KR20180109855A - 가상 경계를 이용하는 충돌 회피 시스템 및 방법 - Google Patents

가상 경계를 이용하는 충돌 회피 시스템 및 방법 Download PDF

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폴 지 그리피쓰
니티쉬 스와루프
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인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 충돌 회피 시스템과 방법은 제1 위치조정가능한 아암의 제1 조인트의 제1 위치와 제2 위치조정가능한 아암의 제2 조인트의 제2 위치를 결정하는 것을 포함한다. 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암의 원위 단부는 제1 기구와 제2 기구를 각각 지지하도록 되어 있다. 상기 시스템과 방법은 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암의 주위에 제1 가상 경계와 제2 가상 경계를 결정하는 것, 제1 가상 경계와 제2 가상 경계 사이의 오버랩을 결정하는 것, 상기 오버랩으로 인한 제1 위치조정가능한 아암에 작용하는 오버랩 힘을 결정하는 것, 상기 오버랩 힘을 상기 오버랩에 인접한 제1 조인트에 작용하는 가상 토크에 매핑하는 것, 제1 기구의 원위 단부에 작용하는 끝부분 힘을 결정하는 것, 그리고 상기 끝부분 힘을 제1 기구에 대한 피드백으로 작용시키는 것을 더 포함한다.

Description

가상 경계를 이용하는 충돌 회피 시스템 및 방법
본 발명은 대체로 위치조정가능한 아암을 가진 장치의 원격 조종에 관한 것으로 보다 상세하게는 가상 경계를 이용하는 충돌 회피에 관한 것이다.
점점 더 많은 기구들이 자율 장치와 반자율 장치로 교체되고 있다. 이것은 특히 다양한 자율 의료 기기와 반자율 의료 기기가 수술실, 중재실(interventional suite), 집중 치료실, 응급실, 및/또는 이와 유사한 곳에 갖추어지고 있는 오늘날의 병원에 있어서 사실이다. 예를 들면, 유리 온도계와 수은 온도계는 전자식 온도계로 교체되고 있고, 정맥내 점적 관(intravenous drip line)은 이제 전자 모니터와 유량 조절기를 포함하고 있고, 종래의 소형 수술 기구는 컴퓨터 지원 의료 기기로 교체되고 있다.
이러한 의료 기기는 이러한 의료 기기를 작동시키는 사람에게 여러가지 장점과 난제를 제공한다. 이러한 의료 기기들 중의 다수는 하나 이상의 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터의 자율 또는 반자율 운동을 할 수 있다. 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터의 운동 및/또는 작동을 제어하기 위해 오퍼레이터 워크스테이션에 있는 하나 이상의 입력 제어장치를 이용하는 원격 조종을 통하여 상기 의료 기기를 작동시키는 것도 일반적인 일이다. 이러한 장치의 예는 미국 캘리포니아주 써니베일의 인튜어티브 서지컬사(Intuitive Surgical, Inc.)에 의해 상업화된 다빈치 서지컬 시스템(da Vinci® Surgical System)을 포함한다. 상기 의료 기기가 오퍼레이터 워크스테이션으로부터 멀리 떨어져서 작동되거나 및/또는 엔드 이펙터가 오퍼레이터에게 직접 보이지 않는 구역에서 사용되는 경우에, 예를 들어, 컴퓨터 지원 수술을 하는 동안, 엔드 이펙터가 환자 신체, 수술용 드레이프, 및/또는 이와 유사한 것에 의해 가려질 때, 의료 기기에 손상을 초래하거나, 환자 또는 다른 사람에 부상을 입히거나, 및/또는 살균 구역에서의 파손을 초래할 수 있는 하나 이상의 위치조정가능한 아암들 사이의 충돌을 감지 및/또는 회피하는 오퍼레이터의 능력을 어렵게 만들 수 있다.
위치조정가능한 장치들 사이의 충돌 회피, 예를 들면, 의료 기기의 위치조정가능한 아암들 사이의 충돌 회피는 통상적으로 운동 계획 상황정보(motion planning context)로 처리된다. 이러한 상황정보에는, 위치조정가능한 아암들의 각각에 대한 운동 계획이 결정되고, 위치조정가능한 아암들 사이의 충돌이 발생할지 여부를 결정하기 위해서 위치조정가능한 아암의 장래의 운동이 평가되고, 상기 충돌을 회피하기 위해서 상기 운동 계획에 대한 적절한 수정이 이루어진다. 이러한 접근방법은, 위치조정가능한 아암의 제어가 오퍼레이터에 의해 실시간으로 지시되어 위치조정가능한 아암들에 대한 운동 계획이 알려지지 않고 충돌 회피 결정을 위한 기초로 기능할 수 없기 때문에(다시 말해서, 오퍼레이터가 입력하는 것과 결과로서 이루어지는 움직임 사이의 지연을 감지할 수 없기 때문에) 원격 조종을 통하여 제어되는 위치조정가능한 아암에 대한 이상과는 종종 거리가 너무 멀다. 충돌 회피에 대한 하나의 대안으로서, 위치조정가능한 아암들 사이에 충돌이 발생할 때 오퍼레이터에게 피드백을 제공하는 충돌 감지 접근방법이 이용될 수 있다. 그러나, 충돌 감지 접근방법은 여러가지 단점이 있다. 실제 충돌이 종종 오퍼레이터에게 좋지 못한 사용자 경험을 초래한다. 그리고, 최소한으로, 위치조정가능한 아암들이 충돌하기 전에 상기 아암들을 덮는 살균 드레이프들이 통상적으로 서로 접촉하기 때문에, 상기 아암들 사이의 충돌 감지가 종종 살균 구역에 대한 손상을 방지하기에는 너무 늦게 이루어지고, 두 개의 충돌하는 아암들 사이에 끼인 드레이프는 찢어질 수 있다. 몇몇 혼성(hybrid) 충돌 회피-충돌 감지 시스템은, 위치조정가능한 아암의 링크와 조인트를 둘러싸는, 통상적으로 편평한 표면을 가지고 종종 형상이 볼록한 큰 볼륨(volume)을 모델링하는 것에 의해서 작동한다. 몇몇 경우에는, 위치조정가능한 아암의 링크와 조인트가 여러 개의 세그먼트로 분할되고, 각각의 세그먼트는 자신의 3차원의 둘러싸는 프리미티브(primitive), 예를 들면, 구, 원기둥, 또는 박스를 가지고, 전체적인 둘러싸는 볼륨은 둘러싸는 프리미티브들을 통합하는 것에 의해서 구성된다. 위치조정가능한 아암이 작동될 때, 실제 충돌이 일어나기 전에 둘러싸는 볼륨들 사이의 "충돌"이 감지되고 반응하도록 충돌 감지가 둘러싸는 볼륨들에 적용된다. 다른 접근방법은 추가적인 충돌 감지 또는 회피에 대한 필요성을 배제하는 위치조정가능한 아암들의 각각에 대해 별개의 비교차 작업 공간(non-intersecting workspace)을 제공하는 것을 포함한다. 하지만, 이러한 혼성 접근방법은, 둘러싸는 볼륨이 종종 둘러싸인 링크와 조인트에 대해 지나치게 크고 이렇게 지나치게 큰 둘러싸는 볼륨뿐만 아니라 상기 별개의 작업 공간이 둘러싸는 볼륨들보다 짧은 이격 거리를 가진 위치조정가능한 아암을 작동시키는 능력을 종종 방해하기 때문에, 충돌을 예측하는데 있어서 종종 지나치게 보수적이다.
따라서, 컴퓨터 지원 의료 기기의 위치조정가능한 아암들 사이의 충돌을 회피하기 위한 개량된 방법과 시스템이 필요하다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 시스템과 방법이 충돌 회피 또는 충돌 감지 접근방법에 기초한 운동-계획에 대하여 우수한 충돌 회피 거동을 가진 위치조정가능한 아암을 가진 장치의 원격 조종을 가능하게 한다. 하나의 실시형태에서, 위치조정가능한 아암들 각각의 가상 모델을 만들어내기 위해서 위치조정가능한 모델의 기구학적 모델 또는 고충실도 CAD(컴퓨터-지원 드래프팅(drafting) 또는 컴퓨터-지원 모델링)가 사용된다. 상기 가상 모델은 상기 위치조정가능한 아암의 조인트와 링크 각각의 둘레에 대응하는 가상 완충 지대를 한정하는 가상 경계를 만들어내기 위해서 미리 정해진 거리만큼 확대된다. 상기 위치조정가능한 아암이 원격 조종을 통하여 제어되기 때문에, 충돌 엔진(collision engine)이 위치조정가능한 아암들 중의 적어도 두 개의 위치조정가능한 아암이 서로 인접한 거리 내로 이동한 것을 나타내는 가상 경계들 사이의 오버랩이 있는 경우를 결정한다. 상기 가상 경계들 사이의 오버랩을 감소시키거나 제거하기 위해서 위치조정가능한 아암들을 멀어지게 밀어내는 위치조정가능한 아암들에 가해지는 피드백 힘을 결정하기 위해서 표면 또는 부피 상호작용의 물리적인 모델(physical model), 예를 들면, 표면 또는 부피 침투(volume penetration)에 기초한 탄성 모델이 피직스 엔진(physics engine)에 의해 적용된다. 상기 피드백 힘은, 실제 충돌이 발생하기 전에 위치조정가능한 아암들을 잠재적인 충돌로부터 벗어나게 밀어낼 수 있는 위치조정가능한 아암의 조인트에 가해지는 힘 또는 토크의 변화에 매핑된다. 몇몇 선택적인 실시형태에서, 상기 피드백 힘은 또한, 위치조정가능한 아암들을 충돌 상태로 몰아가게 명령하는 오퍼레이터의 능력에 대항하기 위해서 위치조정가능한 아암을 원격 조종하기 위해 오퍼레이터에 의해 사용되는 입력 제어장치에 가해지는 촉각 피드백에 매핑된다. 이런 식으로, 오퍼레이터는 충돌이 발생하기 전에 하나 이상의 입력 제어장치에서 충돌을 자각하고, 이에 대응하여 오퍼레이터가 위치조정가능한 아암들을 잠재적인 충돌로부터 벗어나게 이동시킬 수 있다.
몇몇 실시형태에서는, 피드백 힘을 발생시키기 위해서 가상 모델과 가상 경계를 사용하는 것이 보다 전통적인 충돌 감지 접근방법에 대하여 여러가지 장점을 제공한다. 예를 들면, 위치조정가능한 아암의 목표 위치와 실제 위치 사이의 차이를 인지하는 것에 의해서 감지되는 것과 같은, 위치조정가능한 아암들 사이의 실제 충돌에 의존하는 것은, 종종 좋지 못한 충돌 방향성(directionality)과 보다 작은 크기를 가지는 좋지 못한 오퍼레이터 힘 피드백 결과를 발생시키고, 이것은 일반적으로 하나 이상의 입력 제어장치에 좋은 촉각 피드백을 제공하지 않는다. 예를 들면, 위치조정가능한 아암들을 제어하기 위해서 사용된 입력 제어장치에서의 촉각 피드백을 반영하기 위해서 위치조정가능한 아암들 사이의 물리적인 접촉이 사용되는 경우에, 촉각 피드백의 충실도(fidelity) 및 효과적임(forcefulness)과 위치조정가능한 아암의 제어의 안정성 사이에 부수적인 절충이 있다는 것은 잘 알려져 있다. 따라서, 입력 제어장치에 촉각적으로 피드백된 힘의 크기를 단지 증가시키는 것은 위치조정가능한 아암의 제어에서 받아들일 수 없는 안정성의 손실을 초래하기 쉽다. 이와 대조적으로, 본 발명의 실시형태에서는 피드백 힘이 실제 충돌이 아니라 가상 경계의 오버랩으로부터 얻어지기 때문에, 위치조정가능한 아암에 대한 전체 피드백 제어 경로가 보다 강한 촉각 피드백이 가해지더라고 제어 안정성이 유지될 수 있도록 바이패스된다. 게다가, 적절한 조정을 통하여 보다 강한 충돌 방향성이 결정될 수 있고 보다 큰 촉각 피드백 크기를 얻을 수 있다. 이러한 강화된 힘과 촉각 피드백은 하나의 위치조정가능한 아암의 형상과 윤곽이 다른 위치조정가능한 아암의 입력 제어장치에서 선택적으로 느껴질 수 있도록 오퍼레이터 경험을 추가적으로 증진시키고, 위치조정가능한 아암들이 마치 서로 미끄럼이동하는 것처럼 이동하는 원격 조종을 선택적으로 할 수 있게 해준다. (상기 움직임은 칼과 강을 서로 교차하여 이동시킴으로써 칼날을 가는 것과 유사하지만, 상기 위치조정가능한 아암들은 접촉하지 않고 대신에 한정된 이격 거리를 유지한다.) 게다가, 상기 가상 경계는 위치조정가능한 아암 또는 위치조정가능한 아암의 둘레에 살균 구역을 만들기 위해서 사용되는 살균 드레이프에 손상을 줄 수 있는 실제 충돌을 피하면서, 위치조정가능한 아암들이 서로 인접한 상태로 작동할 수 있게 해준다.
몇몇 실시형태에서는, 상기 가상 경계를 만들기 위해서 사용된 미리 정해진 거리가, 위치조정가능한 아암들이 작동될 수 있는 운동의 범위를 과도하게 제한하지 않고서 충돌은 피하면서 위치조정가능한 아암들의 근접 작동이 가능하도록 조절된다. 몇몇 예에서는, 상기 미리 정해진 거리가, 보다 높은 정밀도로 제어가능한 위치조정가능한 아암에 대해 보다 짧은 미리 정해진 거리가 사용되는 식으로, 위치조정가능한 아암의 모델링과 기구학적 보정에 기초하여 조정된다. 몇몇 경우에는 상기 미리 정해진 거리가 위치조정가능한 아암들의 각각의 링크와 조인트에 대한 기구학적 보정과 대략 동일한 값으로 설정된다. 몇몇 경우에 있어서, 위치조정가능한 아암의 기계적인 기초부에 보다 인접하여 배치된 링크와 조인트에 대해서는 보다 짧은 미리 정해진 거리가 사용되고, 위치조정가능한 아암에서 보다 원위에 배치된 링크와 조인트에 대해서는 보다 긴 미리 정해진 거리가 사용된다. 몇몇 경우에는, 위치조정가능한 아암의 원위 단부에 장착된 엔드 이펙터 및/또는 기구의 원위 끝부분의 근처와 같은, 충돌이 허용되는 곳에서 상기 미리 정해진 거리가 선택적으로 영으로 감소되거나 심지어 음의 값으로 설정될 수 있다. 몇몇 경우에는, 충돌이 허용되는 위치조정가능한 아암의 일부분에 대해서는 선택적으로 충돌 회피가 되지 않을 수 있다. 몇몇 실시례에 따르면, 컴퓨터 지원 의료 기기가 제1 위치조정가능한 아암, 제2 위치조정가능한 아암, 제1 입력 제어장치, 그리고 하나 이상의 프로세서를 포함하는 컨트롤 유닛을 포함하고 있다. 상기 제1 위치조정가능한 아암은 복수의 제1 조인트, 복수의 제1 링크, 그리고 제1 기구를 지지하도록 구성된 제1 원위 단부를 포함하고 있다. 상기 제2 위치조정가능한 아암은 복수의 제2 조인트, 복수의 제2 링크, 그리고 제2 기구를 지지하도록 구성된 제2 원위 단부를 포함하고 있다. 상기 제1 입력 제어장치는 제1 기구에 운동 명령을 제공하도록 구성되어 있다. 상기 컨트롤 유닛은 제1 위치조정가능한 아암, 제2 위치조정가능한 아암, 그리고 제1 입력 제어장치에 결합되어 있다. 상기 컨트롤 유닛은 복수의 제1 조인트의 제1 조인트 위치와 복수의 제2 조인트의 제2 위치를 결정하고, 제1 위치조정가능한 아암 둘레의 복수의 제1 가상 경계를 결정하기 위해서 제1 위치조정가능한 아암의 제1 가상 모델과 제1 위치를 이용하고, 제2 위치조정가능한 아암 둘레의 복수의 제2 가상 경계를 결정하기 위해서 제2 위치조정가능한 아암의 제2 가상 모델과 제2 위치를 이용하고, 복수의 제1 가상 경계 중의 제1 가상 경계와 복수의 제2 가상 경계 중의 제1 가상 경계 사이의 제1 오버랩을 결정하고, 제1 오버랩으로 인해 제1 위치조정가능한 아암에 작용하는 제1 오버랩 힘을 결정하고, 제1 오버랩 힘을 제1 오버랩에 인접한 다수의 제1 조인트에 작용하는 제1 가상 토크에 매핑시키고, 제1 가상 토크에 기초하여 제1 기구의 원위 단부에 작용하는 제1 끝부분 힘을 결정하고, 그리고 제1 끝부분 힘을 제1 기구와 제1 위치조정가능한 아암에 대한 제1 피드백 힘으로서 작용시킨다.
몇몇 실시례에 따르면, 컨트롤 유닛에 의해 수행되는 충돌 회피 방법이 제1 위치조정가능한 아암의 복수의 제1 조인트의 제1 위치를 결정하는 것과 제2 위치조정가능한 아암의 복수의 제2 조인트의 제2 위치를 결정하는 것을 포함하고 있다. 제1 기구는 제1 위치조정가능한 아암의 원위 단부에 장착되어 있다. 제2 기구는 제2 위치조정가능한 아암의 원위 단부에 장착되어 있다. 상기 방법은 상기 제1 위치와 제1 위치조정가능한 아암의 제1 가상 모델을 이용하여 제1 위치조정가능한 아암의 둘레에 복수의 제1 가상 경계의 위치를 결정하는 것, 상기 제2 위치와 제2 위치조정가능한 아암의 제2 가상 모델을 이용하여 제2 위치조정가능한 아암의 둘레에 복수의 제2 가상 경계의 위치를 결정하는 것, 복수의 제1 가상 경계 중의 제1 가상 경계와 복수의 제2 가상 경계 중의 제1 가상 경계 사이의 제1 오버랩을 결정하는 것, 제1 오버랩으로 인해 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암에 작용하는 제1 오버랩 힘을 결정하는 것, 제1 오버랩 힘을 복수의 제1 조인트 중에서 제1 오버랩의 제1 오버랩 위치에 인접한 제1 조인트에 작용하는 제1 가상 토크에 매핑시키는 것, 제1 가상 토크에 기초하여 제1 기구의 원위 단부에 작용하는 제1 끝부분 힘을 결정하는 것, 제1 끝부분 힘을 제1 기구와 제1 위치조정가능한 아암에 대한 제1 피드백 힘으로서 작용시키는 것, 그리고 제1 끝부분 힘을 제1 기구에 운동 명령을 제공하도록 구성된 제1 입력 제어장치에 제1 촉각 피드백 힘으로서 작용시키는 것을 더 포함하고 있다.
몇몇 실시례에 따르면, 컴퓨터 지원 조종 장치가 위치조정가능한 아암, 입력 제어장치, 그리고 하나 이상의 프로세서를 포함하는 컨트롤 유닛을 포함하고 있다. 상기 위치조정가능한 아암은 복수의 조인트, 복수의 링크, 그리고 기구를 지지하도록 구성된 원위 단부를 가지고 있다. 상기 입력 제어장치는 상기 기구에 운동 명령을 제공하도록 구성되어 있다. 상기 컨트롤 유닛은 상기 위치조정가능한 아암 및 상기 입력 제어장치에 결합되어 있고, 상기 컨트롤 유닛은 상기 복수의 조인트의 조인트 위치를 결정하고; 상기 위치조정가능한 아암 또는 상기 기구 둘레의 복수의 가상 경계를 결정하기 위해서 상기 위치조정가능한 아암의 가상 모델과 상기 조인트 위치를 이용하고; 객체(object) 둘레에 객체 가상 경계(object virtual boundary)를 결정하고; 상기 객체 가상 경계와 상기 복수의 가상 경계 중의 하나의 가상 경계 사이의 오버랩을 결정하고; 상기 오버랩으로 인해 상기 위치조정가능한 아암에 작용하는 오버랩 힘을 결정하고; 상기 오버랩 힘을 상기 복수의 조인트 중의 하나의 조인트에 작용하는 가상 토크에 매핑시키고; 상기 가상 토크를 이용하여 상기 기구의 원위 단부에 작용하는 끝부분 힘을 결정하고; 그리고 상기 끝부분 힘을 상기 기구와 상기 위치조정가능한 아암에 대한 피드백 힘으로서 작용시키도록 구성되어 있다.
몇몇 실시례에 따르면, 비일시적인 유형의 기계 판독가능 매체가 컴퓨터 지원 의료 기기와 결합된 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 상기 하나 이상의 프로세서로 하여 방법을 수행하게 하도록 되어 있는 기계 판독가능 명령어(instruction)를 저장하고 있다. 상기 방법은 제1 위치조정가능한 아암의 복수의 제1 조인트의 제1 위치를 결정하는 것과 제2 위치조정가능한 아암의 복수의 제2 조인트의 제2 위치를 결정하는 것을 포함하고 있다. 제1 기구는 제1 위치조정가능한 아암의 원위 단부에 장착되어 있다. 제2 기구는 제2 위치조정가능한 아암의 원위 단부에 장착되어 있다. 상기 방법은 상기 제1 위치와 제1 위치조정가능한 아암의 제1 가상 모델을 이용하여 제1 위치조정가능한 아암의 둘레에 복수의 제1 가상 경계의 위치를 결정하는 것, 상기 제2 위치와 제2 위치조정가능한 아암의 제2 가상 모델을 이용하여 제2 위치조정가능한 아암의 둘레에 복수의 제2 가상 경계의 위치를 결정하는 것, 복수의 제1 가상 경계 중의 제1 가상 경계와 복수의 제2 가상 경계 중의 제1 가상 경계 사이의 제1 오버랩을 결정하는 것, 제1 오버랩으로 인해 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암에 작용하는 제1 오버랩 힘을 결정하는 것, 제1 오버랩 힘을 제1 오버랩의 제1 오버랩 위치에 인접한 제1 조인트에 작용하는 제1 가상 토크에 매핑시키는 것, 제1 가상 토크에 기초하여 제1 기구의 원위 단부에 작용하는 제1 끝부분 힘을 결정하는 것, 제1 끝부분 힘을 제1 기구와 제1 위치조정가능한 아암에 대한 제1 피드백 힘으로서 작용시키는 것, 그리고 제1 끝부분 힘을 제1 기구에 운동 명령을 제공하도록 구성된 제1 입력 제어장치에 제1 촉각 피드백 힘으로서 작용시키는 것을 더 포함하고 있다.
도 1은 몇몇 실시례에 따른 컴퓨터 지원 시스템의 개략도이다.
도 2A와 도 2B는 몇몇 실시례에 따른 가상 경계를 가진 두 개의 위치조정가능한 아암의 일부분의 개략도이다.
도 3은 몇몇 실시례에 따른 다수의 오버랩을 가지고 있는 가상 경계를 가진 두 개의 위치조정가능한 아암의 일부분의 개략도이다.
도 4는 몇몇 실시례에 따른 위치조정가능한 아암에 대한 가상 모델을 생성하는 방법의 개략도이다.
도 5는 몇몇 실시례에 따른 가상 경계를 이용하는 충돌 회피 방법의 개략도이다.
상기 도면에서, 동일한 표시를 가지는 요소는 동일하거나 유사한 기능을 가진다.
아래의 설명에서, 구체적인 상세한 내용은 본 발명에 따른 몇몇 실시례를 설명하기 위해서 기술되어 있다. 하지만, 몇몇 실시례는 이러한 구체적인 상세한 내용의 일부 또는 전부없이도 실행될 수 있다는 것은 당업자에게 명백한 사항이 될 것이다. 본 명세서에 개시된 구체적인 실시례는 예시적인 것이지 제한적인 것은 아니다. 당업자는, 비록 본 명세서에 구체적으로 기술되어 있지는 않지만, 본 발명의 기술사상과 범위 내에 있는 다른 요소를 인식할 수 있다. 또한, 불필요한 반복을 피하기 위해서, 하나의 실시례와 관련하여 도시되고 기술된 하나 이상의 특징은 명확하게 다르게 기재되어 있지 않거나 상기 하나 이상의 특징이 한 실시례를 비기능적인 것으로 만들지 않으면 다른 실시례에 포함될 수 있다. "...을 포함한다"는 표현은, 다르게 언급되어 있지 않으면, 포함된 특정 사항으로 제한하지 않고 포함하는 것을 의미하며, 포함된 하나 이상의 개별 사항의 각각은 선택적인 것으로 간주되어야 한다. 마찬가지로, "... 일 수 있다"는 표현은 어떤 사항이 선택적이라는 것을 나타낸다.
도 1은 몇몇 실시례에 따른 컴퓨터 지원 시스템(100)의 개략도이다. 도 1에 도시되어 있는 것과 같이, 컴퓨터 지원 시스템(100)은 하나 이상의 위치조정가능한 아암(120)을 가진 장치(110)를 포함하고 있다. 몇몇 예에서는, 하나 이상의 위치조정가능한 아암(120)의 각각이 하나 이상의 링크와 하나 이상의 조인트를 선택적으로 포함할 수 있고, 상기 하나 이상의 조인트는 상기 하나 이상의 링크의 관절연결을 가능하게 한다. 몇몇 예에서는, 하나 이상의 위치조정가능한 아암(120)의 각각이 하나 이상의 가요성 부재, 예를 들면, 조종가능한 관을 선택적으로 포함할 수 있다. 하나 이상의 위치조정가능한 아암(120)의 각각은 하나 이상의 위치조정가능한 아암(120)의 각각의 원위 단부에 선택적으로 장착될 수 있는 하나 이상의 엔드 이펙터(125)를 지지하도록 구성되어 있다. 장착된 엔드 이펙터(125)와 위치조정가능한 아암(120)의 조립체는 "아암과 엔드 이펙터 조립체" 라고 칭할 수 있다. 몇몇 예에서는, 상기 장치(110)가 컴퓨터 지원 의료 기기와 같은 컴퓨터 지원 조종 장치와 결합될 수 있다. 컴퓨터 지원 의료 기기의 구체적인 예는 원격 조종식 수술 장치이다. 하나 이상의 엔드 이펙터(125)는 수술 기구, 영상 장치, 및/또는 이와 유사한 것을 포함하고 있다. 몇몇 예에서는, 상기 수술 기구가 클램프, 그리퍼(gripper), 견인기(retractor), 소작 도구, 흡입 도구, 봉합 장치, 및/또는 이와 유사한 것을 포함한다. 몇몇 예에서는, 상기 영상 장치가 입체 영상 장치와 단안식(mono-scopic) 영상 장치, 가시광선 범위의 영상 장치와 적외선 범위의 영상 장치, 조종가능한 내시경 영상 장치, 및/또는 이와 유사한 것을 포함한다. 몇몇 예에서는, 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)의 각각이 수술하는 동안 선택적으로 원격 운동 중심을 가지도록 구성될 수 있다. 원격 운동 중심은 대응하는 위치조정가능한 아암(120)의 링크 및/또는 조인트, 엔드 이펙터(125), 또는 상기 양자가 방향 또는 각위치(angular position) 또는 선위치(linear position)가 변하더라도 공간에서 고정된 위치를 유지하는 장소이다. 예를 들면, 엔드 이펙터(125)의 방향이 원격 운동 중심에 대하여 변경된 경우에도 원격 운동 중심은 고정된 위치에 유지될 수 있다. 몇몇 예에서는, 원격 운동 중심이 수술하는 동안 환자의 체벽을 통하여 삽입되는 엔드 이펙터(125) 및/또는 대응하는 위치조정가능한 아암(120)의 일부분과 선택적으로 일치할 수 있다. 몇몇 예에서는, 원격 운동 중심이 공간상의 고정된 위치에 대해 일정 범위 내에서 이동하는 것이 허용된다. 한 가지 구체적인 예로서, 원격 운동 중심이 환자의 체벽을 통하여 삽입된 부분에 대한 것인 경우, 상기 범위는 환자의 체벽의 유연성 및 물질적인 특징, 환자에 대해 과도한 외상을 초래하지 않으면서 수용될 수 있는 운동의 양 등과 같은 기준을 이용하여 한정될 수 있다.
상기 장치(110)는 입력/출력(I/O) 인터페이스(146)를 통하여 컨트롤 유닛(130)에 결합되어 있다. I/O 인터페이스(146)는 하나 이상의 케이블, 커넥터, 포트, 및/또는 버스를 선택적으로 포함할 수 있고, I/O 인터페이스(146)는 하나 이상의 네트워크 스위칭 장치 및/또는 루팅 장치(routing device)와 함께 하나 이상의 네트워크를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 컨트롤 유닛(130)은 메모리(144)와 I/O 인터페이스(146)에 결합된 프로세서(142)를 포함하고 있다. 컨트롤 유닛(130)의 작동은 프로세서(142)에 의해 제어된다. 그리고 컨트롤 유닛(130)이 단 하나의 프로세서(142)를 가지고 있는 것으로 도시되어 있지만, 프로세서(142)는 컨트롤 유닛(130)에 있는 하나 이상의 중앙 처리 장치, 멀티-코어 프로세서, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 프로세서, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGAs), 주문형 반도체(ASICs), 및/또는 이와 유사한 것을 대표하는 것이라고 이해하여야 한다. 컨트롤 유닛(130)은 선택적으로 컴퓨팅 장치에 부가된 자립형 서브시스템 및/또는 보드(board)로서 또는 가상 기계로서 구현될 수 있다.
메모리(144)는 컨트롤 유닛(130)에 의해 실행되는 소프트웨어 및/또는 컨트롤 유닛(130)의 작동 동안 사용되는 하나 이상의 데이터 구조를 저장하는데 사용된다. 메모리(144)는 하나 이상의 종류의 기계 판독가능 매체를 포함한다. 몇몇 일반적인 형태의 기계 판독가능 매체는 플로피 디스크, 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 임의의 다른 자기 매체, CD-ROM, 임의의 다른 광학 매체, 펀치 카드, 종이 테이프, 여러 형태의 구멍을 가진 임의의 다른 물리적 매체, RAM, PROM, EPROM, FLASH-EPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 및/또는 프로세서 또는 컴퓨터가 판독할 수 있게 되어 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다.
컨트롤 유닛(130)은 또한 I/O 인터페이스(146)를 통하여 오퍼레이터 워크스테이션(170)에 결합되어 있다. 오퍼레이터 워크스테이션(170)은 원격 조종을 이용하여 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)의 움직임 및/또는 작동을 제어하기 위해서 오퍼레이터, 예를 들면, 외과의사에 의해서 사용된다. 위치조정가능한 아암(120)의 원격 조종을 지원하기 위해서, 오퍼레이터 워크스테이션(170)은 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125) 중의 하나 이상의 적어도 일부분의 영상을 보여주는 디스플레이 시스템(180)을 포함하고 있다. 예를 들면, 디스플레이 시스템(180)은 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)이 사용되고 있을 때 오퍼레이터가 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)를 보는 것이 비실용적이거나 및/또는 불가능할 때 사용될 수 있다. 오퍼레이터 워크스테이션(170)은 상기 장치(110), 위치조정가능한 아암(120), 및/또는 엔드 이펙터(125)에 대해 사용할 수 있는 하나 이상의 입력 제어장치(195)("마스터 컨트롤(195)"이라고도 칭함)를 가진 콘솔 작업 공간을 더 포함하고 있다. 상기 하나 이상의 입력 제어장치(195)의 각각은, 입력 제어장치(195)의 움직임이 오퍼레이터 워크스테이션(170)에 의해 감지되고 I/O 인터페이스(146)를 통하여 컨트롤 유닛(130)으로 전달되도록 자신의 위치조정가능한 아암의 원위 단부에 결합되어 있다. 향상된 인체공학적 특징을 제공하기 위해서, 상기 콘솔 작업 공간은 오퍼레이터가 입력 제어장치(195)를 조작하는 동안 자신의 팔을 받칠 수 있는 아암 레스트(190)와 같은 하나 이상의 받침대(rest)를 선택적으로 포함할 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 상기 장치(110), 오퍼레이터 워크스테이션(170), 그리고 컨트롤 유닛(130)이 미국 캘리포니아주 써니베일의 인튜어티브 서지컬사(Intuitive Surgical, Inc.)에 의해 상업화된 다빈치 서지컬 시스템(da Vinci® Surgical System)에 선택적으로 대응할 수 있다. 컨트롤 유닛(130)은 선택적으로 상기 장치(110)와 오퍼레이터 워크스테이션(170)으로부터 분리될 수 있거나, 상기 장치(110)나 오퍼레이터 워크스테이션(170)에 통합될 수 있거나, 또는 상기 장치(110)와 오퍼레이터 워크스테이션(170)의 사이에 배치될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
컨트롤 유닛(130)을 다시 검토하면, 메모리(144)는 가상 모델(150), 충돌 엔진(collision engine)(152), 피직스 엔진(physics engine)(154), 모션 컨트롤 모듈(156), 그리고 촉각 피드백 모듈(158)을 포함하는 여러 개의 모듈, 애플리케이션, 데이터 구조, 및/또는 이와 유사한 것을 포함하고 있다. 가상 모델(150), 충돌 엔진(152), 피직스 엔진(154), 및/또는 모션 컨트롤 모듈(156)은 상기 장치(110)의 자율 및/또는 반자율 제어를 지원하기 위해서 사용되고, 가상 모델(150), 충돌 엔진(152), 피직스 엔진(154), 및/또는 모션 컨트롤 모듈(156)은 각각 위치조정가능한 아암(120)과 엔드 이펙터(125)를 포함하여, 상기 장치(110)의 제어를 지원하는 입력, 센서 데이터, 명령어(instruction), 및/또는 이와 유사한 것을 수신하는 하나 이상의 응용 프로그래밍 인터페이스(APIs)를 선택적으로 포함할 수 있다. 그리고 비록 가상 모델(150), 충돌 엔진(152), 피직스 엔진(154), 모션 컨트롤 모듈(156)과 촉각 피드백 모듈(158)이 소프트웨어 애플리케이션으로 묘사되어 있지만, 가상 모델(150), 충돌 엔진(152), 피직스 엔진(154), 모션 컨트롤 모듈(156)과 촉각 피드백 모듈(158)의 각각은 선택적으로 하드웨어, 소프트웨어, 및/또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합체를 이용하도록 구현될 수 있다.
입력 제어장치(195)가 원격 조종을 이용하여 엔드 이펙터(125)를 제어하기 위해서 사용될 때, 오퍼레이터 워크스테이션(170)의 위치조정가능한 아암에 결합된 센서는 입력 제어장치(195)의 위치, 속도, 및/또는 방향을 감지하기 위해서 사용된다. 감지된 위치, 속도, 및/또는 방향은 I/O 인터페이스(146)를 통하여 컨트롤 유닛(130)으로 전달되고, 컨트롤 유닛(130)에서 상기 감지된 위치, 속도, 및/또는 방향은 모션 컨트롤 모듈(156)에 의해 처리되어 엔드 이펙터(125)를 입력 제어장치(195)를 추적하는 대응하는 위치 및/또는 방향으로 원격 조종할 엔드 이펙터(125)와 위치조정가능한 아암(120)의 조인트에 대한 적절한 힘 및/또는 토크를 계산한다. 계산된 힘 및/또는 토크는 I/O 인터페이스(146)를 이용하여 엔드 이펙터(125)와 위치조정가능한 아암(120)의 각각의 조인트로 제공된다. 이러한 접근방법에 따른 원격 조종 시스템의 예는, 발명의 명칭이 "최소 침습 수술 장치에서의 카메라 참고 제어(Camera Referenced Control in a Minimally Invasive Surgical Apparatus)"인 미국 특허 제6,424,885호에 상세히 기술되어 있고, 미국 특허 제6,424,885호는 그 전체 내용이 인용에 의해 본 명세서에 포함되어 있다.
컨트롤 유닛(130)은 가상 경계를 이용하여 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)의 충돌 회피를 추가적으로 지원한다. 보다 구체적으로는, 가상 모델(150)이 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)를 구성하는 조인트와 링크의 외부 표면의 적어도 위치를 모델링하기 위해서 사용되는 엔드 이펙터(125) 및/또는 위치조정가능한 아암(120)의 링크와 조인트의 기구학적 모델 및/또는 고충실도 CAD를 포함한다. 가상 모델(150)은 조인트와 관련된 센서로부터 나온 출력이 I/O 인터페이스(146)를 이용하여 컨트롤 유닛(130)으로 입력되고, 조인트에 대한 위치 및 방향 데이터가 조인트와 링크의 외부 표면의 현재의 위치를 생성하기 위해서 가상 모델(150)에 의해 사용될 수 있도록 파라미터로 나타내어진다. 가상 모델(150)을 이용하여 얻을 수 있는 정밀도는 위치조정가능한 아암(120)에 대한 우수한 기구학적 보정(kinematic calibration)을 생성하는 능력에 영향을 주는 위치조정가능한 아암의 위치를 결정하는데 있어서 여러 가지 실질적인 제한에 선택적으로 의존할 수 있다. 예를 들면, 가상 모델(150)의 정밀도는 통상적으로 제작 공차, 보정 정밀도, 센서 정밀도, 위치조정가능한 아암(120)들 각각의 마모와 역학적 특징, 백래시, 및/또는 이와 유사한 것의 조합에 의해 영향을 받는다. 게다가, 일련의 링크를 포함하는 위치조정가능한 아암(120)에 있어서, 각각의 링크는 최근위 링크(the most proximal link)가 다수의 위치조정가능한 아암에 의해 선택적으로 공유될 수 있는, 근위부에 결합된 링크로부터 원위부에 결합된 링크까지의 기하학적 변환을 한정하고, 기하학적 변환들의 각각의 원점을 한정한다. 각각의 링크에 의해 한정된 기하학적 변환은 링크의 기계적인 조립과 제작에 있어서의 가변성으로 인해 내재적인 오차를 가지고 있고 상기 기하학적 변환의 일부 또는 전부는 높은 기구학적 정밀도를 달성하기 위해서 조립된 각각의 링크에 대해서 평가될 수 있다. 게다가, 링크가 위치조정가능한 요소, 예를 들면 조인트에서 만나는 경우, 하나의 링크와 그 다음 링크 사이의 가변적인 기하학적 변환이 있고 센서는 통상적으로 관절의 축과 정확한(true) 각도 또는 변위를 제공하기 위해서 설치되고 보정된다. 게다가, 각각의 링크에 의해 한정된 기하학적 변환은 부하가 링크에 가해질 때, 예를 들면, 링크에 있어서의 유연성으로 인해 달라질 수 있고, 선택적으로 링크의 동적 모델(dynamic model)을 이용하는 것에 대한 이유가 될 수 있다. 링크들 사이의 느슨한 부착 및/또는 센서에서의 백래시와 같은 몇몇 요인은 종종 기구학적 정밀도를 평가하는 것을 곤란하게 하고 기구학적 정밀도를 저하시킨다. 추가적으로, 상기 모델의 정밀도는 통상적으로 위치조정가능한 아암의 보다 원위부에 배치된 링크에 대해서 저하된다. 몇몇 실시례에서는, 기구학적 보정에 있어서의 여러 제한이 선택적으로 가상 모델(150)을 자신의 실제 위치의 6-12 mm 내의 외부 표면에 위치하게 할 수 있다. 추가적으로, 6-12 mm 내로의 모델링 정밀도는 또한 위치조정가능한 아암(120)의 위치와 방향을 모니터링하기 위해서 추가적인 위치 및/또는 영상 피드백이 사용될 때 합리적인 임상 결과를 제공한다. 몇몇 예에서는, 상기 모델링 정밀도보다 낮은 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)의 표면 세부사항 또는 특징은 링크 및/또는 조인트의 외부 표면이 보다 간단하고, 보다 적고, 및/또는 주로 볼록한 표면 모델을 이용하여 모델링되도록 선택적으로 단순화된다.
몇몇 실시례에서는, 엔드 이펙터(125) 및/또는 위치조정가능한 아암(120)의 조인트들 중의 하나 이상의 방향을 결정하기 위해 센서 입력을 보충 및/또는 교체하기 위해서, 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)에 장착된 하나 이상의 기록 마커(registration marker), 기준 마커(fiducial marker), 및/또는 이와 유사한 것을 영상 장치와 같은 하나 이상의 추적 센서를 이용하여 대체 실시형태로서 추적할 수 있다. 선택적으로, 다른 위치 및 형상 감지 구성요소, 예를 들면, 광섬유 브래그 격자 기술(Fiber Bragg Grating technology)을 이용하는 광섬유 형상 센서, 예를 들면, 전체 내용이 인용에 의해 본 명세서에 포함되어 있는, 발명의 명칭이 "광섬유 형상 센서(Fiber Optic Shape Sensor)"인 미국 특허 제7,720,322호 개시된 광섬유 형상 센서가 추가적으로 및/또는 대체 실시형태로서 사용된다.
가상 모델(150)은 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)의 조인트와 링크 둘레에 가상 완충 지대를 가진 가상 경계를 만들기 위해서 상응하는 미리 정해진 거리만큼 상기 외부 표면을 넘어서 연장되어 있는 가상 경계를 더 포함하고 있다. 몇몇 예에서, 상기 가상 경계가 상기 외부 표면을 넘어서 연장되어 있는 길이는, 조인트와 링크의 외부 표면의 실제 위치에서의 임의의 위치적인 오류(예를 들면, 상기한 바와 같이 모델링 및/또는 기구학적 보정 제한으로부터의 오차로 인한 것)가 상기 외부 표면의 실제 위치가 상기 가상 경계 내에 있는 것을 보장하도록 선택된다. 몇몇 예에서는, 상기 미리 정해진 거리가 대응하는 조인트 또는 링크에 대한 대응하는 모델링 및/또는 기구학적 보정보다 약간 더 크거나 대략 동일하게 되도록 선택될 수 있다. 몇몇 예에서는, 상기 미리 정해진 거리가 보다 원위에 있는 조인트 및/또는 링크의 대체로 덜 정확한 모델링 및/또는 기구학적 보정을 반영하기 위해서 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)의 원위 단부쪽으로 배치된 조인트 및/또는 링크에 대해서 선택적으로 더 크게 될 수 있다. 그리고, 상기 미리 정해진 거리는, 드레이프가 찢어지거나 구멍이 나는 것을 초래할 수 있는 손상적인 접촉을 피하기 위해서 위치조정가능한 아암(120)을 덮는 살균 드레이프에 대해 충분한 공간을 허용하도록 전체적으로 또는 부분적으로 선택될 수 있다. 몇몇 예에서는, 상기 가상 경계가 연장되는 길이가 선택적으로 6-12 mm일 수 있다.
위치조정가능한 아암(120)과 엔드 이펙터(125)가 입력 제어장치(195)를 이용하여 조작 및/또는 원격 조종될 때, 가상 모델(150)은 가상 경계의 현재의 위치를 결정하기 위해서 사용된다. 가상 경계의 현재의 위치는 상이한 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)의 가상 경계들 사이에 가상 충돌이 있는지 여부를 결정하기 위해서 충돌 엔진(152)으로 전달된다. 몇몇 예에서, 가상 충돌은, 상이한 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)의 가상 경계들 사이의 교차(intersection) 또는 오버랩이 있을 때마다, 또는 대체 실시형태로서 대응하는 가상 완충 지대에서의 하나보다 많은 오버랩으로 인해 감지된다. 가상 경계에서의 각각의 오버랩은 대응하는 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125) 사이의 가상 충돌을 식별한다.
각각의 오버랩은 대응하는 가상 충돌의 대응하는 가상 오버랩 힘을 결정하기 위해서 피직스 엔진(154)으로 전달된다. 몇몇 예에서는, 피직스 엔진(154)이 오버랩의 양, 오버랩의 깊이, 오버랩의 부피, 오버랩의 접촉 면적, 및/또는 이와 유사한 것 중의 하나 이상에 기초하여 대응하는 가상 오버랩 힘(virtual overlap force)의 크기를 결정한다. 몇몇 예에서는, 피직스 엔진(154)이 각각의 가상 경계들 사이의 최대 오버랩의 방향에 기초하여 및/또는 오버랩에서 각각의 가상 경계의 표면 법선에 기초하여 대응하는 가상 오버랩 힘의 방향을 결정한다. 몇몇 예에서는, 피직스 엔진(154)이 가상 오버랩 힘의 크기를 결정하기 위해서 선형 상수 또는 대체 실시형태로서 비선형 상수를 가진 가상 스프링 모델을 이용한다. 몇몇 예에서는, 피직스 엔진(154)이, 가상 경계 내의 여러 구역의 가상 물질에 대한 탄성 계수와 연합하여 오버랩의 부피가 변위 힘(displacing force)을 제공하도록, 가상 경계 내의 여러 구역에 대해서, 기체 또는 유체 역학 모델과 같은, 변형가능한 물질 모델을 이용하고, 상기 변위 힘으로부터 가상 오버랩 힘이 얻어진다. 가상 피드백 힘을 발생시키는 모델의 예는, 발명의 명칭이 "동적 가상 충돌 대상물을 위한 시스템과 방법(System and Method for Dynamic Virtual Collision Objects)"인 국제 특허 공보 제 WO 2015/120008호에 보다 상세하게 기술되어 있고, 상기 공보는 그 전체 내용이 인용에 의해 본 명세서에 포함되어 있다. 몇몇 실시례에서는, 피직스 엔진(154)이 변형가능한 물질 모델, 댐핑(damping), 미끄럼 마찰, 표면 거칠기, 및/또는 이와 유사한 것 중의 하나 이상에 기초하여 겹치는 가상 경계들 사이의 표면 상호작용 효과를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 몇몇 예에서는, 상기 표면 상호작용 효과가 선택적으로 하나의 가상 경계를 다른 가상 경계를 따라서 미끄럼이동시키는 것에 대한 저항을 모델링하는 가상 오버랩 힘과 수직인 피드백 힘을 초래할 수 있다.
상기 가상 오버랩 힘은 가상 충돌과 관련된 각각의 위치조정가능한 아암, 엔드 이펙터, 또는 아암과 엔드 이펙터 조립체 중의 하나 또는 전부에 대한 대응하는 피드백을 결정하기 위해서 사용된다. 일반성을 잃지 않고, 이 프로세스는 통상적으로 각각의 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터라고 지칭되는, 각각의 위치조정가능한 아암, 엔드 이펙터, 또는 아암과 엔드 이펙터 조립체 중의 하나에 대해 아래에 기술되어 있다. 상이한 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터는 상이한 기구학적 특징(kinematics)을 가지고 있으므로, 자신들의 각각의 형태의 다양한 함수(function)와 매핑(mapping)을 이용하여 분석될 수 있다고 생각된다. 몇몇 예에서는, 오버랩의 지점과 오버랩의 지점에 인접하여 배치된 각각의 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터의 조인트 사이의 각각의 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터에 대한 각각의 자코비안 역행렬 또는 자코비안 의사-역행렬이 이러한 결정에 이용된다. 몇몇 예에서는, 자코비안 의사-역행렬이 자코비안 전치행렬(Jacobian transpose)를 이용하여 계산될 수 있다. 자코비안 역행렬 또는 자코비안 의사-역행렬은 가상 오버랩 힘을 각각의 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터에서의 오버랩의 지점에 인접하여 배치되어 있는 조인트들의 각각에 있어서의 가상 조인트 토크에 매핑시키기 위해서 사용된다. 이러한 예에서는, 가상 조인트 토크의 계산이 오버랩의 지점에 인접한 조인트로 제한된다. 많은 경우에 있어서, 오버랩은 가상 충돌의 지점에 인접한 조인트만을 이용하여 충분하게 감소 및/또는 제거될 수 있다. 다른 예에서는, 가상 조인트 토크의 계산이 이와 같이 제한되지 않고, 오버랩의 지점에 인접해 있지 않은 조인트에 대해서도 결정된다.
몇몇 예에서는, 가상 조인트 토크가 각각의 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터에 대한 대응하는 끝부분 힘(tip force)을 결정하기 위해서 사용된다. 조인트 토크와 끝부분 힘에 관한 함수가 사용될 수 있다. 몇몇 예에서는, 가상 충돌의 효과를 모방하기 위해 각각의 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터의 최원위 끝부분(distal-most tip)에 가해질 수 있는 대응하는 끝부분 힘을 결정하기 위해서, 각각의 엔드 이펙터의 끝부분과 각각의 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터의 조인트 사이의 자코비안 역행렬 또는 자코비안 의사 역행렬의 역행렬(예를 들면, 자코비안 전치행렬의 역행렬)이 조인트에서의 가상 토크와 함께 사용될 수 있다. 몇몇 예에서는, 상기 대응하는 끝부분 힘이 모션 컨트롤 모듈(156)로 제공되어 각각의 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터가 가상 충돌에 대항하고 실제 충돌에 보다 근접하게 원격 조종되는 것에 저항하도록 각각의 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터의 모션 컨트롤에 대한 피드백으로 작용된다. 몇몇 예에서는, 대응하는 끝부분 힘의 피드백이 각각의 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터에 대한 원격 조종 명령에 의해 지시된 동작에 부가된다.
몇몇 실시례에서는, 하나보다 많은 오버랩이 충돌 엔진(152)에 의해 감지되면, 각각의 오버랩에 대한 각각의 가상 오버랩 힘이 따로따로 결정된다. 상기 각각의 가상 오버랩 힘은 각각의 오버랩과 관련된 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터의 양자에 대한 각각의 가상 토크를 발생시키기 위해서 사용된다. 몇몇 예에서는, 상기 각각의 가상 토크는 모션 컨트롤 모듈(156)로 제공되는 대응하는 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터에 대한 전체의 대응하는 끝부분 힘을 결정하기 위해서 대응하는 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터에 대해 부가될 수 있다. 대체 실시형태로서, 상기 전체의 대응하는 끝부분 힘은 각각의 오버랩에 대해서 발생된 별개의 끝부분 힘을 중첩시키는 것에 의해서 결정된다.
몇몇 실시례에서는, 가상 충돌의 대상이 되는 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터의 각각에 대한 끝부분 힘은 촉각 피드백을 각각의 입력 제어장치(195)를 통하여 오퍼레이터에게 제공하기 위해서 촉각 피드백 모듈(158)로 제공된다. 몇몇 예에서는, 상기 끝부분 힘이 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)를 조작하는데 사용된 힘과 대응하는 입력 제어장치(195)을 조작하는데 사용된 힘의 상대적인 차이를 반영하기 위해서 조정된다. 몇몇 예에서는, 각각의 입력 제어장치(195)에 대한 자코비안 전치행렬의 역행렬이 촉각 피드백을 오퍼레이터에 작용시키기 위해서 끝부분 힘을 입력 제어장치(195)의 위치조정가능한 아암에서의 각각의 조인트 토크에 매핑하기 위해서 사용된다. 대체 실시형태로서, 몇몇 실시례에서는, 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터의 실제 위치와 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터의 대응하는 지정된 위치(commanded position) 사이의 차이가 각각의 입력 제어장치(195)에 대한 촉각 피드백을 결정하기 위해서 사용된다.
가상 경계를 이용하여 오버랩 힘을 모델링하는 것은 충돌 회피에 대해 한 가지 이상의 장점을 제공한다. 첫째로, 가상 오버랩 힘은 가상 경계의 오버랩이 검출된 후에야 결정되기 때문에, 가상 충돌의 효과가 대응하는 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터가 서로 아주 가까이 있을 때에만 결정되고 다른 때에는 무시되도록 실시례가 구성될 수 있다. 둘째로, 가상 오버랩의 사용은 (a) 가상 충돌의 심각도 및 (b) 가상 충돌에 대한 대응하는 표면 법선의 정확한 모델을 가능하게 한다. 이러한 보다 정확한 모델은 각각의 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터를 가상 충돌로부터 밀어내는 각각의 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터의 피드백 힘의 보다 정확한 방향과 크기를 결정할 수 있게 해준다. 이것은 각각의 위치조정가능한 아암들 및/또는 엔드 이펙터들 사이의 실제 충돌을 방지하는데 도움이 된다.
몇몇 실시례에 따르면, 다양한 선택적인 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터 움직임이 하나 이상의 오버랩이 존재하는 가상 충돌을 해결하기 위해서 사용될 수 있다. 각각의 표면 법선의 방향으로 각각의 오버랩 사이의 각각의 거리를 증가시키기 위해서, 제2 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터가 한 개, 두 개, 또는 세 개의 직교 이동(Cartesian translation)과 방향의 임의의 조합 형태(과도한 설명을 피하기 위해서 다양한 조합 형태는 본 명세서에 기재되어 있지 않다)로 이동하는 동안 제1 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터는 정지 상태로 있을 수 있다. 대체 실시형태로서, 각각의 표면 법선의 방향으로 각각의 오버랩 사이의 각각의 거리를 증가시키기 위해서, 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터의 양자가 한 개, 두 개, 또는 세 개의 직교 이동과 방향의 임의의 조합 형태로 이동할 수 있다. 몇몇 예에서는, 두 개의 위치조정가능한 아암들 및/또는 엔드 이펙터들 사이의 상대 운동이, 제1 링크가 제2 정지 링크를 가로질러서 미끄럼이동하는 것과 비슷하거나, 두 개의 링크가 서로를 가로질러서 미끄럼이동하는 것과 비슷한 미끄럼이동 방식의 운동을 선택적으로 초래할 수 있다. 몇몇 예에서는, 결과적으로 초래된 운동이 제1 링크가 제2 정지 링크 둘레로 롤링 운동하는 것, 또는 두 개의 링크 서로의 둘레로 롤링 운동하는 것과 비슷하도록, 상기 미끄럼 운동이 선택적으로 롤링 운동을 포함할 수 있다. 다양한 실시례에서, 링크는 스틱(stick)으로 모델링될 수 있다.
따라서, 관절식 아암 및/또는 엔드 이펙터의 링크로서, 링크의 양 단부 사이에 한정된 세로축을 가진, 상기 링크에 대해서, 두 개의 각각의 가상 경계 사이의 오버랩의 위치가 대체로 세로축과 정렬된 방향으로 상기 링크를 따라서 이동할 수 있거나, 및/또는 두 개의 각각의 가상 경계 사이의 오버랩의 위치가 대체로 상기 링크의 표면 상의 곡선을 따라서 이동할 수 있다. 마찬가지로, 두 개의 각각의 가상 경계 사이의 오버랩의 위치가 대체로 세로축과 정렬된 방향으로 두 개의 각각의 가상 경계 중의 어느 하나 또는 양자의 표면을 따라서 이동할 수 있거나, 두 개의 각각의 가상 경계 사이의 오버랩의 위치가 두 개의 각각의 가상 경계 중의 어느 하나 또는 양자의 표면 상의 곡선을 따라서 이동할 수 있다. 결과적으로, 두 개의 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터가 서로에 대해서 미끄럼이동하는 것으로 보이지만, 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터에 대한 및/또는 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터를 덮는 살균 드레이프에 대한 손상을 방지하기 위해서, 이들 사이에는 일정 거리가 있다. 몇몇 예에서는, 오퍼레이터가 상기 입력 제어장치들 중의 하나 또는 두 개에서 선택적으로 이러한 미끄럼 운동을 경험할 수 있거나, 오퍼레이터가 입력 제어장치에서 어떠한 감각도 경험하지 않은 채로 미끄럼 운동이 선택적으로 발생할 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 추가적인 표면 상호작용 효과가 가상 경계의 오버랩으로부터 초래되는 피드백에 선택적으로 포함될 수 있다. 몇몇 예에서는, 상기 피드백이 미끄럼 운동에 대한 저항을 모델링하는 가상 오버랩 힘에 수직인 힘을 선택적으로 포함할 수 있다. 몇몇 예에서는, 상기 미끄럼 운동에 대한 저항의 크기가 서로에 대해서 미끄럼 운동하는 두 개의 표면 사이의 마찰의 모델링에 따른 가상 오버랩 힘에 비례할 수 있다.
몇몇 실시례에서는, 다른 구성 및/또는 아키텍쳐(architecture)가 컴퓨터 지원 시스템(100)에 사용될 수 있다. 몇몇 예에서는, 컨트롤 유닛(130)이 오퍼레이터 워크스테이션(170) 및/또는 상기 장치(110)의 일부로 선택적으로 포함될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 컴퓨터 지원 시스템(100)을 수술실 및/또는 중재실에서 사용할 수 있다. 그리고 컴퓨터 지원 시스템(100)이 두 개의 위치조정가능한 아암(120)을 가진 단 하나의 장치(110)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 당업자는 상기 컴퓨터 지원 시스템(100)이 상기 장치(110)와 유사하거나 상이한 형태의 위치조정가능한 아암 및/또는 엔드 이펙터를 가진 임의의 갯수의 장치를 선택적으로 포함할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 몇몇 예에서는, 상기 장치의 각각이 한 개 또는 세 개 또는 그 이상의 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)를 포함할 수 있다.
도 2A와 도 2B는 몇몇 실시례에 따른 가상 경계를 가진 두 개의 위치조정가능한 아암의 일부분의 개략도이다. 도 2A는 두 개의 위치조정가능한 아암의 각각의 가상 경계 사이에 오버랩이 없는 상태의 두 개의 위치조정가능한 아암을 나타내고 있고 도 2B는 두 개의 위치조정가능한 아암의 각각의 가상 경계 사이에 오버랩이 있는 상태의 동일한 두 개의 위치조정가능한 아암을 나타내고 있다. 몇몇 예에서는, 상기 두 개의 위치조정가능한 아암이 상기 장치(110)의 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)와 일치한다.
보다 상세하게는, 도 2A는 조인트(215)에 의해 결합된 링크(210)와 링크(220)를 가진 제1 위치조정가능한 아암의 일부분을 나타내고 있다. 제1 위치조정가능한 아암은 또한 미리 정해진 거리(235)만큼 링크(210, 220)와 조인트(215)의 외부 표면을 넘어서 연장되어 있는 가상 경계(230)를 가지고 있다. 그리고 비록 제1 위치조정가능한 아암이 도 2A에 2차원으로 도시되어 있지만, 조인트(215)뿐만 아니라 링크(210, 220)가 3차원으로 연장되어 있고 가상 경계(230)가 링크(210, 220)와 조인트(215)의 둘레에 전부 3차원으로 연장되어 있다고 생각된다. 조인트(215)가 (예를 들면, 링크(210)와 링크(220) 사이의 각도를 변경시키기 위해서) 조작됨에 따라, 가상 경계(230)의 대응하는 형상이 이에 상응하게 변경된다. 몇몇 예에서는, 가상 경계(230)와 미리 정해진 거리(235)가 가상 모델(150)에 포함된 제1 위치조정가능한 아암의 가상 모델과 일치한다.
도 2A는 또한 조인트(245)에 의해 결합된 링크(240)와 링크(250)를 가진 제2 위치조정가능한 아암의 일부분을 나타내고 있다. 제2 위치조정가능한 아암은 또한 미리 정해진 거리(265)만큼 링크(240, 250)와 조인트(245)의 외부 표면을 넘어서 연장되어 있는 가상 경계(260)를 가지고 있다. 그리고 비록 제2 위치조정가능한 아암이 도 2A에 2차원으로 도시되어 있지만, 조인트(245)뿐만 아니라 링크(240, 250)가 3차원으로 연장되어 있고 가상 경계(260)가 링크(240, 250)와 조인트(245)의 둘레에 전부 3차원으로 연장되어 있다고 생각된다. 조인트(245)가 (예를 들면, 링크(240)와 링크(250) 사이의 각도를 변경시키기 위해서) 조작됨에 따라, 가상 경계(260)의 대응하는 형상이 이에 상응하게 변경된다. 몇몇 예에서는, 가상 경계(260)와 미리 정해진 거리(265)가 가상 모델(150)에 포함된 제2 위치조정가능한 아암의 가상 모델과 일치한다.
도 2A의 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암이 서로 더욱 가까워지게 이동함에 따라, 도 2B에 오버랩(270)으로 도시되어 있는 것과 같이, 가상 경계(230)와 가상 경계(260) 사이에 오버랩이 발생할 수 있다. 오버랩(270)이 충돌 엔진(152)에 의해 감지되면, 오버랩(270)의 여러 특징이 결정된다. 예를 들면, 가상 경계(230)와 가상 경계(260)의 양자를 따르는 양을 변화시킴으로써 가상 경계(230)와 가상 경계(260)가 오버랩되더라도, 오버랩(270)에 의해 나타내어진 가상 충돌의 효과는 가상 경계(230)와 가상 경계(260) 사이의 최대 오버랩이 발생하는 장소를 나타내는 것에 의해서 선택적으로 나타내어질 수 있다. 몇몇 예에서는, 가상 경계들 중의 제2 가상 경계(예를 들면, 가상 경계(260))에 의해 한정된 구역으로 가장 멀리 뻗어 있는 가상 경계들 중의 제1 가상 경계(예를 들면, 가상 경계(230)) 상의 한 지점을 찾아내고 최대 오버랩에서 제1 가상 경계에 대한 표면 법선의 방향을 따라 제1 가상 경계와 제2 가상 경계 사이의 거리를 나타내는 것에 의해서 충돌 엔진(152)이 최대 오버랩을 감지한다. 이것은 오버랩(270)에서 쌍방향 화살표를 이용하여 도 2B에 도시되어 있다. 몇몇 예에서는, 상기 표면 법선의 방향이 대응하는 가상 오버랩 힘의 방향을 결정하기 위해서 피직스 엔진(154)에 의해 선택적으로 사용될 수 있고, 최대 오버랩의 양은 가상 오버랩 힘의 크기를 결정하기 위해서(예를 들면, 상기한 바와 같이 오버랩에 대해 스프링 모델의 적용을 통하여) 피직스 엔진(154)에 의해 사용된다. 몇몇 실시례에서는, 추가적인 표면 및/또는 부피 상호작용 모델이 대응하는 가상 오버랩 힘의 방향 및/또는 크기를 결정하기 위해서 선택적으로 사용될 수 있다. 몇몇 예에서는, 피직스 엔진(154)이, 제1 가상 경계와 제2 가상 경계 내의 여러 구역의 가상 물질에 대한 탄성 계수와 연합하여 오버랩의 부피가 변위 힘(displacing force)을 제공하도록, 가상 경계 내의 여러 구역에 대해서, 기체 또는 유체 역학 모델과 같은, 변형가능한 물질 모델을 선택적으로 이용할 수 있고, 상기 변위 힘으로부터 가상 오버랩 힘이 얻어진다. 가상 피드백 힘을 발생시키는 모델의 예는, 발명의 명칭이 "동적 가상 충돌 대상물을 위한 시스템과 방법(System and Method for Dynamic Virtual Collision Objects)"인 국제 특허 공보 제 WO 2015/120008호에 보다 상세하게 기술되어 있고, 상기 공보는 그 전체 내용이 인용에 의해 본 명세서에 포함되어 있다. 도 2B를 검토하면 실제 충돌에 대한 위험이 가장 높은 방향은 가상 오버랩 힘의 방향이라는 것을 보여주는데, 이것이 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암의 링크와 조인트가 서로 가장 가까운 경우이기 때문이다. 도 2B는 또한 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암을 가상 오버랩 힘의 방향으로 밀어내는 것이 오버랩(270)을 감소하기 위한 및/또는 제거하기 위한 효율적인 방법이라는 것을 나타낸다. 일단 가상 오버랩 힘이 결정되면, 이것은 상기한 바와 같이 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암의 양자에 피드백을 가하기 위해서 사용될 수 있다.
도 3은 몇몇 실시례에 따른 다수의 오버랩을 가지고 있는 가상 경계를 가진 두 개의 위치조정가능한 아암의 일부분의 개략도이다. 도 3에 도시되어 있는 것과 같이, 두 개의 위치조정가능한 아암이 자신들의 각각의 가상 경계 사이에 다수의 오버랩을 가지고 있다. 몇몇 예에서는, 상기 두 개의 위치조정가능한 아암이 상기 장치(110)의 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)과 일치한다.
보다 상세하게는, 도 3은 조인트(315, 325)에 의해 각각 결합된 링크(310, 320, 330)을 가진 제1 위치조정가능한 아암의 일부분을 나타내고 있다. 제1 위치조정가능한 아암은 또한 미리 정해진 거리(345)만큼 링크(310, 320, 330)와 조인트(315, 325)의 외부 표면을 넘어서 연장되어 있는 가상 경계(340)를 가지고 있다. 도 3은 또한 조인트(355)에 의해 결합된 링크(350, 360)를 가진 제2 위치조정가능한 아암의 일부분을 나타내고 있다. 제2 위치조정가능한 아암은 또한 미리 정해진 거리(375)만큼 링크(350, 360)와 조인트(355)의 외부 표면을 넘어서 연장되어 있는 가상 경계(370)를 가지고 있다. 도 2A와 도 2B의 위치조정가능한 아암 및 가상 경계와 같이, 도 3의 위치조정가능한 아암 및 가상 경계는 3차원으로 연장되어 있고 가상 경계(340)와 가상 경계(370)는 조인트(315, 325)와 조인트(355)가 각각 조작됨에 따라 형상을 변경시킨다.
도 3에 추가로 도시되어 있는 것과 같이, 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암이 서로 더 가까워지게 이동하면, 가상 경계(340)와 가상 경계(370)의 사이에, 오버랩(380)과 오버랩(390)으로 도시되어 있는 것과 같이, 다수의 오버랩이 발생할 수 있다. 충돌 엔진(152)과 피직스 엔진(154)은 처음에는 충돌 엔진(152)과 피직스 엔진(154)이 오버랩(270)을 처리한 것과 대체로 동일한 방식으로 오버랩(380)과 오버랩(390)의 각각을 따로따로 처리한다. 따라서, 오버랩(380)과 오버랩(390)의 각각에 대해서, 각각의 오버랩을 감소 및/또는 제거하는 각각의 가상 오버랩 힘과 각각의 피드백이 독립적으로 결정되고, 각각의 피드백이 오버랩(380)과 오버랩(390)의 위치에 기초하여 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암의 상이한 조인트에 영향을 미칠 수 있는 것이 가능하다. 일단 각각의 피드백이 따로따로 결정되면, 전체의 합성 피드백은 중첩(superposition)을 이용하여 결정된다. 이러한 중첩 접근방법의 유효성이 도 3에 표시되어 있다. 예를 들면, 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암의 근위 단부가 도 3에서 근위 방향의 화살표로 표시되어 있는 것과 같이 배치되어 있다는 가정하에서, 오버랩(380)만을 감소시키기 위해서 제공된 피드백(예를 들면, 조인트(315)의 아래의 조인트(도시되어 있지 않음)의 반시계방향 회전과 조인트(355)의 반시계방향 회전을 발생시키기 위한 피드백과 같은, 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암의 일부분을 도 3의 주로 수평 방향으로 밀어내기 위한 피드백)은 오버랩(390)을 감소시키거나 제거하는데 크게 기여를 하지 못할 수 있고, 오버랩(390)만을 감소시키기 위해서 제공된 피드백(예를 들면, 조인트(325)의 반시계방향 회전과 조인트(355)의 왼쪽에 있는 조인트(도시되어 있지 않음)의 반시계방향 회전을 발생시키기 위한 피드백과 같은, 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암의 일부분을 도 3의 주로 수직 방향으로 밀어내기 위한 피드백)은 오버랩(380)을 감소시키거나 제거하는데 크게 기여를 하지 못할 수 있다. 하지만, 오버랩(380)을 감소시키는 주로 수평 성분을 가진 피드백과 오버랩(390)을 감소시키는 주로 수직 성분을 가진 피드백을 중첩시키는 것이 오버랩(380)과 오버랩(390)의 양자를 감소 및/또는 제거하는데 있어서 보다 효과적이다. 이러한 중첩 접근방법은 또한 오버랩의 세 개 이상의 지점으로 일반화할 수 있고, 제1 위치조정가능한 아암 및/또는 제2 위치조정가능한 아암과 제3 위치조정가능한 아암(도시되어 있지 않음) 사이의 오버랩으로 인해 발생하는 추가적인 피드백을 제공하는데도 사용할 수 있다.
도 4는 몇몇 실시례에 따른 위치조정가능한 아암에 대한 가상 모델을 생성하는 방법 400의 개략도이다. 상기 방법 400의 프로세스 410 내지 430 중의 하나 이상이, 적어도 부분적으로, 하나 이상의 프로세서(예를 들면, 컨트롤 유닛(130)의 프로세서(142))에 의해 작동될 때 상기 하나 이상의 프로세서로 하여 프로세스 410 내지 430 중의 하나 이상을 수행하게 할 수 있는 비일시적인 유형의 기계 판독가능 매체(non-transitory, tangible, machine readable media)에 저장된 실행 코드의 형태로 수행될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 방법 400을 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125) 중의 어느 하나와 같은, 위치조정가능한 아암에 대한 대응하는 모델을 실시하기 위해 실행가능한 절차 및/또는 하나 이상의 데이터 구조를 만들어 내는데 사용할 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 상기 가상 모델이 가상 모델(150) 중의 하나일 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 방법 400을 컴퓨터 지원 의료 기기에 의해 사용되는 위치조정가능한 아암, 엔드 이펙터, 및/또는 기구의 각각에 대해 하나 이상의 가상 모델을 만들어 내기 위해서 사용할 수 있다.
프로세스 410에서는, 위치조정가능한 아암의 기구학적 모델 및/또는 CAD가 수신된다. 상기 CAD 및/또는 기구학적 모델은 외부 표면의 세부사항이 적어도 상기 위치조정가능한 아암이 제어될 수 있는 정밀도와 마찬가지인 정밀도로 모델링될 수 있도록 충분한(예를 들면, 고충실도(high fidelity)) 세부사항을 포함하여야 한다. 몇몇 예에서, 고충실도의 정밀도는 6-12 mm 이하의 정밀도를 가진 것이다. 따라서, 상기 CAD 및/또는 기구학적 모델은 위치조정가능한 아암의 링크와 조인트의 유형, 갯수, 형상, 및/또는 구성에 관한 세부사항을 포함하고 있다. 몇몇 예에서는, 상기 CAD 및/또는 기구학적 모델이, 위치조정가능한 아암의 작동 동안 위치조정가능한 아암의 조인트들의 각각이 어떻게 조작되거나 및/또는 위치복원가능하게 될 수 있는지에 관한 정보를 더 포함할 수 있다. 몇몇 예에서는, 상기 CAD 및/또는 기구학적 모델이 CAD 또는 유사한 툴로부터 생성될 수 있다.
프로세스 420에서는, 볼록 껍질(convex hull)이 결정된다. 프로세스 410 동안 수신된 CAD 및/또는 기구학적 모델을 이용하여, 위치조정가능한 아암이 복수의 세그먼트로 분할된다. 상기 복수의 세그먼트는, 복수의 세그먼트의 각각의 외부 표면이 볼록 껍질을 이용하여 원하는 정밀도 내에 가까워질 수 있게 선택된다. 몇몇 예에서는, 상기 CAD 및/또는 기구학적 모델로부터 볼록 껍집을 추출하기 위해서 CAD 툴이 선택적으로 사용될 수 있다. 몇몇 예에서는, 상기 CAD 및/또는 기구학적 모델이 복수의 세그먼트의 각각의 외부 표면에 가까운 기준점(control point) 및/또는 꼭지점의 메시(mesh)를 선택적으로 포함할 수 있다. 몇몇 예에서는, 볼록 껍질 모델의 일부로서 또는 상기 메시에 사용된 꼭지점 및/또는 기준점의 갯수는 상기 볼록 껍질에 대한 원하는 정밀도에 기초하여 선택적으로 선택될 수 있다. 몇몇 예에서는, 상기 원하는 정밀도가 6-12 mm 이하이다. 몇몇 예에서는, 복수의 세그먼트의 각각에 대한 원하는 정밀도가 선택적으로 달라질 수 있다(예를 들면, 위치조정가능한 아암의 보다 근위부의 세그먼트들이 위치조정가능한 아암의 보다 원위부의 세그먼트들보다 더 높은 정밀도로 모델링되도록). 몇몇 예에서는, 각각의 세그먼트에 대해 결정된 볼록 껍질이, 원하는 정밀도보다 더 미세한 크기에 있어서 차이를 가지는 외부 표면 구조를 제거하거나 및/또는 없애는 것에 의해 각각의 세그먼트의 외부 표면의 단수화된 모델을 선택적으로 나타낼 수 있다.
프로세스 430에서는, 볼록 껍질이 확대된다. 복수의 세그먼트의 각각과, 전체로서 위치조정가능한 아암에 대해 가상 경계를 생성하기 위해서, 프로세스 420 동안 결정된 볼록 껍질의 각각이 미리 정해진 거리에 기초하여 크기가 확대된다. 이렇게 하여, 상기 가상 경계가 위치조정가능한 아암의 링크와 조인트의 둘레에 가상 완충 지대를 제공한다. 몇몇 예에서, 상기 미리 정해진 거리는 적어도, 모션 컨트롤 모듈(156)과 같은, 모션 컨트롤 모듈이 위치조정가능한 아암을 위치시키고 배향시킬 수 있는 기구학적 보정만큼 정확하게 되도록 선택된다. 몇몇 예에서는, 상기 미리 정해진 거리가 위치조정가능한 아암의 상이한 세그먼트들에 대해서 선택적으로 다를 수 있다. 몇몇 예에서는, 위치조정가능한 아암에서 보다 근위부에 배치된 세그먼트가 위치조정가능한 아암에서 보다 원위부에 배치된 세그먼트보다 더 짧은 미리 정해진 거리를 선택적으로 가질 수 있다.
몇몇 실시례에서, 상기 가상 모델은, 위치조정가능한 아암이 조종 및/또는 조작될 때 위치조정가능한 아암의 조인트의 관절연결(articulation) 및/또는 위치의 변화를 설명하기 위해 선택적으로 파라미터로 나타내질 수 있다. 따라서, 가상 모델을 이용하는 애플리케이션 또는 모듈이 현재의 조인트 위치 및/또는 방향을 가상 모델에 제공할 수 있고, 현재의 조인트 위치 및/또는 방향을 설명하는 대응하는 가상 경계가 생성되고 사용할 수 있게 된다. 몇몇 예에서는, 조인트 위치 및/또는 방향이 API 및/또는 유사한 호출 인터페이스(call interface)를 이용하는 가상 모델에 제공된다.
몇몇 실시례에서, 상기 가상 모델은, 가상 경계가 끝나는 위치조정가능한 아암을 따라서 뻗은 위치를 나타내기 위해서 선택적으로 파라미터로 나타내질 수 있다. 몇몇 예에서, 상기 위치에 대해 원위부에 배치된 위치조정가능한 아암의 세그먼트는, 가상 모델에 의해서 생성된 가상 경계가 상기 위치에 대해 보다 원위부에 있는 경계 세그먼트(boundary segment)를 포함하지 않도록 가상 경계를 생성하기 위해서 사용되지 않는다. 이것은 오버랩 및/또는 가상 충돌이 상기 위치에 대해 원위부에서 감지되지 않도록 가상 모델의 사용자가 상기 위치에 대해 보다 원위부에 있는 가상 경계를 억제(suppress)할 수 있게 해준다. 몇몇 예에서는, 이것이 위치조정가능한 아암 및/또는 다른 가상 아암을 가진 위치조정가능한 아암의 엔드 이펙터 및/또는 엔드 이펙터 사이의 실제 충돌이 허용되는 곳에서 가상 충돌을 멈추게 할 수 있다. 몇몇 예에서는, 상기 위치가 위치조정가능한 아암 및/또는 위치조정가능한 아암의 엔드 이펙터가 환자의 체벽을 통하여 삽입되는 곳과 일치하도록 선택된다. 몇몇 예에서는, 상기 위치가 선택적으로 위치조정가능한 아암에 대한 원격 운동 중심과 일치할 수 있다. 몇몇 예에서, 상기 가상 경계는, 충돌이 허용되지만, 충돌의 심각도 및/또는 규모를 제한하기 위해서 적어도 몇가지 피드백이 필요하도록 영의 미리 정해진 거리 및/또는 음의 미리 정해진 거리를 이용하여 선택적으로 실시될 수 있다.
몇몇 실시례에서는, 충돌 회피가 필요한 위치조정가능한 아암의 각각에 대해 가상 모델을 생성하기 위해서 방법 400이 반복된다. 도 1의 예에서는, 가상 모델(150)에서 가상 모델들 중의 대응하는 가상 모델을 생성하기 위해서 위치조정가능한 아암(120)의 각각에 대해서 방법 400이 반복될 수 있다.
도 5는 몇몇 실시례에 따른 가상 경계를 이용하는 충돌 회피의 방법 500의 개략도이다. 방법 500의 프로세스 510 내지 560 중의 하나 이상이, 적어도 부분적으로, 하나 이상의 프로세서(예를 들면, 컨트롤 유닛(130)의 프로세서(142))에 의해 작동될 때 상기 하나 이상의 프로세서로 하여 프로세스 510 내지 560 중의 하나 이상을 수행하게 할 수 있는 비일시적인 유형의 기계 판독가능 매체에 저장된 실행 코드의 형태로 수행될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 방법 500이 가상 모델(150), 충돌 엔진(152), 피직스 엔진(154), 모션 컨트롤 모듈(156), 및/또는 촉각 피드백 모듈(158)과 같은, 하나 이상의 모듈 또는 애플리케이션에 의해 선택적으로 수행될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 방법 500을 두 개 이상의 위치조정가능한 아암의 가상 경계 사이의 하나 이상의 가상 충돌을 결정하고 상기 위치조정가능한 아암들 사이의 실제 충돌을 감소 및/또는 제거하는데 도움을 주도록 상기 위치조정가능한 아암에 피드백을 제공하기 위해 상기 가상 경계를 이용하기 위해서 사용할 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 방법 500을 상기 위치조정가능한 아암을 상기 위치조정가능한 아암들 사이의 실제 충돌이 발생하는 구성으로 조작하는 오퍼레이터에 의한 시도를 저지하기 위해서 상기 위치조정가능한 아암의 오퍼레이터에게 촉각 피드백을 제공하기 위해서 사용할 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 방법 500을 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125)가 입력 제어장치(195)를 이용하여 원격 조종되고 있을 때 위치조정가능한 아암(120) 및/또는 엔드 이펙터(125) 사이의 충돌의 가능성을 낮추기 위해서 사용할 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 방법 500을 컴퓨터 지원 의료 기기가 하나 이상의 수술을 시행하기 위해 사용되고 있는 동안 컴퓨터 지원 의료 기기의 위치조정가능한 아암, 엔드 이펙터, 및/또는 기구 사이의 충돌의 가능성을 낮추기 위해서 사용할 수 있다.
프로세스 510에서는, 위치조정가능한 아암의 위치가 결정된다. 충돌 회피가 필요한 위치조정가능한 아암 및/또는 위치조정가능한 아암의 엔드 이펙터의 각각의 현재의 위치를 결정하는 것에 의해서 위치조정가능한 아암 및/또는 위치조정가능한 아암의 엔드 이펙터 사이의 충돌 회피가 시작된다. 몇몇 실시례에서는, 각각의 위치조정가능한 아암의 조인트와 결합된 하나 이상의 센서로부터 데이터가 수신된다. 상기 센서 데이터는 위치조정가능한 아암의 현재의 위치가 결정되도록 위치조정가능한 아암의 조인트의 방향에 관한 정보를 포함하고 있다. 몇몇 예에서는, 하나 이상의 기구학적 모델 및/또는 가상 모델, 예를 들면, 방법 400을 이용하여 생성된 가상 모델이 상기 조인트 방향 정보를 위치조정가능한 아암의 위치로 전환시키기 위해서 사용된다. 몇몇 예에서는, 조인트의 방향이 하나 이상의 기구학적 모델 및/또는 가상 모델에 대한 파라미터로서 제공된다. 몇몇 실시례에서는, 상기 위치조정가능한 아암의 조인트의 방향을 결정하기 위해 상기 센서 데이터를 보충 및/또는 교체하기 위해서, 상기 위치조정가능한 아암에 장착된 하나 이상의 기록 마커, 기준 마커, 및/또는 이와 유사한 것을 영상 장치와 같은 하나 이상의 추적 센서를 이용하여 대체 실시형태로서 추적할 수 있다.
프로세스 520에서는, 상기 위치조정가능한 아암의 가상 경계가 결정된다. 프로세스 510 동안 상기 위치조정가능한 아암의 위치가 결정되면, 상기 위치조정가능한 아암의 위치는 하나 이상의 가상 모델을 사용하여 각각의 위치조정가능한 아암의 가상 경계의 현재의 위치를 발생시키기 위해서 사용할 수 있다. 몇몇 예에서는, 상기 하나 이상의 가상 모델이 가상 모델(150) 및/또는 방법 400을 이용하여 생성된 가상 모델과 일치한다.
프로세스 530에서는, 상기 가상 경계들 사이의 하나 이상의 오버랩이 결정된다. 프로세스 520 동안 각각의 위치조정가능한 아암에 대해서 결정된 가상 경계들은 상이한 위치조정가능한 아암의 가상 경계들 사이에 오버랩이 있는지 여부를 결정하기 위해서, 충돌 엔진(152)과 같은, 충돌 엔진을 이용하여 비교된다. 몇몇 예에서는, 가상 경계들의 각각이 프로세스 430 동안 결정된 볼록 껍질(convex hull)과 같은, 하나 이상의 볼록 객체(convex object)를 이용하여 선택적으로 한정될 수 있기 때문에, 가상 경계에서 오버랩이 발생하는 각각의 장소를 찾아내기 위해서 각각의 가상 경계에 대한 볼록 객체들의 각각이 다른 가상 경계들의 각각에 대한 볼록 객체와 비교된다. 몇몇 예에서는, 상기 비교가, 잠재적인 오버랩을 신속하게 결정하기 위해서 볼록 객체의 정밀하지 않은 근사(coarse approximation)가 사용되고 실제 오버랩을 감지하기 위해서 볼록 객체의 실제 모델과 가상 경계가 사용되는 반복적인 비교 전략(iterative comparison strategy)을 선택적으로 포함할 수 있다. 몇몇 예에서는, 가상 경계들 중의 하나가 다른 가상 경계로 들어가거나 다른 가상 경계와 교차할 때마다 두 개의 가상 경계 사이의 오버랩이 감지된다. 몇몇 예에서는, 각각의 오버랩의 감지가 두 개의 가상 경계 사이의 최대 오버랩의 양과 위치뿐만 아니라 최대 오버랩의 방향 및/또는 가상 오버랩 힘의 방향과 크기를 결정할 수 있는 다른 가상 오버랩 특성을 결정하는 것을 포함한다. 몇몇 예에서는, 가상 경계들 중의 제2 가상 경계에 의해 한정된 구역으로 가장 멀리 뻗어 있는 가상 경계들 중의 제1 가상 경계상의 한 지점을 찾아내고 최대 오버랩에서 제1 가상 경계에 대한 표면 법선의 방향을 따라 제1 가상 경계와 제2 가상 경계 사이의 거리를 나타내는 것에 의해서 상기 최대 오버랩이 결정된다. 몇몇 예에서는, 상기 표면 법선의 방향이 오버랩을 감소 및/또는 제거하기 위해서 피드백 힘이 가해져야 하는 방향을 나타내는 오버랩과 관련된 방향을 결정하기 위해서 사용된다.
프로세스 540에서는, 프로세스 530동안 감지된 오버랩들의 각각이, 상기 오버랩들의 각각의 효과와 상기 오버랩들의 상응하는 가상 충돌이 가상 충돌을 감소 및/또는 제거하기 위한 피드백을 제공하기 위해서 사용되도록 차례로 처리된다. 각각의 오버랩이 처리됨에 따라 각각의 오버랩이 현재의 오버랩으로 된다.
프로세스 542에서는, 현재의 오버랩에 대한 가상 오버랩 힘이 결정된다. 프로세스 530 동안 감지된 현재의 오버랩은 현재의 가상 충돌의 가상 오버랩 힘을 결정하기 위해서 피직스 엔진(154)과 같은, 피직스 엔진에 의해 처리된다. 몇몇 예에서, 가상 오버랩 힘의 크기는 오버랩의 양에 기초하고 가상 오버랩 힘의 방향은 가상 경계들 사이의 최대 오버랩의 방향 및/또는 오버랩에서의 가상 경계의 표면 법선에 기초한다. 몇몇 예에서는, 가상 오버랩 힘의 크기를 결정하기 위해서 선형 상수 또는 대체 실시형태로서 비선형 상수를 가진 가상 스프링 모델이 이용된다. 몇몇 예에서는, 가상 경계 내의 여러 구역의 가상 물질에 대한 탄성 계수와 연합하여 오버랩의 부피가 변위 힘(displacing force)을 제공하도록, 가상 경계 내의 여러 구역에 대해서, 기체 또는 유체 역학 모델과 같은, 변형가능한 물질 모델이 이용되고, 상기 변위 힘으로부터 가상 오버랩 힘이 얻어진다. 가상 피드백 힘을 발생시키는 모델의 예는, 발명의 명칭이 "동적 가상 충돌 대상물을 위한 시스템과 방법(System and Method for Dynamic Virtual Collision Objects)"인 국제 특허 공보 제 WO 2015/120008호에 보다 상세하게 기술되어 있고, 상기 공보는 그 전체 내용이 인용에 의해 본 명세서에 포함되어 있다.
프로세스 544에서는, 근위 조인트에 작용하는 가상 토크가 결정된다. 프로세스 542 동안 결정된 가상 오버랩 힘을 이용하여, 현재의 가상 충돌과 관련된 두 개의 위치조정가능한 아암의 오버랩에 대해 근위부에 있는 각각의 조인트의 대응하는 가상 토크가 결정된다. 몇몇 예에서는, 오버랩의 지점과 근위 조인트 사이의 각각의 자코비안 전치행렬이 가상 오버랩 힘을 가상 토크에 매핑시키기 위해서 사용된다. 이 실시례에서는, 가상 충돌의 지점에 대해 근위부에 있는 조인트만을 이용하여 오버랩이 만족스럽게 감소 및/또는 제거될 수 있기 때문에 가상 토크의 계산이 오버랩에 대해 근위부에 있는 조인트로 제한되고; 다른 실시례에서는, 가상 토크의 계산이 다른 조인트에 대해서도 결정된다. 몇몇 예에서는, 위치조정가능한 아암의 키네메틱스(kinematics)가 종종 오버랩에 대해 근위부에 있는 조인트들의 하나 이상에 대해 가상 토크가 계산되지 않는 결과를 초래할 수 있고, 이것은 상기 조인트의 조작이 오버랩의 감소나 제거에 기여하지 않는다는 것을 나타낸다. 현재의 가상 충돌이 두 개의 위치조정가능한 아암의 상이한 위치에서 발생할 수 있고 두 개의 위치조정가능한 아암이 상이한 기구학적 모델을 가질 수 있기 때문에 현재의 가상 충돌과 관련된 위치조정가능한 아암들의 각각에 대해 가상 토크가 따로따로 결정된다. 몇몇 예에서는, 근위 조인트에 작용하는 가상 토크의 결정이 피직스 엔진 및/또는 모션 컨트롤 모듈에 의해 선택적으로 수행될 수 있다.
프로세스 546에서는, 가상 끝부분 힘(virtual tip force)이 결정된다. 프로세스 544 동안 결정된 가상 토크를 이용하여, 현재의 가상 충돌과 관련된 위치조정가능한 아암들의 각각에 대해 대응하는 가상 끝부분 힘이 결정된다. 각각의 대응하는 가상 끝부분 힘은 위치조정가능한 아암을 현재의 오버랩으로부터 이동시키기 위해서 대응하는 위치조정가능한 아암의 최원위 단부에 가해질 수 있는 유효력을 나타낸다. 몇몇 예에서는, 각각의 위치조정가능한 아암에 대한 가상 토크가 대응하는 위치조정가능한 아암의 최원위 단부와 대응하는 위치조정가능한 아암의 조인트 사이의 대응하는 자코비안 전치행렬의 역행렬을 이용하여 대응하는 가상 끝부분 힘에 매핑된다.
프로세스 548에서는, 현재의 오버랩의 효과가 이전에 처리된 오버랩의 효과와 중첩된다. 몇몇 예에서는, 위치조정가능한 아암들의 각각에 대해서 프로세스 546 동안 결정된 가상 끝부분 힘이 대응하는 위치조정가능한 아암에 대해서 결정된 임의의 이전의 가상 끝부분 힘에 중첩(예를 들면, 부가)된다. 따라서, 프로세스 548에서는, 위치조정가능한 아암들의 각각에 대해서 전체 가상 끝부분 힘을 발생시키기 위해서, 가상 끝부분 힘이 대응하는 위치조정가능한 아암이 당하는 대응하는 현재의 가상 충돌과 각각의 현재의 오버랩에 의해 조정된다. 몇몇 예에서는, 오버랩의 효과의 중첩이 피직스 엔진 및/또는 모션 컨트롤 모듈에 의해 선택적으로 수행될 수 있다.
프로세스 530 동안 감지된 오버랩들의 각각에 대해서 프로세스 542 내지 548이 반복된다.
프로세스 550에서는, 피드백 힘이 작용된다. 프로세스 548 동안 발생된 전체 가상 끝부분 힘이 위치조정가능한 아암들의 각각에 대해 피드백 힘으로 작용된다. 몇몇 예에서는, 위치조정가능한 아암들의 각각에 대한 전체 가상 끝부분 힘이, 대응하는 위치조정가능한 아암에 대해서, 모션 컨트롤 모듈(예를 들면, 모션 컨트롤 모듈(156))을 포함하는 모션 컨트롤 애플리케이션과 같은, 모션 컨트롤 애플리케이션으로 제공된다. 상기 모션 컨트롤 애플리케이션은 대응하는 위치조정가능한 아암이 대응하는 위치조정가능한 아암에 대해서 감지된 가상 충돌에 대항하도록 전체 가상 끝부분 힘을 대응하는 위치조정가능한 아암의 모션 컨트롤에 대한 피드백으로서 가한다. 이런 식으로, 모션 컨트롤 모듈은 대응하는 위치조정가능한 아암이 실제 충돌에 보다 가깝게 원격 조종되는 것을 방지하는데 도움을 주지만, 대응하는 위치조정가능한 아암을 임박한 충돌로부터 이동시키는 운동을 방해하지 않는 저항 효과(resisting effect)를 작용시킬 수 있다. 몇몇 예에서는, 대응하는 가상 끝부분 힘의 피드백이 대응하는 위치조정가능한 아암에 대한 원격 조종 명령에 의해 지시된 운동에 부가된다.
프로세스 560에서는, 촉각 피드백 힘이 가해진다. 프로세스 548 동안 발생된 전체 끝부분 힘이 대응하는 위치조정가능한 아암을 원격 조종하는데 사용된 대응하는 입력 제어장치, 예를 들면, 입력 제어장치(195)에 대해 촉각 피드백으로 가해진다. 몇몇 예에서는, 전체 끝부분 힘의 각각이 대응하는 위치조정가능한 아암을 조작하기 위해서 사용된 힘과 대응하는 입력 제어장치를 조작하기 위해서 사용된 힘의 상대적인 차이를 반영하기 위해서 조정된다. 몇몇 예에서는, 대응하는 입력 제어장치에 대한 자코비안 전치행렬의 역행렬이 촉각 피드백을 대응하는 입력 제어장치에 작용시키기 위해서 전체 끝부분 힘을 입력 제어장치의 위치조정가능한 아암에서의 각각의 조인트 토크에 매핑하기 위해서 사용된다. 몇몇 실시례에서는, 대응하는 위치조정가능한 아암의 실제 위치와 대응하는 위치조정가능한 아암의 지정된 위치(commanded position) 사이의 차이가 대응하는 입력 제어장치에 대한 촉각 피드백을 결정하기 위해서 선택적으로 사용된다. 몇몇 실시례에서는, 프로세스 550 동안 가해진 피드백 힘에 의해 조정된 대응하는 위치조정가능한 아암에 대한 현재의 명령과 대응하는 입력 제어장치로부터의 대응하는 위치조정가능한 아암의 지정된 위치 사이의 차이가 대응하는 입력 제어장치에 대한 촉각 피드백을 결정하기 위해서 선택적으로 사용된다.
프로세스 510 내지 560은, 예를 들면, 위치조정가능한 아암을 가지는 장치에 대한 제어 루프 동안, 가상 충돌을 나타내는 가상 경계들 사이의 오버랩의 연속적인 모니터링을 제공하고 위치조정가능한 아암에 대한 피드백과 입력 제어장치에 대한 촉각 피드백을 제공하기 위해서 적절한 간격으로 반복된다.
상기한 바와 같이 그리고 여기에 더욱 강조되어 있는 것과 같이, 도 5는 청구범위를 과도하게 제한해서는 안되는 단지 하나의 예이다. 당업자는 다양한 변형, 다양한 대체 실시례, 그리고 다양한 수정사항을 인식할 수 있을 것이다. 몇몇 실시례에서는, 프로세스 530 동안 오버랩이 감지되지 않을 경우 , 프로세스 540 내지 560을 건너뛰고 피드백 힘 및/또는 촉각 피드백 힘이 가해지지 않는다. 몇몇 실시례에서는, 각각의 오버랩의 효과가 여러 가지 방법으로 선택적으로 중첩될 수 있다. 몇몇 예에서는, 프로세스 530 동안 감지된 대응하는 가상 충돌과 오버랩으로 인한 위치조정가능한 아암의 조인트들의 각각에 대한 전체 가상 토크를 결정하기 위해 프로세스 544 동안 결정된 가상 토크가 개개의 조인트별로 중첩될 수 있다. 상기 전체 가상 토크는 모션 컨트롤 애플리케이션으로 제공되고, 이 모션 컨트롤 애플리케이션에서 상기 전체 가상 토크가 입력 제어장치로부터의 원격 조종 명령과 같은, 다른 제어 입력으로 인해 조인트 토크에 중첩된다.
몇몇 실시례에서는, 위치조정가능한 아암에서의 여유 자유도(redundant degrees of freedom)로 인한 효과가 피드백 및/또는 촉각 피드백 힘을 가하는 경우의 이유가 선택적으로 될 수 있다. 운동에 있어서 여유 자유도를 가진 위치조정가능한 아암은 위치조정가능한 아암의 끝부분의 자세에 영향을 미치지 않는 위치조정가능한 요소 및/또는 조인트 운동을 포함할 수 있기 때문에, 위치조정가능한 아암의 운동은 직교하는 2 세트의 운동: 즉, 위치조정가능한 아암의 끝부분의 자세의 변화를 초래하는 운동과 위치조정가능한 아암의 끝부분의 자세의 변화를 초래하지 않는 운동으로 나누어질 수 있고 종종 영공간 운동이라고 지칭된다. 이를 처리하기 위해서, 영공간 운동인 위치조정가능한 아암의 조인트 및/또는 위치조정가능한 요소에 가해지는 피드백 힘은 위치조정가능한 아암의 끝부분의 운동을 초래하지 않고 따라서 촉각 피드백 운동을 발생시키지 않기 때문에 선택적으로 생략될 수 있다.
몇몇 실시례에서는, 방법 500의 피드백 효과를 서서히 단계적으로 도입하는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 예에서는, 방법 500이 사용되지 않는 모드로부터 방법 500이 사용되는 모드로의 컴퓨터 지원 의료 기기의 작동 모드의 전환이 엔드 이펙터 및/또는 위치조정가능한 아암 운동의 바람직하지 않은 위험을 초래할 수 있다. 몇몇 예에서, 모드 사이의 전환이 발생할 때 두 개의 위치조정가능한 아암 사이에 이미 존재하는 오버랩이 있는 경우, 프로세스 550 동안의 피드백 힘 및/또는 프로세스 560 동안의 촉각 피드백 힘이 미리 작용되어 있지 않았을 때 상기 프로세스 550 동안의 피드백 힘 및/또는 프로세스 560 동안의 촉각 피드백 힘이 급속하게 작용하면, 이것은 엔드 이펙터 및/또는 위치조정가능한 아암의 예기치 않은 및/또는 바람직하지 않은 운동을 초래할 수 있다. 몇몇 예에서는, 방법 500이 수행되는 모드로의 처음의 전환이 수행될 때 상기 피드백 힘 및 촉각 피드백 힘을 단계적으로 도입하는 것에 의해서 이것을 선택적으로 대처할 수 있다. 몇몇 예에서는, 램프(ramp), 일련의 단계, 및/또는 이와 유사한 것을 이용하여 피드백 힘 및/또는 촉각 피드백 힘이 선택적으로 단계적으로 도입될 수 있다. 몇몇 예에서는, 피드백 힘 및/또는 촉각 힘이 미리 정해진 기간, 예를 들면, 대략 1초에 걸쳐서 선택적으로 단계적으로 도입될 수 있다.
컨트롤 유닛(130)과 같은, 컨트롤 유닛의 몇 가지 예는 하나 이상의 프로세서(예를 들면, 프로세서(142))에 의해 작동될 때 상기 하나 이상의 프로세서로 하여 방법 400 및/또는 방법 500의 프로세스들을 수행하게 할 수 있는 실행 코드를 포함하는 비일시적인 유형의 기계 판독가능 매체(non-transitory, tangible, machine readable media)를 포함할 수 있다. 방법 400 및/또는 방법 500의 프로세스들을 포함할 수 있는 몇 가지 일반적인 형태의 기계 판독가능 매체는, 예를 들면, 플로피 디스크, 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 임의의 다른 자기 매체, CD-ROM, 임의의 다른 광학 매체, 펀치 카드, 종이 테이프, 복수의 구멍의 복수의 패턴을 가진 임의의 다른 물리적 매체, RAM, PROM, EPROM, FLASH-EPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 및/또는 프로세서 또는 컴퓨터가 판독할 수 있게 되어 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다.
비록 예시적인 실시례들이 도시되어 있고 설명되어 있지만, 상기 개시 내용에서 다양한 수정, 변경 및 대체가 고려되고, 몇몇 예에서, 상기 실시례들의 몇 가지 특징은 다른 특징의 상응하는 사용없이 이용될 수 있다. 당업자는 다양한 변형, 다양한 대체 실시례, 그리고 다양한 수정사항을 인식할 수 있을 것이다. 예를 들면, 위치조정가능한 아암, 엔드 이펙터, 또는 아암과 엔드 이펙터 조립체 이외의 다른 대상물 둘레에 하나 이상의 다른 가상 경계를 결정하기 위해서 유사한 기술이 적용될 수 있다. 상기 다른 대상물은 상기 장치(110)의 다른 부분, 오퍼레이터 워크스테이션(170)의 일부분, 수술대, 카트, 가구, 벽, 사람 등과 같은 다른 장비를 포함할 수 있다. 상기의 다른 가상 경계를 가진 위치조정가능한 아암, 엔드 이펙터, 또는 아암과 엔드 이펙터 조립체에 의해 가상 충돌을 감지하고 가상 충돌에 대응하기 위해서 사용된 프로세스는 본 명세서에 기술되어 있는 것과 같이 상기와 같이 가상으로 충돌하는 아암, 엔드 이펙터, 또는 아암과 엔드 이펙터 조립체에 대해서 동일하게 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 범위는 아래의 청구항들에 의해서만 제한되어야 하고, 청구항은 넓게 그리고 본 명세서에 개시된 실시례의 범위와 부합하게 해석되는 것이 적절하다.

Claims (42)

  1. 컴퓨터 지원 의료 기기로서,
    복수의 제1 조인트, 복수의 제1 링크, 그리고 제1 기구를 지지하도록 구성된 제1 원위 단부를 가진 제1 위치조정가능한 아암;
    복수의 제2 조인트, 복수의 제2 링크, 그리고 제2 기구를 지지하도록 구성된 제2 원위 단부를 가진 제2 위치조정가능한 아암;
    제1 기구에 운동 명령을 제공하도록 구성된 제1 입력 제어장치;
    하나 이상의 프로세서를 포함하고 있으며, 제1 위치조정가능한 아암, 제2 위치조정가능한 아암 및 제1 입력 제어장치에 결합된 컨트롤 유닛;
    을 포함하고,
    상기 컨트롤 유닛이,
    복수의 제1 조인트의 제1 조인트 위치와 복수의 제2 조인트의 제2 위치를 결정하고;
    제1 위치조정가능한 아암 둘레의 복수의 제1 가상 경계를 결정하기 위해서 제1 위치조정가능한 아암의 제1 가상 모델과 제1 위치를 이용하고;
    제2 위치조정가능한 아암 둘레의 복수의 제2 가상 경계를 결정하기 위해서 제2 위치조정가능한 아암의 제2 가상 모델과 제2 위치를 이용하고;
    복수의 제1 가상 경계 중의 제1 가상 경계와 복수의 제2 가상 경계 중의 제1 가상 경계 사이의 제1 오버랩을 결정하고;
    제1 오버랩으로 인해 제1 위치조정가능한 아암에 작용하는 제1 오버랩 힘을 결정하고;
    제1 오버랩 힘을 복수의 제1 조인트 중의 다수의 제1 조인트에 작용하는 제1 가상 토크에 매핑시키고;
    제1 가상 토크에 기초하여 제1 기구의 원위 단부에 작용하는 제1 끝부분 힘을 결정하고; 그리고
    제1 끝부분 힘을 제1 기구와 제1 위치조정가능한 아암에 대한 제1 피드백 힘으로서 작용시키는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛이
    제1 오버랩으로 인해 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암에 작용하는 제1 오버랩 힘을 결정함으로써
    제1 오버랩으로 인해 제1 위치조정가능한 아암에 작용하는 제1 오버랩 힘을 결정하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다수의 제1 조인트가 복수의 제1 조인트 중에서 제1 오버랩에 인접한 제1 조인트로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛이
    제1 끝부분 힘을 이용함으로써 제1 촉각 피드백 힘을 제1 입력 제어장치에 작용시키는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛이
    제1 끝부분 힘을 조정함으로써 제1 촉각 피드백 힘을 제1 입력 제어장치에 작용시키는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛이
    제1 피드백 힘을 제1 기구에 작용시키는 것으로 인한 제1 기구의 제1 지정된 위치와 제1 입력 제어장치로부터 결정된 제1 기구의 제2 지정된 위치 사이의 차이에 기초하여 제1 촉각 피드백 힘을 제1 입력 제어장치에 작용시키는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛이
    복수의 제1 가상 경계 중의 제2 가상 경계와 복수의 제2 가상 경계 중의 제2 가상 경계 사이의 제2 오버랩을 결정하고;
    제2 오버랩으로 인해 제1 위치조정가능한 아암에 작용하는 제2 오버랩 힘을 결정하고;
    제2 오버랩 힘을 제2 오버랩의 제2 오버랩 위치에 인접해 있는 복수의 제1 조인트 중의 제1 조인트에 작용하는 제2 가상 토크에 매핑시키고;
    중첩된 제1 가상 토크와 제2 가상 토크를 만들어내기 위해서 제1 가상 토크와 제2 가상 토크를 중첩시키고; 그리고
    중첩된 제1 가상 토크와 제2 가상 토크를 이용함으로써 제1 가상 토크에 기초하여 제1 기구의 원위 단부에 작용하는 제1 끝부분 힘을 결정하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 가상 모델이 제1 위치조정가능한 아암의 물리적인 기하구조(physical geometry)에 가까운 복수의 볼록 껍질을 포함하고; 그리고
    복수의 제1 가상 경계의 각각의 경계가 각각의 거리만큼 크기가 확대된 상기 볼록 껍질의 각각에 대응하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  9. 제8항에 있어서, 복수의 제1 가상 경계의 각각의 경계의 각각의 거리가 제1 위치조정가능한 아암의 기구학적 보정에 기초하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  10. 제8항에 있어서, 복수의 제1 가상 경계의 각각의 경계의 각각의 거리가 6 mm 이상이고 12 mm 이하인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  11. 제8항에 있어서, 복수의 제1 가상 경계의 각각의 경계의 각각의 거리가 영인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  12. 제8항에 있어서, 복수의 제1 가상 경계의 각각의 경계의 각각의 거리가 음의 값인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  13. 제8항에 있어서, 상기 각각의 거리가 복수의 제1 가상 경계 중에서 제1 위치조정가능한 아암의 기계적인 기초부에 보다 인접하여 배치된 경계에 대해 더 짧은 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  14. 제1항에 있어서, 제1 오버랩 힘이 제1 위치조정가능한 아암의 자코비안 전치행렬을 이용하여 제1 가상 토크에 매핑되고, 상기 자코비안 전치행렬이 복수의 제1 조인트 중에서 제1 오버랩의 제1 오버랩 위치에 인접한 제1 조인트에 대한 제1 오버랩의 제1 오버랩 위치 사이에서 작용하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  15. 제1항에 있어서, 제1 끝부분 힘이 제1 위치조정가능한 아암의 자코비안 전치행렬의 역행렬을 이용하여 결정되고, 상기 자코비안 전치행렬이 제1 기구의 원위 단부와 복수의 제1 조인트 사이에서 작용하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제1 위치가 제1 위치조정가능한 아암에 결합된 하나 이상의 센서를 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  17. 제1항에 있어서, 복수의 제1 가상 경계가 제1 기구가 환자 속으로 삽입되는 신체 개구부에 인접한 제1 기구와 제1 위치조정가능한 아암의 일부분에만 적용되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 신체 개구부가 제1 위치조정가능한 아암과 제1 기구의 원격 운동 중심과 일치하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  19. 제1항에 있어서, 제1 오버랩 힘이 가상 스프링 모델을 이용하는 것에 의해 제1 오버랩으로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  20. 제1항에 있어서, 제1 오버랩 힘이 변형가능한 물질 모델을 이용하는 것에 의해 제1 오버랩으로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  21. 제1항에 있어서, 제1 오버랩이 복수의 제1 가상 경계 중의 제1 가상 경계와 복수의 제2 가상 경계 중의 제1 가상 경계 사이의 최대 오버랩과 일치하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  22. 제21항에 있어서, 제1 오버랩 힘의 방향이 상기 최대 오버랩의 방향과 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  23. 제1항에 있어서, 제1 오버랩 힘의 방향이 제1 오버랩의 제1 오버랩 위치에서 복수의 제1 가상 경계 중의 제1 가상 경계의 표면에 수직인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  24. 제1항에 있어서, 제1 오버랩 힘의 크기가 제1 오버랩의 최대 오버랩, 제1 오버랩의 표면적, 또는 제1 오버랩의 부피에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  25. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛이 제1 오버랩에서 표면 상호작용 힘을 결정하고, 상기 표면 상호작용 힘은 제1 오버랩 힘에 수직인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  26. 제25항에 있어서, 상기 표면 상호작용 힘의 크기가 제1 오버랩 힘의 크기에 비례하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  27. 제1항에 있어서, 제1 피드백 힘이 제1 입력 제어장치로부터 수신된 운동 명령의 결과로서 제1 기구에 가해진 힘에 중첩되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  28. 제1항에 있어서, 복수의 제1 가상 경계 중의 어떠한 경계도 복수의 제2 가상 경계의 어떠한 경계와 오버랩되지 않는 경우에 제1 피드백 힘이 영인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  29. 제1항에 있어서, 제1 피드백 힘이 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암 사이의 충돌을 일으키기 쉬운 제1 위치조정가능한 아암의 운동을 저지하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  30. 제1항에 있어서, 제1 피드백 힘이 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암 사이의 임박한 충돌로부터 멀어지는 제1 위치조정가능한 아암의 운동을 방해하지 않는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 의료 기기.
  31. 충돌 회피 방법으로서,
    컨트롤 유닛에 의해, 제1 위치조정가능한 아암의 복수의 제1 조인트의 제1 위치를 결정하는 것을 포함하고, 제1 기구가 제1 위치조정가능한 아암의 원위 단부에 장착되어 있고;
    상기 컨트롤 유닛에 의해, 제2 위치조정가능한 아암의 복수의 제2 조인트의 제2 위치를 결정하는 것을 포함하고, 제2 기구가 제2 위치조정가능한 아암의 원위 단부에 장착되어 있고;
    상기 컨트롤 유닛에 의해, 상기 제1 위치와 제1 위치조정가능한 아암의 제1 가상 모델을 이용하여 제1 위치조정가능한 아암의 둘레에 복수의 제1 가상 경계의 위치를 결정하는 것을 포함하고;
    상기 컨트롤 유닛에 의해, 상기 제2 위치와 제2 위치조정가능한 아암의 제2 가상 모델을 이용하여 제2 위치조정가능한 아암의 둘레에 복수의 제2 가상 경계의 위치를 결정하는 것을 포함하고;
    상기 컨트롤 유닛에 의해, 복수의 제1 가상 경계 중의 제1 가상 경계와 복수의 제2 가상 경계 중의 제1 가상 경계 사이의 제1 오버랩을 결정하는 것을 포함하고;
    상기 컨트롤 유닛에 의해, 제1 오버랩으로 인해 제1 위치조정가능한 아암과 제2 위치조정가능한 아암에 작용하는 제1 오버랩 힘을 결정하는 것을 포함하고;
    상기 컨트롤 유닛에 의해, 제1 오버랩 힘을 복수의 제1 조인트 중에서 제1 오버랩의 제1 오버랩 위치에 인접한 제1 조인트에 작용하는 제1 가상 토크에 매핑시키는 것을 포함하고;
    상기 컨트롤 유닛에 의해, 제1 가상 토크에 기초하여 제1 기구의 원위 단부에 작용하는 제1 끝부분 힘을 결정하는 것을 포함하고;
    제1 끝부분 힘을 제1 기구와 제1 위치조정가능한 아암에 대한 제1 피드백 힘으로서 작용시키는 것을 포함하고; 그리고
    제1 끝부분 힘을 제1 기구에 운동 명령을 제공하도록 구성된 제1 입력 제어장치에 제1 촉각 피드백 힘으로서 작용시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 충돌 회피 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 컨트롤 유닛에 의해, 복수의 제1 가상 경계 중의 제2 가상 경계와 복수의 제2 가상 경계 중의 제2 가상 경계 사이의 제2 오버랩을 결정하는 것;
    상기 컨트롤 유닛에 의해, 제2 오버랩으로 인해 제1 위치조정가능한 아암에 작용하는 제2 오버랩 힘을 결정하는 것;
    상기 컨트롤 유닛에 의해, 제2 오버랩 힘을 복수의 제1 조인트 중에서 제2 오버랩의 제2 오버랩 위치에 인접한 제1 조인트에 작용하는 제2 가상 토크에 매핑시키는 것; 그리고
    상기 컨트롤 유닛에 의해, 제1 가상 토크와 제2 가상 토크를 중첩된 제1 가상 토크와 제2 가상 토크로 중첩시키는 것;
    을 더 포함하고,
    상기 컨트롤 유닛에 의해, 제1 가상 토크에 기초하여 제1 기구의 원위 단부에 작용하는 제1 끝부분 힘을 결정하는 것이 중첩된 제1 가상 토크와 제2 가상 토크를 이용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 충돌 회피 방법.
  33. 제31항에 있어서,
    제1 가상 모델이 제1 위치조정가능한 아암의 물리적인 기하구조에 가까운 복수의 볼록 껍질을 포함하고; 그리고
    제1 가상 경계의 각각의 경계가 각각의 거리만큼 크기가 확대된 상기 볼록 껍질의 각각에 대응하는 것을 특징으로 하는 충돌 회피 방법.
  34. 제31항에 있어서, 제1 오버랩 힘을 제1 가상 토크에 매핑시키는 것이 제1 위치조정가능한 아암의 자코비안 전치행렬을 이용하는 것을 포함하고, 상기 자코비안 전치행렬이 복수의 제1 조인트 중에서 제1 오버랩 위치에 인접해 있는 제1 조인트에 대한 제1 오버랩 위치 사이에서 작용하는 것을 특징으로 하는 충돌 회피 방법.
  35. 제31항에 있어서, 제1 끝부분 힘을 결정하는 것이 제1 위치조정가능한 아암의 자코비안 전치행렬의 역행렬을 이용하는 것을 포함하고, 상기 자코비안 전치행렬이 제1 기구의 원위 단부와 복수의 제1 조인트 사이에서 작용하는 것을 특징으로 하는 충돌 회피 방법.
  36. 제31항에 있어서, 제1 피드백 힘을 제1 기구에 작용시키는 것으로 인한 제1 기구의 제1 지정된 위치와 제1 입력 제어장치로부터 결정된 제1 기구의 제2 지정된 위치 사이의 차이에 기초하여 제1 촉각 피드백 힘을 결정하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충돌 회피 방법.
  37. 컴퓨터 지원 조종 장치로서,
    복수의 조인트, 복수의 링크, 그리고 기구를 지지하도록 구성된 원위 단부를 가진 위치조정가능한 아암;
    상기 기구에 운동 명령을 제공하도록 구성된 입력 제어장치;
    하나 이상의 프로세서를 포함하고 있으며, 상기 위치조정가능한 아암 및 상기 입력 제어장치에 결합된 컨트롤 유닛;
    을 포함하고,
    상기 컨트롤 유닛이,
    상기 복수의 조인트의 조인트 위치를 결정하고;
    상기 위치조정가능한 아암 또는 상기 기구 둘레의 복수의 가상 경계를 결정하기 위해서 상기 위치조정가능한 아암의 가상 모델과 상기 조인 트 위치를 이용하고;
    객체 둘레에 객체 가상 경계를 결정하고;
    상기 객체 가상 경계와 상기 복수의 가상 경계 중의 하나의 가상 경계 사이의 오버랩을 결정하고;
    상기 오버랩으로 인해 상기 위치조정가능한 아암에 작용하는 오버랩 힘을 결정하고;
    상기 오버랩 힘을 상기 복수의 조인트 중의 하나의 조인트에 작용하는 가상 토크에 매핑시키고;
    상기 가상 토크를 이용하여 상기 기구의 원위 단부에 작용하는 끝부분 힘을 결정하고; 그리고
    상기 끝부분 힘을 상기 기구와 상기 위치조정가능한 아암에 대한 피드 백 힘으로서 작용시키도록
    구성되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 조종 장치.
  38. 제37항에 있어서, 상기 객체가 복수의 제2 조인트, 복수의 제2 링크, 그리고 제2 기구를 지지하도록 구성된 제2 원위 단부를 가진 제2 위치조정가능한 아암을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 조종 장치.
  39. 제37항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛이
    상기 오버랩 힘을 상기 복수의 조인트 중의 다수의 조인트에 작용하는 복수의 가상 토크에 매핑시키는 것에 의해서,
    상기 오버랩 힘을 상기 복수의 조인트 중의 하나의 조인트에 작용하는 가상 토크에 매핑시키도록 구성되어 있고, 상기 복수의 가상 토크가 상기 가상 토크를 포함하고 상기 다수의 조인트가 상기 조인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 조종 장치.
  40. 제39항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛이
    상기 복수의 가상 토크를 이용하여 상기 기구의 원위 단부에 작용하는 끝부분 힘을 결정하는 것에 의해서,
    상기 가상 토크를 이용하여 상기 기구의 원위 단부에 작용하는 끝부분 힘을 결정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 조종 장치.
  41. 제39항에 있어서, 상기 다수의 조인트가 상기 복수의 조인트 중에서 상기 오버랩에 인접한 조인트들로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 조종 장치.
  42. 제37항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛이 상기 끝부분 힘을 이용하는 것에 의해서 촉각 피드백 힘을 상기 입력 제어장치에 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 지원 조종 장치.
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