KR20170139655A - 초정교 수술 시스템 사용자 인터페이스 디바이스 - Google Patents

Abstract

사용자 인터페이스 디바이스가 개시된다. 디바이스는 사용자의 손에서 유지될 수 있는 본체를 포함할 수 있다. 본체는, 사용자의 손에 의한 본체의 직동 및 회전을 용이하게 하기 위해 사용자의 손의 손가락에 의해 파지될 수 있는 외부 표면을 구비한다. 디바이스는 본체 내에 배치되는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 센서는 본체의 위치 및 방위 정보 중 하나 또는 둘 모두를 제어 시스템으로 제공할 수 있다. 본체는, 사용자의 손가락에 의해 파지되는 본체의 외부 표면을 통해 사용자에게 피드백을 제공할 수 있고 그리고/또는 본체의 직동, 본체의 회전, 사용자의 손가락을 사용한 외부 표면의 누름, 및 본체의 종축의 각도 방위의 변화 중 하나 이상을 통해 사용자로부터 제어 입력을 수신할 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법이 또한 제공된다.

Description

초정교 수술 시스템 사용자 인터페이스 디바이스

임의의 우선권 출원에 대한 참고에 의한 통합

본 출원은 2015년 4월 23일자로 출원된 미국 가출원 제62/151596호의 35 U.S.C. §119(e) 하에서 우선권 이익을 주장하는데, 상기 가출원은 참고로 그 전체가 본 명세서에 통합되며 본 명세서의 일부로서 간주되어야 한다. 본 출원은, 미국을 지정국으로 하여 2014년 3월 13일자로 출원되고 2014년 9월 25일자로 WO 2014/151621호로서 영어로 공개된 국제 출원 PCT/US2014/026115호 그 전체를 참고로 통합하는데, 이 국제 출원은 본 명세서의 일부로서 간주되어야 한다. 본 출원은, 참고로 그 전체가 본 명세서에 통합되는 2015년 2월 24일자로 출원된 미국 가출원 제62/120,128호 그 전체를 참고로 통합하는데, 이 가출원은 본 명세서의 일부로서 간주되어야 한다.

분야

수술 로봇은 외과 의사가 최소 침습적 방식으로 환자를 수술하는 것을 허용한다. 본 출원은 수술 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 하나 이상의 초정교 수술용 팔(hyperdexterous surgical arm) 및 하나 이상의 엔드 이펙터(end effector)를 갖는 초정교 수술 시스템, 및 그것을 동작시키는 방법에 관한 것이다.

로봇의 사용은 삶의 모든 양상에서 성장 및 확산하고 있다. 몇몇 로봇은, 단지 로봇을 기동시키고 작업의 세트를 수행할 것을 로봇에게 지시하는 것 이상으로는 인간의 개입이 필요하지 않다는 점에서 자율적이다. 몇몇 다른 로봇은 인간 수술 집도자(operator)에 의해 제어된다. 수술을 위해 사용되는 시판 중인 로봇 시스템은, 수술 집도자가 로봇을 제어하는 나중에 나온 종류의 예이다.

통상적으로, 이러한 시스템은 수술 집도자가 로봇을 조작할 수 있게 하는 콘솔을 구비한다. 따라서, 외과 의사는, 시판 중인 로봇 수술 시스템을 사용할 때 환자로부터 원격에 위치되는데, 종종 원격 콘솔에 앉아 있다. 통상적으로, 시판 중인 시스템은 기계적으로 고정된 사용자 인터페이스 디바이스(mechanically grounded user interface device)를 사용한다. 통상적으로, 이들 고정식 사용자 인터페이스 디바이스(grounded user interface device)는 공간적으로 사용자 콘솔에 고정된다. 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 방위(orientation) 및 방향(direction)의 감각을 전달한다. 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 자유 공간에서 조작되지 않는다.

시판 중인 시스템에서, 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는, 로봇 시스템이 조인트 한계(joint limit)에 도달하는 경우와 같은 다양한 상황에서 피드백을 제공할 수 있다. 피드백은 사용자에 의해 제공될 수도 있다 - 사용자 입력 디바이스가 움직이기 어렵다는 것을 단순히 느낀다. 보다 진보된 방법에서, 로봇 시스템은 고정식 사용자 인터페이스 디바이스에 의도적으로 모션을 부과하여 피드백을 제공할 수도 있다.

고정식 사용자 인터페이스 디바이스의 주요 기능은, 툴(tool) 및 엔드 이펙터를 정교하게 조작하는 능력을 수술 집도자에게 제공하는 것이다. 시판중인 로봇 수술 시스템에서, 대형 로봇 팔이 로봇 툴을 제어한다. 툴은 작은 절개부에 삽입된다. 로봇 툴의 원위단(distal end)은 통상적으로, 환자의 신체 내에서 수술을 수행하기 위한 엔드 이펙터(예를 들면, 그래스퍼(grasper), 스테플러(stapler) 등)를 포함한다. 엔드 이펙터는, 로봇 팔의 성능의 제약 내에서, 공간 내에서 직동된다(translated). 외과 의사는 통상적으로 환자로부터 멀리 떨어진 몰입형 콘솔로부터 로봇 팔을 제어한다. 로봇 툴은 소정의 수술 작업을 잘 수행할 수 있지만, 그러나 다른 수술 작업에는 적합하지 않다.

시판 중인 수술 로봇 시스템에서, 로봇 툴의 모션은 일반적으로 로봇 카메라를 통해 관찰된다. 로봇 카메라의 모션은, 다른 로봇 툴과 같이 역시나 외과 의사의 제어 하에서, 로봇 팔에 의해 제어된다. 고정식 사용자 인터페이스 디바이스를 제어하는 외과 의사의 손의 움직임은, 카메라의 참조 프레임 내에서의 로봇 툴의 움직임으로 매핑될 수 있다. 고정식 사용자 인터페이스 디바이스의 모션은, 로봇 카메라의 참조 프레임 내에서 로봇 툴의 원위 엔드 이펙터(distal end effector)로 매핑된다. 따라서, 외과 의사에게 제공되는 참조 정보는 카메라에 의해 제공되는 뷰로 제한된다. 디스플레이는 통상적으로 로봇 툴의 원위단의 모션을 로봇에 의해 유지되는 카메라의 관점에서 정밀하게 나타낸다.

따라서, 외과 의사는, 로봇 툴을 특정한 작업에 대해 소망되는 대로 제어하기 위해서는, 카메라에 의해 제공되는 제한된 정보를 가지고 해부학의 정신적 모델을 생성해야만 한다. 콘솔에 있는 그의 먼 위치로 인해, 외과 의사는 수술 공간에 대한 그의 이해를 증대시키기 위한 환자의 추가적인 뷰를 획득할 수 없다. 로봇 카메라의 제한된 시점은 수술의 양상을 덜 자연스럽게 만든다. 예를 들면, 복부의 한 사분면에서 다른 사분면으로 큰 움직임을 행하는 것은, 특히 환자의 중간선을 포함하는 호를 통해 카메라가 스위핑하는 것을 수반하는 모션을 행하는 것은, 아주 곤란하다.

통상적으로, 외과 의사는 몰입형 경험을 제공하는 뷰어를 통해 수술 부위 및 툴을 관찰한다. 몇몇 경우에, 콘솔 너머의 외과 의사의 위치로 인해, 외과 의사와 지원 스태프(staff) 사이의 의사 소통이 제한되거나 또는 방해 받는다. 로봇 수술을 수행하는 팀은, 외과 의사가 환자와 떨어져 있고 직원과 직접적으로 의사 소통할 수 없기 때문에, 고도로 훈련되고 숙련되어야 한다. 로봇 수술이 수행되는 상황에서 높은 레벨의 효율성을 달성하는 것은, 수 개월, 경우에 따라 수 년의 연습을 필요로 한다. 이것은 팀의 멤버가 교체되는 것을 어렵게 만든다. 추가적으로, (콘솔의) 이 원격 위치로부터, 외과 의사는, 로봇 팔을 제어하는 동안, 수동 툴을 동시에 사용할 수 없다.

현재의 시스템의 단점은, 그들이 제한된 정보를 외과 의사에게 제공한다는 것이다. 통상적으로, 이 정보는 로봇 카메라의 시점으로 제한된다. 외과 의사는 고정식 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 동안 환자를 볼 수 없다. 외과 의사는 환자의 해부학적 구조에 대한 피드백을 받을 수 없다. 외과 의사는 고정식 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 동안 수동 툴을 사용할 수 없거나 또는 환자를 만질 수 없다. 시판 중인 로봇 수술 시스템의 다른 단점은, 외과 의사가 수술 중에 자신의 위치를 바꾸는 것을 허용하지 않는다는 것이다. 외과 의사는, 고정식 사용자 인터페이스 디바이스를 조작하여 로봇 툴의 엔드 이펙터로 수술 작업(surgical task)을 행하기 위해서는 몰입형 콘솔에 남아 있어야만 한다.

시판 중인 로봇 수술 시스템에서의 상기에서 논의되는 결점을 극복하고 외과 수술을 수행할 때 외과 의사에게 유연성을 제공하는 사용자 인터페이스 디바이스에 대한 필요성이 존재한다.

사용자 인터페이스 디바이스는 상기에서 설명되는 시판 중인 사용자 인터페이스 디바이스에 비해 이점을 제공한다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스(groundless and body grounded user interface device)의 하나의 양태는 이들 디바이스가 자유 공간에서 조작된다는 것이다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 유익하게도 콘솔에 구속되지 않는다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는, 서 있거나 앉은 상태에서, 사용자에 대한 자연스러운 높이에서 조작될 수 있고, 유익하게도, 외과 의사가 수술실을 돌아 다니는 동안 조작될 수 있다.

지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스의 하나의 양태는, 이들 디바이스가 유선 또는 무선일 수 있다는 것이다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 유익하게도 사용자가 유선의 제약 없이 수술장을 자유롭게 돌아 다니는 것을 허용할 수도 있다. 유선의 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는, 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스로부터의 신호 및 정보를 전달하는 더욱 신뢰성 있는 연결을 제공할 수도 있다.

지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스의 하나의 양태는, 이들 디바이스가 방위의 감각을 제공하는 형상을 가질 수 있다는 것이다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는, 사용자가 그의 또는 그녀의 손가락을 놓을 수 있는 표면 또는 인터페이스를 포함할 수 있다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 긴 형상(elongate shape)을 가질 수 있다. 예를 들면, 긴 형상의 끝은 방위(예를 들면, 앞, 뒤)의 감각을 제공할 수 있다. 예를 들면, 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스의 표면은 방위(예를 들면, 상, 하)의 감각을 제공할 수 있다.

지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스의 하나의 양태는, 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스가 조작될 수 있는 곳에서 이들 디바이스가 다재다능성(versatility)을 제공한다는 것이다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 유리하게도 휴대형이며 외과 의사와 함께 이동 가능하다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는, 수술장 내에서 환자에 대한 임의의 위치 및/또는 방위로부터 사용될 수 있다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 환자에 근접하여 조작될 수 있다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 환자로부터 떨어진 위치에서, 예컨대 콘솔에서 조작될 수 있다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는, 사용자가 환자를 기준으로 그 자신의 방위를 다시 바르게 맞출 때 조작될 수 있다.

지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스의 하나의 양태는, 이들 디바이스가 사용자에게 피드백을 제공할 수 있다는 것이다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는, 예를 들면, 초정교 수술 시스템의 움직임 한계에 대한 피드백을 제공할 수 있다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 조인트 한계에 대한 피드백을 제공할 수 있다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 수술 공간에 관한 피드백을 제공할 수 있다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는, 엔드 이펙터가 딱딱한 물체와 충돌하거나 또는 충돌할 잠재성을 갖는 경우 피드백을 제공할 수 있다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는, 엔드 이펙터가 접촉하고 있는 물체의 경도 또는 연화도(softness)에 대한 피드백을 제공할 수 있다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 압력의 형태로 피드백을 제공할 수 있다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 소리의 형태로 피드백을 제공할 수 있다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 빛의 형태로 피드백을 제공할 수 있다.

지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스의 하나의 양태는, 이들 디바이스가 환자에 대한 상해를 억제할 수 있다는 것이다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는, 예컨대 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스가 부주의로 떨어지는 경우, 엔드 이펙터가 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스를 뒤따르는 것을 유익하게도 방지할 수 있다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 임피던스 정보를 제공할 수 있다. 사용자가 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스를 떨어뜨리는 경우 임피던스 값은 변할 것이다. 초정교 수술 시스템은, 임피던스 값이 임계치를 넘는 경우 엔드 이펙터가 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스의 모션을 뒤따르는 것을 방지할 수 있다. 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 가속 정보를 제공할 수 있다. 사용자가 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스를 떨어뜨리는 경우 가속도는 변할 것이다. 초정교 수술 시스템은, 가속도 값이 임계치를 넘는 경우 엔드 이펙터가 지반 고정이 없는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스의 모션을 뒤따르는 것을 방지할 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스가 개시된다. 디바이스는 사용자의 손에서 유지되도록 구성되는 본체를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 본체는 근위 부분과 원위 부분을 포함하고, 본체의 근위단과 원위단 사이의 종축(longitudinal axis)에 의해 획정되는 길이를 따라 연장된다. 몇몇 실시형태에서, 본체는, 종축을 횡단하여 연장하는 횡축(transverse axis)을 따라 획정되는 폭을 따라 연장된다. 몇몇 실시형태에서, 길이는 본체의 폭보다 더 크다. 몇몇 실시형태에서, 본체는 사용자의 손의 손가락에 의해 파지되도록 그리고 사용자의 손에 의한 본체의 직동(translation) 및 회전을 용이하게 하도록 구성되는 외부 표면을 포함한다. 디바이스는 본체 내에 배치되는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 센서는 본체의 위치 및 방위 정보 중 하나 또는 둘 모두를 제어 시스템으로 제공하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 본체는 본체의 직동, 본체의 회전, 사용자의 손가락을 사용한 외부 표면의 누름, 및 본체의 종축의 각도 방위의 변화 중 하나 이상을 통해 사용자로부터 제어 입력을 수신하도록 구성된다.

몇몇 실시형태에서, 본체는, 사용자의 손의 손가락에 의해 파지되는 본체의 외부 표면을 통해 사용자에게 촉각 피드백을 제공하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 사용자 인터페이스 디바이스는 오로지 사용자의 손에 의해서만 지지된다. 몇몇 실시형태에서, 사용자 인터페이스 디바이스는 사용자 인터페이스 디바이스의 모션을 로봇 팔의 엔드 이펙터의 모션으로 변환하기 위한 입력을 제어 시스템으로 제공하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 센서는 기능의 용장성(redundancy)을 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 센서는 상이한 유형이다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 센서는 근접 센서를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 외부 표면은 사용자에 의해 눌리도록(depressed) 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 본체는 유체로 채워지도록 구성되는 챔버를 포함하는데, 여기서 사용자에 의한 외부 표면의 누름(depression)은 챔버 내 감지된 압력을 변화시키고, 감지된 압력의 변화는 제어 시스템으로 전달되어, 감지된 압력을, 본체로 제어되는 로봇 팔의 엔드 이펙터에 의해 인가되는 힘으로 변환한다. 몇몇 실시형태에서, 본체는 챔버의 압력을 변화시켜 촉각 피드백을 사용자에게 제공하도록 구성되는 펌프를 더 포함한다.

몇몇 실시형태에서, 핸드헬드식 사용자 인터페이스 디바이스가 개시된다. 디바이스는 사용자의 손에 유지되도록 그리고 오로지 사용자의 손에 의해서만 지지되도록 구성되는 본체를 포함할 수 있다. 옵션적으로(optionally), 본체는 또한 사용자의 팔에 의해 지지될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 본체는, 사용자의 손에 의한 본체의 직동 및 회전을 용이하게 하기 위해 사용자의 손의 손가락에 의해 파지되도록 구성되는 외부 표면을 포함한다. 디바이스는 본체 내에 배치되는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 센서는 본체의 위치 및 방위 정보 중 하나 또는 둘 모두를 제어 시스템으로 제공하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 본체는 사용자의 손가락에 의해 파지되는 본체의 외부 표면을 통해 사용자에게 피드백을 제공하도록 구성된다.

몇몇 실시형태에서, 본체는 본체의 직동, 본체의 회전, 사용자의 손가락을 사용한 외부 표면의 누름, 및 본체의 종축의 각도 방위의 변화 중 하나 이상을 통해 사용자로부터 제어 입력을 수신하도록 구성된다. 디바이스는 옵션적으로, 사용자 인터페이스 디바이스의 종축의 방위를 조정하기 위해 본체의 외부 스킨 내에서 이동하도록 구성되는 내부 섀시를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 내부 섀시는 목적하는 피치(pitch) 및/또는 요(yaw) 방위를 달성하기 위해 외부 스킨에 대해 이동하고 이것을 사용자에게 촉각적으로 전달한다. 몇몇 실시형태에서, 내부 섀시는 팽창, 수축, 맥동, 및 회전으로 이루어진 군으로부터 선택되는 다음의 방식 중 하나에서 이동한다. 몇몇 실시형태에서, 내부 섀시는 내부 섀시의 모션에 영향을 주는 하나 이상의 액추에이터를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 액추에이터는 목적하는 롤(roll) 방위를 달성하도록 작동 가능한 링을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 내부 섀시는, 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 제어되는 디바이스, 예컨대 엔드 이펙터의 축과의 사용자 인터페이스 디바이스의 종축의 정렬을 유지하기 위해, 피치, 요 및/또는 롤 방위를 조정한다. 몇몇 실시형태에서, 내부 섀시는, 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 제어되는 디바이스(예를 들면, 엔드 이펙터)에 대한 힘에 응답하여, 피치, 요 및/또는 롤 방위를 조정한다. 몇몇 실시형태에서, 본체는 본체의 형상을 변화시키기 위한 하나 이상의 액추에이터를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 본체는 본체의 형상을 변화시키기 위한 하나 이상의 압력 챔버를 포함한다.

몇몇 실시형태에서, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법이 개시된다. 그 방법은, 사용자 인터페이스 디바이스의 본체를 사용자의 손으로 잡는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 본체는 근위 부분과 원위 부분을 포함하고, 본체의 근위단과 원위단 사이의 종축을 따라 획정되는 길이를 따라 연장된다. 몇몇 실시형태에서, 본체는, 종축을 횡단하여 연장되는 횡축(transverse axis)을 따라 획정되는 폭을 따라 연장된다. 몇몇 실시형태에서, 길이는 본체의 폭보다 더 크다. 몇몇 실시형태에서, 디바이스는 본체의 방위 정보를 제어 시스템으로 제공하는, 본체 내에 배치되는 하나 이상의 센서를 포함한다. 그 방법은, 본체의 직동, 본체의 회전, 사용자의 손가락을 사용한 외부 표면의 누름, 및 본체의 종축의 각도 방위의 변화 중 하나 이상으로부터 제어 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

그 방법은, 사용자 인터페이스 디바이스로 디바이스, 예컨대 로봇 팔의 엔드 이펙터의 동작을 제어하기 위해, 상기 제어 신호를 제어 시스템으로 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은, 사용자 인터페이스 디바이스의 모션을, 사용자 인터페이스 디바이스로 제어되는 디바이스(예를 들면, 엔드 이펙터)의 모션으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은, 사용자 인터페이스 디바이스의 본체 내의 섀시를 이동시키기 위한 제어 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은 사용자 인터페이스 디바이스의 종축의 방위를 조정하기 위해 본체 내의 섀시를 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 제어되는 엔드 이펙터의 축의 목적하는 피치 및/또는 요 방위를 달성하기 위해 섀시를 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은 팽창, 수축, 맥동, 및 회전으로 이루어진 군으로부터 선택되는 다음의 방식 중 하나에서 내부 섀시를 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 제어되는 엔드 이펙터의 축의 목적하는 롤 방위를 달성하기 위해 링을 작동시키는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은, 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 제어되는 디바이스(예를 들면, 엔드 이펙터)의 축과의 사용자 인터페이스 디바이스의 종축의 정렬을 유지하기 위해, 섀시의 피치, 요 및/또는 롤 방위를 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은, 상기 디바이스(예를 들면, 엔드 이펙터)에 대한 힘에 응답하여, 섀시의 피치, 요 및/또는 롤 방위를 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은, 엔드 이펙터가 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 이동되는 구동 모드에서 사용자 인터페이스 디바이스를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은, 사용자에 의한 사용자 인터페이스 디바이스의 움직임에도 불구하고, 사용자 인터페이스 디바이스의 섀시가 엔드 이펙터의 축과의 사용자 인터페이스 디바이스 축의 종축의 정렬을 유지하는 비구동 모드에서 사용자 인터페이스 디바이스를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 섀시의 움직임은 조인트 한계에 대한 피드백을 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 섀시의 움직임은 엔드 이펙터에 의해 경험되는 힘에 대한 피드백을 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 본체를 유지하는 것은 본체를 오로지 사용자의 손으로만 지지하는 것을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 사용자의 손가락으로 외부 표면을 누르는 것은, 로봇 팔의 엔드 이펙터에 의해 인가되는 힘으로 제어 시스템이 변환하는 압력 신호를 생성한다. 몇몇 실시형태에서, 사용자의 손가락으로 외부 표면을 누르는 것은, 본체의 임의의 회전 위치에서 외부 표면을 누르는 것을 더 포함한다.

본 발명의 한 양태에 따르면, 사용자의 손에 유지되도록 구성되는 본체 - 본체는 근위 부분 및 원위 부분을 포함하며 본체의 근위단과 원위단 사이의 종축에 의해 획정되는 길이를 따라 연장되고, 본체는 종축을 횡단하여 연장되는 횡축을 따라 획정되는 폭을 따라 연장되고, 길이는 본체의 폭보다 더 크고, 본체는 사용자의 손의 손가락에 의해 파지되도록 그리고 사용자의 손에 의한 본체의 직동 및 회전을 용이하게 하도록 구성되는 외부 표면을 포함함 -; 및 본체 내에 배치되는 하나 이상의 센서 - 하나 이상의 센서는 본체의 위치 및 방위 중 하나 또는 둘 모두를 제어 시스템으로 제공하도록 구성됨 -를 포함하는 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스가 제공되는데, 본체는, 본체의 직동, 본체의 회전, 사용자의 손가락을 사용한 외부 표면의 누름, 및 본체의 종축의 각도 방위의 변화 중 하나 이상을 통해 사용자로부터 제어 입력을 수신하도록 구성된다.

디바이스는, 본체가 사용자의 손의 손가락에 의해 파지되는 본체의 외부 표면을 통해 사용자에게 촉각 피드백을 제공하게끔 구성되도록 구성될 수도 있다.

디바이스는, 사용자 인터페이스 디바이스가 오로지 사용자의 손에 의해서만 지지되도록 구성될 수도 있다.

디바이스는, 사용자 인터페이스 디바이스의 모션을 로봇 팔의 엔드 이펙터의 모션으로 변환하기 위한 입력을 제어 시스템으로 제공하도록 구성될 수도 있다.

디바이스는 하나 이상의 센서가 기능의 용장성을 제공하도록 구성될 수도 있다.

디바이스는 하나 이상의 센서가 상이한 유형으로 이루어지도록 구성될 수도 있다.

디바이스는 하나 이상의 센서가 근접 센서를 포함하도록 구성될 수도 있다.

디바이스는 외부 표면이 사용자에 의해 눌려지도록 구성될 수도 있다.

디바이스는, 본체가 유체로 채워지도록 구성되는 챔버를 포함하도록 구성될 수도 있는데, 여기서 사용자에 의한 외부 표면의 누름은 챔버 내 감지된 압력을 변화시키고, 감지된 압력의 변화는 제어 시스템으로 전달되어, 감지된 압력을, 본체로 제어되는 로봇 팔의 엔드 이펙터에 의해 인가되는 힘으로 변환한다.

디바이스는, 챔버의 압력을 변화시켜 촉각 피드백을 사용자에게 제공하게끔 구성되는 펌프를 본체가 더 포함하도록 구성될 수도 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 사용자의 손에 유지되도록 그리고 오로지 사용자의 손에 의해서만 지지되도록 구성되는 본체 - 본체는 사용자의 손에 의한 본체의 직동 및 회전을 용이하게 하기 위해 사용자의 손의 손가락에 의해 파지되도록 구성되는 외부 표면을 포함함 -; 및 본체 내에 배치되는 하나 이상의 센서 - 하나 이상의 센서는 본체의 위치 및 방위 중 하나 또는 둘 모두를 제어 시스템으로 제공하도록 구성됨 -를 포함하는 핸드헬드식 사용자 인터페이스 디바이스가 제공되는데, 본체는, 사용자의 손가락에 의해 파지되는 본체의 외부 표면을 통해 사용자에게 피드백을 제공하도록 구성된다.

디바이스는, 본체의 직동, 본체의 회전, 사용자의 손가락을 사용한 외부 표면의 누름, 및 본체의 종축의 각도 방위의 변화 중 하나 이상을 통해 사용자로부터 제어 입력을 수신하게끔 본체가 구성되도록 구성될 수도 있다.

디바이스는, 사용자 인터페이스 디바이스의 종축의 방위를 조정하기 위해 본체의 외부 스킨 내에서 이동하도록 구성되는 내부 섀시를 디바이스가 더 포함하도록 구성될 수도 있다.

디바이스는, 내부 섀시가 목적하는 피치 및/또는 요 방위를 달성하기 위해 외부 스킨에 대해 이동하도록 그리고 이것을 사용자에게 촉각적으로 전달하도록 구성될 수도 있다.

디바이스는, 내부 섀시가 팽창, 수축, 맥동, 및 회전으로 이루어진 군으로부터 선택되는 다음의 방식 중 하나에서 이동하도록 구성될 수도 있다.

디바이스는, 내부 섀시의 모션에 영향을 주는 하나 이상의 액추에이터를 내부 섀시가 구비하도록 정렬될 수도 있다.

디바이스는, 목적하는 롤 방위를 달성하도록 작동 가능한 링을 하나 이상의 액추에이터가 포함하도록 구성될 수도 있다.

디바이스는, 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 제어되는 엔드 이펙터의 축과의 사용자 인터페이스 디바이스의 종축의 정렬을 유지하기 위해, 내부 섀시가 피치, 요 및/또는 롤 방위를 조정하도록 구성될 수도 있다.

디바이스는, 엔드 이펙터에 대한 힘에 응답하여 피치, 요 및/또는 롤 방위를 내부 섀시가 조정하도록 구성될 수도 있다.

디바이스는, 본체의 형상을 변화시키기 위한 하나 이상의 액추에이터를 본체가 포함하도록 구성될 수도 있다.

디바이스는, 본체의 형상을 변화시키기 위한 하나 이상의 압력 챔버를 본체가 포함하도록 구성될 수도 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법이 제공되는데, 그 방법은: 사용자의 손으로 사용자 인터페이스 디바이스의 본체 - 본체는 근위 부분 및 원위 부분을 포함하며 본체의 근위단과 원위단 사이의 종축을 따라 획정되는 길이를 따라 연장되고, 본체는 종축을 가로질러 연장되는 횡축을 따라 획정되는 폭을 따라 연장되고, 길이는 본체의 폭보다 더 크고, 본체 내에 배치되는 하나 이상의 센서는 본체의 방위 정보를 제어 시스템으로 제공함 - 를 잡는 것, 및 본체의 직동, 본체의 회전, 사용자의 손가락을 사용한 외부 표면의 누름, 및 본체의 종축의 각도 방위의 변화 중 하나 이상으로부터 제어 신호를 생성하는 것을 포함한다.

그 방법은, 사용자 인터페이스 디바이스로 로봇 팔의 엔드 이펙터의 동작을 제어하기 위해, 상기 제어 신호를 제어 시스템으로 전달하는 것을 포함할 수도 있다.

그 방법은 사용자 인터페이스 디바이스의 모션을 엔드 이펙터의 모션으로 변환하는 것을 포함할 수도 있다.

그 방법은, 사용자 인터페이스 디바이스의 본체 내의 섀시를 이동시키기 위한 제어 신호를 수신하는 것을 포함할 수도 있다.

그 방법은 사용자 인터페이스 디바이스의 종축의 방위를 조정하기 위해 본체 내의 섀시를 이동시키는 것을 포함할 수도 있다.

그 방법은 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 제어되는 엔드 이펙터의 축의 목적하는 피치 및/또는 요 방위를 달성하기 위해 섀시를 이동시키는 것을 포함할 수도 있다.

그 방법은 팽창, 수축, 맥동, 및 회전으로 이루어진 군으로부터 선택되는 다음의 방식 중 하나에서 내부 섀시를 이동시키는 것을 포함할 수도 있다.

그 방법은 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 제어되는 엔드 이펙터의 축의 목적하는 롤 방위를 달성하기 위해 링을 작동시키는 것을 포함할 수도 있다.

그 방법은, 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 제어되는 엔드 이펙터의 축과의 사용자 인터페이스 디바이스의 종축의 정렬을 유지하기 위해, 섀시의 피치, 요 및/또는 롤 방위를 조정하는 것을 포함할 수도 있다.

그 방법은, 엔드 이펙터에 대한 힘에 응답하여, 섀시의 피치, 요 및/또는 롤 방위를 조정하는 것을 포함할 수도 있다.

그 방법은, 엔드 이펙터가 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 이동되는 구동 모드에서 사용자 인터페이스 디바이스를 동작시키는 것을 포함할 수도 있다.

그 방법은, 사용자에 의한 사용자 인터페이스 디바이스의 움직임에도 불구하고, 사용자 인터페이스 디바이스의 섀시가 엔드 이펙터의 축과의 사용자 인터페이스 디바이스 축의 종축의 정렬을 유지하는 비구동 모드에서 사용자 인터페이스 디바이스를 동작시키는 것을 포함할 수도 있다.

그 방법은 섀시의 움직임이 조인트 한계에 대한 피드백을 제공하도록 구성될 수도 있다.

그 방법은, 섀시의 움직임이 엔드 이펙터에 의해 경험되는 힘에 대한 피드백을 제공하도록 구성될 수도 있다.

그 방법은, 본체를 유지하는 것이 본체를 오로지 사용자의 손으로만 지지하는 것을 포함하도록 구성될 수도 있다.

그 방법은, 사용자의 손가락으로 외부 표면을 누르는 것이, 로봇 팔의 엔드 이펙터에 의해 인가되는 힘으로 제어 시스템이 변환하는 압력 신호를 생성하도록 구성될 수도 있다.

그 방법은, 사용자의 손가락으로 외부 표면을 누르는 것이, 본체의 임의의 회전 위치에서 외부 표면을 누르는 것을 더 포함하도록 구성될 수도 있다.

달리 언급되지 않는 한, 또는 명확하게 양립할 수 없지 않는 한, 본 발명의 각각의 실시형태는, 본 명세서에서 설명되는 그 본질적인 특징부(feature) 외에, 본 발명의 각각의 다른 실시형태로부터 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 하나 이상의 특징부를 포함할 수도 있다.

도 1a는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(groundless user interface device)의 실시형태를 개략적으로 예시한다.
도 1b는 도 1a의 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스와 상호 작용하는 사용자를 개략적으로 예시한다.
도 2는 평면 B-B를 따른 도 1a의 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스의 단면도이다.
도 3은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스의 실시형태의 단면도이다.
도 4는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스의 실시형태를 개략적으로 예시한다.
도 5는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스(body grounded user interface device)의 실시형태를 개략적으로 예시한다.
도 6a는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스의 실시형태의 단면도이다.
도 6b는 도 6a의 섀시를 개략적으로 예시한다.
도 7은 도 6a의 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스의 링의 단면도이다.
도 8은, 몇몇 실시형태에 따른, 수술 집도자의 손의 커플링된 모션(coupled motion)을 분리하기(decouple) 위한 다수의 센서를 구비하는 초정교 수술 시스템을 예시한다.

미국을 지정국으로 하여 2014년 3월 13일자로 출원되고 2014년 9월 25일자로 WO 2014/151621호로서 영어로 공개된 국제 출원 PCT/US2014/026115호는 다양한 초정교 수술 시스템을 설명한다. 이 출원은 참고로 본 명세서에 통합된다. 본 출원은 새로운 유형의 로봇 시스템을 설명한다. 초정교 수술 시스템은 통상적인 시판 중인 로봇 시스템의 결함을 극복한다. 그러나, 사용자 인터페이스 디바이스의 다재다능성은, 초정교 수술 시스템의 툴 또는 엔드 이펙터의 움직임의 다재다능성과 매치해야 한다. 따라서, 다재다능성을 갖는 초정교 수술 시스템을 제어할 수 있는 사용자 인터페이스 디바이스가 본 명세서에서 개시된다. 사용자 인터페이스 디바이스는 엔드 이펙터 또는 툴을 제어할 수 있다. 엔드 이펙터의 예는, 그래스퍼(grasper) 또는 집게(jaw)를 포함한다. 엔드 이펙터는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 다음 중 임의의 것을 포함하는 것으로 이해되어야 한다: (1) 로봇 팔의 가장 먼 원위 부분, 통상적으로, 수술 환경과 상호 작용하는 부분; (2) (1)의 시뮬레이팅된 또는 가상 버전; 및/또는 (3) MRI 또는 CT 스캔 데이터와 같은 임의의 다른 3D 또는 2D 데이터세트 또는 가상 환경과의 사용자 상호 작용을 용이하게 하도록 설계되는 2D 또는 3D 마우스, 스타일러스, 포인터 등. 본 명세서에서 설명되는 사용자 인터페이스 디바이스는 다목적 3D 입력 디바이스이다. 몇몇 실시형태에서, 본 명세서에서 설명되는 사용자 인터페이스 디바이스는 물리적 로봇을 제어할 수 있다.

적어도 두 개의 새로운 유형의 사용자 인터페이스 디바이스가 본 명세서에서 개시된다. 사용자 인터페이스 디바이스의 하나의 새로운 카테고리는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스이다. 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스는 유리하게도 사용자 신체의 한 부분에 커플링된다. 이 부분은 외과 의사의 손과 같이, 사용자의 신체와 함께 움직일 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스의 다른 새로운 카테고리는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스이다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스는 유선 또는 무선일 수도 있다. 이들 두 가지 새로운 카테고리는, 고정식 사용자 인터페이스 디바이스로서 분류될 수도 있는 통상적인 시판 중인 시스템에서 발견되는 사용자 인터페이스 디바이스와는 대조적일 수도 있다. 이들 새로운 두 가지 카테고리는 다재다능한 방식으로 초정교 로봇 시스템을 제어하는 방식을 제공한다.

신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스 또는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스는, 로봇 시스템, 특히 수술을 위해 사용되는 로봇 시스템을 제어하기 위한 매우 상이한 패러다임을 도입한다. 고정식 사용자 인터페이스 디바이스와 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스 또는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스 사이의 하나의 차이점은, 후자의 두 디바이스가, 고정식 사용자 인터페이스 디바이스와는 달리, 유리하게도 자유 공간에서 조작된다는 것이다. 방위 및 방향의 감각을 전달하면서, 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스 및 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스는, 수술 집도자에게, 툴 및 엔드 이펙터를 정교하게 조작하는 능력 - 사용자 인터페이스 디바이스의 주요 기능임 - 을 제공한다. 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스에게 그리고 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스에게 다양한 상황에 대한 피드백을 제공할 필요성이 있다.

신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스 및 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스 둘 다의 땅에 닿지 않는 성질(ungrounded nature)로 인해 초래되는 다른 필요성이 존재한다. 하나의 필요성은, 특히 그것이 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스와 관련되기 때문에, 안전과 관련된다. 예를 들면, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스가 실수로 넘어지는 경우, 초정교 로봇 팔이, 넘어지는 사용자 인터페이스 디바이스를 뒤따르는 것을 방지하기 위해 따라서 환자에게 상해를 입히는 것을 방지하기 위해, 보호 조치가 마련될 필요가 있다. 이들은, 이러한 시스템에 의해 제공되는 다재다능성을 활용하려는 사용자 인터페이스 디바이스에 대한 요건 중 일부이다.

상기에서 언급되는 바와 같이, 두 가지 주요한 유형의 사용자 인터페이스 디바이스가 본 명세서에서 설명된다: 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스 및 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스. 사용자 인터페이스 디바이스의 형상은 방위의 감각을 제공하도록 그리고 다재다능한 조작을 제공하도록 선택될 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스가 일회용일(disposable) 수도 있도록 저가의 재료가 사용될 수 있다. 일회용 사용자 인터페이스 디바이스는 또한 무균성 문제(sterility issue)를 해결한다. 사용자 인터페이스 디바이스가 저가이고 일회용인 경우, 수술 집도자가, 임의의 다른 일회용 툴과 마찬가지로, 패키지를 개봉하여 사용자 인터페이스 디바이스를 사용할 때, 무균성이 보장될 수도 있다. 따라서, 저비용 설계는 무균성 요건을 해결한다. 사용자에게 촉각 피드백을 제공하는 메커니즘도 또한 설명된다. 양 유형의 사용자 인터페이스 디바이스는, 사용자 및 초정교 로봇 시스템에게 실시간 정보를 제공하는 센서를 구비할 수도 있다. 예를 들면, 사용자 인터페이스 디바이스 중 하나가 넘어지는 경우, 센서는, 대응하는 툴이 사용자 인터페이스 디바이스의 움직임을 따라가지 않도록 따라서 환자에 대한 상해를 방지하도록 초정교 로봇 시스템에게 정보를 제공할 수도 있다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스 및 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스의 이점은 아주 많다. 이들 사용자 인터페이스 디바이스는 유리하게도 수술 집도자가 환자에 가깝게 되는 것을 허용한다. 수술 집도자는 외과 수술 동안 환자의 해부학적 구조와 관련하여 편리한 위치를 취할 수 있다. 또한, 수술 집도자는 외과 수술 동안 환자의 해부학적 구조와 관련하여 상이한 위치를 취할 수 있다. 이러한 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 제공되는 움직임의 자유로 인해, 외과 의사와 같은 수술 집도자는, 수동 및 로봇 수술의 조합을 수행하기 위해, 또는 단지 로봇 수술을 수행하기 위해, 하나 이상의 사용자 인터페이스 디바이스를 조작할 수 있다.

도 1a는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(user interface device; UID)(10)의 실시형태를 도시한다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 다수의 섹션을 갖는 본체를 구비할 수 있다. 도 1a에서 도시되는 실시형태는 세 개의 섹션, 즉 제1 섹션(20), 제2 섹션(30) 및 제3 섹션(40)을 구비한다. 본체는 임의의 수의 섹션을 구비할 수 있다. 섹션은 상이한 구성을 가질 수 있다. 섹션은 동일한 구성을 가질 수 있다. 제1 섹션(20)은 테이퍼 형상일(tapered) 수 있다. 제1 섹션(20)은 사용자의 손가락이 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 파지하기 위한 표면을 제공할 수 있다. 제1 섹션(20)은 윤곽을 나타낼 수 있다. 제1 섹션(20)은 손가락에 대한 홈을 포함할 수 있다. 제1 섹션(20)은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 하부 섹션일 수 있다. 제1 섹션(20)의 다른 구성도 고려된다. 제2 섹션(30)은 테이퍼 형상일 수 있다. 제2 섹션(30)은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 상부 섹션일 수 있다. 제3 섹션(40)은, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 자기 위치 센서(magnetic position sensor)를 수용할 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 유선(도시되지 않음) 또는 무선일 수 있다. 배선(wire)은 사용자 인터페이스 디바이스(10)에 전력을 공급하기 위해 사용될 수도 있다. 배선은 신호(예를 들면, UID(10)의 자기 위치 센서와 관련되는 신호)를 전달하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들면, 배선은 본 명세서에서 설명되는 제어 시스템으로 신호를 전달하기 위해 사용될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 무선일 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본체는 난형의(ovoid) 본체일 수 있다. 본체는 계란 형상일 수 있다. 본체는 타원 모양을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 본체는 적어도 하나의 대칭축을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 본체의 형상은 타원의 형상으로부터 약간 벗어나는데, 일단이 타단과는 상이한 곡률을 갖는다. 제1 섹션(20)은 장축 타원체(prolate spheroid)의 형상에 가까울 수 있다. 제2 섹션(30)은 구형 타원체(spherical ellipsoid)의 형상에 가까울 수 있다. 제2 섹션(30)은 약간 편평한 회전 타원체에 가까울 수 있다. 제1 섹션(20) 및 제2 섹션(30)은 두 개의 상이한 반경을 가질 수 있다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 본체는 휴대형일 수 있다. 다른 실시형태에서, 본 명세서에서 설명되는 사용자 인터페이스 디바이스는 휴대형이 아니다. 사용자 인터페이스 디바이스는 지지부에 커플링될 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 지지부로부터 연장되는 코드(cord)에 커플링될 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 로봇 콘솔에 커플링될 수 있다.

도 1b는, 이러한 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)가 인간의 손(50)에 의해 유익하게 유지될 수도 있는 방법을 예시한다. 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 유선 또는 무선일 수도 있다. 편의상, 도 1b는 배선을 도시하지 않는다. 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 형상은, 사용자의 손목으로 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 움직일 수 있는 것 외에, 사용자 인터페이스 디바이스(10)가 사용자의 손가락만으로 효과적으로 이동될 수도 있도록 한다. 손가락으로만 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 이동시킬 수 있는 능력은 향상된 정교성(dexterity)을 제공한다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 긴 형상은 또한 방향 및 방위의 감각을 제공할 수도 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 도 1a에서 도시되는 중심 축(15)을 갖는다. 중심 축(15)은 제1 섹션(20)으로부터 제3 섹션(40)으로 연장된다. 중심 축은 긴 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스의 종축을 따라 연장된다. 몇몇 실시형태에서, 중심 축(15)은 대칭축이다. 몇몇 실시형태에서, 로봇 툴의 종축은 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 중심 축(15)을 따라 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 제어하는 것에 의해 제어될 수 있다. 또한 많은 경우에서, 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 중심 축(15)은 툴의 롤링 모션을 제어하기 위해 사용될 수도 있다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 총알(bullet) 형태일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 제1 섹션(20)은 반구형 또는 대체로 반구형일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 제1 섹션(20)은 원추형 또는 대체로 원추형이다. 몇몇 실시형태에서, 제1 섹션(20)은 포물선 또는 대체로 포물선이다. 제1 섹션(20)은 하나 이상의 하위 섹션으로 분할될 수 있다. 하위 섹션은 다른 형상을 가질 수 있고 그리고/또는 상이한 기능을 제공할 수 있다. 도 1a는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 단부 근처의 제1 섹션(20)의 하위 섹션과 립(lip; 25) 근처의 제1 섹션(20)의 하위 섹션을 도시한다. 립 근처의 하위 섹션은 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 챔버 위에 배치될 수 있다. 하위 섹션은 상이한 곡률 반경을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 제2 섹션(30)은 반구형 또는 대체로 반구형일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 제3 섹션(40)은 원통형 또는 대체로 원통형이다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 사용자의 손바닥 근처에 유지될 수 있는 근위단을 포함한다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 사용자의 손바닥으로부터 멀리 향하는 원위단을 포함한다. 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 중심 축(15)은 근위단으로부터 원위단으로 연장된다. 중심 축(15)은 또한 긴 축(elongate axis) 또는 대칭축으로 칭해질 수 있다. 중심 축(15)은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 길이를 따른다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 긴 축(15)을 (예를 들면, 90 도로) 가로질러 연장되는 횡축을 구비한다. 횡축은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 폭을 따른다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 종축을 따르는 긴 치수(elongate dimension) 및 횡축을 따르는 횡단 치수(transverse dimension)를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 긴 치수는 횡단 치수보다 더 크다. 이것은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 타원 형상을 생성한다. 몇몇 실시형태에서, 긴 치수는 횡단 치수의 약 두 배이다. 다른 치수가 고려된다(예를 들면, 긴 치수는 횡단 치수의 약 1.5배이고, 긴 치수는 횡단 치수의 약 3배이고, 긴 치수는 횡단 치수의 약 4배이고 등등이다).

중심 축(15)은, 옵션적으로, 사용자가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 잡고 있을 때 사용자의 손가락의 축에 대체로 평행하게 연장된다. 중심 축(15)은, 사용자가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 잡고 있을 때 대체로 사용자의 손의 축과 정렬된다. 중심 축(15)은, 옵션적으로, 사용자가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 잡고 있을 때 대체로 팔뚝의 축과 정렬될 수 있다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는, 둥근 외부 표면을 생성하는, 횡단면을 따라 대체로 원형의 단면을 포함한다. 이것은 제1 섹션(20), 제2 섹션(30), 또는 제1 섹션(20) 및 제2 섹션(30)의 외부 표면일 수 있다. 제1 섹션(20)은 제2 섹션(30)과는 상이한 곡률 반경을 가질 수 있다. 이 상이한 형상은, 사용자가 제1 섹션(20)을 손바닥 근처에 위치시키고 제2 섹션(30)을 손바닥으로부터 멀리 위치시키는 것을 허용할 수 있다. 외부 표면은, 사용자가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 사용자의 손으로 (예를 들면, 중심 축(15) 주위로) 회전시키는 것을 허용한다. 외부 표면은 사용자가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 360도 회전시키는 것을 허용한다. 사용자는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 시계 방향으로 또는 반시계 방향으로 회전시킬 수 있다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 외부 표면은, 사용자에 의한 인터페이스 디바이스(10)의 그립감을 향상시키기 위한 적어도 하나의 표면을 갖는다. 적어도 하나의 표면은 립(25)일 수 있다. 립(25)은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 전체 또는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 일부 주위로 연장할 수 있다.

사용시, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 외부 표면은, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 사용자에 의해 눌릴 수 있다. 예를 들면, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 외부 표면의 적어도 일부는 사용자의 손가락에 의해 압착될 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는, 본 명세서에서 설명되는 챔버를 옵션적으로 포함할 수 있다. 챔버는 유체(예를 들면, 액체)로 채워질 수 있다. 사용자는 (예를 들면, 인터페이스 디바이스(10)의 표면을 그의 손가락으로 미는 것에 의해) 외부 표면으로부터 챔버를 압박할 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 옵션적으로 펌프를 포함할 수 있다. 펌프는, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 촉각 피드백을 사용자에게 제공하기 위해 챔버의 압력을 변화시킬 수 있다. 사용자가 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 외부 표면을 누르는 것으로부터 챔버 내 감지된 압력은 제어 시스템에 의해 엔드 이펙터에 의해 인가되는 힘으로 변환된다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 사이즈는, 사용자가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 사용자의 손으로 직동시키는 것을 허용한다. 몇몇 실시형태에서, 사용자 인터페이스 디바이스는 오로지 사용자의 손에 의해서만 지지된다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 옵션적으로 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 센서는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)에 대한 방위 정보를 제어 시스템으로 제공할 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 사용자 인터페이스 디바이스의 모션을 로봇 팔의 엔드 이펙터의 모션으로 변환하기 위한 입력을 제어 시스템으로 제공할 수 있다.

디바이스를 사용하는 방법은 도 1b에서 예시될 수 있다. 사용자는 도시된 바와 같이 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 본체를 잡을 수 있다. 사용자는 손으로 본체의 외부 표면을 회전시킬 수 있다. 사용자는 손으로 본체를 회전 및 직동시킬 수 있다. 본체 내에 배치되는 센서는, 홀딩, 회전 또는 직동 단계 중 하나 이상 동안 사용자 인터페이스 디바이스에 관한 방위 정보를 제어 시스템으로 제공할 수 있다. 그 방법은 사용자 인터페이스 디바이스의 모션을 로봇 팔의 엔드 이펙터의 모션으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은 본체의 립(25)을 파지하는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은 본체의 외부 표면을 누르는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은, 사용자의 손에 의해 본체의 외부 표면에 가해지는 압력을 로봇 팔의 엔드 이펙터에 의해 인가되는 힘으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은, 사용자 인터페이스 디바이스의 (예를 들면 중심 축(15)을 중심으로 한) 임의의 회전 위치에서 사용자에 의해 외부 표면을 누르는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은 본체의 챔버를 유체(예를 들면, 액체)로 채우는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은 외부 표면으로부터 챔버를 누르는 단계(예를 들면, 사용자가 본체의 외부 표면을 누르는 것에 의해 챔버를 누르는 것)를 포함할 수 있다. 그 방법은 챔버의 압력을 로봇 팔의 엔드 이펙터에 의해 인가되는 힘으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은 펌프로 챔버의 압력을 변화시켜 사용자에게 (예를 들면, 챔버에서 나타내어지는 그리고 본체를 쥐고 있는 사용자의 손으로 전달되는 압력의 변화를 통해) 촉각 피드백을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

도 2는 도 1a에서 도시되는 평면 B-B를 따르는 단면을 도시한다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 세 개의 섹션, 즉 제1 섹션(20), 제2 섹션(30) 및 제3 섹션(40)을 구비할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 외부 표면 상에 그립을 향상시키는 특징부가 제공될 수도 있다. 도 2는 립(25)을 도시한다. 사용자는 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 파지하기 위해 이 립(25)을 사용할 수도 있다. 립(25)과 같은 특징부는, 사용자에게 위치 또는 방위 정보를 제공하기 위해 사용될 수도 있다.

도 2에 예시되는 구성에서, 배선(45)은 제3 섹션(40)으로부터 연장된다. 와이어(45)는 자기 위치 센서(130)에 커플링될 수 있다. 자기 위치 센서(130)는 기술 분야에서 공지되어 있는 자기 위치 센서와 유사할 수 있다. 자기 위치 센서(130)는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 위치를 결정할 수 있다. 자기 위치 센서(130)는, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 제어 시스템으로 위치 데이터를 전송할 수 있다. 본 명세서에서 언급되는 바와 같이, 무선 센서를 포함하는 그러나 이것으로 제한되지는 않는 다른 유형의 센서가 사용될 수도 있다. 다른 세트의 센서가 센서 및 전자장치 베이스(120)에 커플링될 수도 있다. 센서 및 전자장치 베이스(120)는 옵션적으로 하나 이상의 센서를 수용할 수 있다. 센서 및 전자장치 베이스(120)는 하나 이상의 센서에 대한 베이스로서 기능한다. 센서 및 전자장치 베이스(120)는 서로에 대해 고정된 위치에 있는 하나 이상의 센서를 유지한다. 몇몇 실시형태에서, 센서 및 전자장치 베이스(120)는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 본체 내에 배치된다. 센서 및 전자장치 베이스(120)는 제1 섹션(20), 제2 섹션(30) 및/또는 제3 섹션(40)에 배치될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 센서가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 본체 외부에 옵션적으로 배치될 수 있다. 센서 및 전자장치 베이스(120)에 커플링될 수도 있는 센서는 자이로스코프 및 가속도계를 포함하지만 그러나 이들로 제한되는 것은 아니다. 자이로스코프 및 가속도계는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 회전 및 방위(예를 들면, 각도 방위)를 측정할 수 있다. 센서 및 전자장치 베이스(120)는 적어도 하나의 자이로스코프를 포함할 수 있다. 센서 및 전자장치 베이스(120)는 적어도 하나의 가속도계를 포함할 수 있다. 센서 및 전자장치 베이스(120)는 적어도 하나의 자력계를 포함할 수 있다. 센서 및 전자장치 베이스(120)는 적어도 하나의 6 DOF(degree-of-freedom; 자유도) 센서를 포함할 수 있다. 센서 및 전자장치 베이스(120)는 적어도 하나의 관성 측정 유닛(inertial measurement unit; IMU)을 포함할 수 있다.

기술 분야에서 공지되어 있는 임의의 센서가 센서 및 전자장치 베이스(120)에 커플링될 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 위치 및/또는 방위를 결정할 수 있다. 하나 이상의 센서는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 모션을 검출할 수 있다. 하나 이상의 센서는, 사용자가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 잡고 있는지를 (예를 들면, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 표면의 임피던스를 측정하는 것에 의해) 결정할 수 있다. 하나 이상의 센서는, 사용자가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)에 압력을 인가하고 있는지를 (예를 들면, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 챔버의 압력을 측정하는 것에 의해) 결정할 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 모터(100)를 포함한다. 촉각 피드백은 모터(100)의 동작을 제어하는 것에 의해 사용자에게 제공될 수도 있다. 예를 들면, 모터(100)의 온-오프 시간 및 속도는 사용자에게 정보를 제공할 수도 있다. 모터(100)는, 도시되는 바와 같이, 옵션적으로 레이디얼 모터(radial motor)일 수 있다. 촉각 피드백은 또한, 레이디얼 모터 대신, 또는 레이디얼 모터 외에, 회전 질량체 또는 진동 모터를 사용하는 것에 의해 제공될 수도 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 촉각 피드백을 제공하는 하나 이상의 메커니즘을 포함할 수 있다. 촉각 피드백은 모터(100)에 의해 제공될 수 있다. 촉각 피드백은, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 챔버의 압력을 변화시키는 것에 의해 제공될 수 있다. 촉각 피드백은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 진동에 의해 제공될 수 있다. 다른 유형의 피드백도 고려된다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 소리를 생성할 수 있다. 예를 들면, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는, 엔드 이펙터가 조인트 한계 근처에 있을 때 소리를 생성할 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 빛을 방출할 수 있다. 예를 들면, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는, 제어 시스템 및/또는 엔드 이펙터와 통신할 때 빛을 방출할 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 모터(100)는 힘 또는 토크를 사용자에게 전달할 수 있다. 모터(100)는, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)에 의해 제어되는 엔드 이펙터의 종축과 함께 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 중심 축(15)의 방위를 다시 바르게 맞출 수 있도록 사용자에게 힘을 전달할 수 있다. 사용자가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 이동시킴에 따라, 중심 축(15)은 엔드 이펙터의 종축과 오정렬되게 될 수 있다. 모터(100)는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10) 내에서 회전하도록 활성화될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 모터(100)는 회전 질량체를 제어한다. 토크, 모멘트, 또는 힘이 모터(100)에 의해 생성될 수 있다. 이러한 촉각 피드백은, 사용자가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 방위를 다시 바르게 맞추어야 한다는 것을 나타낼 수 있다. 이 촉각 피드백은 또한, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 방위를 다시 바르게 맞추기 위해 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 사용자가 이동시켜야 하는 방향의 정보를 제공할 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)가 엔드 이펙터와 오정렬되거나 오정렬되기 시작할 때, 모터(100)는 사용자에게 정보를 전달할 수 있다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10) 내에서 모터(100)가 회전하는 속도가 빠를수록, 자이로스코프 효과는 더 커진다. 모터는, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)의 중심 축(15)을 엔드 이펙터의 종축과 정렬시키는 방향으로 사용자의 손가락에 토크를 인가할 것이다. 모터(100)는, 사용자가 축을 오정렬시키는 방식으로 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)를 이동시키고 있을 때 사용자의 움직임에 대응(counteract) 또는 부분적으로 대응할 것이다. 모터(100)는, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10) 및 엔드 이펙터의 축을 오정렬시키는 방향으로 이동시키지 않도록 사용자를 부추길 것이다. 이 방식에서, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는, 중심 축(15)을 엔드 이펙터의 종축과 오정렬시키는 임의의 방해하는 힘에 대해 더욱 저항할 것이다. 모터(100)는 사용자에게 힘 또는 토크를 제공하는 것에 의해 다른 정보를 전달할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 모터(100)는 힘 또는 토크를 인가하는 것에 의해 조인트 한계를 전달할 수 있다.

사용자 인터페이스 디바이스에 의해 공통적으로 제공되는 하나의 기능은 물체를 파지, 유지 또는 집는(pinch) 능력이다. 도 1 및 2에서 설명되는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10)는 유리하게도 독특한 방식으로 파지, 유지 또는 집는 능력을 제공할 수 있다. 도 2를 참조하면, 챔버(140)가 단면으로 예시된다. 챔버(140)는 소정의 압력에서 유체로 미리 채워질 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 유체는 공기이다. 챔버(140)는 또한 압력 센서(150)를 구비할 수도 있다. 챔버(140)는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10) 내에서 원주일 수 있다. 다른 실시형태에서, 챔버(140)는 원주의 일부분(예를 들면, 원주의 45°, 원주의 90°, 원주의 135°, 원주의 180°, 둘레의 225°, 둘레의 270° 등) 주위에 배치될 수 있다.

이 구성에 의해, 파지 또는 유지 모션이 구현될 수 있다. 사용자는 챔버(140)의 외부 표면을 따르는 임의의 곳에 임의의 외부 압력을 인가할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 챔버(140)는 제1 섹션(20)의 일부분 내에 포함된다. 몇몇 실시형태에서, 챔버(140)는 제2 섹션(30) 및/또는 제3 섹션(40)으로부터 이격된다. 몇몇 실시형태에서, 챔버(140)는 제1 섹션(20)의 테이퍼 형상의 단부로부터 이격된다. 압력 센서(150)는 챔버(140)를 압박하는 사용자로부터 압력 변화를 감지할 수도 있다. 압력 센서(150)는 압력 변화를 초정교 로봇 시스템의 제어 시스템으로 전달할 수도 있다. 후속하여, 비례하는 양의 파지하는 또는 집는 힘이, 사용자 인터페이스 디바이스(10)와 관련되는 엔드 이펙터에 의해 인가될 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 챔버(140)는 촉각 피드백을 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 도 3은 사용자 인터페이스 디바이스(10')를 도시한다. 사용자 인터페이스 디바이스(10')는 사용자 인터페이스 디바이스(10)와 관련하여 본 명세서에서 설명되는 특징부 중 일부 또는 전체를 구비할 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(10')는 마이크로 펌프(160)를 포함할 수 있다. 마이크로 펌프(160)는 센서 및 전자장치 베이스(120)에 커플링될 수 있다. 마이크로 펌프(160)는 도시되는 바와 같이 내강(lumen)을 통해 챔버(140)에 연결될 수 있다. 챔버(140) 내의 압력은 마이크로 펌프(160)로 제어 및 조절될 수도 있다. 마이크로 펌프(160)는 챔버(140)의 압력을 높이기 위해 유체로 챔버(140)를 채울 수 있다. 이것은, 사용자가 압력에서 증가를 느끼는 것으로 귀결될 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(10')는 챔버(140)를 배기시켜 챔버(140)의 압력을 감소시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 마이크로 펌프(160)는 압력을 감소시킬 수 있다. 이것은, 사용자가 압력에서 감소를 느끼는 것으로 귀결될 수 있다.

몇몇 사용 방법에서, 엔드 이펙터(도시되지 않음)는 하나 이상의 힘 센서에 커플링된다. 엔드 이펙터가 경험하는 힘은 챔버(140) 내의 비례 압력으로 변환될 수도 있다. 따라서, 엔드 이펙터가 단단한 해부학적 특징부와 접촉하게 된다면, 챔버(140) 내의 압력은 증가될 수 있다. 그러면, 수술 집도자는 사용자 인터페이스 디바이스(10')를 압착하는 것이 더 어렵다는 것을 알 수도 있다. 마찬가지로, 엔드 이펙터가 부드러운 해부학적 특징부와 접촉한다면, 사용자 인터페이스 디바이스(10')의 공기 챔버 내의 압력은, 수술 집도자가 사용자 인터페이스 디바이스(10')를 압착하는 것이 쉽다는 것을 발견하도록, 감소될 수도 있다. 따라서, 이러한 방식으로 챔버(140) 내의 압력을 조절하는 것에 의해, 촉각 피드백이 수술 집도자에게 제공될 수도 있다. 추가적으로, 엔드 이펙터가 다른 엔드 이펙터 또는 초정교 로봇 시스템의 부분과 접촉하게 되는 경우, 챔버(140) 내의 압력은 또한 증가될 수 있다.

관련된 개념에서, 압력을 조절하는 방법은, 상기에서 명시된 것과는 다른 유형의 정보를 전달하기 위해 사용될 수도 있다. 몇몇 사용 방법에서, 초정교 로봇 시스템을 조작하는 과정에서, 수술 집도자는, 시스템의 하나 또는 다수의 조인트가 그들의 동작의 한계에서 또는 그 근처에서 동작하도록, 이들 조인트를 조작할 수도 있다. 챔버(140) 내의 압력은 이러한 동작 한계를 나타내도록 제어 및 조절될 수도 있다. 예를 들면, 사용자 인터페이스 디바이스(10')의 챔버(140) 내의 압력은 진동을 일으키게 만들어질 수 있다. 진동은, 시스템 구성이 그 당시 최적이 아닐 수도 있다는 것을 수술 집도자에게 경고할 수도 있다. 따라서, 챔버(140)가 다양한 유형의 정보를 사용자에게 전달하기 위해 사용될 수도 있다는 것을 알 수 있다.

사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')는 소프트 고무 및 플라스틱과 같은 그러나 이들로 제한되지는 않는 저렴한 재료로 제조될 수도 있다. 센서 및 전자장치도 또한 저렴할 수도 있으며, 따라서 전체 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')를 저렴하게 만든다. 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')에 대해 저렴한 재료를 사용하는 다른 이점은, 설계가 사이즈에서 확장 가능할 수도 있다는 것이다. 따라서, 상이한 사이즈의 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')가 다양한 손 사이즈의 사용자를 수용하도록 제조될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')는 (예를 들면, 단일의 외과 수술에 사용하기 위한) 일회용 컴포넌트일 수도 있다. 수술 전에, 시스템의 준비 및 셋업은, 무균 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')를 포함하는 패키지를 개봉하는 단계를 포함할 수도 있다.

그 방법은, 초정교 로봇 시스템의 제어 시스템이 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')로부터 커맨드를 인식 및 수용하는 것을 보장하는 단계를 포함할 수도 있다. 그 방법은 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')를 초정교 로봇 시스템에 커플링하는 추가적인 단계를 포함할 수도 있다. 유선의 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스의 경우, 배선을 연결하는 단계가 있을 수도 있다. 배선은 초정교 로봇 시스템으로부터 유래할 수 있으며, 그 후 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')에 커플링될 수도 있다. 무선의 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')의 경우에, 스마트 폰에 헤드폰을 페어링하는 것과 유사한 단계가 있을 수도 있다. 예를 들면, 초정교 로봇 시스템은 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')를 컨트롤러로서 인식하는 것을 필요로 할 수도 있다. 사용자는, 입력을 입력할 것을 또는 다르게는 사용자 인터페이스 디바이스(10,10')를 초정교 로봇 시스템과 링크할 것을 요구 받을 수도 있다. 게다가, 초정교 로봇 시스템이 커맨드를 적절히 해석할 수도 있도록 사용자가 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')로 소정의 조작을 수행할 것을 요구 받는 교정 단계가 또한 있을 수도 있다.

도 1 내지 도 3은, 모든 전자장치 및 센서가 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')의 본체 내에 포함될 수도 있다는 점에서 자립식(self-contained)으로 설명될 수도 있는 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')를 설명한다. 몇몇 실시형태에서, 전원은 또한 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')의 본체 내에 포함된다. 센서(자이로스코프, 가속도계 등), 모터, 펌프, 전원과 같은 그러나 이들로 제한되지는 않는 다수의 전자 컴포넌트가 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')의 본체 내에 배치될 수도 있다. 이것은 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')를 무겁게 만들 수도 있으며, 이것은 정교성의 손실로 이어질 수도 있다.

도 4는 사용자 인터페이스 디바이스(10")의 실시형태를 도시한다. 사용자 인터페이스 디바이스(10")는 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')와 관련하여 본 명세서에서 설명되는 특징부 중 일부 또는 전체를 구비할 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(10")는, 유익하게도, 정교성이 유지될 수도 있도록 사용자 인터페이스 디바이스(10")의 무게를 재분배한다.

도 4에서, 수술 집도자는 그의 또는 그녀의 신체에 디바이스(200)를 착용하고 있다. 디바이스(200)는 사용자 인터페이스 디바이스(10")의 다양한 컴포넌트에 대한 엔클로저를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 디바이스(200)는, 배터리 팩과 같은 전원, 프로세서, 센서 및 다른 전자장치를 포함하는, 그러나 이들로 제한되지는 않는 다양한 컴포넌트를 수용할 수도 있다. 디바이스(200)는 또한 도 3에서 도시되는 마이크로 펌프(160)와 유사한 마이크로 펌프를 포함할 수도 있다. 디바이스(200)는 다양한 방식으로 사용자에게 커플링될 수도 있다. 도 4는 사용자의 신체에 디바이스(200)를 커플링하는 스트랩(210)을 도시한다. 디바이스(200)는 사용자의 손목에 커플링될 수도 있다.

케이블(220)은 디바이스(200)와 사용자 인터페이스 디바이스(10")의 제1 섹션(20) 사이에서 연장할 수도 있다. 케이블(220)은 하나 이상의 배선(도시되지 않음)으로 구성될 수도 있다. 배선은 사용자 인터페이스 디바이스(10")에 전력을 전달하기 위해 사용될 수도 있다. 배선은, 사용자 인터페이스 디바이스(10")와 디바이스(200) 내의 전자장치 또는 센서 사이에서 신호 또는 정보를 전송하기 위해 사용될 수도 있다. 케이블(220)은 마이크로 펌프로부터의 유체(예를 들면, 공기)의 통과를 위한 가요성 내강을 포함할 수도 있다. 이 구성에서, 사용자 인터페이스 디바이스(10")는 경량일 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(10")는, 디바이스(200) 내에 배치될 수도 있는 컴포넌트로 인해, 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10')와 관련하여 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 기능성(functionality)을 구비할 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 본 명세서에서 논의되는 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10")가 통상적인 시판 중인 시스템에서와 같이 지반 기반이 아니기 때문에, 그들은 실수로 떨어지기 쉬울 수도 있다. 이 상황은, 수술 집도자가 실수로 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10")를 떨어뜨리는 경우에 발생할 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10")는 급격한 가속을 받을 것이다. 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10")를 놓치는 것은, 엔드 이펙터가 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10")를 뒤따라 빠르게 가속하는 경우, 환자에 대한 상해로 이어질 수도 있다.

환자의 상해를 방지하기 위해, 여러 가지 기술이 구현될 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10")의 가속도는, (예를 들면, UID(10, 10', 10") 내의 하나 이상의 센서, 예컨대 가속도계에 의해) 모니터링될 수 있다. 본 명세서에 언급된 바와 같이, 가속도는, 사용자가 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10")를 떨어뜨렸는지를 나타낼 수 있다. 몇몇 기술에서, 가속도가 미리 설정된 값보다 높으면, 초정교 로봇 시스템의 제어 시스템은 엔드 이펙터의 움직임을 방지하거나 또는 제한할 수 있다. 다른 기술에서, 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10")에 걸친 임피던스는 (예를 들면, UID(10, 10', 10") 내의 하나 이상의 센서에 의해) 모니터링될 수도 있다. 임피던스는 일정하게 또는 일정 간격으로 측정될 수 있다. 임피던스는 사용자가 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10")와 접촉했는지를 나타낼 수 있다. 수술 집도자가 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10")와의 접촉을 잃었다는 것을 나타내는 임계 값을 임피던스가 넘어가면, 초정교 로봇 시스템은 엔드 이펙터의 움직임을 방지 또는 제한할 수 있다. 예를 들면, 사용자가 사용자 인터페이스 디바이스와 접촉하고 있지 않다는 것을 임피던스가 나타내면, 초정교 로봇 시스템은 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10")로부터의 모션의 임의의 입력을 제한할 수 있다. 이들 기술은, 다수의(예를 들면, 용장성의) 기술이 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10")의 모션으로 인한 엔드 이펙터의 원하지 않는 모션을 방지할 수도 있도록, 조합하여 사용될 수도 있다.

도 5는 사용자 인터페이스 디바이스(300)의 다른 실시형태를 도시한다. 사용자 인터페이스 디바이스(300)는 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10")와 관련하여 본 명세서에서 설명되는 특징부 중 일부 또는 전체를 구비할 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(300)는 플랫폼 또는 콘솔에 기반을 두지 않는다. 오히려, 사용자 인터페이스 디바이스(300)는 수술 집도자의 신체에 기반을 둔다. 사용자 인터페이스 디바이스(300)는 본 명세서에서 설명되는 신체 고정식 사용자 인터페이스 디바이스의 실시형태이다. 도 5는, 사용자 인터페이스 디바이스(300)가 인간의 손(50)에 의해 유익하게 유지될 수도 있는 방법을 예시한다. 몇몇 실시형태에서, 수술 집도자의 손은 기반(grounding)을 제공한다. 사용자 인터페이스 디바이스(300)는 기반 디바이스(grounding device; 310)를 포함할 수도 있다. 기반 디바이스(310)는 휴대형일 수 있다. 기반 디바이스(310)는 수술 집도자의 신체에 커플링될 수도 있거나 또는 다르게는 수술 집도자의 신체에 의해 휴대될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 기반 디바이스(310)는 수술 집도자의 손에 커플링된다. 몇몇 실시형태에서, 기반 디바이스(310)는 수술 집도자의 손바닥에 커플링된다. 도 5는 기반 디바이스(310)가 손바닥 둘레에 감겨질 수도 있다는 것을 도시한다. 기반 디바이스(310)는 스트랩일 수 있다. 기반 디바이스(310)는 부분 장갑일 수 있다. 기반 디바이스(310)는 손의 일부를 둘러싸는 재킷일 수 있다.

기반 디바이스(310)는 강성이거나(stiff) 또는 가요성일 수 있다. 기반 디바이스(310)는 플라스틱을 포함하는, 그러나 이것으로 제한되지는 않는 재료로 제조될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 플라스틱은 각각의 수술 집도자의 손에 맞춤식으로 성형될 수도 있다. 하나 이상의 링크는 기반 디바이스(310)에 직렬 또는 병렬 양식으로 커플링될 수도 있다. 병렬 구성은 도 5에서는 도시되지 않는다. 도 5에서, 제1 링크(320)는 기반 디바이스(310)에 커플링된다. 제1 링크(320)는 직렬로 제2 링크(330)에 커플링된다. 링크(320, 330)는 경량이지만 강성의 로드(rod)로 구성될 수도 있다. 링크(320, 330)는 서로에 대해 및/또는 기반 디바이스(310)에 대해 상대적으로 이동할 수도 있다. 링크(320, 330)는 사용자 인터페이스 디바이스(300)를 지지하는 지지 구조체로 간주될 수도 있다.

제2 링크(330)는 섹션(340)에 커플링될 수 있다. 섹션(340)은 도 5에서 흑색으로 도시된다. 섹션(340)은 도시되는 바와 같이 반구형을 가질 수 있다. 섹션(340)은 사용자 인터페이스 디바이스(300)에 대한 지지체로서 기능할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 사용자 인터페이스 디바이스(300)는 볼(ball)의 형태일 수도 있다. 섹션(340)은 사용자 인터페이스 디바이스(300)를 부분적으로 둘러쌀 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(300)는 섹션(340) 내에서 자유롭게 회전될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 섹션(340)은 내부 표면을 포함하고 사용자 인터페이스 디바이스(300)는 내부 표면에 대해 회전 가능하다. 이 구성에 의해, 수술 집도자는 사용자 인터페이스 디바이스(300)를 굴릴 수 있다. 서로에 대한 링크(320, 330)의 움직임은 자유도를 증가시킬 수도 있다. 보다 일반적으로, 서로에 대해 또한 움직이는 링크(320, 330)의 능력으로 인해, 수술 집도자는 모두 6 자유도에서 사용자 인터페이스 디바이스(300)를 움직일 수도 있다. 또한, 수술 집도자가 사용자 인터페이스 디바이스(300)를 손바닥 쪽으로 잡아 당기는 것을 링크(320, 330)가 허용할 수도 있기 때문에, 제7 자유도가 또한 이용 가능할 수도 있다. 이것은, 엔드 이펙터에 파지력을 인가하는 것을 포함하는 그러나 이것으로 제한되지는 않는 다양한 목적을 위해 사용될 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(300)는 중공일 수도 있고 그리고/또는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 하나 이상의 챔버를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 디바이스(200)는, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 사용자 인터페이스 디바이스(300)의 다양한 컴포넌트에 대한 엔클로저를 포함할 수도 있다. 디바이스(200)는 기반 디바이스(310)에 커플링될 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(300)는 경량일 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(300)는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 저렴할 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(300) 또는 사용자 인터페이스 디바이스(300)의 일부는 일회용일 수도 있다. 예를 들면, 사용자 인터페이스 디바이스(300) 및 섹션(340)은 일회용일 수도 있다. 기반 디바이스(310) 및/또는 링크(320, 330)는 재사용 가능하고 그리고/또는 일회용이 아닐 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 자기 커플링과 같은 그러나 이것으로 제한되지는 않는, 제2 링크(330) 및 섹션(310)을 커플링하는 편리한 방식이 제공될 수도 있다.

도 5에서 도시되는 구성은 많은 이점을 갖는다. 하나의 이점은, 그것이 신체 고정식 시스템이므로, 사용자 인터페이스 디바이스(300)의 우발적인 낙하의 기회가 최소화되거나 또는 제거된다는 것이다. 다른 이점은, 기반 디바이스(310)가 전자장치, 센서 및 전원과 같은 그러나 이들로 제한되지는 않는 컴포넌트를 포함하는 디바이스(200)를 부착하기 위한 장소로서 사용될 수도 있다는 것이다. 또 다른 이점은, 참고로 통합되는 2014년 3월 13일자로 출원된 동반 개시의 국제 출원 PCT/US2014/026115호에서 설명되는 바와 같이 광학 추적 센서와 기반 디바이스(310)가 커플링될 수도 있다는 것이다. 광학 추적 센서는, 기준점(도시되지 않음)에 대한 기반 디바이스(310) 및/또는 사용자 인터페이스 디바이스(300)의 위치를 제공할 수 있다. 광학 추적 센서는 기반 디바이스(310) 및/또는 사용자 인터페이스 디바이스(300)의 위치를 추적하기 위해 활용될 수 있다. 기술 분야에서 숙련된 자는 본 명세서에서 설명되는 사용자 인터페이스 디바이스의 컴포넌트를 추적하는 다른 적절한 센서, 메커니즘 또는 방법을 활용할 수도 있다.

도 6a, 도 6b, 및 도 7은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스의 다른 실시형태를 도시한다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는, 도 1b에서 도시되는 디바이스와 유사하게, 사용자의 손바닥 근처에서 유지될 수 있는 근위단을 포함한다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 사용자의 손바닥으로부터 멀어지게 지향되는 원위단을 포함한다. 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 중심 축(475)은 근위단으로부터 원위단으로 연장된다. 중심 축(475)은 또한 긴 축 또는 대칭축으로 칭해질 수 있다. 중심 축(475)은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 길이를 따른다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 긴 축(475)을 (예를 들면, 90도로) 가로질러 연장되는 횡축을 구비한다. 횡축은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 폭을 따른다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 종축을 따르는 긴 치수 및 횡축을 따르는 횡단 치수를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 긴 치수는 횡단 치수보다 더 크다. 이것은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 타원 형상을 생성한다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는, 도 7에서 도시되는 바와 같이, 둥근 외부 표면을 생성하는 횡단 축을 따르는 대체로 원형의 단면을 포함한다. 외부 표면은 사용자가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)를 사용자의 손으로 회전시키는 것을 허용한다. 외부 표면은 사용자가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)를 360도 회전시키는 것을 허용한다. 사용자는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)를 시계 방향으로 또는 반시계 방향으로 회전시킬 수 있다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 파라미터에 응답하여 특정한 피치, 요 및/또는 롤 방위를 달성할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 파라미터는 로봇 툴 또는 엔드 이펙터의 피치, 요 및/또는 롤 방위이다. 몇몇 실시형태에서, 파라미터는 로봇 엔드 이펙터에 대한 힘이다. 몇몇 실시형태에서, 파라미터는 하나 이상의 시스템 입력이다. 시스템 입력은, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 디바이스가 구동 모드에 있는지 또는 비구동 모드에 있는지의 여부를 포함할 수 있다. 비구동 모드에서, 엔드 이펙터는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 사용자 인터페이스 디바이스로부터의 커맨드에 응답하지 않는다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400) 내부에 위치되는 하나 이상의 액추에이터를 포함할 수 있다. 액추에이터는, 그들이 내부 섀시(440)에 대한 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 외부 표면 또는 스킨(425)의 모션에 영향을 미치도록 배치될 수 있다. 스킨(425)은 변형 가능하고, 그 결과 스킨(425) 내의 섀시(440)의 모션은 스킨(425)의 형상을 변화시킬 수 있다. 스킨(425)의 형상을 변화시키는 능력은, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 방위가 소프트웨어에 의해 제어 가능하게 되는 것을 허용한다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 소프트웨어 제어 가능 방위를 갖는다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400) 내부에 위치되는 하나 이상의 액추에이터는, 그들의 조정된 움직임이 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 전체 형상의 변화를 야기하도록 배치될 수 있다. 움직임은 팽창 또는 수축일 수 있다. 움직임은 스킨(425)에 대한 임의의 움직임일 수 있다. 움직임은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 소프트웨어 제어 가능 방위의 결과이다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 중심 축(475)과 로봇 시스템의 엔드 이펙터 또는 툴의 축 사이의 정렬을 유지할 수 있다. 동작의 몇몇 방법에서, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 방위는, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 정렬 및/또는 사용자 인터페이스 디바이스(400)가 관련되는 엔드 이펙터와의 중심 축(475)의 정렬을 유지하도록 능동적으로 수정된다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 외부 표면 또는 스킨(425)을 포함할 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 섀시(440)를 포함할 수 있다. 섀시(440)는 스킨(425) 내에 배치될 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는, 도 6a에서 도시되는 바와 같이, 난형의 형상을 가질 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 별개의 종축 또는 중심 축(475)을 가질 수 있다. 섀시(440)는 스킨(425) 내부에서 움직일 수 있다. 섀시(440)가 스킨(425) 내부에서 움직이는 경우, 사용자는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 중심 축(475)의 방위의 변화를 감지할 수 있다. 이러한 방식으로, 사용자는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)로부터 정보 또는 피드백을 획득할 수 있다.

도 6a를 참조하면, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 하나 이상의 휠을 가질 수 있다. 예시된 실시형태에서, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 두 개의 휠(430A, 430B)을 구비하지만, 그러나 다른 구성(예를 들면, 하나의 휠, 두 개의 휠, 세 개의 휠, 네 개의 휠 등)도 고려된다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 하나 이상의 센서를 구비할 수 있다. 예시된 실시형태에서, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 두 개의 휠(430A, 430B)을 구동하기 위한 두 개의 모터(435A, 435B)를 구비한다. 다른 구성도 고려된다. 휠(430A, 430B)은, 옵션적으로, 섀시(440)의 일단에 커플링될 수 있다. 섀시(440)의 타단은, 옵션적으로, 볼 캐스터(450)에 커플링될 수 있다. 섀시(440)가 움직이는 것을 허용하는 다른 디바이스 또는 디바이스의 배열(예를 들면, 롤러, 휠, 캐스터 등)도 고려된다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 도 6b에서 스킨(425) 없이 도시되어 있다. 휠(430A, 430B) 및 캐스터(450)의 구성은, 둘러싸인 스킨(425) 내부에서 지향될 수 있는 2 자유도 시스템을 구현하는 많은 방식 중 하나이다.

몇몇 사용 방법에서, 모터(435A, 435B)는 제어 전자장치에 의해 독립적으로 구동된다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 가속도계, 자이로스코프, 압력 센서와 같은 그러나 이들로 제한되지는 않는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 제어 전자장치 및 센서는 단일 유닛(460)으로서 도시되어 있지만, 그러나 다른 구성도 고려된다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 전원(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 제어 전자장치 및 센서는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400) 내에, 그리고 몇몇 실시형태에서는, 섀시(440) 내에 또는 상에 배치될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 움직임은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400) 내의 유닛(460)에 의해 제어된다. 섀시(440)는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400) 내의 제어 전자장치에 의해 자체 구동될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 유닛(460)은 외부 제어 시스템으로부터 제어 신호를 수신한다. 제어 신호는, 중심 축(475)의 방위를 변화시키거나 또는 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 다른 움직임을 수행하도록 액추에이터를 작동시킬 수 있다. 섀시(440)는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400) 외부의 시스템에 의해 구동될 수 있다. 섀시(440)는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400) 내부 또는 외부의 제어 신호에 의해 구동될 수 있다.

섀시(440)는 스킨(425) 내에서 이동될 수 있다. 두 개의 화살표(465 및 470)는, 섀시(440)가 중심 축(475)을 중심으로 기울어지거나(화살표 465) 또는 회전(화살표 470)될 수 있다는 것을 나타낸다. 휠(430A, 430B)은, 섀시(440)가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 스킨(425)에 대해 2 자유도에서 방위를 바르게 맞추게 되는 것을 허용할 수 있다. 섀시(440)가 스킨(425) 내에서 이동함에 따라, 중심 축(475)은 기울어지거나 회전될 수 있다. 섀시(440)의 움직임 동안, 스킨(425)은 신장되고 변형된다. 사용자는, 섀시(440)가 이동할 때 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 방위가 변한다는 것을 인식할 수 있다. 몇몇 사용 방법에서, 사용자는 그 또는 그녀가 잡고 있는 구조체가 다른 방향을 가리키고 있다는 것을 인식할 것이다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 스킨(425)은 변형 가능할 수 있다. 스킨(425)은 가요성 재료로 만들어질 수 있다. 하나의 예는 1/16" 두께의 캐스트 실리콘 고무이다. 변형 가능성은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)가 임의의 소망하는 방위를 취하는 것을 허용한다. 변형 가능성은 중심 축(475)이 임의의 방향을 가리키는 것을 허용한다. 변형 가능성은 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)가 중심 축(475)의 임의의 피치, 요 및/또는 롤을 취하는 것을 허용한다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 지반 고정되지는 않지만 이들 기능을 수행할 수 있다.

상기에서 설명되는 2 자유도 외에, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는, 옵션적으로, 다른 자유도를 포함할 수 있다. 섀시(440)는 링(480)에 커플링될 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 하나 이상의 센서를 구비할 수 있다. 예시된 실시형태에서, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 링(480)을 구동하기 위한 모터(495)를 구비한다. 링(480)은 섀시(440)를 중심으로 회전할 수 있는데, 이것은 스킨(425) 내부에서 링(480)의 움직임으로 나타난다. 링(480)은 스킨(425)의 내부 표면과 접촉하는 외부 표면을 가질 수 있다. 링(480)의 외부 표면은 휠(430A, 430B)의 마찰 계수보다 더 낮은 마찰 계수를 가질 수 있다. 링(480)이 회전될 때, 섀시(440)는 스킨(425)에 대해 회전하지 않을 것이고, 대신, 링(480)이 스킨(425)에 대해 회전할 것이다.

링(480)은 링의 외부 표면 상에 특징부(490)를 구비할 수 있다. 특징부는 융기부 또는 회전 멈추개(detent)를 포함할 수 있다. 특징부(490)는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)가 유지되는 동안 사용자에 의해 느껴질 수도 있다. 특징부(490)는 링(480)과 스킨(425) 사이에 낮은 마찰 계수를 생성하는 롤러 또는 볼일 수도 있다. 도 7은 링(480)을 통과하는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 단면을 도시한다. 특징부(490)는 스킨(425)과 접촉하는 볼로서 도시된다. 링(480)은 내부 기어(480)를 포함할 수 있다. 내부 기어(485)는 링 모터(495)에 의해 구동될 수 있다. 특징부(490)는 회전 비대칭 또는 회전 대칭일 수 있다. 추가적인 자유도는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)가 임의의 소망하는 방위로 배치되는 것을 허용할 수 있다. 추가적인 자유도는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)가 엔드 이펙터의 롤 위치를 포함하는 위치에 대한 사용자 피드백을 제공하는 것을 허용할 수 있다. 몇몇 사용 방법에서, 링(480)은 스킨(425) 내부에서 회전할 수도 있다. 사용자는 특징부(490)의 위치를 느낄 수 있다. 사용자는 특징부(490)의 위치로부터 롤 정보를 포함하는 위치 정보를 도출할 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는, 정보 또는 피드백을 사용자에게 제공하기 위해 엔드 이펙터의 방위를 반영 또는 모방할 수 있다.

도시되지 않은 대안적인 실시형태에서, 스킨(425)은 하나 이상의 액추에이터를 갖는 내부 구조체에 고정될 수 있다. 액추에이터는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 스킨(425)과 접촉하는 액추에이터의 어레이를 포함할 수 있다. 액추에이터는 솔레노이드, 리드 스크류 및 모터, 가압 챔버 등일 수 있다. 액추에이터는 소형일 수 있다. 액추에이터는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 감지된 방위에 응답하여 제어 가능하게 연장되거나 또는 수축될 수 있다. 감지된 방위는 유닛(460) 내의 센서에 의해 제공될 수 있다. 감지된 방위는 시스템의 상태(예를 들면, 구동 모드, 비구동 모드 등)에 의해 제공될 수 있다. 액추에이터는 중심 축(475)을 갖는 외부 스킨(425) 형상을 생성하기 위한 조정(coordination)에서 연장되고 후퇴될 수 있다. 액추에이터는, 형상, 예컨대 난형의 형상을 생성하기 위한 조정에서 연장되고 수축될 수 있다. 액추에이터는 형상의 방위가 공간에 고정되어 있다는 환상을 생성하도록 제어될 수 있다. 사용자가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)를 회전시키는 것에도 불구하고, 형상은 고정된 것처럼 보일 수 있다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 많은 방식으로 제어될 수 있다. 하나의 예로서, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 구동 모드에서 동작할 수 있다. 구동 모드에서, 사용자는 엔드 이펙터에게 몇몇 액션을 수행할 것으로 적극적으로 명령하고 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는, 다른 디바이스와 관련하여 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 엔드 이펙터를 움직이기 위해 사용자에 의해 이동될 수 있다.

하나의 예로서, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 비구동 모드에서 동작할 수 있다. 비구동 모드에서, 엔드 이펙터는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)와 관련되는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 방위를 따르지 않는다. 비구동 모드에서, 엔드 이펙터는 고정된다. 엔드 이펙터는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)가 구동 모드에 있는 동안에만 움직인다. 섀시(440)는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)와 엔드 이펙터 사이의 정렬을 유지하기 위해 구동될 수 있다. 몇몇 사용 방법에서, 섀시(440)는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)와 엔드 이펙터 사이의 정렬을 유지하기 위해 중심 축(475)의 방위를 바르게 맞출 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)가 비구동 모드에 있을 때, 사용자는 그의 또는 그녀의 손을 재배치시켜 더욱 편안한 조작 위치 및 방위로 되돌릴 수 있다. 비구동 모드에서, 휠(430A, 430B)은, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 중심 축(475)이 엔드 이펙터의 정렬(예를 들면, 피치 및 요)을 유지하도록, 모터(435A, 435B)에 의해 구동될 수 있다. 링(480)이 포함되면, 휠(430A, 430B)은, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 중심 축(475)이 엔드 이펙터의 정렬(예를 들면, 피치, 요 및 롤)을 유지하도록, 모터에 의해 구동될 수 있다. 사용자는 3D 공간에서 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)를 자유롭게 이동시킬 수 있다(예를 들면, x, y, z 직동). 사용자가 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)를 비구동 모드에서 이동시킴에 따라, 섀시(440)는 중심 축(475)의 방위를 바르게 맞추도록 이동할 것이다. 효과는 나침반과 유사한데, 중심 축(475)이 엔드 이펙터의 축과 계속 정렬될 것이기 때문이다. 중심 축(475) 또는 난형 본체의 축은, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)와 고정식 엔드 이펙터 사이의 정렬을 유지하기 위해 올바른 방위를 가리킨 채로 유지될 것이다.

구동 모드 동안, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 조인트 한계에 관한 피드백을 제공할 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)가 피치, 요 및 롤에서 중심 축(475)을 재배치하는 능력은, 엔드 이펙터의 조인트 한계를 나타낼 수 있다. 로봇 툴이 조인트 한계 내에서 동작할 때, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 구동 모드에 있을 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400) 내의 모터는, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)가 조인트 한계 내에서 동작하고 있을 때 활성화되지 않는다. 사용자의 6 자유도 모션은 엔드 이펙터의 움직임을 야기할 것이다.

조인트 한계 중 하나가 도달되면, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 하나 이상의 모터가 능동적으로 구동될 것이다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 섀시(440)는, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)를 더 이동시키기 위한 사용자의 시도에도 불구하고, 중심 축(475)을 엔드 이펙터의 축과 정렬시키는 방향으로 구동될 것이다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 롤, 피치 또는 요 방향 중 임의의 방향에서의 추가적인 움직임에 저항할 수 있다.

예를 들면, 사용자가 조인트 한계를 넘어 로봇 툴을 롤링하려고 시도하면, 섀시(440) 상의 모터 제어 링(480)이 활성화될 수도 있다. 모터는 수술 집도자의 참조 프레임과 관련한 공간 내에 링(480)을 고정되게 유지할 수도 있다. 사용자는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 스킨(425)이 고정 링 둘레로 회전하고 있었다고 느낄 것이다. 이것은, 엔드 이펙터가 회전에 대한 조인트 한계에 도달했다는 피드백을 제공한다. 엔드 이펙터가 로봇 툴의 손목의 피치 및 요 조인트에서 조인트 한계와 조우하는 경우, 휠(430A, 430B)을 제어하는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 다른 모터(435A, 435B)가 구동될 수 있다. 사용자가 조인트 한계를 초과하여 엔드 이펙터를 기울이려고 시도하는 경우, 섀시(440)는 사용자가 소망하는 방향에서 회전을 멈출 것이다. 조인트 한계에 도달했다면, 섀시(440)를 제어하는 모터가 활성화될 것이다. 섀시(440)는, 사용자에 의해 유지되는 스킨(425)의 변화하는 방위에도 불구하고, 섀시(440)의 절대 방위가 일정하도록 움직일 수 있다. 섀시(440)의 절대 방위는 자기 트래커(magnetic tracker), IMU 등에 의해 제공될 수 있다. 이것은, 엔드 이펙터가 피치 또는 요에 대한 조인트 한계에 도달했다는 피드백을 제공한다. 이러한 동작 모드에서, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는, 로봇이 특정한 각도 방향에서 이동의 한계에 도달했다는 직접적인 햅틱 감각을 제공한다.

엔드 이펙터에 의해 조우되는 힘에 대한 피드백을 사용자에게 제공하기 위해 유사한 방법이 사용될 수 있을 것이다. 예를 들면, 로봇 툴의 집게는, 그것이 조직을 누를 때까지, 집게를 회전시키는 것에 의해 조직을 촉진하기(palpate) 위해 사용될 수도 있다. 일단 집게가 저항과 조우하면, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는, 힘을 사용자에게 전달하는 방식으로 구동될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 힘의 크기 및/또는 방위는 피드백으로서 제공된다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400) 내부의 구동 모터는 피드백을 제공하도록 맥동될(pulsed) 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 섀시(440)는 사용자의 손가락을 누르고 그 다음 섀시(440)의 원래 방위로 후퇴한다. 섀시(440)의 모션은 엔드 이펙터에 대한 힘 벡터의 방향에 있을 수 있다. 섀시(440)의 모션은 사용자의 참조 프레임 내에 있을 수 있다. 힘 벡터의 모션은 로봇 카메라의 참조 프레임 내에 있을 수 있다. 전방 모션은, 섀시(440)가 자신의 원래의 위치로 복귀하는 것보다 더 짧은 기간 내에, 더 빠른 가속도로 수행될 수도 있다. 사용자의 손가락은, 섀시(440)의 위치 또는 진동보다는, 섀시(440)가 스킨(425)에 충돌할 때의 섀시(440)의 운동량에 민감할 수 있다. 몇몇 사용 방법에서, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 엔드 이펙터에 대한 가해진 힘의 방향에서 섀시(440)의 속도를 증가시키고 섀시(440)가 엔드 이펙터의 실제 위치로 복귀할 때 속도를 감소시킨다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 사용자의 손가락을 통해 사용자에 의해 쉽게 해석되는 방식으로 힘 벡터를 전달할 수도 있다. 맥동 모션의 크기 및/또는 주파수는 엔드 이펙터에 대한 힘이 증가함에 따라 증가할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본 명세서에서 설명되는 사용자 인터페이스 디바이스는 본체의 형상을 변화시키기 위한 디바이스를 구비할 수 있다. 디바이스는 본 명세서에서 설명되는 섀시(440)일 수 있다. 디바이스는 하나 이상의 액추에이터(예를 들면, 하나의 액추에이터, 두 개의 액추에이터, 세 개의 액추에이터, 네 개의 액추에이터, 복수 개의 액추에이터 등)일 수 있다. 하나 이상의 액추에이터는 사용자 인터페이스 디바이스의 본체의 형상을 변화시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 디바이스는 하나 이상의 압력 챔버일 수 있다. 압력 챔버는, 사용자 인터페이스 디바이스의 형상을 변화시키기 위해, 선택적으로 유체로 충전될 수 있다. 압력 챔버의 체적은 하나 이상의 챔버로 유입되는 유체에 기초하여 증가 또는 감소될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 형상 변화는 사용자 인터페이스 디바이스의 본체의 축의 방위를 다시 바르게 맞추는 것을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 형상 변화는 사용자 인터페이스 디바이스의 중심 축을, 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 제어되는 엔드 이펙터의 축과 정렬시키는 것을 포함한다.

본 명세서에서 설명되는 사용자 인터페이스 디바이스는 엔드 이펙터의 모션을 제어할 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 사용자 인터페이스 디바이스는 초정교 수술 시스템의 임의의 섹션으로 매핑될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 사용자 인터페이스 디바이스는 로봇 팔 또는 로봇 툴의 상이한 섹션을 제어할 수 있다. 하나의 예로서, 사용자 인터페이스 디바이스는 로봇 팔을 따르는 중간에 핸들을 재배치하기 위해 사용될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 사용자 인터페이스 디바이스는 초정교 수술 시스템의 다양한 컴포넌트를 제어하기 위한 상이한 동작 모드를 가질 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 사용자 인터페이스 디바이스는 가상의 시뮬레이팅된 툴 모션으로 매핑될 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 초정교 수술 시스템의 가상의 엔드 이펙터 또는 임의의 다른 가상의 컴포넌트를 제어할 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 사용자 인터페이스 디바이스는 비 로봇 물체(non-robotic object)로 매핑될 수 있다. 비 로봇 물체의 예는, 장기(organ) 또는 기타 신체 구성물을 포함한다. 외과 의사는 비 로봇 물체에 대한 햅틱 피드백을 받기 위해 비 로봇 물체에 사용자 인터페이스 디바이스를 매핑할 수도 있다.

본 명세서에서 설명되는 사용자 인터페이스 디바이스는 비 수술적 용도(non-surgical use)를 가질 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 3D 가상 세계와 상호 작용하기 위해 사용될 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 이들 세계 내의 임의의 물체로 매핑될 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 사용자가 가상적으로 터치하는 물체에 대한 햅틱 피드백을 사용자에게 제공할 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 컴퓨터 지원 제도(Computer Aided Drafting; CAD) 프로그램 입력에 대해 사용될 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 가상 스타일러스를 제공할 수 있거나 또는 다른 툴로 매핑될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같은, 형상을 변화시키는 사용자 인터페이스 디바이스의 능력은, 비 수술적 용도에서 사용자 인터페이스 디바이스에 추가적인 기능성을 제공할 수도 있다. 형상의 변화는 비 수술적 용도와 관련되는 피드백을 제공할 수도 있다. 변화하는 형상은 가상 세계에서 조우되는 물체에 대한 피드백을 제공할 수도 있다. 변화하는 형상은 작업의 성공 또는 실패에 대한 피드백을 제공할 수도 있다. 변화하는 형상은 가상 세계 내에서 방위 또는 위치의 감각을 제공할 수도 있다. 조명 및 소리와 같은 피드백의 다른 모드도 또한 사용자에게 피드백을 제공할 수도 있다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)를 사용하는 방법은, 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400) 내의 액추에이터를 제어하는 것을 포함할 수 있다. 액추에이터는 하나 이상의 이동 가능 특징부를 제어하는 모터일 수 있다. 액추에이터는 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 중심 축의 방위를 바르게 맞추기 위해 사용될 수 있다. 중심 축(475)의 방위는 엔드 이펙터의 중심 축의 방위와 일치할 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 중심 축(475)의 방위는 사용자의 참조 프레임 내에 있을 수 있다. 엔드 이펙터의 축의 방위는 카메라 피드의 참조 프레임 내에 있을 수 있다.

지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)를 사용하는 방법은 사용자에게 피드백을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 중심 축(475)의 방위는 엔드 이펙터의 조인트 한계의 정보를 제공할 수 있다. 지반 고정이 없는 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 엔드 이펙터가 조우하는 힘에 대한 피드백을 제공할 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 시스템은 광학 센서를 활용할 수도 있다. 광학 센서는, 하기에 설명되는 근접 센서와 마찬가지로, 물체의 근접성을 감지하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 광학 센서는 사용자 인터페이스 디바이스를 추적할 수 있다. 광학 센서에 대한 다른 용도도 고려된다. 예를 들면, 몇몇 실시형태에서, 광학 센서는 사용자 인터페이스 디바이스(300) 상에 위치될 수 있다. 사용자의 손이 사용자 인터페이스 디바이스(300) 상에 장착되는 광학 센서를 방해할 수도 있다. 섹션(340)은 사용자 인터페이스 디바이스(300)를 부분적으로 둘러쌀 수도 있다. 섹션(340)은 사용자 인터페이스 디바이스(300)에 장착되는 광학 센서를 방해할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 광학 센서는 본체의 다른 부분에 장착될 수 있다. 광학 센서는 사용자의 손에 장착될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 광학 센서는 기반 디바이스(310)에 장착될 수 있다. 기반 디바이스(310)의 위치는 사용자 인터페이스 디바이스(300)의 위치에 대한 프록시(proxy)로서 기능할 수 있다. 기반 디바이스는 더 적은 장애물을 가질 수도 있다. 기반 디바이스(310)의 움직임(예를 들면, 직동, 회전)은 사용자 인터페이스 디바이스(300)의 움직임에 대한 프록시로서 기능할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 광학 센서는 링크(320, 330)에 장착될 수 있다.

앞서 설명되는 바와 같이, 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300)는, 근접 센서 및 센서 어레이를 포함하는 그러나 이들로 제한되지는 않는 다수의 센서를 구비한다. 센서 어레이는 복수의 센서이다. 센서 어레이는 동일한 또는 상이한 유형의 센서를 구비할 수 있다. 용장성은, 상이한 센서 또는 동일한 센서의 중복성 중 어느 하나에 의해 달성될 수 있다. 동일한 유형의 센서는 동일한 파라미터를 측정하고 용장성을 달성한다. 용장성은 또한, 상이한 파라미터가 측정되는 상이한 유형의 센서를 사용하는 것에 의해 달성될 수 있다. 측정이 취해진 이후, 분석은 도출된 파라미터가 검사되는 것을 허용할 수 있다.

근접 센서는, 가까이 있지만 반드시 센서에 접촉하지 않는 물체를 감지하는 센서이다. 몇몇 실시형태에서, 근접 센서는 광학 센서이다. 근접 센서는 광학적일 필요는 없으며, 다른 유형의 센서도 고려된다. 근접 센서는 상업적으로 입수가능하다. 근접 센서는 성질 상 용량성이다. 근접 센서는, 물체가 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300) 근처에 있는지를 감지하는 능력을 제공한다. 이것은 많은 상황에서 유리할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 근접 센서는 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300)를 유지하는 손가락의 존재를 감지할 수도 있다. 어떤 물체(예컨대 손가락)도 감지되지 않으면, 제어 시스템은 안전 상태로 진입할 것을 초정교 로봇 시스템에게 명령할 수도 있다. 안전 상태에서, 초정교 로봇 시스템은 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300)로부터의 모션의 임의의 입력을 제한할 수 있다. 예를 들면, 엔드 이펙터는 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300)의 모션을 따르기 보다는, 한 위치에 고정된 상태로 유지될 수 있다. 이것은, 엔드 이펙터의 부주의한 움직임(예를 들면, 사용자가 실수로 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10'', 200)를 떨어뜨리는 경우)으로부터 환자에게 상해를 가하는 것을 방지할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 근접 센서는 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300)가 어떻게 유지되는지를 감지할 수도 있다. 예를 들면, 근접 센서는 사용자가 어떤 제스쳐를 수행하고 있는지를 감지할 수도 있다. 그 다음, 제스쳐는 제어 시스템에 대한 시스템 커맨드로 매핑될 수도 있다. 예를 들면, 카메라를 줌인하기 위해, 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300)를 압착하는 것과 같은 제스처가 사용될 수도 있다.

사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300)의 다수의 센서는 용장성의 판독치를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 용장성은 초정교 로봇 시스템의 안전 동작을 보장할 수도 있다. 예를 들면, 근접 센서 및 임피던스 센서의 사용은, 사용자가 디바이스를 유지하고 있는지 여부를 검출하기 위한 용장성을 제공할 수도 있다.

사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300)의 다수의 센서는 기능의 용장성을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300)와 관련되는 센서는 상이한 유형이다. 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300)는 분할된 용장성(split redundancy)의 개념을 활용할 수 있다. 예로서, 6 DOF 센서가 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300) 내부에 배치될 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300)는 또한, 방위를 측정하는 관성 측정 유닛(IMU) 및 직동을 측정하는 광학 트래커를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 센서 중 하나 이상은 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300)의 본체 외부에 배치될 수 있다. 예를 들면, 광학 트래커는 기반 디바이스(310)에 커플링될 수 있다.

6 DOF 센서의 고장은 엔드 이펙터의 소망하지 않은 거동으로 이어질 수도 있다. 기능의 용장성을 제공하기 위해, 다른 6DOF 센서가 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300) 내부에 배치될 수도 있다. 그러나, 관성 측정 유닛과 광학 트래커는, 실패한 6 DOF 센서와 동일한 기능을 제공할 수 있다. 관성 측정 유닛 및 광학 트래커의 각각은 분할된 용장성을 제공할 수 있다. 관성 측정 유닛 및 광학 트래커가 함께, 실패한 6 DOF 센서로서 완전한 용장성의 기능성을 제공할 수도 있다. 관성 측정 유닛 및 광학 트래커는, 제2 6DOF 센서가 있는 것처럼 기능한다. 관성 측정 유닛은 6 DOF 센서의 방위 판독치에 대한 용장성을 제공할 수도 있다. 광학 트래커는 6 DOF 센서의 직동 성분에 대한 용장성을 제공할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 센서는 다른 센서의 판독치에 대한 용장성의 판독치를 제공할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 센서는 다른 센서의 판독치의 일부에 대한 용장성의 판독치를 제공할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 각각의 센서는 다른 센서의 판독치에 대한 용장성의 판독치를 제공할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 각각의 센서는 다른 센서의 판독치의 일부에 대한 용장성의 판독치를 제공할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 용장성을 위해, 동일한 유형의 센서의 제2 센서가 포함될 필요는 없다.

각각의 센서는 상이한 생각지도 않은 위험을 갖는다. 예를 들면, 가속도계는 드리프트를 경험할 수도 있다. 광학 센서의 시선이 차단될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300)는, 유익하게는, 하나 이상의 상이한 유형의 센서를 결합하는 것에 의해 생각지도 않은 위험을 완화한다. 몇몇 실시형태에서, 제어 시스템은 인간의 손의 기하학적 형상을 고려한다. 제어 시스템은, 손과 관련한 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300)의 움직임 또는 위치에 기초하여 가정을 할 수 있다.

시스템의 추가적인 특징부는, 2015년 2월 24일자로 출원된 미국 가출원 제62/120,128호, 및 2015년 7월 30일자로 출원된 국제 출원 PCT/US2015/042991호에서 설명되는데, 이들은 참고로 그 전체가 본 명세서에 통합되며, 이들은 본 명세서의 일부로서 간주되어야 한다. 이들 애플리케이션은 수술 집도자의 손의 커플링된 모션을 분리하는 방법을 설명한다. 몇몇 실시형태에서, 분리는 추가적인 추적 디바이스의 사용에 의해 달성될 수도 있다. 예를 들면, 도 8은, 몇몇 실시형태에 따른, 수술 집도자의 손의 커플링된 모션을 분리하기 위한 다수의 센서를 구비하는 초정교 수술 시스템을 예시한다.

도 8에서 예시되는 바와 같이, 사용자 인터페이스 디바이스(50)와 함께 시스템을 조작하는 수술 집도자(20)가 보인다. 사용자 인터페이스 디바이스(50)는 지반 고정이 없을 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(50)는 사용자 인터페이스 디바이스(10, 10', 10", 300, 400)와 같은 본 명세서에서 설명되는 사용자 인터페이스 디바이스의 특징부 중 임의의 것을 구비할 수 있다. 디바이스(1400', 1400")에 커플링된 수술 집도자를 또한 볼 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 이들 디바이스는 수술 집도자의 손등 쪽에 위치된다. 다른 실시형태에서, 이들 디바이스는 수술 집도자의 팔을 따르는 어떤 다른 위치에 위치될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 디바이스(1400' 및 1400")는 하나 이상의 센서(예를 들면, 자기 추적을 위한 센서, 관성 감지를 위한 센서, 및/또는 등)를 포함할 수도 있다. 광학 추적을 사용하는 것과 같은 다른 실시형태에서, 디바이스(1400' 및 1400")는 어떠한 센서도 포함하지 않을 수도 있고, 대신 하나 이상의 조명(light) 및/또는 반사 표면을 포함할 수도 있다. 디바이스(1400' 및 1400")는, 디바이스(200) 및 기반 디바이스(300)를 비롯한, 본 명세서에서 설명되는 디바이스의 특징부 중 임의의 것을 구비할 수 있다.

또한, 도 8에서는, 두 개의 카메라(1410', 1410")가 있다는 것을 알 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 카메라(1410')는 디바이스(1400')에 대한 직접적인 시선을 갖는 것으로 보이고, 카메라(1410")는 디바이스(1400")에 대한 직접적인 시선을 갖는 것으로 보인다. 디바이스(1400' 및 1400")는, 카메라(1400' 및 1410")와 함께 광학 추적 시스템을 형성하는 반사 표면, 조명, 핀 또는 볼을 구비할 수도 있다. 따라서 카메라(1410') 및 디바이스(1400')는 수술 집도자(20)의 왼손의 위치를 추적할 수도 있고, 반면, 카메라(1410") 및 디바이스(1400")는 수술 집도자의 오른손의 위치를 추적할 수도 있다. 비록 디바이스(1400' 및 1400")가 수술 집도자의 뒤에서 예시되지만, 다른 위치가 선택될 수도 있다(예를 들면, 사용자 인터페이스 디바이스(50) 상에, 또는 수술 집도자의 신체의 다른 위치 상에). 몇몇 실시형태에서, 디바이스(1400' 및 1400") 및 카메라(1410' 및 1410")의 위치는 반대로 될 수도 있다(예를 들면, 카메라가 수술 집도자의 손등에 위치되고, 한편 디바이스는 카메라에 대한 직접적인 시선을 가지고 장착된다). 몇몇 실시형태에서, 수술 집도자의 손 또는 신체에 부착되는 특정한 디바이스 또는 기기보다는 수술 집도자의 손의 형상을 인식하도록 구성되는 시각 추적 시스템 및 자기 추적 시스템과 같은 다른 유형의 센서가 활용될 수도 있다. 추가적으로, 1410' 및 1410"과 같은 외부 추적 디바이스의 존재를 필요하지 않을 관성 감지(예를 들면, 가속도계)가 사용될 수도 있다.

이 실시형태에서, 수술 집도자가 그의 또는 그녀의 손가락으로 사용자 인터페이스 디바이스(50)를 롤링할 때 사용자 인터페이스 디바이스(50)가 겪을 수도 있는 커플링된 직동 모션은, 사용자 인터페이스 디바이스(50)의 모션이 엔드 이펙터의 모션에 적용될 때 분리될 수도 있고 감소 또는 제거될 수도 있다. 이것을 추가로 설명하기 위해, 예를 들면, 상기 논의로부터 조직에 스티치(stitch)를 적용하기 위해 수술 집도자가 사용자 인터페이스 디바이스(50)를 롤링하는 경우(몇몇 실시형태에서, 한 손 또는 양 손이 사용되는지는 중요하지 않음), 몇몇 직동 모션이 사용자 인터페이스 디바이스(50)에 커플링할 수도 있다는 것이 예상된다. 그러나, 상기에서 설명되는 보조 추적 시스템 또는 다른 추적 시스템을 사용하여, 직동 모션이 측정될 수 있다. 사용자 인터페이스 디바이스(50)가 경험하는 동일한 직동 모션을 추적 시스템이 측정한다는 것을 가정하면, 커플링된 직동 모션은, 엔드 이펙터에 적용되는 모션으로부터 제거 또는 배제될 수 있다. 수학적 관점에서, 사용자 인터페이스 디바이스(50)의 임의의 하나의 모션이

에 의해 묘사되면, 그 다음 사용자 인터페이스 디바이스(50)가 롤 및 직동 모션을 경험하면, 몇몇 실시형태에서, 그것은 다음과 같이 기록될 수도 있다:

사용자 인터페이스 디바이스(50)가, 비록 그것이 동일한 직동 모션을 겪을 수도 있을지라도, 그의 또는 그녀의 손가락을 사용하여 수술 집도자에 의한 롤링 모션에 받게 되면, 디바이스(1400', 1400")는 어떠한 롤링 모션도 경험하지 않을 수도 있다. 그것은 또한, 인간 손의 운동학에 의해 결정되는 함수에 의해 사용자 인터페이스 디바이스(50)의 직동 모션에 수학적으로 관련되는 모션을 경험할 수도 있다. 따라서, 사용자 인터페이스 디바이스(50)의 직동 모션이 손등 상의 센서의 직동 모션과 동일하다고 가정하면, 다음 식이 기록될 수도 있다:

여기서

는 사용자 인터페이스 디바이스(50)의 직동 모션을 나타내고,

는 센서(1400' 또는 1400")의 직동 모션을 나타낸다. 이제, 로봇 툴의 최종 적용된 모션은 두 개의 파라미터: 사용자 인터페이스 디바이스(50)의 모션(이것은 커플링된 모션을 가짐) 및 손등의 센서(1400' 및 1400")의 모션의 약간 일반적의 함수

로서 기록될 수도 있다. 따라서,

식 2에서 명시되는 바와 같이, 사용자 인터페이스 디바이스(50)의 직동 모션은 손등 상의 디바이스의 직동 모션과 동일하다. 식 3에서 최종 출력을 계산하는 동안, 이 성분은 제거될 수 있다. 따라서, 직동 모션만을 경험하는 독립적인 디바이스를 갖는 것은, 이 모션을 사용자 인터페이스 디바이스 모션으로부터 분리하는 것을 허용한다.

몇몇 실시형태에서, 두 개의 카메라(1410' 및 1410")가 도 8에서 예시되지만, 단지 하나의 카메라만이 필요로 될 수도 있다. 다른 실시형태는 성질 상 광학적이지 않은 센서를 사용하는 것을 포함할 수도 있다. 따라서, 센서(1400' 및 1400")는 전자기 센서를 포함하는 그러나 이것으로 제한되지는 않는 다양한 유형을 가질 수도 있다. 또한, 도면에서 사용자 인터페이스 디바이스(50)의 예시가 긴 관형 구조체처럼 보이지만, 다른 실시형태에서는 다른 형상도 가능하다는 것이 이해된다.

따라서, 상기의 개념에 의해, 방위에 대한 방법이 제공될 수도 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 수술 집도자의 자연스러운 모션을 로봇 툴의 특정한 모션으로 매핑하는 방법이 제공된다. 이들 방법의 실시형태는, 유익하게도, 시스템의 사용 용이성을 향상시킬 수도 있다.

사용의 방법은 다음 단계 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 사용자는 무균 패키징으로부터 사용자 인터페이스 디바이스를 풀 수도 있다. 사용자는 배선을 사용자 인터페이스 디바이스에 삽입할 수도 있다. 사용자는 초정교 로봇 시스템의 제어 시스템 안으로 배선을 삽입할 수도 있다. 사용자는, 사용자 인터페이스 디바이스와 초정교 로봇 시스템 사이에 배선을 연결할 수도 있다. 사용자는, 사용자 인터페이스 디바이스와 초정교 로봇 시스템의 제어 시스템을 무선으로 연결할 수도 있다. 사용자는 엔드 이펙터와 함께 사용자 인터페이스 디바이스를 교정할 수도 있다. 사용자는 환자 신체 밖에서 엔드 이펙터를 움직이는 것을 연습할 수도 있다. 사용자는 사용자 인터페이스 디바이스를 파지할 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는, 사용자가 사용자 인터페이스 디바이스와 접촉하고 있을 때 사용자 인터페이스 디바이스의 표면 상의 임피던스를 측정할 수도 있다. 사용자는 사용자 인터페이스 디바이스를 한 위치에서 다른 위치로 이동할 수도 있다. 한 위치에서 다른 위치로의 사용자 인터페이스 디바이스의 모션은 엔드 이펙터를 한 위치에서 다른 위치로 이동시킬 수도 있다. 움직임은 동일한 거리 또는 비례하는 거리일 수도 있다. 사용자는 사용자 인터페이스 디바이스를 사용자 인터페이스 디바이스의 중심 축을 중심으로 이동시킬 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스의 모션은 엔드 이펙터의 종축을 중심으로 엔드 이펙터를 이동시킬 수도 있다. 움직임은 종축을 중심으로 하는 동일한 정도의 회전 또는 비례하는 정도일 수도 있다. 사용자는 사용자 인터페이스 디바이스에 힘을 인가할 수도 있다. 힘의 인가는, 엔드 이펙터로 하여금 힘을 인가하게 할 수도 있다. 힘은 파지력일 수도 있다. 힘의 인가는, 동일한 양의 힘 또는 비례하는 양의 힘일 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 압력 센서로 힘을 측정할 수도 있다.

사용자 인터페이스 디바이스는 사용자에게 피드백을 제공할 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 사용자 인터페이스 디바이스의 챔버의 압력을 증가시킬 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 사용자 인터페이스 디바이스의 챔버의 압력을 감소시킬 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는, 엔드 이펙터가 뼈 또는 초정교 로봇 시스템의 컴포넌트와 같은 단단한 물질에 접촉할 때 압력을 증가시킬 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는, 엔드 이펙터가 조직과 같은 부드러운 재료와 접촉할 때 압력을 감소시킬 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 소리를 생성할 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는, 엔드 이펙터가 움직임 한계에 도달하면 경고음을 낼 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는, 엔드 이펙터가 다른 물체와 충돌하거나 또는 다른 물체와 충돌할 가능성이 있을 때 경고음을 낼 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는, 사용자 인터페이스 디바이스가 너무 빠르게 움직일 때 경고음을 낼 수도 있다. 사용자 인터페이스는 빛을 방출할 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 엔드 이펙터와 통신하고 있을 때 빛을 방출할 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 경고로서 빛을 방출할 수도 있다.

사용자는 신체의 일부분에 디바이스를 커플링할 수도 있다. 디바이스는 사용자 인터페이스 디바이스의 다양한 컴포넌트를 수용할 수도 있다. 디바이스는 사용자 인터페이스 디바이스의 무게를 감소시킬 수도 있다. 사용자는 디바이스를 그의 또는 그녀의 손목에 커플링할 수도 있다. 사용자는 스트랩으로 디바이스를 그의 또는 그녀의 신체에 커플링할 수도 있다.

사용자는 사용자 인터페이스 디바이스를 사용자의 신체의 일부와 커플링할 수도 있다. 사용자는 어셈블리의 섹션 내에서 사용자 인터페이스 디바이스를 회전시킬 수도 있다. 사용자는 섹션을 하나 이상의 링크에 커플링할 수도 있다. 하나 이상의 링크는 그들 사이에 상대적인 모션을 가질 수도 있다. 사용자는 하나 이상의 링크를 기반 디바이스에 커플링할 수도 있다. 사용자는 기반 디바이스를 사용자 신체의 일부와 커플링할 수도 있다. 기반 디바이스는 사용자의 손바닥 주위로 감길 수도 있다. 기반 디바이스는 스트랩일 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 적어도 세 개의 자유도를 가질 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 적어도 네 개의 자유도를 가질 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 적어도 다섯 개의 자유도를 가질 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 적어도 여섯 개의 자유도를 가질 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 적어도 일곱 개의 자유도를 가질 수도 있다. 사용자 인터페이스 디바이스는 자신의 제어 하에 있는 엔드 이펙터만큼 자유도를 가질 수도 있다.

이제, 본 개시내용에서 설명되는 사용자 인터페이스 디바이스는 초정교 로봇 시스템의 활용성을 확장시킨다는 것이 명백할 수도 있다. 수술 집도자는 한 위치에 고정될 필요가 없다. 본 명세서에서 개시되는 고급 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하여, 수술 집도자는 환자와 관련하여 가장 최적의 위치를 취할 수도 있다. 또한, 수술 집도자는 환자와 관련하여 수술 동안 그의 또는 그녀의 위치를 변화사킬 수 있다. 수동 및 로봇 수술을 수행하는 능력과 같은 초정교 로봇 시스템의 이점 중 많은 것은, 이들 사용자 인터페이스 디바이스로 인해 향상된다.

비록 본 개시내용이 소정의 실시형태 및 예의 맥락에서 설명되었지만, 본 개시내용은 명확히 개시된 실시형태를 넘어 다른 대안적인 실시형태 및/또는 그들의 용도와 명백한 수정예 및 등가예로 확장한다는 것이 기술 분야의 숙련된 자에 의해 이해될 것이다. 또한, 본 개시내용의 실시형태의 몇몇 변형예가 도시되고 상세하게 설명되었지만, 본 개시내용의 범위 내에 있는 다른 수정예도 기술 분야의 숙련된 자에게는 쉽사리 명백할 것이다. 또한, 실시형태의 특정한 특징부 및 양태의 다양한 조합 또는 하위 조합이 이루어질 수도 있으며, 여전히 본 개시내용의 범위 내에 있을 수도 있다는 것이 고려된다. 예를 들면, 하나의 실시형태와 관련하여 상기에서 설명되는 특징부는, 본 명세서에서 설명되는 다른 실시형태와 함께 사용될 수 있으며, 그 조합은 여전히 본 개시내용의 범위 내에 있다. 개시된 실시형태의 다양한 특징부 및 양태는, 본 개시내용의 실시형태의 다양한 모드를 형성하기 위해, 서로 결합될 수 있거나, 또는 대체될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 명세서의 본 개시내용의 범위는 상기에서 설명되는 특정한 실시형태에 의해 제한되지 않아야 한다는 것이 의도된다. 따라서, 달리 언급되지 않는 한, 또는 명확하게 양립할 수 없지 않는 한, 본 발명의 각각의 실시형태는, 본 명세서에서 설명되는 그 본질적인 특징부 외에, 본 명세서에서 개시되는 본 발명의 다른 실시형태로부터 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 하나 이상의 특징부를 포함할 수도 있다.

특정한 양태, 실시형태 또는 예와 관련하여 설명되는 특징부, 재료, 특성 또는 그룹은, 이 섹션 또는 본 명세서의 다른 곳에서 설명되는 임의의 다른 양태, 실시형태 또는 예에, 그들과 양립할 수 없지 않는 한, 적용 가능하게 되는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서(임의의 수반하는 청구범위, 요약서 및 도면을 포함함)에서 개시되는 모든 특징부, 및/또는 이렇게 개시되는 임의의 방법 또는 프로세스의 모든 단계는, 이러한 특징부 및/또는 단계 중 적어도 일부가 상호 배타적인 조합을 제외하면, 임의의 조합으로 결합될 수도 있다. 보호는 임의의 상기한 실시형태의 세부 사항으로 한정되지는 않는다. 보호는, 본 명세서(임의의 수반하는 청구범위, 요약서 및 도면을 포함함)에서 개시되는 특징부의 임의의 신규의 것, 또는 임의의 신규의 조합으로, 또는 이렇게 개시되는 임의의 방법 또는 프로세스의 단계의 임의의 신규의 것, 또는 임의의 신규의 조합으로 확장한다.

또한, 별개의 구현예의 맥락에서 본 개시내용에서 설명되는 소정의 특징부는, 단일의 구현예에서 조합되어 구현될 수 있다. 반대로, 단일의 구현예의 맥락에서 설명되는 다양한 특징부는, 다수의 구현예에서 개별적으로 또는 임의의 적절한 하위 조합에서 또한 구현될 수 있다. 또한, 비록 특징부가 소정의 조합에서 작용하는 것으로 상기에서 설명될 수도 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징부는, 몇몇 경우에, 그 조합으로부터 제거될 수 있고, 그 조합은 하위 조합 또는 하위 조합의 변형으로서 청구될 수도 있다.

또한, 동작이 도면에서 묘사될 수도 있거나 또는 특정한 순서로 명세서에서 설명될 수도 있지만, 바람직한 결과를 달성하기 위해, 이러한 동작은 도시되는 특정 순서로 또는 순차적인 순서로 수행될 필요는 없거나, 또는 모든 동작이 수행될 필요는 없다. 묘사되지 않은 또는 설명되지 않은 다른 동작이 예시적인 방법 및 프로세스에 통합될 수 있다. 예를 들면, 설명된 동작 중 임의의 것 이전에, 이후에, 그 임의의 것과 동시에, 또는 그 임의의 것 사이에서 하나 이상의 추가적인 동작이 수행될 수 있다. 또한, 동작은 다른 구현예에서 재정렬되거나 재배열될 수도 있다. 기술 분야의 숙련된 자는, 몇몇 실시형태에서, 예시되고 그리고/또는 개시되는 프로세스에서 취해지는 실제 단계가 도면에서 도시되는 것과는 상이할 수도 있다는 것을 인식할 것이다. 실시형태에 따라, 상기에서 설명되는 단계 중 소정의 것은 제거될 수도 있고, 다른 것이 추가될 수도 있다. 또한, 상기에서 개시되는 특정한 실시형태의 특징부 및 속성은, 추가적인 실시형태를 형성하기 위해 상이한 방식으로 조합될 수도 있는데, 추가적인 실시형태 전체는 본 개시내용의 범위 내에 있다. 또한, 상기에서 설명되는 구현예에서의 다양한 시스템 컴포넌트의 분리는, 모든 구현예에서 이러한 분리를 필요로 하는 것으로 이해되어서는 안되면, 설명된 컴포넌트 및 시스템은 일반적으로 단일의 제품에서 함께 통합될 수 있거나 또는 다수의 제품으로 패키지화될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

본 개시내용의 목적을 위해, 소정의 양태, 이점 및 신규한 특징부가 본 명세서에서 설명된다. 모든 이러한 이점이 반드시 임의의 특정한 실시형태에 따라 달성될 수도 있는 것은 아니다. 따라서, 예를 들면, 기술 분야의 숙련된 자는, 본 명세서에서 교시되는 바와 같은 하나의 이점 또는 이점의 그룹을, 본 명세서에서 교시 또는 제안될 수도 있는 바와 같은 다른 이점을 반드시 달성하지 않고도, 달성하는 방식으로 본 개시내용이 구현 또는 수행될 수도 있다는 것을 인식할 것이다.

달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 또는 사용되는 바와 달리 문맥 내에서 이해되지 않는 한, "할 수 있다(can)", "할 수 있을 것이다(could)", "할 수도 있을 것이다(might)" 또는 "할 수도 있다(may)"와 같은 조건부 언어는, 일반적으로, 소정의 실시형태가 소정의 특징부, 구성요소, 및/또는 단계를 포함하지만, 한편 다른 실시형태는 포함하지 않는다는 것을 전달하도록 의도된다. 따라서, 이러한 조건부 언어는, 특징부, 구성요소, 및/또는 단계가 어떤 식으로든 하나 이상의 실시형태에 대해 필요로 된다는 것, 또는 이들 특징부, 구성요소, 및/또는 단계가 포함되는지 또는 임의의 특정한 실시형태에서 수행되어야 하는지의 여부를, 사용자 입력 또는 프롬프트를 가지고 또는 없이, 결정하기 위한 로직을 하나 이상의 실시형태가 반드시 포함한다는 것을 의미하도록 일반적으로 의도되지는 않는다.

구문 "X, Y 및 Z 중 적어도 하나"와 같은 접속 언어(conjunctive language)는, 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 항목, 항 등이 X, Y 또는 Z 중 어느 하나일 수도 있다는 것을 전달하기 위해 일반적으로 사용되는 바와 같은 맥락을 가지고 다르게 이해된다. 따라서, 이러한 접속 언어는, 소정의 실시형태가 X의 적어도 하나, Y의 적어도 하나, 및 Z의 적어도 하나의 존재를 필요로 한다는 것을 의미하도록 일반적으로 의도되지는 않는다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 언어, 예컨대 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "대략적으로", "약", "대체로", 및 "실질적으로"는, 여전히 소망하는 기능을 수행하는 또는 소망하는 결과를 달성하는 언급된 값, 양, 또는 특성에 가까운 값, 양, 또는 특성을 나타낸다. 예를 들면, 용어 "대략적으로", "약", "대체로", 및 "실질적으로"는, 언급된 양의 10% 미만 이내에 있는, 5% 미만 이내에 있는, 1% 미만 이내에 있는, 0.1% 미만 이내에 있는, 그리고 0.01% 미만 이내에 있는 양을 가리킬 수도 있다. 다른 예로서, 소정의 실시형태에서, 용어 "대체로 평행한" 그리고 "실질적으로 평행한"은, 정확하게 평행한 것으로부터, 15도, 10도, 5도, 3도, 1도, 0.1도, 또는 기타만큼 벗어나는 값, 양, 또는 특성을 가리킨다.

본 개시내용의 범위는 이 섹션 또는 본 명세서의 그 밖의 곳에서의 바람직한 실시형태의 특정한 개시에 의해 제한되도록 의도되는 것은 아니며, 이 부문 또는 본 명세서의 다른 곳에서 제시되는 바와 같은 또는 미래에 제시되는 바와 같은 청구범위에 의해 정의될 수도 있다. 청구범위의 언어는, 청구범위에서 활용되는 언어에 기초하여 광의적으로 해석되어야 하며, 본 명세서 내에서 또는 본 출원의 심사 과정 동안 설명되는 예로 제한되지 않아야 하는데, 그 예는 비배타적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (38)

1. 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스(handheld portable user interface device)로서,
   사용자의 손에서 유지되도록 구성되는 본체로서, 상기 본체는 근위 부분(proximal portion) 및 원위 부분(distal portion)을 포함하고 상기 본체의 근위단(proximal end)과 원위단(distal end) 사이의 종축(longitudinal axis)에 의해 획정되는 길이를 따라 연장되고, 상기 본체는 상기 종축을 가로질러 연장되는 횡축(transverse axis)을 따라 획정되는 폭을 따라 연장되며, 상기 길이는 상기 본체의 상기 폭보다 더 크고,
   상기 본체는 상기 사용자의 손의 손가락에 의해 파지되도록 그리고 상기 사용자의 손에 의한 직동(translation) 및 회전을 용이하게 하도록 구성되는 외부 표면을 포함하는, 상기 본체; 및
   상기 본체 내에 배치되는 하나 이상의 센서로서, 상기 본체의 위치 및 방위(orientation) 정보 중 하나 또는 둘 다를 제어 시스템으로 제공하도록 구성되는, 상기 하나 이상의 센서를 포함하되,
   상기 본체는, 상기 본체의 직동, 상기 본체의 회전, 상기 사용자의 손가락을 사용한 상기 외부 표면의 누름, 및 상기 본체의 상기 종축의 각도 방위의 변화 중 하나 이상을 통해 상기 사용자로부터의 제어 입력을 수신하도록 구성되는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스.
2. 제1항에 있어서, 상기 본체는, 상기 사용자의 손의 상기 손가락에 의해 파지되는 상기 본체의 상기 외부 표면을 통해 상기 사용자에게 촉각 피드백을 제공하도록 구성되는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스.
3. 제1항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 디바이스는 오로지 상기 사용자의 손에 의해서만 지지되는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스.
4. 제1항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 디바이스는, 상기 사용자 인터페이스 디바이스의 모션을 로봇 팔의 엔드 이펙터(end effector)의 모션으로 변환하기 위한 입력을 상기 제어 시스템으로 제공하도록 구성되는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스.
5. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 센서는 기능의 용장성(redundancy)을 제공하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스.
6. 제5항에 있어서, 상기 하나 이상의 센서는 상이한 유형인, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스.
7. 제1항에 있어서, 하나 이상의 센서는 근접 센서를 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스.
8. 제1항에 있어서, 상기 외부 표면은 상기 사용자에 의해 눌려지도록 구성되는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스.
9. 제8항에 있어서, 상기 본체는 유체로 채워지도록 구성되는 챔버를 포함하되, 상기 사용자에 의한 상기 외부 표면의 누름(depression)은 상기 챔버 내 감지된 압력을 변화시키고, 감지된 압력의 상기 변화는 상기 제어 시스템으로 전달되어, 상기 감지된 압력을, 상기 본체로 제어되는 로봇 팔의 엔드 이펙터에 의해 인가되는 힘으로 변환하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스.
10. 제9항에 있어서, 상기 본체는 촉각 피드백을 상기 사용자에게 제공하기 위해 상기 챔버의 상기 압력을 변화시키도록 구성되는 펌프를 더 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스.
11. 핸드헬드식 사용자 인터페이스 디바이스로서,
    사용자의 손에 유지되도록 그리고 오로지 상기 사용자의 손에 의해서만 지지되도록 구성되는 본체로서, 상기 사용자의 손에 의한 상기 본체의 직동 및 회전을 용이하게 하기 위해 상기 사용자의 손의 손가락에 의해 파지되도록 구성되는 외부 표면을 포함하는, 상기 본체; 및
    상기 본체 내에 배치되는 하나 이상의 센서로서, 상기 본체의 위치 및 방위 정보 중 하나 또는 둘 다를 제어 시스템으로 제공하도록 구성되는, 상기 하나 이상의 센서를 포함하되,
    상기 본체는 상기 사용자의 손가락에 의해 파지되는 상기 본체의 상기 외부 표면을 통해 상기 사용자에게 피드백을 제공하도록 구성되는, 핸드헬드식 사용자 인터페이스 디바이스.
12. 제11항에 있어서, 상기 본체는, 상기 본체의 직동, 상기 본체의 회전, 상기 사용자의 손가락을 사용한 상기 외부 표면의 누름, 및 상기 본체의 상기 종축의 각도 방위의 변화 중 하나 이상을 통해 상기 사용자로부터의 제어 입력을 수신하도록 구성되는, 핸드헬드식 사용자 인터페이스 디바이스.
13. 제11항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 디바이스의 상기 종축의 방위를 조정하기 위해 상기 본체의 외부 스킨 내에서 이동하도록 구성되는 내부 섀시를 더 포함하는, 핸드헬드식 사용자 인터페이스 디바이스.
14. 제13항에 있어서, 상기 내부 섀시는 목적하는 피치(pitch) 및/또는 요(yaw) 방위를 달성하기 위해 상기 외부 스킨에 대해 이동하고 이것을 상기 사용자에게 촉각적으로 전달하는, 핸드헬드식 사용자 인터페이스 디바이스.
15. 제13항에 있어서, 상기 내부 섀시는 팽창, 수축, 맥동 및 회전으로 이루어진 군으로부터 선택된 방식 중 하나로 이동하는, 핸드헬드식 사용자 인터페이스 디바이스.
16. 제13항에 있어서, 상기 내부 섀시는 상기 내부 섀시의 모션에 영향을 주는 하나 이상의 액추에이터를 구비하는, 핸드헬드식 사용자 인터페이스 디바이스.
17. 제16항에 있어서, 상기 하나 이상의 액추에이터는 목적하는 롤(roll) 방위를 달성하도록 작동 가능한 링을 포함하는, 핸드헬드식 사용자 인터페이스 디바이스.
18. 제13항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 제어되는 엔드 이펙터의 축과의 상기 사용자 인터페이스 디바이스 축의 상기 종축의 정렬을 유지하기 위해, 상기 내부 섀시는 피치, 요 및/또는 롤 방위를 조정하는, 핸드헬드식 사용자 인터페이스 디바이스.
19. 제18항에 있어서, 상기 내부 섀시는 상기 엔드 이펙터에 대한 힘에 응답하여 피치, 요 및/또는 롤 방위를 조정하는, 핸드헬드식 사용자 인터페이스 디바이스.
20. 제11항에 있어서, 상기 본체는 상기 본체의 형상을 변화시키기 위한 하나 이상의 액추에이터를 포함하는, 핸드헬드식 사용자 인터페이스 디바이스.
21. 제11항에 있어서, 상기 본체는, 상기 본체의 형상을 변화시키기 위한 하나 이상의 압력 챔버를 포함하는, 핸드헬드식 사용자 인터페이스 디바이스.
22. 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법으로서,
    상기 사용자 인터페이스 디바이스의 본체를 사용자의 손으로 유지하는 단계로서, 상기 본체는 근위 부분 및 원위 부분을 포함하며 본체의 근위단과 원위단 사이의 종축을 따라 획정되는 길이를 따라 연장되고, 상기 본체는 상기 종축을 가로질러 연장되는 횡축을 따라 획정되는 폭을 따라 연장되며, 상기 길이는 상기 본체의 상기 폭보다 더 크고, 상기 본체 내에 배치되는 하나 이상의 센서는 상기 본체의 방위 정보를 제어 시스템으로 제공하는, 상기 유지하는 단계, 및
    상기 본체의 직동, 상기 본체의 회전, 상기 사용자의 손가락을 사용한 외부 표면의 누름, 및 상기 본체의 상기 종축의 각도 방위의 변화 중 하나 이상으로부터 제어 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 디바이스로 로봇 팔의 엔드 이펙터의 동작을 제어하기 위해, 상기 제어 신호를 제어 시스템으로 전달하는 단계를 더 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
24. 제23항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 디바이스의 모션을 상기 엔드 이펙터의 모션으로 변환하는 단계를 더 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
25. 제22항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 디바이스의 상기 본체 내의 섀시를 이동시키기 위한 제어 신호를 수신하는 단계를 더 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
26. 제25항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 디바이스의 상기 종축의 방위를 조정하기 위해 상기 본체 내의 상기 섀시를 이동시키는 단계를 더 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
27. 제25항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 제어되는 엔드 이펙터의 축의 목적하는 피치 및/또는 요 방위를 달성하기 위해 상기 섀시를 이동시키는 단계를 더 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
28. 제25항에 있어서, 팽창, 수축, 맥동, 및 회전으로 이루어진 군으로부터 선택된 방식 중 하나로 상기 내부 섀시를 이동시키는 단계를 더 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
29. 제25항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 제어되는 엔드 이펙터의 축의 목적하는 롤 방위를 달성하기 위해 링을 작동시키는 단계를 더 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
30. 제25항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 제어되는 엔드 이펙터의 축과의 상기 사용자 인터페이스 디바이스 축의 상기 종축의 정렬을 유지하기 위해, 섀시의 피치, 요 및/또는 롤 방위를 조정하는 단계를 더 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
31. 제30항에 있어서, 상기 엔드 이펙터에 대한 힘에 응답하여, 상기 섀시의 피치, 요 및/또는 롤 방위를 조정하는 단계를 더 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
32. 제30항에 있어서, 상기 엔드 이펙터가 상기 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 이동되는 구동 모드에서 상기 사용자 인터페이스 디바이스를 동작시키는 단계를 더 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
33. 제30항에 있어서, 상기 사용자에 의한 상기 사용자 인터페이스 디바이스의 움직임에도 불구하고, 상기 사용자 인터페이스 디바이스의 상기 섀시가 상기 엔드 이펙터의 축과의 상기 사용자 인터페이스 디바이스 축의 상기 종축의 정렬을 유지하는 비구동 모드에서 상기 사용자 인터페이스 디바이스를 동작시키는 단계를 더 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
34. 제25항에 있어서, 상기 섀시의 움직임은 조인트 한계(joint limit)에 대한 피드백을 제공하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
35. 제25항에 있어서, 상기 섀시의 움직임은 엔드 이펙터가 경험하는 힘에 대한 피드백을 제공하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
36. 제22항에 있어서, 상기 본체를 유지하는 단계는 상기 본체를 오로지 상기 사용자의 손으로만 지지하는 단계를 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
37. 제22항에 있어서, 상기 사용자의 손가락으로 상기 외부 표면을 누르는 것은, 제어 시스템이 로봇 팔의 엔드 이펙터에 의해 인가된 힘으로 변환하는 압력 신호를 생성하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.
38. 제22항에 있어서, 상기 사용자의 손가락으로 상기 외부 표면을 누르는 것은, 상기 본체의 임의의 회전 위치에서 상기 외부 표면을 누르는 것을 더 포함하는, 핸드헬드식 휴대형 사용자 인터페이스 디바이스를 사용하는 방법.

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