은 환자 측 장치나 환자 측 카트의 관절식 아암에 제공되는 다양한 모터(motor), 솔레노이드(solenoid), 서보(servo), 능동형 액추에이터(active actuator), 유압장치(hydraulic), 공압장치(pneumatic) 및/또는 이와 유사한 것과 상호작용한다. 모터, 솔레노이드, 서보, 능동형 액추에이터, 유압장치, 공압장치 및/또는 이와 유사한 것은 통상적으로 마스터 컨트롤러를 통해 제어 신호를 수신하고, 다양한 기어, 레버, 풀리, 케이블, 로드, 밴드 및/또는 이와 유사한 것이 트랜스미션 메커니즘의 원위 단부에서 엔드 이펙터를 작동시키도록 최종적으로 전달되는 트랜스미션 메커니즘의 근위 단부에서의 힘 및/또는 토크의 형태로 되어 있는 입력값을 제공한다.
엔드 이펙터의 하나 이상의 자유도가, 활발한 작동이 없을 때는 하나 이상의 자유도가 복귀하는 것이 예상되는 디폴트(default) 또는 본래(home) 포지션으로 구성되는 것이 종종 바람직하다. 일부 예시에서, 안전 사항(safety concern)은, 커팅 블레이드가 사용되고 있지 않는 경우 엔드 이펙터의 예리한 커팅 블레이드가 칼집에 들어있는 및/또는 날집에 들어있는 포지션으로 복귀되도록 지시내릴 수 있다. 이는 엔드 이펙터를 다루는 의료 인원 및/또는 환자의 조직이 커팅 블레이드에 의해 우연히라도 절단될 수 있는 가능성을 줄일 수 있다. 일부 예시에서, 다른 자유도는 다른 설계 및/또는 안전 사항을 만족시키는 본래 포지션을 가질 수 있다. 일부 예시에서, 수술 기구 및/또는 엔드 이펙터는, 자유도를 본래 포지션으로 복귀시키도록 힘 및/또는 토크를 자유도에 가하는 홈 메커니즘(home mechanism)에 대한 구속력 및/또는 복귀력을 가지도록 구성될 수 있다. 일부 예시에서, 홈 메커니즘에 대한 이 구속력 및/또는 복귀력은 엔드 이펙터의 사용에 부정적인 영향을 미칠 수 있는데, 이는 홈 메커니즘에 대한 구속력 및/또는 복귀력이 원하는 바와 같이 개별적인 자유도를 조종하기 위하여 극복되어야만 하기 때문이다.
따라서, 절단 기구와 같은 수술 기구의 조종을 위한 개선된 방법과 시스템이 바람직할 수 있다. 일부 예시에서, 본래 기능으로의 복귀를 지원하는 홈 메커니즘에 대한 구속력 및/또는 복귀력을 포함하는 것이 바람직할 수 있지만, 이와 달리 수술 기구의 사용에 부정적인 영향을 미치지 않는다.
일부 실시예에 따르면, 컴퓨터 보조 의료 장치와 함께 사용하기 위한 수술 기구는 기구의 원위 단부에 위치되어 있는 엔드 이펙터, 기구의 자유도를 조종하기 위한 구동 유닛, 구동 유닛에 연결되는 샤프트, 힘이나 토크를 구동 유닛으로부터 엔드 이펙터와 관절식 리스트에 연결하기 위하여 샤프트 안에 있는 하나 이상의 구동 메커니즘을 포함한다. 자유도를 제어하기 위하여, 기구는, 자유도의 현재의 포지션을 결정하는 것, 상기 현재의 포지션에 기초하여 힘 또는 토크 한계 보정을 결정하는 것, 상기 힘 또는 토크 한계 보정에 기초하여 하나 이상의 힘 또는 토크 한계를 변경하는 것, 및 상기 하나 이상의 힘 또는 토크 한계를 조건으로 자유도를 조절하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.
일부 실시예에 따르면, 컴퓨터 보조 의료 장치와 함께 사용하기 위한 수술 기구를 조종하는 방법은, 수술 기구의 자유도의 현재의 포지션을 결정하는 단계, 상기 현재의 포지션에 기초하여 힘 또는 토크 한계 보정을 결정하는 단계, 상기 힘 또는 토크 한계 보정에 기초하여 하나 이상의 힘 또는 토크 한계를 변경하는 단계, 및 상기 하나 이상의 힘 또는 토크 한계를 조건으로 자유도를 조절하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에 따르면, 비일시적 기계 판독가능 매체는 컴퓨터 보조 의료 장치와 결합되는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 경우 하나 이상의 프로세서가 방법을 수행하게 하도록 되어 있는 복수의 기계 판독가능 지시를 포함한다. 방법은, 컴퓨터 보조 의료 장치에 의해 조종되는 수술 기구의 자유도의 현재의 포지션을 결정하는 단계, 상기 현재의 포지션에 기초하여 힘 또는 토크 한계 보정을 결정하는 단계, 상기 힘 또는 토크 한계 보정에 기초하여 하나 이상의 힘 또는 토크 한계를 변경하는 단계, 및 상기 하나 이상의 힘 또는 토크 한계를 조건으로 자유도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 컴퓨터 보조 의료 장치는 하나 이상의 프로세서, 관절식 아암, 및 관절식 아암의 원위 단부에 연결되는 수술 기구를 포함한다. 수술 기구는 수술 기구의 원위 단부에 위치되어 있는 엔드 이펙터, 수술 기구의 자유도를 조종하기 위하여 수술 기구의 근위 단부에 위치되어 있는 구동 유닛, 구동 유닛에 연결되는 샤프트, 및 힘이나 토크를 구동 유닛으로부터 엔드 이펙터와 관절식 리스트에 연결하기 위하여 샤프트 안에 있는 하나 이상의 구동 메커니즘을 포함한다. 컴퓨터 보조 의료 장치는, 자유도의 현재의 포지션을 결정하는 것, 상기 현재의 포지션에 기초하여 힘 또는 토크 한계 보정을 결정하는 것, 상기 힘 또는 토크 한계 보정에 기초하여 하나 이상의 힘 또는 토크 한계를 변경하는 것, 및 상기 하나 이상의 힘 또는 토크 한계를 조건으로 자유도를 조절하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.
도 1은 일부 실시예에 따르는 컴퓨터 보조 시스템의 개략적인 도면이다.
도 2는 일부 실시예에 따르는 최소 침습 수술 기구가 나타나 있는 개략적인 도면이다.
도 3은 일부 실시예에 따르는 도 2의 수술 기구의 원위 단부에 관한 개략적인 사시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 일부 실시예에 따르는 도 2와 도 3의 엔드 이펙터를 절단한 개략적인 도면이다.
도 5는 일부 실시예에 따르는 자유도를 위한 구동 유닛의 개략적인 사시도이다.
도 6은 일부 실시예에 따르는 토크 한계 보정 모델의 개략적인 도면이다.
도 7은 일부 실시예에 따라 도 6으로부터의 토크 한계 보정 곡선을 특징하는데 사용될 수 있는 룩업 테이블의 개략적인 도면이다.
도 8은 일부 실시예에 따르는 토크 한계 보정의 방법에 관한 개략적인 도면이다.
도면에서 동일한 지시번호를 가지는 요소들은 동일하거나 유사한 기능을 가진다.
다음에 오는 명세서에서, 발명의 상세한 설명은 본 발명에 따르는 일부 실시예들을 기술하여 설명되어 있다. 그러나, 일부 실시예들이 이러한 발명의 상세한 설명 중 일부나 전부가 없더라도 실시될 수 있다는 점은 당해 기술분야에서의 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 본 명세서에 기술되어 있는 특정 실시예들은 설명하기 위한 것이지 제한하려는 것은 아니다. 당해 기술분야에서의 통상의 기술자라면 본 명세서에 특별히 기술되어 있지 않더라도 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 다른 요소들을 알 수 있을 것이다. 추가로, 불필요한 반복을 피하기 위하여, 일 실시예와 관련하여 기술되어 나타나 있는 하나 이상의 특징들은 특별히 이와 달리 기술되어 있지 않다면, 또는 하나 이상의 특징들이 일 실시예를 비기능적으로 만들 수 있는 경우라면 다른 실시예들에 통합되어 있을 수 있다.
도 1은 일부 실시예에 따르는 컴퓨터 보조 시스템(100)에 관한 개략적인 도면이다. 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 컴퓨터 보조 시스템(100)은 하나 이상의 가동 또는 관절식 아암(120)이 있는 컴퓨터 보조 장치(110)를 포함한다. 하나 이상의 관절식 아암(120) 각각은 하나 이상의 기구(130)를 지원할 수 있다. 일부 실시예에서, 컴퓨터 보조 장치(110)는 컴퓨터 보조 수술 장치에 따르게 되어 있을 수 있다. 하나 이상의 관절식 아암(120)은 수술 기구, 촬상 장치 및/또는 이와 유사한 것과 같은 의료 기구(130)를 위한 지원를 각각 제공할 수 있다. 일부 예시에서, 기구(130)는, 시술행위, 파지, 끌어당김, 소작, 절제, 봉합, 절단, 스테이플링, 융착, 봉인 및/또는 이들의 조합 등과 같은 것을 행할 수 있지만 이것들에 제한되는 것은 아닌 엔드 이펙터를 포함할 수 있다.
컴퓨터 보조 장치(110)는 오퍼레이터 워크스테이션(미도시)에 추가로 연결될 수 있는데, 오퍼레이터 스테이션은 컴퓨터 보조 장치(110), 하나 이상의 관절식 아암(120) 및/또는 기구(130)를 조종하기 위한 하나 이상의 주 제어수단(master control)을 포함할 수 있다. 일부 예시에서, 하나 이상의 주 제어수단은 마스터 매니퓰레이터, 레버, 페달, 스위치, 키, 노브, 트리거 및/또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 컴퓨터 보조 장치(110)와 오퍼레이터 워크스테이션은 캘리포니아 써니베일 소재의 인튜어티브 서지컬 인코포레이티드(Intuitive Surgical, Inc)에 의해 상용화되어 있는 다빈치 수술 시스템(da Vinci® Surgical system)에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, 다른 구성을 가지거나 더 적거나 더 많은 관절식 아암 및/또는 이와 유사한 것이 있는 컴퓨터 보조 수술 장치는 컴퓨터 보조 시스템(100)과 함께 사용될 수 있다.
컴퓨터 보조 장치(110)는 인터페이스를 이용해서 제어 유닛(140)에 연결되어 있다. 인터페이스는 하나 이상의 케이블, 섬유, 커넥터 및/또는 버스를 포함할 수 있고, 하나 이상의 네트워크 스위칭 및/또는 라우팅 디바이스가 있는 하나 이상의 네트워크를 더 포함할 수 있다. 제어 유닛(140)의 조종은 프로세서(150)에 의해 제어된다. 그리고, 제어 유닛(140)이 하나의 프로세서(150)만 있는 것으로 나타나 있지만, 프로세서(150)가 하나 이상의 중앙 처리 장치, 멀티 코어 프로세서, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 프로세서, 필드 프로그램어블 게이트 어레이(field programmalbe gate arrays; FPGAs), 응용 주문형 집적 회로(application specific integrated circuits; ASICs) 및/또는 제어 유닛(140) 안에 있는 이와 유사한 것을 대표하는 것이라는 점을 이해할 수 있다. 제어 유닛(140)은 독립형(stand-alone) 서브시스템, 및/또는 컴퓨터 장치에 추가되는 보드, 또는 가상 기계로서 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 유닛(140)은 오퍼레이터 워크스테이션의 일부로서 포함될 수 있고 그리고/또는 오퍼레이터 워크스테이션과 별개로 조종될 수 있지만, 오퍼레이터 워크스테이션과 조율되어 있다.
메모리(160)는 제어 유닛(140)에 의해 실행되는 소프트웨어, 및/또는 제어 유닛(140)의 조종 동안 사용되는 하나 이상의 데이터 구조를 저장하는데 사용될 수 있다. 메모리(160)는 하나 이상의 타입의 기계 판독가능 매체를 포함할 수 있다. 기계 판독가능 매체의 일부 공통된 형태들은 플로피 디스크, 플렉서블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 임의의 다른 자기 매체, CD-ROM, 임의의 다른 광학 매체, 펀치 카드, 종이 테이프, 구멍들로 된 패턴이 있는 임의의 다른 물리적 매체, RAM, PROM, EPROM, 플래시-EPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 및/또는 프로세서나 컴퓨터가 판독할 수 있도록 되어 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다.
도 1에 나타나 있는 바와 같이, 메모리(160)는 컴퓨터 보조 장치(110)의 자율식, 반자율식 및/또는 원격 조종식 제어를 지원하는데 사용될 수 있는 컨트롤 어플리케이션(170)을 포함한다. 컨트롤 어플리케이션(170)은, 컴퓨터 보조 장치(110), 관절식 아암(120) 및/또는 기구(130)로부터 포지션, 운동, 힘, 토크, 및/또는 다른 센서 정보를 수신하는 것, 다른 장치들과 관련된 다른 제어 유닛들에 관한 포지션, 운동, 힘, 토크 및/또는 충돌 회피 정보를 교환하는 것, 및/또는 컴퓨터 보조 장치(110), 관절식 아암(120) 및/또는 기구(130)를 위한 운동의 계획을 수립하는 것 및/또는 이를 보조하는 것을 위하여 하나 이상의 어플리케이션 프로그래밍 인터페이스(application programming interfaces; APIs)를 포함할 수 있다. 일부 예시에서, 컨트롤 어플리케이션(170)은 수술 시술 동안 기구(130)의 자율식, 반자율식 및/또는 원격조종식 제어를 추가로 지원할 수 있다. 그리고, 컨트롤 어플리케이션(170)이 소프트웨어 어플리케이션으로 도시되어 있지만, 컨트롤 어플리케이션(170)은 하드웨어, 소프트웨어, 및/또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합을 이용하여 구현될 수 있다.
일부 실시예에서, 컴퓨터 보조 시스템(100)은 수술실 및/또는 중재실에서 발견할 수 있다. 그리고, 컴퓨터 보조 시스템(100)이 2개의 관절식 아암(120) 및 대응하는 기구(130)가 있는 하나의 컴퓨터 보조 장치(110)만을 포함할 수 있지만, 통상의 기술자라면 컴퓨터 보조 시스템(100)이 컴퓨터 보조 장치(110)와 설계상 유사한 그리고/또는 상이한 관절식 아암 및/또는 기구가 있는 다수의 컴퓨터 보조 장치들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 일부 예시에서, 각각의 컴퓨터 보조 장치는 더 적거나 더 많은 관절식 아암 및/또는 기구를 포함할 수 있다.
도 2는 일부 실시예에 따르는 최소 침습 수술 기구(200)가 나타나 있는 개략적인 도면이다. 일부 실시예에서, 수술 기구(200)는 도 1에 있는 임의의 기구(130)들에 따르게 되어 있을 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 그리고 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 "근위방향(proximal)" 및 "원위방향(distal)"이라는 방향은 수술 기구(200)의 구성요소들의 상대적인 배향과 위치를 기술하는데 도움이 된다. 원위방향은 일반적으로, 컴퓨터 보조 장치(110)와 같은 컴퓨터 보조 장치의 베이스로부터 운동형상학적 사슬(kinematic chain)을 따라 더 먼 방향에 있는, 그리고/또는 수술 기구(200)의 의도된 조종 사용시 수술 작업 부위에 가장 가까운 방향에 있는 요소들에 관한 것이다. 근위방향은 일반적으로, 컴퓨터 보조 장치의 베이스 및/또는 컴퓨터 보조 장치의 관절식 아암들 중 하나를 향하여 운동형상학적 사슬을 따라 더 가까운 방향에 있는 요소들에 관한 것이다.
도 2에 나타나 있는 바와 같이, 수술 기구(200)는 샤프트(210)의 원위 단부에 위치되어 있는 엔드 이펙터(220)를, 수술 기구(200)가 샤프트(210)의 원위 단부에 있는 관절식 아암 및/또는 컴퓨터 보조 장치에 장착되는 곳에 연결하는데 사용되는 기다란 샤프트(210)를 포함한다. 수술 기구(200)가 사용되고 있는 특정 시술에 따라, 샤프트(210)는 엔드 이펙터(220)를 환자의 해부체 내부에 위치되어 있는 원격 수술 부위에 가까이 있게 배치시키기 위하여 개구(예컨대 체벽 절개부, 자연 구멍 및/또는 이와 유사한 것)를 통해 삽입될 수 있다. 도 2에 더 나타나 있는 바와 같이, 엔드 이펙터(220)는 대체로, 일부 실시예에서 도 3과 도 4a 내지 도 4c에 대하여 아래에 더욱 상세하게 기술되어 있는 바와 같이 절단 및/또는 융착 또는 봉인 메커니즘을 더 포함할 수 있는 2개의 죠가 형성된 그리퍼 스타일(two-jawed gripper-style)의 엔드 이펙터에 따르게 되어 있다. 그러나, 통상의 기술자라면, 상이한 엔드 이펙터(220)들이 있는 상이한 수술 기구(200)들이 가능할 수 있어서 본 명세서에 기술되어 있는 바와 같이 수술 기구(200)의 실시예들에 따르게 되어 있을 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
엔드 이펙터(220)가 있는 수술 기구(200)와 같은 수술 기구는 통상적으로 그 조종 동안 다자유도(multiple degrees of freedom; DOFs)에 의존한다. 수술 기구(200)와, 수술 기구가 장착되는 관절식 아암 및/또는 컴퓨터 보조 장치의 구성에 따라, 엔드 이펙터(220)를 포지셔닝하거나 배향하거나 그리고/또는 조종하는데 사용될 수 있는 다양한 DOFs가 가능할 수 있다. 일부 예시에서, 샤프트(210)는 엔드 이펙터(220)가 배치되는 환자의 해부체 내부로 얼마나 깊이 있을지를 제어하는데 사용될 수 있는 삽입 DOF를 제공하기 위해서 원위 방향으로 삽입될 수 있고 그리고/또는 근위 방향으로 후진될 수 있다. 일부 예시에서, 샤프트(210)는 엔드 이펙터(220)를 회전시키는데 사용될 수 있는 롤링(roll) DOF를 제공하기 위해서 그 길이방향 축을 중심으로 회전할 수 있을 것이다. 일부 예시에서, 엔드 이펙터(220)의 포지션 및/또는 배향에 있어서의 추가적인 가요성은 엔드 이펙터(220)를 샤프트(210)의 원위 단부에 연결하는데 사용되는 관절식 리스트(230)에 의해 제공될 수 있다. 일부 예시에서, 관절식 리스트(230)는 샤프트(210)의 길이방향 축에 대한 엔드 이펙터(220)의 배향을 제어하는데 사용될 수 있는 하나 이상의 "롤링(roll)", "피칭(pitch)" 및 "요잉(yaw)" DOF(s)를 각각 제공할 수 있는 하나 이상의 롤링 피칭 또는 요잉 조인트들과 같은 하나 이상의 회전 조인트를 포함할 수 있다. 일부 예시에서, 하나 이상의 회전 조인트는 피칭 및 요잉 조인트, 롤링 피칭 및 요잉 조인트, 롤링 피칭 및 롤링 조인트 및/또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다. 일부 예시에서, 엔드 이펙터(220)는 아래에서 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이 엔드 이펙터(220)의 죠의 벌어짐이나 다물어짐을 제어하는데 사용되는 그립(grip) DOF, 및/또는 커팅 메커니즘의 밀어냄(extension), 끌어당김(retraction) 및/또는 조종(operation)을 제어하는데 사용되는 활성화(activation) DOF를 더 포함할 수 있다.
수술 기구(200)는 샤프트(210)의 근위 단부에 위치되어 있는 구동 시스템(240)을 더 포함한다. 구동 시스템(240)은 수술 기구(200)에 의해 지원되는 다양한 DOFs를 조작하는데 사용될 수 있는 힘 및/또는 토크를 수술 기구(200)로 전하기 위한 하나 이상의 구성요소를 포함한다. 일부 예시에서, 구동 시스템(240)은 도 1의 제어 유닛(140)과 같은 제어 유닛으로부터 수신되는 신호들에 기초하여 조종되는 하나 이상의 모터, 솔레노이드, 서보, 능동형 액추에이터, 유압식 액추에이터, 공압식 액추에이터 및/또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다. 일부 예시에서, 신호들은 하나 이상의 전류, 전압, 펄스 폭 변조된 파장 형태들 및/또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다. 일부 예시에서, 구동 시스템(240)은 수술 기구(200)가 장착되는 임의의 관절식 아암(120)들과 같은 관절식 아암의 일부인 대응하는 모터, 솔레노이드, 서보, 능동형 액추에이터, 유압장치, 공압장치 및/또는 이와 유사한 것에 연결될 수 있는 하나 이상의 샤프트, 기어, 풀리, 로드, 밴드 및/또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다. 일부 예시에서, 샤프트, 기어, 풀리, 로드, 밴드 및/또는 이와 유사한 것과 같은 하나 이상의 구동 입력부는 모터, 솔레노이드, 서보, 능동형 액추에이터, 유압장치, 공압장치 및/또는 이와 유사한 것으로부터 힘 및/또는 토크를 받아들이는데 사용되거나 수술 기구(200)의 다양한 DOFs를 조절하기 위해서 힘 및/또는 토크를 가하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 구동 시스템(240)에 의해 발생되고 그리고/또는 받아들여지는 힘 및/또는 토크는 구동 시스템(240)으로부터 샤프트(210)를 따라서, 하나 이상의 구동 메커니즘(250)을 사용하는 구동 시스템(240)의 원위에 위치되어 있는 수술 기구(200)의 요소들 및/또는 다양한 조인트들로 전이될 수 있다. 일부 예시에서, 하나 이상의 구동 메커니즘(250)은 하나 이상의 기어, 레버, 풀리, 케이블, 로드, 밴드 및/또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다. 일부 예시에서, 샤프트(210)는 중공형(hollow)이고, 구동 메커니즘(250)은 샤프트(210)의 안쪽을 따라 구동 시스템(240)으로부터 엔드 이펙터(220) 및/또는 관절식 리스트(230) 안의 대응하는 DOF로 지나간다. 일부 예시에서, 각각의 구동 메커니즘(250)은 보우덴 케이블(Bowden cable) 유사 구성으로 중공형 날집이나 루멘 안쪽에 배치되어 있는 케이블일 수 있다. 일부 예시에서, 케이블 및/또는 루멘의 안쪽은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 및/또는 이와 유사한 것과 같은 저마찰 코팅제로 코팅될 수 있다. 일부 예시에서, 각각의 케이블의 원위 단부가, 예컨대 캡스턴이나 샤프트를 중심으로 케이블을 감아줌으로써 그리고/또는 풀어줌으로써 구동 시스템(240) 안쪽으로 당겨지고 그리고/또는 밀림에 따라, 케이블의 원위 단부는 적절하게 움직이고, 엔드 이펙터(220), 관절식 리스트(230) 및/또는 수술 기구(200)의 DOFs 중 하나를 조절하기 위해서 적합한 힘 및/또는 토크를 가한다.
도 3은 일부 실시예에 따르는 수술 기구(200)의 원위 단부의 개략적인 사시도이다. 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 수술 기구(200)의 원위 단부는 엔드 이펙터(220), 관절식 리스트(230) 및 구동 메커니즘(250)에 관한 추가적인 세부사항들을 볼 수 있도록 도시되어 있다. 보다 상세하게, 엔드 이펙터(220)는 벌어진 포지션으로 나타나 있는 마주하는 죠(310)들을 포함한다. 죠(310)는 벌어진 포지션과 다물어진 포지션 사이에서 움직이도록 구성되어 있어서, 엔드 이펙터(220)는 봉합과 같은 시술 동안 수술 부위에 위치되어 있는 조직 및/또는 다른 구조를 파지하거나 놓아주는데 사용될 수 있다. 일부 예시에서, 죠(310)들은 양쪽 모든 죠(310)들이 동시에 벌어지고 그리고/또는 다물어지는 싱글 유닛과 같이 함께 조종될 수 있다. 일부 예시에서, 죠(310)들은 독립적으로 벌어질 수 있고 그리고/또는 다물어질 수 있어서, 예컨대 하나의 죠(310)는 다른 죠(310)가 벌어질 수 있는 그리고/또는 다물어질 수 있는 안정된 상태로 유지될 수 있다.
도 3에는 각각의 죠(310)의 안쪽에 있는 파지면(gripping surface)이 커팅 블레이드(330)를 위한 가이드와 같은 역할을 할 수 있는 대응하는 그루브(320)를 포함하는 것으로 나타나 있지만, 그루브(320)는 하나 이상의 죠(310)에서 생략될 수도 있다. 커팅 블레이드(330)가 엔드 이펙터(220)의 원위 단부를 향하여 밀어내어짐에 따라 그리고/또는 엔드 이펙터(220)의 근위 단부를 향하여 끌어당겨짐에 따라, 각각의 그루브(320)는 절단 조종 동안 커팅 블레이드(330)의 정렬 및/또는 포지셔닝에 도움이 될 수 있다. 커팅 블레이드(330)의 빼냄 및/또는 끌어당김은 커팅 블레이드(330)가 부착되는 구동 구성요소(340)를 사용하여 달성된다. 일부 예시에서, 구동 구성요소(340)는 커팅 블레이드(330)를 밀어내도록 커팅 블레이드(330)를 밀고, 커팅 블레이드(330)를 끌어당기도록 커팅 블레이드(330)를 당긴다. 커팅 블레이드(330)의 포지셔닝과 사용은 일부 실시예에 따르는 엔드 이펙터(220)의 개략적인 단면도인 도 4a 내지 도 4c에 나타나 있다. 도 4a에는 커팅 블레이드(330)와 구동 구성요소(340) 사이의 관계가 나타나 있다.
엔드 이펙터(220)는 죠(310)의 근위 단부에 위치되어 있는 날집 부재(350)를 더 포함한다. 날집 부재(350)는 구동 구성요소(340)와 커팅 블레이드(330) 양자 모두가 통과할 수 있는 개구를 포함한다. 날집 부재(350)는 커팅 블레이드(330)가 사용중이 아닌 경우 커팅 블레이드(330)를 위한 안전한 보관 영역을 제공하도록 구성되어 있다. 따라서, 커팅 블레이드(330)가 절단 조종의 일부로서 적극적으로 사용되고 있지 않는 경우, 엔드 이펙터(220)는 커팅 블레이드(330)가, 도 4b에 나타나 있는 바와 같이 커팅 블레이드(330)가 죠(310) 뒤쪽으로 근위방향으로 들어가 있는 "날집에 들어있는 상태(garaged)"나 보관된 포지션으로 날집 부재(350) 속으로 끌어당겨질 수 있도록 구성되어 있다. 커팅 블레이드(330)는 도 4c에 나타나 있는 바와 같이 커팅 블레이드(330)가 그루브(320)들 중 하나의 엔드 이펙터 근처나 거기에 포지셔닝되는 포지션으로 추가적으로 밀어내어질 수 있다. 일부 예시에서, 도 4c에 나타나 있는 바와 같이 커팅 블레이드(330)의 포지셔닝은 절단 조종 동안의 커팅 블레이드(330)의 포지션에 대응할 수 있다.
일부 예시에서, 엔드 이펙터(220)와 수술 기구(200)는 커팅 블레이드(330)의 디폴트(default) 또는 본래(home) 포지션이 날집 부재(350) 내부에 있도록 설계되어 있다. 날집 부재(350)의 이 배열은 엔드 이펙터(220)에 몇가지 특징들을 제공할 수 있다. 일부 예시에서, 커팅 블레이드(330)가 날집 부재(350) 속으로 끌어당겨지는 경우, 커팅 블레이드(330)의 예리한 커팅 에지는 효과적으로 날집으로 들어가 있어서, 커팅 블레이드(330)는 시술 동안, 및/또는 시술 이전 및/또는 이후 의료 인원이 수술 기구(200) 및/또는 엔드 이펙터(220)를 다루는 동안 우연히라도 조직을 절단하는 것이 쉽지는 않다. 일부 예시에서, 커팅 블레이드(330)가 날집 부재(350) 속으로 끌어당겨지는 경우, 커팅 블레이드(330)는 커팅 블레이드(330)가 절단하는데 적극적으로 사용되고 있지 않는 경우 우연한 무뎌짐과 같은 손상으로부터 보호될 수도 있다.
도 3을 다시 참조하면, 일부 실시예에서, 각각의 죠(310)의 안쪽에 있는 파지면은 하나 이상의 선택적 전극(360)을 더 포함할 수 있다. 일부 예시에서, 전극(360)은 죠(310)들 사이에 유지되어 있는 조직을 융착하기 위해서 전기수술 에너지(electrosurgical engergy)를 전하는데 사용될 수 있다. 일부 예시에서, 전극(360)은 전기 소작, 융착 및/또는 봉인 부재를 엔드 이펙터(220)에 제공할 수 있어서, 조직은 동일한 수술 도구(200)를 사용하여 절단될 수 있고 그리고/또는 융착/봉인될 수 있다.
일부 실시예에서, 죠(310), 커팅 블레이드(330) 및/또는 관절식 리스트(230)의 조인트의 조종은 구동 메커니즘(250)들 중 대응하는 한가지를 사용하여 달성될 수 있다. 일부 예시에서, 죠(310)가 독립적으로 조종되는 경우, 구동 메커니즘(250)들 중 2개(하나는 각각의 죠(310)들을 위한 것임)의 원위 단부는 개별적인 죠(310)에 연결될 수 있어서, 대응하는 구동 메커니즘(250)이 당기는 힘 및/또는 미는 힘을 가함(예컨대 케이블, 리드 스크루 및/또는 이와 유사한 것을 사용함)에 따라 개별적인 죠(310)는 벌어질 수 있고 그리고/또는 다물어질 수 있다. 일부 예시에서, 죠(310)가 함께 조종되는 경우, 양쪽 모든 죠(310)들은 동일한 구동 메커니즘(250)의 원위 단부에 연결될 수 있다. 일부 예시에서, 구동 구성요소(340)는 대응하는 구동 메커니즘(250)의 원위 단부에 연결될 수 있어서, 대응하는 구동 메커니즘(250)에 가해지는 힘 및/또는 토크는 구동 구성요소(340)의 미는 운동 및/또는 당기는 운동으로 전이될 수 있다. 일부 예시에서, 추가적인 구동 메커니즘(350)은 관절식 리스트(230)의 롤링 피칭 및/또는 요잉을 조종하는데 사용될 수 있다.
도 5는 일부 실시예에 따르는 자유도를 위한 구동 유닛(500)의 개략적인 사시도이다. 일부 실시예에 따르면, 구동 유닛(500)은 도 2에 있는 구동 시스템(240)의 구성요소들 중 일 부분을 대표할 수 있다. 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 구동 유닛(500)은 캡스턴(510)이 DOF를 작동시키도록 회전되는 회전 작동 접근법에 기초하고 있다. 캡스턴(510)은 모터, 서보, 능동형 액추에이터, 유압식 액추에이터, 공압식 액추에이터 및/또는 이와 유사한 것(미도시)의 구동 샤프트일 수 있는 구동 샤프트(520)에 연결되어 있다. 토크가 구동 샤프트(520)에 가해지면서 구동 샤프트(520)와 캡스턴(510)이 회전됨에 따라, 캡스턴(510) 및/또는 구동 샤프트(520)에 부착되는 케이블(530)은 캡스턴(510) 및/또는 구동 샤프트(520) 둘레에서 더욱 감길 수 있고 그리고/또는 그 둘레에서 더욱 풀릴 수 있다. 케이블(530)이 구동 메커니즘(250)들 중 임의의 것과 같은 대응하는 구동 메커니즘의 근위 단부에 부착되는 경우, 케이블의 감김과 풀림은 구동 메커니즘의 원위 단부에 위치되어 있는 엔드 이펙터의 DOF에 가해질 수 있는 대응하는 당기거나 미는 힘 및/또는 토크로 바뀔 수 있다. 일부 예시에서, 캡스턴(510)과 구동 샤프트(520)의 회전 및 케이블(630)의 대응하는 감김 및/또는 풀림은 죠(310)와 같은 그리퍼 죠의 벌어짐 및/또는 다물어짐, 커팅 블레이드(330)와 같은 커팅 블레이드의 밀어냄 및/또는 끌어당김, 관절식 리스트 조인트의 구부러짐 및/또는 펴짐, 및/또는 이와 유사한 것을 초래할 수 있다. 일부 예시에서, 캡스턴(510) 및/또는 구동 샤프트(520)의 회전 각도 및/또는 회전 속도를 모니터링하는 것은 대응하는 구동 메커니즘을 통해 케이블(530)에 연결되는 대응하는 DOF의 현재의 포지션 및/또는 속도에 관한 표시를 제공할 수도 있다. 따라서, 구동 유닛(500)이 수술 기구(200)의 DOFs와 연계하여 사용되는 경우, 캡스턴(510) 및/또는 구동 샤프트(520)의 회전 각도 및/또는 회전 속도는 구동 메커니즘(250)들 중 어떤 것이 케이블(530)과 연결되는지에 따라 죠(310)가 벌어지는 각도, 커팅 블레이드(330)의 포지션, 및/또는 관절식 리스트(230)의 피칭 및/또는 요잉 각도에 관한 유용한 피드백을 제공할 수 있다.
DOF가 작동되지 않고 있는 경우 엔드 이펙터의 DOF가 디폴트(default), 휴지(rest) 및/또는 본래(home) 포지션으로 구성되는 것이 종종 바람직하기 때문에, 일부 실시예에서 구동 유닛(500)과 같은 구동 유닛은 구동 유닛(500)을 대응하는 본래 포지션으로 복귀시키는 어떠한 타입의 저항 및/또는 구속 메커니즘도 포함할 수 있다. 일부 예시에서, DOF의 본래 포지션의 사용은 수술 기구(200)와 같은 수술 기구의 구성을 지원할 수 있는데, 이는 파지용 죠가 자동으로 다물어지고 그리고/또는 거의 다물어지는 경우, 커팅 블레이드가 날집 부재 속으로 끌어당겨지는 경우, 관절식 리스트 조인트가 곧게 펴지는 경우 및/또는 이와 유사한 경우가 그러하다. 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 구동 유닛(500)은 토션 스프링(540)의 형태로 되어 있는 구속 메커니즘을 포함한다. 토션 스프링(540)은, 한쪽 단부(550)에서 캡스턴(510)에 부착되어 있되 캡스턴(510) 둘레에 감겨있는 상태로 나타나 있다. 캡스턴(510)이 회전됨에 따라, 토션 스프링(540)의 제 2 단부(560)는 구동 유닛(500)의 바디의 일부일 수 있는 정지부(570)에 걸려서 위로 회전할 때까지 자유롭게 회전할 수 있다. 토션 스프링(540)의 제 2 단부(560)가 정지부(570)에 걸린 후에도 캡스턴(510)이 계속해서 회전함에 따라, 토션 스프링(540)은 토션 스프링(540)의 스프링 상수와 캡스턴(510)의 회전량에 의해 지시받는 바와 같이 본래 힘 및/또는 토크에 대한 구속력 및/또는 복귀력을 캡스턴(510)에 제공하는 것을 시작할 것이다. 따라서, 더 많은 양의 회전이 캡스턴(510)에 가해짐에 따라, 토션 스프링(540)은 증가하는 복귀력을 캡스턴(510)에 대한 본래 힘 및/또는 토크에 가한다. 예컨대 파지용 죠들을 다물고, 커팅 블레이드를 끌어당기고, 그리고/또는 관절식 리스트 조인트들을 곧게 펴는데 사용될 수 있는 것은 캡스턴(510) 상의 본래 힘 및/또는 토크에 대한 이러한 복귀력이다.
도 5에는 캡스턴(510) 둘레에 감겨있는 토션 스프링과 같은 구속 메커니즘이 나타나 있지만, 통상의 기술자라면 본래 기능에 대한 유사한 구속력/복귀력를 달성하는 다른 가능성 있는 구속 메커니즘 및/또는 구속 메커니즘을 위한 구성을 알 수 있을 것이다. 일부 예시에서, 구동 유닛(500)의 바디는 정지부(570)로부터 생긴 본래 힘 및/또는 토크에 대한 복귀력에 대해 반대 방향으로 캡스턴(510)에 대한 본래 힘 및/또는 토크로의 복귀를 제공하는 제 2 정지부를 더 포함할 수 있다. 일부 예시에서, 토션 스프링(540)의 제 2 단부(560)는 구동 유닛(500)의 바디에 장착될 수 있어서, 토션 스프링(540)이 캡스턴(510)에 대한 본래 힘 및/또는 토크에 대해 복귀력을 가하기 시작하기 전이라도 그리고/또는 토션 스프링(540)이 캡스턴(510)의 회전이 없는 상태라도 캡스턴(510)에 대한 본래 힘 및/또는 토크에 대해 적어도 일부의 복귀력을 가하기 전이라도 토션 스프링(540)의 자유로운 움직임은 허용되지 않는다.
일부 실시예에 따르면, 엔드 이펙터의 DOF를 위한 토션 스프링(540)의 스프링 상수와 같은 적당한 크기의 구속 메커니즘의 선택은 수술 기구의 설계자에게 몇가지 도전과제를 제시할 수 있다. 어떤 상황에서는 DOF의 대응하는 구동 유닛의 본래 기능에 대한 원하는 복귀력과의 임의의 있을 수 있는 그리고/또는 상당한 간섭을 극복하기 위해서 구속 메커니즘의 크기의 선택이 바람직할 수 있다. 일부 예시에서, 임의의 있을 수 있는 그리고/또는 상당한 간섭을 극복하기 위한 구속 메커니즘의 크기의 선택은 가능성 있는 많은 조종 시나리오를 위하여 구속 메커니즘을 과대하게 하는 경향이 있다. 추가적으로, 구속 메커니즘의 크기가 증가함에 따라 그리고/또는 가해지는 본래 힘 및/또는 토크에 대한 구속력 및/또는 복귀력의 양이 본래 포지션으로부터의 증가된 편차로 증가됨에 따라, 본래 힘 및/또는 토크에 대한 구속력 및/또는 복귀력의 양은 DOF를 조종하는 구동 유닛의 능력에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 일부 예시에서, 이는 조종을 수행하기 위해서 DOF를 구동시키는데 이용가능한 더 작은 힘 및/또는 토크를 초래하는 DOF를 위한 더 작은 조종 여유(operational margin)를 초래할 수 있다. 예를 들어, 절단을 수행하도록 커팅 블레이드에 가해지는 더 작은 절단하는 힘 및/또는 토크가 이용가능할 수 있다. 일부 예시에서, 한가지 해결책은 구동 유닛에 연결되는 모터, 솔레노이드, 서보, 능동형 액추에이터, 유압식 액추에이터, 공압식 액추에이터 및/또는 이와 유사한 것의 크기를 증가시키는 것과, 극복되어야만 하는 본래 힘 및/또는 토크에 대한 가장 큰 가능성 있는 구속력 및/또는 복귀력을 보정하기 위해서 모터, 솔레노이드, 서보, 능동형 액추에이터, 유압식 액추에이터, 공압식 액추에이터 및/또는 이와 유사한 것에서의 힘 및/또는 토크 한계를 조절하는 것이다. 일부 예시에서, 힘 및/또는 토크 한계의 이러한 증가는 수술 기구의 DOF의 조종에 관한 특정 모드들에 따르게 되어 있지 않을 수 있다. 추가로, 증가된 힘 및/또는 토크 한계는, 구동 메커니즘의 증가된 마모, 구동 메커니즘의 늘어남 및/또는 이와 유사한 것을 초래할 수도 있는 구동 메커니즘에 있게 되는 증가된 응력(stress) 및/또는 변형(strain)을 초래할 수 있는 DOF의 조종을 초래할 수 있다. 일부 예시에서, 구동 메커니즘의 늘어남은 구동 메커니즘과 대응하는 DOF가 허용오차를 벗어나게 되는 것을 초래할 수 있어서, 그 결과 원하는 바와 같이 DOF를 제어하는 능력이 감소된다.
일부 실시예에 따르면, 본래 힘 및/또는 토크에 대한 가장 큰 가능성 있는 구속력 및/또는 복귀력을 보정하기 위해서 힘 및/또는 토크를 증가시키기 보다는, 힘 및/또는 토크 한계 보정 프로파일은 홈 메커니즘에 대한 구속력 및/또는 복귀력에 의해 가해지고 있는 본래 힘 및/또는 토크에 대한 구속력 및/또는 복귀력의 예상되는 양에 기초하여 힘 및/또는 토크 한계를 조절하는데 사용될 수 있다. 도 6은 일부 실시예에 따르는 토크 한계 보정 모델(600)의 개략적인 도면이다. 그리고, 모델(600)이 토크 한계 보정의 관점에서 기술되어 있지만, 통상의 기술자라면 모델(600)에서의 개념이 힘 제한 보정을 제공하기 위해서 동일하게 적용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 도 6에 나타나 있는 바와 같이, 토크 한계 보정 모델(600)은 DOF에서의 하나 이상의 토크 한계가 본래 토크에 대한 예상되는 구속력 및/또는 복귀력에 기초하여 증가될 수 있는 양을 지시하는 토크 한계 보정 곡선(610)을 포함한다. 일부 예시에서, 토크 한계는 상위 토크 한계를 포함할 수 있어서, DOF를 위한 원하는 조종 여유는 본래 토크에 대한 구속력 및/또는 복귀력에 대항하여 유지될 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계가 하위 토크 한계와 상위 토크 한계 사이에 있는 토크의 범위를 특정하는 경우, 토크 한계 보정은 하위 토크 한계와 상위 토크 한계 양자 모두에 적용될 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정은 비대칭적인 토크 한계를 생성하는데 사용될 수 있어서, 본래 토크에 대한 구속력 및/또는 복귀력이 DOF를 추가로 조작하기 위해서 극복되고 있는 경우에는 더 높은 규모 토크 한계가 사용되고, 본래 토크에 대한 구속력 및/또는 복귀력이 DOF의 조작을 도와주고 있는 경우에는 더 낮은 규모 토크 한계가 사용된다. 일부 예시에서, 4개의 토크 한계(예컨대, 본래 토크에 대한 구속력 및/또는 복귀력에 대항하는 DOF 변화들을 위한 양의 상위 토크 한계와 양의 하위 토크 한계, 및 본래 토크에 대한 구속력 및/또는 복귀력에 의해 도움받는 DOF 변화들을 위한 음의 하위 토크 한계와 음의 상위 토크 한계)를 사용하는 DOF 제어 알고리즘은 토크 한계 보정을 각각의 4개의 토크 한계에 추가하여 조절되는 각각의 4개의 토크 한계를 가질 수 있다.
도 6에 더 나타나 있는 바와 같이, 토크 한계 보정 모델(600)과 토크 한계 보정 곡선(610)은 전체적인 4개의 영역들, 즉 개시 영역(start-up region)(620), 전이 영역(transition region)(630), 조종 영역(operational region)(640) 및 포화 영역(saturation region)(650)으로 분할되어 있다. 각각의 영역(620-650)은 모델(600)에 도시된 x 축과 x 포지션 값들(x0, x1, x2, x3, x4)로 표시되어 있는 바와 같이 DOF 포지션의 상이한 범위에 대응한다. 도 6을 설명하기 위하여, DOF의 포지션은 본래 토크에 대한 예상되는 구속력 및/또는 복귀력을 증가시키는 방향에 있는 더욱 양의 포지션들과 함께 DOF의 x 포지션에 대하여 기술될 것이지만, DOF를 위한 포지션들이, 커팅 블레이드(330)를 위하여 그루브(320)에 의해 정의된 축을 따르는 포지션과 같은 임의의 적합한 위치 축 및/또는 회전 축, 죠(310)들 사이의 각도, 관절식 리스트(230)에서의 피칭 및/또는 요잉 구부림의 양, 캡스턴(510)의 회전 각도 및/또는 이와 유사한 것을 사용하여 표현될 수 있다는 것, 그리고/또는 본래 토크에 대한 예상되는 구속력 및/또는 복귀력을 증가시키는 방향에 대응하는 더욱 음의 포지션으로 특징될 수 있다는 것을 통상의 기술자라면 알 수 있을 것이다.
개시 영역(620)은 포지션(x0)으로부터 포지션(x1)까지의 DOF 포지션의 범위에 대응하는데, 이는 토크 한계 보정이 적용되지 않는 경우에 해당한다. 일부 예시에서, 개시 영역(620)은 DOF 포지션의 범위에 대응하는데, 이는 홈 메커니즘에 대한 구속력 및/또는 복귀력이 DOF에 적용되지 않는 상황에 해당한다. 도 5의 예시에서, 개시 영역(620)은 토션 스프링(540)의 제 2 단부(560)가 정지부(570)에 대항하여 움직이게 되기 전 캡스턴(510)의 회전 포지션에 대응할 수 있다. 일부 예시에서, 개시 영역(620)은 DOF에 대응할 수 있고 그리고/또는 적용가능할 수 있는데, 이는 DOF가 포지션(x2)을 지나서 포지션(x1)으로 작동될 수 있더라도 본래 포지션이 포지션(x2)에 대응하는 경우에 해당하며, 본래 포지션이 그리퍼 죠들을 대부분 다무는 위치(x2)에는 대응할 수 있지만 그리퍼 죠들을 완전히 다무는 위치(x1)에는 대응하지 않는 경우에 해당하는 그리퍼 죠들과 마찬가지이다. 일부 예시에서, 포지션(x1)은 DOF의 음의 포지션 및/또는 제로 포지션에 대응할 수 있는데, 이는 날집 부재로의 진입이 포지션(0)인 경우에 해당하는 커팅 블레이드가 날집 부재 내부에 있는 포지션과 마찬가지이다. 일부 예시에서, 개시 영역의 폭은, DOF 포지션이 캡스턴 회전의 관점에서 측정되는 경우 x1과 x0 사이의 차이가 0.25 라디안 정도인 상태에서의 개별적인 DOF에 기초하여 범위가 크게 달라질 수 있다.
전이 영역(630)은 포지션(x1)으로부터 포지션(x2)까지의 DOF 포지션의 범위에 대응하는데, 이는 토크 한계 보정의 신속한 증가가 적용되는 경우에 해당한다. 일부 예시에서, 전이 영역(630)은 DOF 포지션의 범위에 대응할 수 있는데, 이는 홈 메커니즘에 대한 구속력 및/또는 복귀력이 맞물려 있지 않는 상태로부터 맞물려 있는 상태로 전이하고 있는 경우에 해당한다. 도 5의 예시에서, 전이 영역(630)은 토션 스프링(540)의 제 2 단부가 정지부(570)에 대항하여 움직이게 되는 직후 캡스턴(510)의 회전 포지션에 대응할 수 있다. 일부 예시에서, 전이 영역(630)의 폭은, 홈 메커니즘에 대한 구속력 및/또는 복귀력이 맞물림해제된 포지션으로부터 조종 범위(640) 내에 있는 포지션까지 움직이는 경우로부터의 신속한 전이를 반영하기에 협소할 수 있다. 일부 예시에서, x2와 x1 사이의 차이는 DOF 포지션이 캡스턴의 회전의 관점에서 측정되는 경우 0.05 라디안 정도로 작거나 더 작을 수 있다.
조종 영역(640)은 포지션(x2)으로부터 포지션(x3)까지의 DOF 포지션의 범위에 대응하는데, 이는 홈 메커니즘에 대한 구속력 및/또는 복귀력에 의해 가해지는 본래 토크에 대한 증가하는 구속력 및/또는 복귀력을 보정하기 위해서 토크 한계 보정에서의 꾸준한 증가가 적용되는 경우에 해당한다. 일부 예시에서, 조종 영역(640)은 DOF 포지션의 범위에 대응할 수 있는데, 이는 홈 메커니즘에 대한 구속력 및/또는 복귀력이 DOF 포지션이 증가되는 상태에서 본래 토크에 대한 비례하는 구속력 및/또는 복귀력에 가해지는 경우에 해당한다. 도 5의 예시에서, 조종 영역(640)은 캡스턴(510)의 회전 포지션에 대응할 수 있는데, 이는 토션 스프링(540)이 토션 스프링(540)의 스프링 상수에 기초하여 본래 토크에 대한 증가된 구속력 및/또는 복귀력을 가하는 경우에 해당한다. 일부 예시에서, 조종 영역(640)에서의 토크 한계 보정 곡선(610)의 기울기는 토션 스프링(540)의 스프링 상수에 기초하고 있다. 일부 예시에서, 조종 영역(640)은 통상적으로 홈 메커니즘에 대한 구속력 및/또는 복귀력의 통상적으로 폭넓은 조종 영역을 반영하는 가장 큰 영역이다. 일부 예시에서, x3와 x2 사이의 차이는 DOF 포지션이 캡스턴 회전의 관점에서 측정되는 경우 0.7 라디안 정도이거나 그 이상일 수 있다.
포화 영역(650)은 포지션(x3)으로부터 적어도 포지션(x4)까지의 DOF 포지션의 범위에 대응하는데, 이는 토크 한계 보정에서의 추가 증가가 요구되지 않는 경우에 해당한다. 일부 예시에서, 포화 영역(650)은 DOF를 구동시키는데 사용되고 있는 모터, 솔레노이드, 서보, 능동형 액추에이터, 유압식 액추에이터, 공압식 액추에이터 및/또는 이와 유사한 것에 의해 가해질 수 있는 토크의 상위 한계, 및/또는 구동 유닛, 구동 메커니즘 및/또는 이와 유사한 것에 의해 부과되는 한계에 대응할 수 있다. 일부 예시에서, x4는 최대 DOF 포지션 및/또는 막 지나간 최대 DOF 포지션에 대응할 수 있다. 도 3과 도 4a 내지 도 4c의 예시에서, x4는 커팅 블레이드가 절단 조종 동안 그루브(320)의 원위 단부에 부딪히지 않도록 커팅 블레이드(330)를 위한 최대 밀어내기 길이, 죠(310)들 사이의 최대 각도, 관절식 리스트(230)에서의 최대 피칭 및/또는 요잉 구부림 및/또는 이와 유사한 것에 기초하고 있을 수 있다. 일부 예시에서, x4와 x3 사이의 차이는 DOF 포지션이 캡스턴 회전의 관점에서 측정되는 경우 0.15 라디안 보다 짧거나 그 이하일 수 있다.
일부 예시에서, 토크 한계 보정 값들(T1, T2 및/또는 T3)은 수술 기구의 설계 및/또는 구성에 상당히 좌우될 수 있다. 도 3, 도 4a 내지 도 4c 및 도 5의 예시에서, T1, T2 및/또는 T3는 토션 스프링(540)의 스프링 상수, 대응하는 DOF 포지션에 관한 실제 한계, DOF를 구동시키는데 사용되는 모터, 솔레노이드, 서보, 능동형 액추에이터, 유압식 액추에이터, 공압식 액추에이터 및/또는 이와 유사한 것의 크기, 및/또는 구동 유닛, 구동 메커니즘 및/또는 이와 유사한 것에 의해 부과되는 한계에 기초하고 있을 수 있다.
도 7은 일부 실시예에 따라 토크 한계 보정 곡선(610)을 특징하는데 사용될 수 있는 룩업 테이블(700)의 개략적인 도면이다. 도 7에 나타나 있는 바와 같이, 룩업 테이블(700)은 영역 경계들을 반영하는 일련의 제어 지점들, 및 토크 한계 보정 곡선으로부터의 대응하는 토크 한계 보정 값을 포함한다. 따라서, 룩업 테이블(700)은 각각의 지점들((x0, 0), (x1, 0), (x2, T1), (x3,T2) 및 (x4, T2))을 포함한다. 룩업 테이블(700)은 현재의 DOF 포지션에 기초하여 원하는 토크 한계 보정 값을 결정하기 위해서 내삽법 및/또는 다른 곡선 맞춤 알고리즘을 지원하는데 사용될 수 있다. 일부 예시에서, 내삽법은 현재의 DOF 포지션이 어느 xi 값에 속하는지를 결정하는 것, 및 원하는 토크 한계 보정을 결정하기 위해서 룩업 테이블(700)의 제어 지점들을 이용하는 것에 기초하는 선형 내삽법일 수 있다. 일 예시로서, 현재의 DOF 값이 xc 인 경우, 즉 x2 ≤ xc ≤ x3 인 경우를 고려해 볼 수 있다. 이 경우, 토크 한계 보정(Tc)은 방정식 1을 이용하여 연산될 수 있을 것이다.
Figure 112020022429713-pat00001
일부 예시에서, 홈 메커니즘에 대한 구속력 및/또는 복귀력의 본래 거동(home behavior)에 대한 예상되는 구속력 및/또는 복귀력에 기초하여 비선형 모델을 포함하는 다른 내삽법적 접근법 및/또는 모델이 이용될 수 있다. 일부 예시에서, 다른 모델들은 오름 차순 내삽법 다항식, 3차원 스플라인과 같은 곡선 맞춤 및/또는 이와 유사한 것의 사용을 포함할 수 있다. 일부 예시에서, 내삽법 모델의 복잡도(complexity)는 내삽법 모델의 정확성과 연산 비용 사이에 균형을 맞추기 위해서 선택될 수 있다.
위에서 설명되고 여기에서 더욱 강조된 바와 같이, 도 6과 도 7은 청구범위를 지나치게 제한해서는 안되는 단순한 예시들일 뿐이다. 일부 실시예에 따르면, 상이한 토크 한계 보정 모델들이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 토크 한계 보정 곡선은 더 적은 그리고/또는 더 많은 제어 지점들로 모델링될 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정 곡선은 개시 영역이 없을 수 있고 아마도 심지어 부분적인 전이 영역도 없을 수 있는데, 이는 DOF가 본래 포지션에 있는 동안 홈 메커니즘에 대한 구속력 및/또는 복귀력이 맞물려 있는 경우와 마찬가지이다. 일부 예시에서, 이는, 커팅 블레이드가 날집 부재 속으로 끌어당겨지는 경우 홈 메커니즘에 대한 구속력 및/또는 복귀력에 본래 토크에 대한 복귀력이 가해지게 하는 것이 바람직한 경우 커팅 블레이드 DOF를 위하여 일어날 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정 모델은, 본래 포지션을 중심으로 양쪽 모든 방향으로 본래 토크에 대한 복귀력을 가하는 홈 메커니즘에 대한 구속력 및/또는 복귀력에 의해 가해지는 토크를 가지고 본래 포지션에 대한 모든 양쪽 방향으로 조종될 수 있는 DOFs를 위한 본래 포지션을 중심으로 하는 대칭성을 반영할 수 있다. 일부 예시에서, 이 토크 한계 보정 모델은 관절식 리스트에 대응할 수 있는데, 이는 엔드 이펙터가 수술 기구의 샤프트와 정렬되어 있는 상태에서 피칭 및/또는 요잉 DOFs가 본래 포지션을 가질 수 있는 경우에 해당한다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정 모델은 히스테리시스(hysteresis; 이력현상)를 추가로 포함할 수 있는데, 이는 DOF 포지션이 증가하고 있는지 또는 감소하고 있는지 여부에 따라 상이한 토크 한계 보정 곡선 및/또는 제어 지점들이 사용될 수 있는 경우에 해당한다.
일부 예시에서, 토크 한계 보정 모델은 다른 모델링 목표를 지원할 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정 모델은 선택적이고, 엔드 이펙터의 특정 조종 모델들이나 엔드 이펙터의 하나 이상의 DOFs를 위하여 사용되지 않을 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정 모델은 관절식 리스트의 구부림에 기인한 DOFs를 위한 구동 메커니즘의 구부러짐 및/또는 이동에 의해 유발되는 DOF 포지션에서의 에러를 설명할 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정 곡선 및/또는 제어 지점들은 수술 기구, 및/또는 토크 한계 보정이 요구되는 수술 기구의 DOF에 따라 달라질 수 있다. 일부 예시에서, 룩업 테이블(700)과 같은 룩업 테이블들은 수술 기구의 각각의 모델과 각각의 DOF를 위하여 유지될 수 있다. 일부 예시에서, 각각의 DOF를 위한 룩업 테이블들은 각각의 수술 기구를 위하여 별개로 결정될 수 있고 그리고/또는 교정될 수 있고, 대응하는 수술 기구의 시리얼 넘버와 같은 식별자를 사용하여 실행 시간에 접근가능할 수 있다.
도 8은 일부 실시예에 따르는 토크 한계 보정의 방법(800)에 관한 개략적인 도면이다. 방법(800)의 하나 이상의 과정들(810-860)은, 하나 이상의 프로세서(예컨대 제어 유닛(140) 안의 프로세서(150))에 의해 실행되는 경우 하나 이상의 프로세서가 하나 이상의 과정들(810-860)을 수행하게 할 수 있는 비일시적(non-transient) 촉각(tangible) 기계 판독가능 매체 상에 저장되는 실행가능한 코드의 형태로 적어도 부분적으로 구현될 수 있다. 일부 예시에서, 방법(800)은 컨트롤 어플리케이션(170)과 같은 어플리케이션에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 방법(800)은 수술 기구(200)와 같은 수술 기구에서의 DOF를 위한 제어 알고리즘의 토크 한계를 조절하는데 사용될 수 있다. 일부 예시에서, DOF는 죠(310)들과 같은 그리퍼 죠들의 벌어진 각도, 커팅 블레이드(330)와 같은 커팅 블레이드의 밀어냄 및/또는 끌어당김, 관절식 리스트(230)와 같은 관절식 리스트에서의 구부림 및/또는 이와 유사한 것에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, 토크 한계 보정은 토크 한계 보정 모델(600)에 기초하여 모델링될 수 있고 그리고/또는 룩업 테이블(700)과 유사한 룩업 테이블을 이용하여 구현될 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정은 DOF를 위한 하나 이상의 토크 한계에 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 토크 한계 보정은 모터, 솔레노이드, 서보, 능동형 액추에이터, 유압식 액추에이터, 공압식 액추에이터 및/또는 이와 유사한 것을 위한 제어 알고리즘에 적용될 수 있다.
과정(810)에서, DOF를 위한 원하는 포지션이 결정된다. DOF의 제어 알고리즘에 기초하여, DOF를 위한 원하는 포지션이 결정된다. 일부 예시에서, DOF를 위한 원하는 포지션은 DOF를 위한 세트 포인트(set point)에 대응할 수 있다. 일부 예시에서, 세트 포인트는 DOF가 속해있는 수술 기구(200)와 같은 수술 기구를 조종하고 있는 의사 및/또는 의료 인원으로부터 수신되는 입력값에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 예시에서, 의사 및/또는 다른 의료 인원은 DOF를 원격조종하기 위해서 하나 이상의 마스터 매니퓰레이터, 레버, 페달, 스위치, 키, 노브, 트리거 및/또는 이와 유사한 것과 같은, 오퍼레이터 콘솔에 있는 하나 이상의 주 제어수단을 조작할 수 있다. 일부 예시에서, DOF를 위한 세트 포인트는 의사 및/또는 다른 의료 인원에 의해 촉발될 수 있는 자동화 작업 및/또는 반자동화 작업의 일부로서 DOF를 위한 위치 포지션에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 예시에서, DOF는 그리퍼 죠들의 죠 각도, 커팅 블레이드의 밀어냄 및/또는 끌어당김, 관절식 리스트에서의 피칭 및/또는 요잉 각도의 구부림 및/또는 이와 유사한 것과 결합될 수 있다.
과정(820)에서, 토크 한계 보정이 활성상태인지 여부가 결정된다. 수술 기구 및/또는 엔드 이펙터의 조종의 모드 및/또는 DOF에 따라, 토크 한계 보정을 이용하는 것이 바람직하지 않을 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정은 수술 기구의 각각의 DOFs 마다 불능상태일 수 있고, 그리고/또는 수술 기구의 각각의 DOFs 마다 선택적으로 활성화될 수 있고 그리고/또는 개별적으로 비활성화될 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정은 의사 및/또는 다른 의료 인원에 의해 활성화될 수 있고 그리고/또는 비활성화될 수 있고, 그리고/또는 컨트롤 어플리케이션(170)과 같은 컨트롤 어플리케이션에 의해 활성화될 수 있고 그리고/또는 비활성화될 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정이 활성화되었는지 그리고/또는 비활성화되었는지 여부의 표시는 개별적인 자유도, 전체로서의 엔드 이펙터, 전체로서의 수술 기구 및/또는 전체로서의 컴퓨터 보조 장치와 결합될 수 있는 하나 이상의 상태 변수, 플래그(flag), 불값(Boolean value) 및/또는 이와 유사한 것에 기초하여 결정될 수 있다. 토크 한계 보정이 사용되지 않는 경우, DOF를 위한 토크 한계는 DOF를 위한 디폴트 레벨(default level), 및/또는 수술 기구를 사용하여 수행되고 있는 시술 및/또는 작업을 위한 디폴트 레벨로 세팅될 수 있다. 토크 한계 보정이 활성상태가 아닌 경우, DOF의 움직임은 과정(860)을 이용하여 일어난다. 토크 한계 보정이 활성상태인 경우, DOF를 위한 토크 한계는 과정(830)으로 시작하도록 조절된다.
과정(830)에서, DOF의 현재의 포지션이 결정된다. 일부 예시에서, 본래 토크에 대한 구속력 및/또는 복귀력의 양이 방법(800)에 의해 보정되고 있는 경우, 토크 한계 보정의 양은 DOF의 현재의 포지션에 좌우될 수 있다. 도 5의 예시에서, 토션 스프링(540)에 의해 가해진 토크의 양은 캡스턴(510) 및/또는 샤프트(520)의 회전 각도(DOF 포지션에 상응함)에 좌우된다. 일부 예시에서, DOF 포지션은 하나 이상의 포지션 센서 및/또는 회전 센서를 사용하여 측정될 수 있다. 일부 예시에서, 센서는 DOF의 근위방향에 위치될 수 있고, DOF 각도를 간접적으로 측정하도록 구성될 수 있다. 일부 예시에서, 센서는 DOF를 조작하는데 사용될 수 있는, 구동 유닛(500)과 같은 하나 이상의 구동 유닛과 결합될 수 있다. 일부 예시에서, 센서는 캡스턴(510)과 같은 캡스턴의 회전 각도 및/또는 구동 샤프트(520)와 같은 구동 샤프트의 회전 각도를 측정할 수 있다.
과정(840)에서, 토크 한계 보정이 결정된다. 토크 한계 보정 모델(600)과 같은 토크 한계 보정 모델은 과정(830) 동안 결정되는 현재의 DOF 포지션에 기초하여 적용하기 위해서 토크 한계 보정의 양을 결정하는데 사용된다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정 모델은 토션 스프링(540)과 같은 홈 메커니즘에 대한 구속력 및/또는 복귀력에 의해 가해지고 있는 본래 토크에 대한 구속력 및/또는 복귀력의 예상되는 양을 설명할 것이다. 일부 예시에서, 사용할 토크 한계 보정 모델은 움직이게 되는 DOF, 수술 기구의 모델, 시리얼 넘버와 같은 수술 기구의 식별자 및/또는 이와 유사한 것에 기초하여 선택될 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정 곡선(610)과 같은 토크 한계 보정 곡선은 현재의 DOF 포지션을 토크 한계 보정의 양에 대해 맵핑(map)하는데 사용될 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정 곡선은 룩업 테이블 안에 들어있는 것들 사이의 토크 한계 보정의 양을 결정하는데 이용되고 있는 내삽법 및/또는 곡선 맞춤으로 룩업 테이블(700)과 같은 룩업 테이블을 이용하여 모델링될 수 있다. 일부 예시에서, 내삽법 및/또는 곡선 맞춤은 선형 내삽법, 다항식 내삽법, 3차원 스플라인 모델링 및/또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다.
과정(850)에서, 토크 한계 보정은 토크 한계에 적용된다. 일부 예시에서, DOF를 위한 하나 이상의 토크 한계는 과정(840) 동안 결정된 토크 한계 보정의 양에 기초하여 조절될 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정의 양은 DOF를 위한 제어 알고리즘에 의해 사용되는 각각의 토크 한계에 추가될 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계는 상위 토크 한계를 포함할 수 있어서, DOF를 위한 원하는 조종 여유는 유지될 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계가 하위 토크 한계와 상위 토크 한계 사이에 있는 토크의 범위를 특정하는 경우, 토크 한계 보정은 하위 토크 한계와 상위 토크 한계 양자 모두에 적용될 수 있다. 일부 예시에서, 토크 한계 보정은 비대칭적인 토크 한계를 생성하는데 사용될 수 있어서, 본래 토크에 대한 구속력 및/또는 복귀력이 DOF를 추가로 조작하기 위해서 극복되고 있는 경우에는 더 높은 규모 토크 한계가 사용되고, 본래 토크에 대한 구속력 및/또는 복귀력이 DOF의 조작을 도와주고 있는 경우에는 더 낮은 규모 토크 한계가 사용된다. 일부 예시에서, 4개의 토크 한계(예컨대, 본래 토크에 대한 구속력 및/또는 복귀력에 대항하는 DOF 변화들을 위한 양의 상위 토크 한계와 양의 하위 토크 한계, 및 본래 토크에 대한 구속력 및/또는 복귀력에 의해 도움받는 DOF 변화들을 위한 음의 하위 토크 한계와 음의 상위 토크 한계)를 사용하는 DOF 제어 알고리즘은 토크 한계 보정을 각각의 4개의 토크 한계에 추가하여 조절되는 각각의 4개의 토크 한계를 가질 수 있다.
과정(860)에서, DOF는 원하는 포지션으로 움직이게 된다. 일부 예시에서, DOF는 원하는 포지션으로 움직이도록 명령받는다. 일부 예시에서, DOF는 전압, 전류, 듀티 사이클(duty cycle) 및/또는 이와 유사한 것과 같은 하나 이상의 신호를 모터, 솔레노이드, 서보, 능동형 액추에이터, 유압식 액추에이터, 공압식 액추에이터 및/또는 이와 유사한 것에 보냄으로써 원하는 포지션으로 움직이도록 명령받을 수 있다. 일부 예시에서, DOF는 구동 구성요소, 구동 메커니즘, 구동 유닛, 및/또는 모터, 솔레노이드, 서보, 능동형 액추에이터, 유압식 액추에이터, 공압식 액추에이터 및/또는 이와 유사한 것과 같은 액추에이터를 사용하여 토크를 가함으로써 원하는 포지션으로 움직이도록 명령받을 수 있다. 일부 예시에서, 가해지는 토크의 양은, 토크 한계 보정이 활성상태인 경우에는 과정(850) 동안 결정된 토크 한계에 기초하여 제한될 수 있고 그리고/또는 토크 한계 보정이 활성상태가 아닌 경우에는 과정(820)에 관하여 앞서 기술된 디폴트 토크 한계에 기초하여 제한될 수 있다.
DOF가 움직이도록 명령받은 후, 움직임 및 토크 한계 보정은 과정(810)으로 복귀하여 반복될 수 있다. 일부 예시에서, 방법(800)의 과정 루프는 DOF를 위한 제어 알고리즘의 제어 루프 속도와 같이 일정한 간격으로 반복될 수 있다.
위에서 설명되고 여기에서 더욱 강조된 바와 같이, 도 8은 청구범위를 지나치게 제한해서는 안되는 단순한 일 예시일 뿐이다. 당해 기술분야에서의 통상의 기술자라면 다수의 변형예, 대체예 및 수정예를 알 수 있을 것이다. 일부 실시예에 따르면, 토크 한계 보정은 속도 제어 알고리즘 및/또는 이와 유사한 것과 같은 포지션 제어 알고리즘 이외의 것에 적용될 수 있다. 일부 예시에서, 속도 제어 알고리즘이 사용되는 경우, 과정(810)은 생략될 수 있고, 과정(860)은 원하는 속도를 방법(800)에 의해 세팅된 토크 한계를 조건으로 DOF 포지션에 적용하도록 수정될 수 있다.
제어 유닛(140)과 같은 제어 유닛의 일부 예시들은, 하나 이상의 프로세서(예컨대 프로세서(150))에 의해 실행되는 경우 하나 이상의 프로세서가 방법(800)의 과정들을 수행하게 할 수 있는 실행가능한 코드를 포함하는, 비일시적 촉각 기계 판독가능 매체를 포함할 수 있다. 방법(800)의 과정들을 포함할 수 있는 기계 판독가능 매체의 일부 공통된 형태들에는, 플로피 디스크, 플렉서블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 임의의 다른 자기 매체, CD-ROM, 임의의 다른 광학 매체, 펀치 카드, 종이 테이프, 구멍들로 된 패턴이 있는 임의의 다른 물리적 매체, RAM, PROM, EPROM, 플래시-EPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 및/또는 프로세서나 컴퓨터가 판독할 수 있도록 되어 있는 임의의 다른 매체와 같은 것이 있다.
설명하기 위한 실시예들이 기술되어 나타나 있지만, 광범위한 수정, 변경 및 대체는 전술되어 있는 명세서에 고려되어 있고, 일부 경우, 실시예들의 일부 특징들은 다른 특징들의 대응하는 사용없이 이용될 수 있다. 당해 기술분야에서의 통상의 기술자라면 많은 변경예, 대체예 및 수정예를 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음에 오는 청구범위만으로 제한되어야 하고, 청구범위가 본 명세서에 기술되어 있는 실시예들의 범위에 따르는 방식으로 최광의로 해석되어야 하는 것이 적절하다.

Claims (15)

  1. 하나 이상의 프로세서(150)에 의해, 수술 기구(130, 200)의 기계적 자유도의 현재의 포지션을 결정하는 것;
    상기 하나 이상의 프로세서(150)에 의해, 상기 현재의 포지션에 기초하여 힘 또는 토크 한계 보정을 결정하는 것;
    상기 하나 이상의 프로세서(150)에 의해, 상기 힘 또는 토크 한계 보정에 근거하여 하나 이상의 힘 또는 토크 한계를 변경하는 것; 그리고
    상기 하나 이상의 힘 또는 토크 한계를 조건으로 상기 기계적 자유도를 조절하는 것을 포함하는,
    컴퓨터 보조 의료 장치(110)에 사용하기 위한 수술 기구(130, 200)을 작동시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기계적 자유도는:
    상기 수술 기구(130, 200)의 원위 단부에 위치되는 엔드 이펙터(220)의 파지용 죠(310)의 각도;
    상기 엔드 이펙터(220)의 커팅 블레이드(330)의 밀린 양; 또는
    상기 엔드 이펙터(220)를 상기 수술 기구(130, 200)의 샤프트(210)에 연결하는 관절식 리스트(230)의 구부림 각도; 와 관련된,
    방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 현재의 포지션을 결정하는 것은 상기 수술 기구(130, 200)의 구동 유닛(500)에서 상기 현재의 포지션을 측정하는 것을 포함하는,
    방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    보정 곡선(610)을 이용하여 상기 현재의 포지션 및 상기 힘 또는 토크 한계 보정 사이의 관계를 모델링 하는 것을 더 포함하는,
    방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보정 곡선(610)은:
    상기 보정 곡선(610)이 제1 기울기를 갖는 경우의 전이 영역(630);
    상기 보정 곡선(610)이 상기 제1 기울기보다 작은 제2 기울기를 갖는 경우의 조종 영역(640); 및
    상기 힘 또는 토크 한계 보정이 최대 값에 있는 경우의 포화 영역(650); 을 구비하는,
    방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제어 지점들의 룩업 테이블(700)을 이용하여 상기 현재의 포지션 및 상기 힘 또는 토크 한계 보정 사이의 관계를 모델링 하는 것을 더 포함하는,
    방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 힘 또는 토크 한계 보정을 결정하는 것은 상기 현재의 포지션에 기초하여 상기 힘 또는 토크 한계 보정을 결정하기 위해 상기 룩업 테이블(700) 및 내삽법을 이용하는 것을 포함하는,
    방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 힘 또는 토크 한계를 변경하는 것은 상기 힘 또는 토크 한계 보정을 상기 하나 이상의 힘 또는 토크 한계 각각에 추가하는 것을 포함하는,
    방법.
  9. 컴퓨터가 제1항 또는 제2항의 방법을 실행하도록 하는 프로그램을 기록한, 컴퓨터 판독가능한 매체.
  10. 컴퓨터 보조 의료 장치(110)로서,
    하나 이상의 프로세서(150);
    관절식 아암(120); 및
    상기 관절식 아암(120)의 원위 단부에 연결되는 수술 기구(130, 200);를 포함하고,
    상기 수술 기구(130, 200)는:
    상기 수술 기구(130, 200)의 원위 단부에 위치되는 엔드 이펙터(220);
    상기 수술 기구(130, 200)의 기계적 자유도를 조종하기 위해 상기 수술 기구(130, 200)의 근위 단부에 위치되는 구동 유닛(500);
    상기 엔드 이펙터(220)를 상기 구동 유닛(500)에 연결하는 샤프트(210); 및
    힘 또는 토크를 상기 구동 유닛(500)으로부터 적어도 상기 엔드 이펙터(220)로 연결하기 위해 상기 샤프트(210)를 통하여 연장되는 하나 이상의 구동 메커니즘;을 포함하고,
    상기 컴퓨터 보조 의료 장치(110)는:
    상기 기계적 자유도의 현재의 포지션을 결정하도록;
    상기 현재의 포지션에 기초하여 힘 또는 토크 한계 보정을 결정하도록;
    상기 힘 또는 토크 한계 보정에 기초하여 하나 이상의 힘 또는 토크 한계를 변경하도록; 그리고
    상기 하나 이상의 힘 또는 토크 한계를 조건으로 상기 기계적 자유도를 조절하도록; 구성되는,
    컴퓨터 보조 의료 장치(110).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 현재의 포지션은 상기 구동 유닛(500)에서 측정되는,
    컴퓨터 보조 의료 장치(110).
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 현재의 포지션 및 상기 힘 또는 토크 한계 보정 사이의 관계는 보정 곡선(610)을 이용하는,
    컴퓨터 보조 의료 장치(110).
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 현재의 포지션 및 상기 힘 또는 토크 한계 보정 사이의 관계는 제어 지점들 사이의 룩업 테이블(700)을 이용하여 모델링되는,
    컴퓨터 보조 의료 장치(110).
  14. 제13항에 있어서,
    상기 룩업 테이블(700) 및 내삽법은 상기 현재의 포지션에 기초하여 상기 힘 또는 토크 한계 보정을 결정하기 위해 이용되는,
    컴퓨터 보조 의료 장치(110).
  15. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 힘 또는 토크 한계는 상기 힘 또는 토크 한계 보정을 상기 하나 이상의 힘 또는 토크 한계 각각에 추가함으로써 변경되는,
    컴퓨터 보조 의료 장치(110).
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