KR20210024229A - 로봇 조작기 또는 연관 도구를 제어하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

로봇 조작기 또는 연관 도구를 제어하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20210024229A
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Abstract

시스템은 의료 도구의 모션의 제어를 위한 로봇 조작기를 포함한다. 로봇 조작기는 조인트 및 조인트에 연결된 링크를 포함한다. 링크는 의료 도구에 연결되도록 구성된다. 시스템의 처리 유닛은 조인트의 인코더로부터 제1 데이터를 수신하도록 구성된다. 의료 도구의 원위 단부에 결합된 도구 팁의 제1 파라미터의 제1 도구 팁 추정치가 제1 데이터를 사용하여 발생된다. 도구 팁의 제1 파라미터는 도구 팁의 위치 또는 속도이다. 제2 데이터는 링크 또는 의료 도구의 센서부에 위치된 센서 시스템으로부터 수신된다. 조인트는 제1 및 제2 데이터를 사용하여 발생된 제1 도구 팁 추정치와 제2 도구 팁 추정치 사이의 제1 차이에 기초하여 제어된다.

Description

로봇 조작기 또는 연관 도구를 제어하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING A ROBOTIC MANIPULATOR OR ASSOCIATED TOOL}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있는 2017년 11월 10일 출원된 미국 가출원 제62/584,377호의 이익을 주장한다.
기술분야
본 개시내용은 로봇 시술(robotic procedure)을 수행하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로 로봇 조작기(manipulator) 또는 로봇 조작기와 연관된 도구를 제어하기 위한 시스템 및 방법을 더 구체적으로 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
로봇 조작기 조립체는 작업 공간에서 도구의 모션을 제어하기 위해 동작될 수 있다. 예를 들어, 이러한 로봇 조작기는 비의료 및 의료 시술을 수행하는 데 사용될 수 있다. 특정 예로서, 원격 조작 수술 조작기는 최소 침습성 의료 시술을 수행하는 데 사용될 수 있다.
의료 기술에서, 의료 시술 중에 손상되는 조직의 양을 감소시켜서, 이에 의해 환자 회복 시간, 불편함, 및 유해한 부작용을 감소시키도록 의도되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 최소 침습성 기술은 환자의 해부학 구조 내의 자연 구멍을 통해 또는 하나 이상의 절개부를 통해 수행될 수도 있다. 이들 자연 구멍 또는 절개부를 통해, 의사는 목표 조직 장소에 도달하기 위해 의료 도구를 삽입할 수도 있다. 최소 침습성 의료 도구는 치료 도구, 진단 도구 및 수술 도구와 같은 도구를 포함한다. 최소 침습성 의료 도구는 환자의 해부학 구조 내에 사용자 시각화를 제공하는 내시경 도구와 같은 이미징 도구를 또한 포함할 수도 있다.
로봇 조작기는 원격 조작되거나 또는 컴퓨터 지원될 수도 있다. 예를 들어, 도구는 시술을 수행하기 위해 로봇 조작기 조립체에 의해 보유될 수도 있다. 그러나, 이러한 로봇 조작기 조립체 및 도구의 유연도(flexibility)는 바람직하지 않게 긴 정착 시간(settling time)을 갖는 저감쇠 진동(under-damped vibrations)을 유발할 수도 있다. 유연도(컴플라이언스)는 물리적 컴플라이언스, 기계적 컴플라이언스, 구조적 컴플라이언스 및 하중 하에서 편향하는 능력을 측정하는 데 사용될 수도 있다. 로봇 조작기 조립체(그 베이스, 조인트 및 링크를 포함함)가 비교적 큰 유연도를 갖고 그리고/또는 비교적 큰 링크 질량 또는 관성을 갖는 예에서, 로봇 조작기 조립체에 의해 명령된 모션 또는 외부 교란이 이러한 진동을 유발할 수도 있다. 이와 같이, 컴플라이언스(예를 들어, 물리적, 기계적 및 구조적 컴플라이언스), 감쇠(예를 들어, 점성 감쇠를 포함한 물리적 감쇠, 여기서 점성 감쇠 요소(예를 들어, 윤활제 마찰)가 모션의 속도에 비례하는 힘으로 모션에 저항함), 및 질량/관성을 포함하는 물리적 파라미터의 조합이 원하는 것 미만의 감쇠를 갖는 낮은 기계적 공진을 야기한다. 시술 중에, 명령된 모션 또는 외부 교란은 이들 낮은 기계적 공진을 여기하여 바람직하지 않은 진동을 유발할 수도 있다. 시술을 수행하는 동안, 도구 팁 또는 로봇 조작기 상의 다른 제어 지점에서 경험되는 이러한 진동은 열악한 시스템 성능을 야기할 수도 있다. 예를 들어, 이러한 진동은 컴퓨터 지원 시스템이 도구에 대한 명령된 궤적을 달성하거나 추종하는 것을 어렵게 할 수도 있다.
이러한 진동은 의료용 로봇 시스템을 포함하여, 모든 유형의 로봇 시스템에서의 제어에 악영향을 미칠 수도 있다. 의료용 로봇 예에서, 이러한 진동은 의료용 로봇 시스템이 조직의 명령된 조작, 이미징 시스템의 이동, 바늘의 삽입, 봉합사의 적용 등을 수행하는 것을 어렵게 할 수도 있다. 다른 예에서, 몇몇 구현예에서, 도구는 시술의 일부 또는 전체 중에 원격 모션 중심("원격 중심"이라고도 칭함) 주위로 이동된다. 몇몇 경우에, 진동은 수술 또는 다른 의료 시술 중에 원격 모션 중심이 이동하게 하고, 진입 포트에서 체벽에 바람직하지 않은 힘을 부여할 수도 있다. 진동은, 도구(또는 도구를 보유한 조작기)의 실제 자세 또는 모션이, 명령된 자세 또는 모션으로부터, 원격 중심이 그 규정된 위치로부터 미리 결정된 공차를 넘어 이동되는 것처럼 도구(또는 조작기)가 작용하는 이러한 정도까지 이탈하게 할 수도 있다. 즉, 조작기 및/또는 도구의 모션과 연관된 가상 지지점(fulcrum)의 장소의 범위는 규정된 원격 모션 중심으로부터 공차량을 초과하도록 진동에 의해 유발된다.
따라서, 바람직하지 않은 진동을 완화함으로써 로봇 시스템의 조작기, 로봇 시스템에 의해 보유된 도구의 팁, 및 도구의 원격 모션 중심에 대한 조작기 또는 조작기에 의해 지지된 도구의 모션의 더 양호한 제어와 같은, 로봇 시스템의 더 양호한 제어를 제공하기 위한 시스템 및 방법이 요구된다.
본 발명의 실시예들은 이하에 이어지는 청구범위에 의해 요약된다.
하나의 예시적인 실시예에서, 시스템은 의료 도구의 모션의 제어를 위해 구성된 로봇 조작기를 포함하고, 로봇 조작기는 조인트 및 조인트에 연결된 링크를 포함한다. 링크는 의료 도구에 연결되도록 구성된다. 시스템은 하나 이상의 프로세서를 포함하는 처리 유닛을 더 포함한다. 처리 유닛은 조인트의 인코더로부터 제1 데이터를 수신하고, 제1 데이터를 사용하여 의료 도구의 원위 단부에 결합된 도구 팁의 제1 파라미터의 제1 도구 팁 추정치를 발생하도록 구성되고, 도구 팁의 제1 파라미터는 도구 팁의 위치 또는 속도이다. 처리 유닛은 또한 링크의 센서부 또는 의료 도구에 위치된 센서 시스템으로부터 제2 데이터를 수신하고; 제1 및 제2 데이터를 사용하여 도구 팁의 제1 파라미터의 제2 도구 팁 추정치를 발생하고; 제1 및 제2 도구 팁 추정치 사이의 제1 차이에 기초하여 조인트를 제어하도록 구성된다.
다른 예시적인 실시예에서, 방법은 로봇 조작기의 조인트의 인코더로부터 제1 데이터를 수신하는 단계를 포함한다. 로봇 조작기는 조인트에 연결된 링크이다. 의료 도구가 링크에 연결되어 있다. 의료 도구의 원위 단부에 결합된 도구 팁의 제1 파라미터의 제1 도구 팁 추정치가 제1 데이터를 사용하여 발생된다. 도구 팁의 제1 파라미터는 도구 팁의 위치 또는 속도이다. 링크의 센서부 또는 의료 도구에 위치된 센서 시스템으로부터 제2 데이터가 수신된다. 도구 팁의 제1 파라미터의 제2 도구 팁 추정치가 제1 및 제2 데이터를 사용하여 발생된다. 조인트는 제1 및 제2 도구 팁 추정치 사이의 제1 차이에 기초하여 제어된다.
다른 예시적인 실시예에서, 비일시적 기계 판독 가능 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 하나 이상의 프로세서가 방법을 수행하게 하도록 구성되는 복수의 기계 판독 가능 명령을 포함한다. 방법은 로봇 조작기의 조인트의 인코더로부터 제1 데이터를 수신하는 단계를 포함한다. 로봇 조작기는 조인트에 연결된 링크이다. 의료 도구가 링크에 연결되어 있다. 의료 도구의 원위 단부에 결합된 도구 팁의 제1 파라미터의 제1 도구 팁 추정치가 제1 데이터를 사용하여 발생된다. 도구 팁의 제1 파라미터는 도구 팁의 위치 또는 속도이다. 링크의 센서부 또는 의료 도구에 위치된 센서 시스템으로부터 제2 데이터가 수신된다. 도구 팁의 제1 파라미터의 제2 도구 팁 추정치가 제1 및 제2 데이터를 사용하여 발생된다. 조인트는 제1 및 제2 도구 팁 추정치 사이의 제1 차이에 기초하여 제어된다.
상기 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명의 모두는 본질적으로 예시적이고 설명적이며, 본 개시내용의 범주로부터 벗어나지 않고 본 개시내용의 이해를 제공하도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다. 이와 관련하여, 본 개시내용의 부가의 양태, 특징, 및 장점이 이하의 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
본 개시내용의 양태는 첨부 도면과 함께 숙독될 때 이하의 상세한 설명으로부터 가장 양호하게 이해된다. 관련 기술분야에서 표준 실시에 따르면, 다양한 특징부는 실제 스케일대로 도시되어 있지는 않는다는 것이 강조된다. 실제로, 다양한 특징부의 치수는 설명의 명료화를 위해 임의로 증가되거나 축소될 수도 있다. 게다가, 본 개시내용은 다양한 예에서 참조 번호 및/또는 문자를 반복할 수도 있다. 이 반복은 간단화 및 명료화를 위한 것이고, 설명된 다양한 실시예 및/또는 구성 사이의 관계를 자체로 지시하는 것은 아니다.
도 1a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 로봇 의료 시스템의 개략도이다.
도 1b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 조작기 조립체의 사시도이다.
도 1c는 본 개시내용의 실시예에 따른, 로봇 의료 시스템을 위한 조작자의 제어 콘솔의 사시도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 개시내용에 따른, 부하측 센서를 갖는 로봇 아암 조립체의 다양한 실시예를 도시하고 있다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 마스터/슬레이브 제어 시스템의 블록도를 도시하고 있다.
도 4a는 본 개시내용의 실시예에 따른 슬레이브 조인트 제어기의 블록도를 도시하고 있다.
도 4b는 본 개시내용의 실시예에 따른 슬레이브 조인트 제어기의 블록도를 도시하고 있다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 조작기 및 연관 도구를 제어하기 위한 방법을 제공하는 흐름도이다.
본 개시내용의 원리의 이해를 촉진하기 위해, 이제 도면에 도시되어 있는 실시예를 참조할 것이며, 특정 언어가 이를 설명하기 위해 사용될 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 개시내용의 범주의 어떠한 제한도 의도되지 않는다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 양태의 이하의 상세한 설명에서, 개시된 실시예의 철저한 이해를 제공하기 위해 수많은 특정 상세가 설명된다. 그러나, 본 개시내용의 실시예는 이들 특정 상세 없이 실시될 수도 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 다른 경우에, 공지된 방법, 시술, 구성요소, 및 회로는 본 발명의 실시예의 양태를 불필요하게 불명료하게 하지 않기 위해 상세히 설명되지 않는다.
설명된 디바이스, 도구, 방법 및 본 개시내용의 원리의 임의의 추가 용례에 대한 임의의 변경 및 추가 수정이 본 개시내용이 관련된 기술분야의 통상의 기술자에게 일반적으로 발생할 수 있는 것으로 충분히 고려된다. 특히, 일 실시예와 관하여 설명된 특징, 구성요소 및/또는 단계는 본 개시내용의 다른 실시예에 관하여 설명된 특징, 구성요소 및/또는 단계와 조합될 수도 있다는 것이 충분히 고려된다. 게다가, 본 명세서에 제공된 치수는 특정 예를 위한 것이며, 상이한 크기, 치수 및/또는 비가 본 개시내용의 개념을 구현하기 위해 이용될 수도 있는 것으로 고려된다. 불필요한 설명 반복을 회피하기 위해, 하나의 예시적인 실시예에 따라 설명된 하나 이상의 구성요소 또는 동작은 다른 예시적인 실시예로부터 적용 가능한 것으로 사용되거나 또는 생략될 수 있다. 간략화를 위해, 이들 조합의 수많은 반복은 개별적으로 설명되지 않을 것이다. 간단화를 위해, 몇몇 경우에, 동일한 참조 번호가 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 도면 전체에 걸쳐 사용된다.
또한, 본 명세서에 설명된 예의 일부는 의료 시술 및 의료 도구를 참조하고 있지만, 개시된 기술은 또한 비의료 시술 및 비의료 도구에도 적용된다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 도구, 시스템, 및 방법은 산업 용도, 일반적인 로봇 용도, 및 비조직 작업편의 조작, 및/또는 미용 개선을 포함하는 비의료 목적으로 사용될 수도 있다. 다른 비수술 용례는 인간 또는 동물 해부학 구조로부터 제거된 조직 상의(인간 또는 동물 해부학 구조로 복귀하지 않고), 및 인간 또는 동물 시체 상의 사용을 포함한다.
이하의 실시예는 다양한 도구 및 도구의 일부를 3차원 공간 내에서의 그 상태의 견지에서 설명할 것이다. 본원에 사용될 때, 용어 "위치"는 3차원 공간(예를 들어, 직교 좌표 X, Y, Z축을 따른 것과 같이, 직교 X, Y, Z 좌표의 변화를 사용하여 설명될 수 있는 3개의 병진 이동 자유도) 내에서의 대상 또는 대상의 부분의 장소를 칭한다. 본원에 사용될 때, 용어 "배향"은 대상 또는 대상의 부분의 회전 배치(3개의 회전 자유도 - 예를 들어, 롤(roll), 피치(pitch), 및 요(yaw)를 사용하여 설명될 수 있음)를 칭한다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "자세"는 적어도 하나의 병진 이동 자유도 내에서의 대상 또는 대상의 부분의 위치, 및 적어도 하나의 회전 자유도 내에서의 그러한 대상 또는 대상의 부분의 배향을 칭한다. 3차원 공간 내의 비대칭 강체에 대해, 전체 자세는 6개의 총 자유도로 설명될 수 있다.
도면의 도 1a를 참조하면, 예시적인 로봇 시스템이 도시되어 있다. 구체적으로, 도 1a에서, 예를 들어 원격 조작되고 진단, 치료 또는 외과적 시술을 포함하는 의료 시술에 사용될 수도 있는 컴퓨터 지원 로봇 의료 시스템이 일반적으로 참조 번호 10으로 지시되어 있다. 설명되는 바와 같이, 본 개시내용의 원격 조작 시스템은 조작자의 원격 조작 제어 하에 있다. 몇몇 실시예에서, 로봇 시스템의 조작기 또는 다른 부분은 조작기(또는 다른 부분) 자체와의 수동 상호 작용을 통해 직접 제어될 수도 있다. 따라서, 본 출원에서 사용되는 바와 같은 "원격 조작 조작기"는 원격 조작을 통해서만 제어될 수 있는 조작기, 및 원격 조작을 통해 그리고 직접 수동 제어를 통해 제어될 수 있는 조작기를 포함한다. 또한, 몇몇 실시예에서, 비원격 조작 또는 원격 조작 의료 시스템은 시술 또는 하위 시술을 수행하도록 프로그램된 컴퓨터의 부분 제어 하에 있을 수도 있다. 또 다른 대안 실시예에서, 시술 또는 하위 시술을 수행하도록 프로그램된 컴퓨터의 완전한 제어 하에서, 완전 자동화 의료 시스템이 시술 또는 하위 시술을 수행하는 데 사용될 수도 있다.
도 1a에 도시되어 있는 바와 같이, 원격 조작 의료 시스템(10)은 일반적으로 환자(P)가 위치된 수술 테이블(O)에 또는 그 부근에 장착된 조작기 조립체(12)를 포함한다. 조작기 조립체(12)는, 카트를 포함하고 환자 옆에서 사용되도록 설계되었기 때문에, 본 예에서 환자측 카트라 칭할 수도 있다. 제1 의료 기구 시스템(14) 및 제2 의료 기구 시스템(15)이 조작기 조립체(12)에 동작 가능하게 결합된다. 본 개시내용 내에서, 제1 의료 기구 시스템(14)은 또한 의료 도구(14)라 칭할 수도 있고, 제2 의료 기구 시스템(15)은 또한 의료 도구(15)라 칭할 수도 있다. 또한, 본 개시내용의 나머지 내에서, 제2 의료 기구 시스템(15)은 종종 설명의 용이성을 위해 이미징 능력을 갖는 것으로 설명되고; 이들 경우에, 제2 의료 기구 시스템(15)은 또한 이미징 시스템(15)이라 칭할 수도 있다. 그러나, 의료 기구(14, 15) 중 어느 것도 비-이미징 능력 및/또는 이미징 능력을 갖지 않을 수도 있고, 의료 기구(14, 15) 중 어느 하나 또는 모두가 비-이미징 능력 및/또는 이미징 능력을 가질 수도 있는 것으로 고려된다. 이미징 시스템(15)은 광학 이미징 기술을 사용하는 내시경 이미징 시스템을 포함하거나, 또는 다른 기술(예를 들어, 초음파, 형광 투시 등)을 사용하는 다른 유형의 이미징 시스템을 포함할 수도 있다. 조작자 입력 시스템(16)은 외과 의사 또는 다른 유형의 의사(S)와 같은 조작자가 시술 부위의 이미지를 보거나 표현하게 하고 의료 도구(14) 및/또는 의료 도구(15)의 동작을 제어할 수 있게 한다.
원격 조작 의료 시스템(10)용 조작자 입력 시스템(16)은 조작자의 콘솔과 같이, 링크 장치로 베이스에 연결됨으로써 "기계적으로 접지"될 수도 있고, 또는 "기계적으로 비접지"되고 따라서 연결되지 않을 수도 있다. 도 1a에 도시되어 있는 바와 같이, 조작자 입력 시스템(16)은 일반적으로 외과적 시술 중에 수술 테이블(O)과 동일한 룸에 위치된 조작자 콘솔에 연결된다. 그러나, 조작자(S)는 환자(P)와는 다른 룸 또는 완전히 다른 건물에 위치될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 조작자 입력 시스템(16)은 일반적으로 의료 도구(14)를 제어하기 위한 하나 이상의 제어 디바이스(들)를 포함한다. (조작자 입력 시스템(16)은 본 명세서에서 또한 "마스터 조작기" 및 "마스터 입력 디바이스" 및 "입력 디바이스"라고도 칭한다.) 제어 디바이스(들)는 핸드 그립(hand grip), 조이스틱, 트랙볼, 데이터 글러브(data glove), 트리거 건(trigger-guns), 풋 페달(foot pedals), 수동 조작식 제어기, 음성 인식 디바이스, 터치스크린, 신체 모션 또는 위치 감지 센서 등과 같은, 임의의 수의 다양한 입력 디바이스 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제어 디바이스(들)는 조작자에게 텔레프레즌스(telepresence)를 제공하기 위해 로봇 조립체의 의료 도구와 동일한 자유도를 구비할 것인데, 즉, 조작자는 제어 디바이스(들)가 도구와 일체화되어 조작자가 시술 부위에 있는 것처럼 도구를 직접 제어하는 감각을 갖게 되는 지각을 갖는다. 다른 실시예에서, 제어 디바이스(들)는 연관 의료 도구보다 더 많거나 더 적은 자유도를 가질 수 있고 여전히 조작자에게 텔레프레즌스를 제공할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제어 디바이스(들)는, 6 자유도로 이동하고 의료 도구를 작동하기 위한(예를 들어, 조오 엔드 이펙터를 폐쇄하여 파지하고, 전극에 전위를 인가하고, 의료 처치를 전달하는 등을 위한) 작동 가능한 핸들을 또한 포함할 수도 있는 수동 입력 디바이스이다.
조작기 조립체(12)는 의료 도구(14)를 지지하고 조작하고, 반면 조작자(S)는 조작자의 콘솔을 통해 시술 부위를 관찰한다. 시술 부위의 이미지는, 의료 도구(15)를 배향하기 위해 조작기 조립체(12)에 의해 조작될 수 있는 모노스코픽(monoscopic) 또는 스테레오스코픽(stereoscopic) 내시경을 포함하는 이미징 시스템을 통한 것과 같이, 의료 도구(15)에 의해 얻어질 수 있다. 전자 카트는 조작자의 콘솔을 통해 조작자(S)에게 후속적으로 디스플레이하기 위해 시술 부위의 이미지를 처리하는 데 사용될 수 있다. 1회에 사용되는 의료 도구(14)의 수는 일반적으로 다른 인자들 중에서도 의료 진단 또는 치료(예를 들어, 수술) 시술 및 수술실 내의 공간 제약에 의존할 것이다. 조작기 조립체(12)는 하나 이상의 비서보 제어식 링크(예를 들어, 수동으로 제 위치에 위치되어 잠금될 수도 있는 하나 이상의 링크)의 운동학적 구조체 및 로봇 조작기를 포함할 수도 있다. 조작기 조립체(12)는 의료 도구(14) 상의 입력을 구동하는 복수의 모터를 포함한다. 이들 모터는 제어 시스템(예를 들어, 제어 시스템(20))으로부터의 명령에 응답하여 움직인다. 모터는 의료 도구(14)에 결합될 때 의료 기구를 자연적으로 또는 수술적으로 생성된 해부학적 구멍 내로 전진시킬 수도 있는 구동 시스템을 포함한다. 다른 전동식 구동 시스템이 3개의 선형 모션도(예를 들어, X, Y, Z 직교 좌표 축을 따른 선형 모션) 및 3개의 회전 모션도(예를 들어, X, Y, Z 직교 좌표 축 둘레에서의 회전)를 포함할 수도 있는 복수의 자유도로 의료 기구의 원위 단부를 이동시킬 수도 있다. 부가적으로, 모터는 생검 디바이스의 조오 등 내에 조직을 파지하기 위해 도구의 관절식 엔드 이펙터를 작동시키기 위해 사용될 수 있다. 의료 도구(14)는 메스, 무딘 블레이드, 바늘, 이미징 센서, 광 섬유, 전극 등과 같은 단일 작동 부재를 갖는 엔드 이펙터를 포함할 수도 있다. 다른 엔드 이펙터는 다수의 작동 부재를 포함할 수도 있고, 예는 겸자, 파지기, 가위, 클립 어플리케이터, 스테이플러, 쌍극 전기 소작 기구 등을 포함한다.
원격 조작 의료 시스템(10)은 제어 시스템(20)을 또한 포함한다. 제어 시스템(20)은 적어도 하나의 메모리(24) 및 적어도 하나의 프로세서(22), 및 통상적으로 의료 도구(14), 조작자 입력 시스템(16), 및 예를 들어 이미징 시스템, 오디오 시스템, 유체 전달 시스템, 디스플레이 시스템, 조명 시스템, 조향 제어 시스템, 관류 시스템 및/또는 흡인 시스템을 포함할 수도 있는 다른 보조 시스템(26) 사이의 제어를 실행하기 위한 복수의 프로세서를 포함한다. 제어 시스템(20)은 본 명세서에 개시된 양태에 따라 설명된 방법 중 일부 또는 전체를 구현하기 위한 프로그램된 명령(예를 들어, 명령을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체)를 또한 포함한다. 제어 시스템(20)은 도 1a의 단순화된 개략도에서 단일 블록으로서 도시되어 있지만, 시스템은 처리의 하나의 부분이 조작기 조립체(12) 상에서 또는 인접하여 선택적으로 수행되고 처리의 다른 부분이 조작자 입력 시스템(16)에서 수행되는 등의 2개 이상의 데이터 처리 회로를 포함할 수도 있다. 임의의 광범위한 중앙 집중형 또는 분산형 데이터 처리 아키텍처가 채용될 수도 있다. 유사하게, 프로그램된 명령은 다수의 개별 프로그램 또는 서브루틴으로서 구현될 수도 있거나, 또는 본 명세서에 설명되는 원격 조작 시스템의 다수의 다른 양태에 통합될 수도 있다. 일 실시예에서, 제어 시스템(20)은 블루투스, IrDA, HomeRF, IEEE 802.11, DECT, 및 와이어리스 텔레메트리(Wireless Telemetry)와 같은 무선 통신 프로토콜을 지원한다.
몇몇 실시예에서, 제어 시스템(20)은 의료 도구(14)로부터 또는 조작기 조립체(12)로부터 힘 및/또는 토크 피드백을 수신하는 하나 이상의 서보 제어기를 포함할 수도 있다. 피드백에 응답하여, 서보 제어기는 신호를 조작자 입력 시스템(16)에 전송한다. 서보 제어기(들)는 또한 신체의 개구를 통해 환자 신체 내의 내부 시술 부위 내로 연장되는 의료 도구(들)(14 및/또는 15)를 이동시키도록 조작기 조립체(12)에 명령하는 신호를 전송할 수도 있다. 임의의 적합한 통상의 또는 특수화된 제어기가 사용될 수도 있다. 제어기는 조작기 조립체(12)로부터 분리되거나, 또는 통합될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제어기 및 원격 조작 조립체는 의료 시술 중에 환자의 신체에 근접하여 위치된 원격 조작 아암 카트와 같은 통합 시스템의 부분으로서 제공된다.
제어 시스템(20)은 의료 도구(15)에 결합될 수 있고, 조작자의 콘솔을 사용하거나 헤드 장착 디스플레이 시스템을 착용하는 조작자, 제어 시스템 부근의 하나 이상의 고정 또는 가동 모니터, 또는 로컬 및/또는 원격으로 위치된 다른 적합한 디스플레이 상의 후속의 디스플레이를 위해 캡처된 이미지를 처리하기 위한 프로세서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스테레오스코픽 내시경이 사용되는 경우, 제어 시스템(20)은 캡처된 이미지를 처리하여 조작자에게 시술 부위의 조정된 입체 이미지를 제공할 수 있다. 이러한 조정은 입체 이미지 사이들의 정렬을 포함할 수 있고 스테레오스코픽 내시경의 입체 작동 거리를 조정하는 것을 포함할 수 있다.
대안 실시예에서, 로봇 시스템은 하나 초과의 조작기 조립체 및/또는 하나 초과의 조작자 입력 시스템을 포함할 수 있다. 조작기 조립체의 정확한 수는, 다른 인자들 중에서도, 외과적 시술 및 수술실 내의 공간적 제약에 의존할 것이다. 조작자 입력 시스템은 병치될 수도 있거나, 또는 별도의 장소에 위치될 수도 있다. 다수의 조작자 입력 시스템은 하나 초과의 조작자가 다양한 조합으로 하나 이상의 조작기 조립체를 제어할 수 있게 한다.
도 1b는 의료 시술 중에 환자 부근에 위치된 카트의 형태로 구성된 조작기 조립체(12)의 일 실시예의 사시도이다. 따라서, 도 1b의 이 원격 조작 조립체는 또한 환자측 카트라 칭할 수도 있다. 도시되어 있는 조작기 조립체(12)는 3개의 의료 도구(30a, 30b, 30c)(예를 들어, 의료 도구(14)) 및 작업편 또는 시술 부위(“작업 부위”라고도 칭함)의 이미지의 캡처를 위해 사용되는 스테레오스코픽 내시경과 같은, 이미징 디바이스를 포함하는 의료 도구(28)(예를 들어, 의료 도구(15))의 조작을 제공한다. 의료 도구(28)는 케이블(56)을 통해 제어 시스템(20)으로 신호를 전송할 수도 있다. 조작은 다수의 조인트를 갖는 로봇 조작기에 의해 제공된다. 의료 도구(28) 및 수술 도구(30a 내지 30c)는 운동학적 원격 중심이 절개부 또는 자연 구멍에서 유지되도록 환자의 절개부 또는 자연 구멍을 통해 위치되고 조작될 수 있다. 작업 부위의 이미지는 의료 도구(28)의 시야 내에 위치될 때 수술 도구(30a 내지 30c)의 원위 단부의 이미지를 포함할 수 있다.
조작기 조립체(12)는 구동 가능한 베이스(58)를 포함한다. 구동 가능한 베이스(58)는 신축식 칼럼(57)에 연결되며, 이는 아암(54)("조작기(54)"라고도 칭함)의 높이의 조정을 허용한다. 아암(54)은 칼럼(57)에 평행하게 회전하고 병진하는 회전 조인트(55)를 포함할 수도 있다. 아암(54)은 배향 플랫폼(53)에 연결될 수도 있다. 배향 플랫폼(53)은 360도 회전이 가능할 수도 있다. 조작기 조립체(12)는 수평 방향으로 배향 플랫폼(53)을 이동시키기 위한 신축식 수평 외팔보(52)를 또한 포함할 수도 있다.
본 예에서, 각각의 아암(54)은 조작기 아암부(51)를 포함한다. 조작기 아암부(51)는 의료 도구(14)에 직접 연결될 수도 있다. 조작기 아암부(51)는 원격 조작 가능할 수도 있다. 몇몇 예에서, 배향 플랫폼에 연결되는 아암(54)은 원격 조작 가능하지 않다. 오히려, 이러한 아암(54)은 조작자(S)가 원격 조작 구성요소로 동작을 시작하기 전에 원하는 바에 따라 위치된다.
내시경 및 다른 이미징 시스템(예를 들어, 의료 도구(15))은 강성 또는 유연성 구조체를 갖는 것을 포함하여, 다양한 구성으로 제공될 수도 있다. 강성 내시경은 내시경의 원위 단부로부터 근위 단부로 이미지를 전송하기 위한 릴레이 렌즈 시스템을 수용하는 강성 튜브를 포함한다. 유연성 내시경은 하나 이상의 유연성 광섬유를 사용하여 이미지를 전송한다. 디지털 이미지 기반 내시경은 하나 이상의 전하 결합 소자(charge-coupled device: CCD) 또는 상보형 금속 산화물 반도체(complementary metal oxide semiconductor: CMOS) 디바이스와 같은 원위 디지털 센서가 이미지 데이터를 저장하는 "칩 온 팁(chip on the tip)" 디자인을 가질 수도 있다. 내시경 이미징 시스템은 또한 초음파, 적외선 및 형광 투시 기술과 같은 다른 이미징 기술을 이용할 수도 있다. 내시경 이미징 시스템은 관찰자에게 2차원 또는 3차원 이미지를 제공할 수도 있다. 2차원 이미지는 제한된 깊이 지각(depth perception)을 제공할 수도 있다. 3차원 입체 내시경 이미지는 관찰자에게 더 정확한 깊이 지각을 제공할 수도 있다. 입체 내시경 도구는 입체 카메라를 채용하여 환자의 해부학 구조의 입체 이미지를 캡처한다. 내시경 도구는 내시경 케이블, 핸들 및 샤프트가 모두 견고하게 결합되고 밀폐식으로 밀봉된 상태의 완전 멸균 가능한 조립체일 수도 있다.
도 1c는 조작자 콘솔(38)의 사시도이다. 조작자 콘솔(38)은 깊이 지각을 가능하게 하는 수술 환경의 조정된 입체 뷰를 조작자(S)에게 제시하기 위한 좌안 디스플레이(32) 및 우안 디스플레이(34)를 포함한다. 조작자 콘솔(38)의 조작자 입력 시스템(16)은 하나 이상의 입력 제어 디바이스(36)를 포함하는데, 이는 조작기 조립체(12)가 하나 이상의 의료 도구(14 및/또는 15)를 조작하게 한다. 입력 제어 디바이스(36)는 예를 들어, 조오 엔드 이펙터를 폐쇄하여 파지하고, 전극에 전위를 인가하고, 의료 처치를 전달하는 등을 위해 사용될 수도 있다. 다양한 대안에서, 입력 제어 디바이스(36)는 조이스틱 디바이스, 트랙볼, 데이터 글러브, 트리거 건, 수동 조작식 제어기, 음성 인식 디바이스, 터치스크린, 신체 모션 또는 위치 감지 센서 등을 추가로 또는 대안적으로 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 입력 제어 디바이스(36)는 조작자(S)에게 텔레프레즌스, 또는 입력 제어 디바이스(36)가 도구(14)와 일체화되어 조작자(S)가 도구(14)를 직접 제어하는 감각을 갖게 하는 지각을 제공하기 위해 그 연관 의료 도구(14)와 동일한 자유도를 제공할 것이다. 다른 실시예에서, 입력 제어 디바이스(36)는 연관 의료 도구보다 더 많거나 더 적은 자유도를 가질 수 있고 여전히 조작자(S)에게 텔레프레즌스를 제공할 수도 있다. 이를 위해, 위치, 힘 및 촉각 피드백 센서(도시되어 있지 않음)가 입력 제어 디바이스(36)를 통해 도구(14)로부터 조작자(S)의 손으로 위치, 힘 및 촉각 감각을 다시 전송하기 위해 채용될 수도 있다. 입력 제어 디바이스(37)는 사용자의 발로부터 입력을 수신하는 풋 페달이다.
전술한 바와 같이, 로봇 아암 조립체와 도구의 조합에서 물리적 컴플라이언스는 저감쇠 진동 및 긴 정착 시간을 유발할 수도 있다. 로봇 아암 조립체가 유연성(예를 들어, 유연성 조인트를 포함함) 및/또는 불균형 링크 질량 및 관성을 갖는 시스템에서, 조작자 입력 시스템을 사용하여 조작자에 의해 명령된 모션은 이러한 진동을 유발할 수도 있다. 의료 또는 비의료 시술을 수행하는 동안, 조작기 또는 조작기에 의해 지지되는 도구에서 경험되는 이러한 진동은 제어 문제가 유발할 수도 있다. 예를 들어, 외과적 시술에서, 의료 도구의 팁에서 경험되는 이러한 진동은 제어 문제를 유발할 수도 있다. 특정 예로서, 이러한 진동은 시스템이 원하는 조직, 바늘 및 봉합사의 조작을 수행하고, 의사가 명령하는 것을 어렵게 할 수도 있다. 이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 모터측 센서(예를 들어, 조인트 인코더)의 모터측 측정 데이터와 부하측 센서(예를 들어, 로봇 아암 조립체의 링크에, 도구 본체에, 그리고/또는 엔드 이펙터에 위치된 센서)로부터의 부하측 측정 데이터 모두를 사용함으로써, 마스터/슬레이브 시스템은 이들 진동이 감소되도록(예를 들어, 더 작은 진동 진폭, 더 빠른 정착 시간 등) 로봇 아암 조립체를 제어할 수도 있다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 다양한 실시예에서, 부하측 센서 시스템은 로봇 시스템의 상이한 부하측 장소에(예를 들어, 로봇 아암 조립체의 링크, 로봇 아암 조립체에 의해 지지되는 도구, 또는 도구의 엔드 이펙터(들) 상에) 부착될 수도 있다. 이러한 부하측 센서 시스템은, 예를 들어 부하측 장소의 위치 및 모션(예를 들어, 선형 속도, 선형 가속도, 각속도)을 포함하는 부하측 장소의 측정 데이터를 제어 시스템(예를 들어, 도 1a 내지 도 1c의 예를 위한 제어 시스템(20))에 제공할 수도 있다. 제어 시스템은 팁 진동 및 정착 시간을 감소시키기 위해 로봇 아암 조립체를 제어하도록 부하측 측정 데이터를 사용할 수도 있다.
도 2a는 상호 교환 가능 도구(250)가 그 위에 장착된 아암(200)(예를 들어, 아암(54))을 도시하고 있다. 도구(250)는 본 명세서에서 또한 슬레이브 도구(250)라 칭할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 도구(250)는 산업 작업편을 조작하기 위해, 또는 의료 치료 또는 진단 이외의 이유로 인간 또는 동물 조직을 조작하도록 구성될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 도구(250)는 의료 시술을 수행하기 위한 도구를 포함할 수도 있다. 도구(250)는 장착 부분(252) 및 샤프트(254)를 포함한다. 도 2a 내지 도 2c에 도시되어 있는 예에서, 장착 부분(252)은 도구(250)의 근위부에 위치된 장착 부분을 포함한다. 장착 부분은 도구(250)를 조작기의 캐리지(253)에 제거 가능하게 결합하기 위해 구성된다. 샤프트(254)는 손목(258)을 사용하여 엔드 이펙터(260)에 결합된다. 엔드 이펙터(260)는 도구 팁(262)을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 아암(200)은 아암(200)에 대한 도구(250)의 이동을 제한하는 포트 디바이스(예를 들어, 일부 의료 시술을 위한 캐뉼러)를 위한 지지부를 포함할 수도 있다. 각각의 아암(200)과 연관된 도구(250)는 또한 조작자 입력 시스템(예를 들어, 도 1a 내지 도 1c의 예를 위한 조작자 입력 시스템(16))에서 조작자에 의해 제어될 수도 있다.
더 구체적으로, 아암(200)은 셋업 조인트(204)를 통해 최원위측 셋업 링크(206)에 연결된 수직 셋업 링크(202), 및 최원위측 셋업 링크(206)에 연결된 조작기 아암부(207)(예를 들어, 도 1a 내지 도 1c의 예를 위한 조작기 아암(51))를 포함한다. 조작기 아암부(207)는 본 명세서에서 또한 슬레이브 조작기 부분(207)이라 칭할 수도 있다. 조작기 아암부(207)는 요 조인트(208), 평행사변형 피치 메커니즘(210) 및 스파(spar)(214)를 포함한다. 요 조인트(208)는 최원위측 셋업 링크(206)를 평행사변형 피치 메커니즘(210)에 연결한다. 평행사변형 피치 메커니즘(210)은 복수의 피치 조인트(212a, 212b, 212c) 및 이들 피치 조인트를 연결하는 링크를 포함한다. 스파(214)는 스파 조인트(216)에서 평행사변형 피치 메커니즘(210)에 연결된다. 도구(250)의 장착 부분(252)이 스파(214) 상에 장착된다.
셋업 조인트(204), 요 조인트(208), 피치 조인트(212a, 212b, 212c) 및 스파 조인트(216)의 각각은, 본 명세서에서 셋업 조인트 모터, 요 조인트 모터, 피치 조인트 모터, 스파 조인트 모터라 칭하는 모터에 의해 제어된다. 아암(200)은 삽입 및 후퇴 모션을 제공하는 삽입 기어(218)를 또한 포함할 수도 있다. 이에 따라, 아암(200)의 적어도 일부는 완전 전동 방식으로 이동하도록 구성된다. 본 실시예에서, 모터는 제어 시스템(예를 들어, 제어 시스템(20))의 제어 하에 있고, 다른 활동 중에서도, 작업편(또는 의료 시술에서 환자) 위로 전진, 도구의 장착, 준비 단계, 또는 보관에 의해 보조될 수도 있는 원하는 자세를 취하도록 다른 아암의 모터와 함께 동작될 수도 있다. 게다가, 각각의 모터 또는 조인트와 연관된 인코더 및 다른 센서는 제어 시스템에 피드백을 제공하여 제어 시스템이 아암(200)의 위치, 상태 및 셋업에 대한 데이터를 수신하고, 이들 위치, 상태 및 셋업을 감지하거나 검출하고, 또는 결정하게 된다.
몇몇 실시예에서, 아암(200)은 고정 원격 모션 중심(256)(또한 "원격 중심(256)"이라고도 칭함) 주위로 도구(250)를 이동시키도록 기계적으로 구속된다. 몇몇 실시예에서, 원격 모션 중심(256)은 아암(200)에 장착된 도구의 샤프트와 일치한다. 요 조인트 모터는 원격 중심(256) 주위에 요 모션을 제공하고, 피치 조인트 모터 및 스파 조인트 모터는 원격 중심(256) 주위에 피치 모션을 제공할 수도 있다. 최소 침습성 의료 시술을 위해, 통상적으로 원격 모션 중심(256)은 종종 시술 중에 환자의 체벽의 절개부에 잠금되며, 원격 모션 중심(256)에 대한 요 및 피치 모션이 의도된 수술 작업을 수행하도록 허용된다. 대안적으로, 원격 모션 중심은 환자와 접촉하지 않고 더 큰 모션 범위를 허용하도록 신체 외부에 위치될 수도 있다. 다양한 시술에 대해, 원격 모션 중심(256)은 몇몇 의료 시술 중에 자연 구멍 또는 루멘 내의 장소, 비의료 시술 등 중에 작업편에 근접한 적절한 장소와 같은, 시술을 위한 임의의 적절한 장소에 위치될 수 있다. 통상의 기술자는, 원격 모션 중심 주위의 모션이 소프트웨어의 사용에 의해 또는 기계적 조립체에 의해 규정된 물리적 구속에 의해 구속될 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
요 조인트(208), 피치 조인트(212a, 212b, 212c), 스파 조인트(216) 및 삽입 기어(218)의 각각은 개별 조인트 또는 기어 제어기에 의해 제어될 수도 있지만, 조인트 및 기어 제어기는 공통 제어 시스템(20)(예를 들어, 마스터/슬레이브 제어 시스템)의 공통 조인트 제어 유닛에 의해 제어될 수도 있어, 도구(250), 도구(250)의 팁 또는 엔드 이펙터 및 조작기 아암부(207)가 그 연관 제어 디바이스(예를 들어, 도 1a 내지 도 1c의 예를 위한 조작자 입력 시스템)의 사용자(예를 들어, 조작자(S)) 조작을 통해 제어될 수도 있게 된다.
도 2a의 예에서, 부하측 센서 시스템(264)은 조작기 아암부(207)의 마지막 링크인 스파(214)의 부하측 장소(266)에 부착된다. 도 2a의 특정 예에서, 거리(D)는 부하측 장소(266)와 스파 조인트(216) 사이에 있다. 다양한 예에서, 부하측 장소(266)는 스파(214)의 임의의 부분에 위치될 수도 있다. 부하측 센서 시스템(264)은 예를 들어, 관성 측정 유닛(inertial measurement unit: IMU), 전자기 센서, 형상 센서, 토크 센서, 광학 추적 시스템, 이미지 추적 시스템, 하이브리드 센서 시스템, 다른 적합한 센서 시스템, 및 이들의 조합을 포함하는 하나 이상의 센서를 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, IMU는 부하측 장소(266)의 선형 가속도를 측정하도록 구성된 가속도계 및 부하측 장소(266)의 각속도를 측정하도록 구성된 자이로스코프를 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, IMU는 부하측 장소(266)에서 자력을 측정하도록 구성된 자력계를 포함할 수 있다.
도 2b 및 도 2c에 도시되어 있는 바와 같이, 부하측 센서 시스템(264)은 아암(200), 아암(200)에 의해 보유된 도구(250) 및/또는 도구(250)에 결합된 엔드 이펙터(260)의 다양한 부분 상의 부하측 장소에 위치될 수도 있다. 도 2b의 예에서, 부하측 센서 시스템(264)은 도구(250)의 근위 단부(예를 들어, 장착 부분(252) 상의)에서 부하측 장소(266)에 위치된다. 다른 예에서, 부하측 센서 시스템(264)은, 예를 들어 샤프트의 중간 및 도구(250)의 원위 단부를 포함하여, 도구(250)의 임의의 부분에 위치될 수도 있다.
도 2c의 예에서, 부하측 센서 시스템(264)은 엔드 이펙터(260) 상에 있는 부하측 장소(266)(또한 센서부(266)라고도 칭함)에 위치될 수도 있다. 부하측 센서 시스템(264)은, 예를 들어 평행사변형 피치 메커니즘(210)의 링크를 포함하여, 아암(200)의 다른 부분 상의 부하측 장소(266)에 위치될 수도 있다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c의 예에 도시되어 있는 바와 같이, 상이한 도구(250) 및/또는 엔드 이펙터(260)는 상이한 기능을 수행하기 위해 아암(200)에 장착될 수도 있다. 도 2a의 예에서, 부하측 센서 시스템(264)이 조작기 아암부(207)에 부착되기 때문에, 이러한 단일 부하측 센서 시스템(264)은 상이한 도구(250) 및/또는 엔드 이펙터(260)와 함께 사용될 수도 있다. 다른 한편으로, 도 2b 및 도 2c의 예에서, 부하측 측정 데이터를 제공하기 위해, 부하측 센서 시스템(264)은 이들 도구(250) 및/또는 엔드 이펙터(260)의 각각에 부착되도록 요구될 수도 있다. 이와 같이, 도 2a에 도시되어 있는 바와 같은 조작기 아암부(207)에 부착된 부하측 센서 시스템(264)을 사용하는 것이 더 비용 효율적일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 부하측 센서 시스템(264)의 장소는 시스템의 다양한 요구에 기초하여 결정될 수도 있다. 몇몇 예에서, 부하측 센서 시스템(264)은 제어 가능성을 향상시키고 더 높은 대역폭(더 공격적인) 교란 거부를 허용하기 위해 모터에 더 가깝게(예를 들어, 조작기 아암부(207)에) 위치된다. 다른 예에서, 부하측 센서 시스템(264)은 교란의 검출 및 도구 팁의 상태의 관찰 가능성을 향상시키도록 제어되는 물체(예를 들어, 도구 팁)에 더 가깝게(예를 들어, 도구(250) 또는 엔드 이펙터(260)에) 위치된다.
그러나, 부하측 센서 시스템(264)이 도구 팁과 병치되지 않는 실시예에서, 제어 시스템(예를 들어, 도 1a 내지 도 1c의 예를 위한 제어 시스템(20))은, 부하측 센서 시스템(264)으로부터의 측정 데이터와 모터측 인코더에 기초한 상태 추정치를 간단히 조합함으로써, 부하측 센서 시스템(264)에 기초하여 도구 팁 상태 추정치를 조정하지 않을 수도 있다. 도 3, 도 4a, 도 4b 및 도 5를 참조하여 후술되는 바와 같이, 이러한 문제를 해결하기 위해, 제어 시스템(예를 들어, 도 1a 내지 도 1c의 예를 위한 제어 시스템(20))은 융합 블록 및 동적 모델의 모두를 사용하여 도구 팁 위치 및 모션 추정치를 발생할 수도 있다. 부하측 장소(266)와 도구 팁(262) 사이의 동역학을 고려하면서 모터측 센서와 부하측 센서 모두의 측정 데이터를 이용함으로써, 더 정확한 도구 팁 위치 및 모션 추정치가 감소된 진동 및 적은 정착 시간으로 더 양호한 도구 팁 제어를 위해 달성될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 제어 시스템(300)(예를 들어, 도 1a 내지 도 1c의 예를 위한 제어 시스템(20))의 예가 도시되어 있다. 제어 시스템(300)은, 조작자에 의한 조작자 입력 시스템(예를 들어, 도 1a 내지 도 1c의 예를 위한 조작자 입력 시스템(16))의 이동에 의해 명령된 바와 같은, 아암(200)의 슬레이브 조작기(207) 부분의 이동 및 따라서 그 부착된 도구(250) 및 엔드 이펙터(260)의 자세 및 모션을 제어하는 데 사용될 수도 있다. 이하의 설명에서, 제어 시스템(300)은 또한 마스터/슬레이브 제어 시스템(300)이라고도 칭한다.
마스터 입력 디바이스 및 슬레이브 조작기의 모두는 다수의 자유도 이동을 용이하게 하기 위해 조인트에 의해 연결된 다수의 링크를 포함할 수도 있다. 조작자(S)가 외과적 시술의 수행 중에 하나의 위치로부터 다른 위치로 조작자 입력 시스템을 이동함에 따라, 조작자 입력 시스템 조인트와 연관된 센서는 마스터 입력 디바이스의 조인트 공간("마스터 조인트 공간")에서 이러한 명령 이동을 지시하는 정보를 제공하고, 슬레이브 조작기 조인트와 연관된 센서는 피드백 목적으로 슬레이브 조인트 공간에서 슬레이브 조작기 이동(및 따라서 도구(250) 이동)을 지시하는 정보를 제공한다. 그 각각의 조인트의 미세한 이동을 더 양호하게 검출하고 제어하기 위해(예를 들어, 0의 속도로부터 목표 범위 내의 속도로 전이 중의 모션을 포함하여, 조인트에서 초당 0.0005 내지 0.01 라디안의 목표 속도 범위에서), 고분해능 인코더가 모터측 센서를 위해 사용될 수도 있다.
마스터 입력 처리 유닛(301)은 조작자 입력 시스템의 마스터 조인트 인코더로부터 제어 시스템 처리 속도(예를 들어, 1300 Hz)로 샘플링된 마스터 조인트 위치의 정보를 수신하고, 감지된 조인트 위치로부터 조인트 속도를 컴퓨팅한다. 마스터 순 운동학 처리 유닛(302)은 마스터 입력 처리 유닛(301)으로부터 마스터 조인트 위치 및 속도를 수신하고, 조작자 기준 프레임에 대해 직교 좌표 공간에서 마스터 조인트 공간으로부터 마스터 프레임(즉, 조작자 입력 시스템과 연관된 프레임)의 대응 위치 및 속도로 이들을 변환한다. 몇몇 실시예에서, 마스터 순 운동학 처리 유닛(302)은 자코비안(Jacobian) 및 기준 프레임 관련 정보를 사용함으로써 이러한 변환을 달성한다. 사용될 수도 있는 예시적인 조작자 기준 프레임은 눈 기준 프레임(즉, 조작자의 눈의 위치와 연관된 기준 프레임)을 포함한다.
스케일 및 오프셋 처리 유닛(304)은 마스터 순 운동학 처리 유닛(302)으로부터 직교 좌표 위치 및 속도 명령을 수신하고, 시술을 수행하도록 선택된 스케일 팩터에 따라 명령된 이동을 스케일링하고, 원하는 슬레이브 도구 프레임(즉, 도구(250)와 연관된 프레임) 위치 및 속도를 발생하기 위해 오프셋을 고려한다. 스케일 조정은, 시술 부위에서 도구(250)의 더 정확한 이동을 허용하기 위해 아암(200)의 슬레이브 조작기 부분(207)의 작은 이동이 조작자 입력 시스템(16)의 더 큰 이동에 비해 바람직한 경우에 유용하다. 다른 한편으로, 오프셋은, 예를 들어 눈 기준 프레임에서 마스터 프레임의 위치 및 배향에 대한 카메라 기준 프레임(즉, 내시경의 원위 팁과 연관된 프레임)에서 엔드 이펙터 프레임(예를 들어, 도구(250)의 원위 단부에서 엔드 이펙터(260)와 연관된 프레임)의 대응 위치 및/또는 배향을 결정한다.
시뮬레이션된 슬레이브 처리 유닛(308)은 스케일 및 오프셋 처리 유닛(304)으로부터 원하는 슬레이브 도구 프레임 위치 및 속도 명령을 수신하고, 예를 들어 그 능숙한 작업 공간 내에 유지함으로써 도구(250)의 정확하고 직관적인 동작을 실시하기 위해, 원하는 슬레이브 도구 프레임 위치, 배향 및 속도를 할당된 직교 좌표 한계로 제한한다. 시뮬레이션된 슬레이브 처리 유닛(308)은, 발생된 슬레이브 조인트 위치 및 속도가 슬레이브 운동학에 대한 운동학적 특이점 부근에서도 실제 슬레이브 조인트의 모션 범위 및 최대 속도(즉, 조인트 한계)를 초과하지 않는 것을 보장하면서, 제한된 슬레이브 도구 프레임 위치 및 속도에 대응하는 시뮬레이션된 슬레이브 조인트 위치 및 속도를 발생한다.
역 스케일 및 오프셋 처리 유닛(306)은 시뮬레이션된 슬레이브 처리 유닛(308)으로부터 시뮬레이션된 조인트 위치 및 속도 명령을 수신하고, 그에 대해 역함수(스케일 및 오프셋 처리 유닛(304)의 것의 역)를 수행한다. 직교 좌표 제어기(307)는 스케일 및 오프셋 처리 유닛(304)에 대한 입력을 제1 입력으로서 수신하고, 역 스케일 및 오프셋 처리 유닛(306)의 출력을 제2 입력으로서 수신한다. 직교 좌표 제어기(307)는 이어서 이하의 식에 의해, 제1 입력과 제2 입력 사이의 차이로서 에러 신호, 및 에러 신호로부터 직교 좌표 힘 "FCART"를 발생한다:
Figure pat00001
(1)
여기서, "K"는 스프링 상수이고, "B"는 감쇠 상수이고, "
Figure pat00002
"는 직교 좌표 제어기(307)에 대한 직교 좌표 속도 입력 사이의 차이이고 "Δx"는 직교 좌표 제어기(307)에 대한 직교 좌표 위치 입력 사이의 차이이다. 배향 에러의 경우, 직교 좌표 공간의 대응 토크가 결정된다.
마스터 전치 운동학 처리 유닛(315)은 합산 노드(314)를 통해 직교 좌표 힘(FCART)을 수신하고, 예를 들어 자코비안 전치 행렬 및 조작자 입력 시스템과 연관된 운동학적 관계를 사용하여 조인트 공간에서 대응 토크를 발생한다. 조작자 입력 시스템이 모션 범위 제한 또는 힘 피드백을 위한 모터 구동식 조인트를 갖는 시스템에서, 마스터 출력 처리 유닛(316)은 마스터 전치 운동학 처리 유닛(315)으로부터 마스터 토크 신호를 수신하고, 마스터 토크 신호에 대응하는 전류를 발생하고, 전류를 조작자 입력 시스템(예를 들어, 도 1a 내지 도 1c의 예의 조작자 입력 시스템(16))의 대응 마스터 조인트 모터에 공급한다. 그 결과, 이러한 모터 구동식 조작자 입력 시스템(예를 들어, 조작자 입력 시스템(16))을 동작시키는 조작자(S)는, 조작자(S)가 시스템 직교 좌표 또는 슬레이브 조인트 한계를 초과하는 위치 또는 속도를 명령할 때마다 직교 좌표 힘(FCART)을 느끼고, 또는 아암(200)의 슬레이브 조작기 부분(207)에 대한 운동학적 특이성 조건을 야기할 것이다.
마스터 입력 처리 유닛(301)이 조작자 입력 시스템의 센서로부터 마스터 조인트 위치를 수신함에 따라, 슬레이브 입력 처리 유닛(309)은 또한 제어 시스템 처리 속도로 슬레이브 조작기 부분(207)의 센서로부터 슬레이브 위치를 수신한다. 슬레이브 입력 처리 유닛(309)은 모터측 센서(예를 들어, 조인트 인코더)로부터 슬레이브 조인트 측정 데이터(예를 들어, 슬레이브 조인트 위치 및 모션 데이터)를 수신하는 모터측 입력 처리 유닛(320), 및 부하측 센서(예를 들어, 부하측 센서 시스템(264))로부터 슬레이브 부하측 측정 데이터(예를 들어, 부하측 장소(266)의 위치 및 모션 데이터)를 수신하는 부하측 입력 처리 유닛(322)을 포함한다. 조인트 제어 유닛(318)은 슬레이브 입력 처리 유닛(309)으로부터 슬레이브 조인트 측정 데이터 및 슬레이브 부하측 측정 데이터 및 시뮬레이션된 슬레이브 처리 유닛(308)으로부터 제공된 시뮬레이션된 조인트 명령을 수신하고, 슬레이브 조인트 모터에 대한 슬레이브 토크 명령 신호 및 마스터 조인트 모터에 대한 마스터 토크 피드백 명령 신호를 발생한다.
슬레이브 토크 명령 신호는, 조인트 제어 유닛(318)에서 계산된 피드백 에러가 제로 아웃될 때까지 슬레이브 조작기의 조인트를 구동하기 위해 조인트 제어 유닛(318)에 의해 발생된다. 슬레이브 출력 처리 유닛(310)은 조인트 제어 유닛(318)으로부터 슬레이브 토크 명령 신호를 수신하고, 이들 신호를 적절한 전류로 변환하고, 이에 따라 모터를 구동하기 위해 슬레이브 조작기의 조인트 모터에 전류를 공급한다.
몇몇 실시예에서, 도구(250)에 대해 또는 도구(250)를 지지하는 슬레이브 조작기에 대해 인가된 힘을 조작자 입력 시스템(예를 들어, 조작자 입력 시스템(16))에 반영하여 이들 힘이 조작자(S)에 의해 소정 형태로 느껴지게 될 수도 있게 하는 마스터 토크 피드백 명령 신호가 조인트 제어 유닛(318)에 의해 발생된다. 몇몇 실시예에서, 조인트 제어 유닛(318)은 슬레이브 조인트 위치 및 속도 추적 에러에 기초하여 마스터 토크 피드백 명령 신호를 발생한다. 다양한 실시예에서, 슬레이브 추적 에러는 모터측 추적 에러, 순 운동학 및 모터 위치에 의해 결정된 도구 팁 추적 에러, 부하측 센서 시스템(264)을 사용하여 결정된 도구 팁 추적 에러, 부하측 센서 시스템(264)을 사용하여 추정된 조인트 위치 및 속도로부터의 부하측 추적 에러 및/또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 결정될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 조인트 제어 유닛(318)은 슬레이브 조인트 인코더 및 부하측 센서 시스템(264)의 모두로부터의 측정 데이터에 기초하여 마스터 토크 피드백 명령 신호를 발생한다. 운동학적 맵핑 유닛(311)은 조인트 제어 유닛(318)으로부터 마스터 토크 피드백 명령 신호를 수신하고, 슬레이브 운동학적 구성 및 이전에 계산된 슬레이브 지지점(예를 들어, 원격 중심(256)) 위치 정보를 사용하여 내시경의 카메라 프레임에 대해 도구(250)의 팁에서의 대응하는 직교 좌표 힘을 발생한다.
이득(313)은 조작자(S)에게 적절한 힘 감지를 제공하면서 시스템 안정성을 보장하기 위해 직교 좌표 힘의 크기를 조정한다. 이득 조정 직교 좌표 힘은 이어서 합산 노드(314)를 통과하고, 직교 좌표 제어기(307)에 의해 제공되는 직교 좌표 힘의 그 처리를 참조하여 전술된 바와 같이, 마스터 전치 운동학 처리 유닛(315) 및 마스터 출력 처리(316)를 통해 직교 좌표 제어기(307)에 의해 제공된 직교 좌표 힘과 함께 처리된다.
조인트 제어 유닛(318)은 마스터/슬레이브 제어 시스템(300)에 의해 제어되는 아암(200)의 슬레이브 조작기 부분(207)의 각각의 능동 조인트에 대한 조인트 제어기를 포함한다. 특히, 슬레이브 조작기 부분(207)은 요 조인트(208), 피치 조인트(212a, 212b, 212c), 스파 조인트(216), 및 도 2a, 도 2b 및 도 2c의 예에 대한 아암(200)과 같은 삽입 기어(218)를 포함하고, 이들 조인트 또는 기어의 각각은, 도구 손목 및 엔드 이펙터 메커니즘을 위한 각각의 구동 가능한 기계 요소와 같이, 그 자신의 제어기를 가질 수도 있다.
도 4는 예로서, 조인트 제어기 유닛(318)(예를 들어, 슬레이브 조작기 부분(207)의 요 조인트(208), 피치 조인트(212a, 212b, 212c), 스파 조인트(216), 및 삽입 기어(218) 또는 도구 손목 또는 엔드 이펙터 메커니즘을 조작하기 위한 다수의 구동 가능한 기계적 요소 중 임의의 하나 이상의 이동을 제어하기 위한)의 블록도를 도시하고 있다. 본 명세서 및 청구범위에서 설명을 단순화하기 위해, 용어 "조인트"는 가능하게는 또는 도구 또는 도구를 보유하고 그리고/또는 이동시키는 슬레이브 조작기 또는 로봇 아암과 연관된 이동 자유도 또는 다른 기계적 작용을 제어하는 데 사용될 수도 있는 케이블, 풀리, 기어, 스풀 및 임의의 다른 구동 가능한 기계적 요소를 포함하는 조인트 구동열을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이는 비의료 또는 의료 시술을 수행하기 위한 것일 수 있다. 예시적인 의료 시술은, 예를 들어, 생검, 이미징 시술, 진단 시술, 및 최소 침습성 복강경 또는 루멘내 수술과 같은 외과적 시술을 포함한다.
이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 조인트 제어기 유닛(318)은 모터측 측정 데이터 및 부하측 측정 데이터의 모두를 융합함으로써 부하측 장소(266)의 위치 및 모션의 융합 추정치를 발생하기 위해 융합 블록을 사용할 수 있다. 이와 같이, 부하측 장소(266)의 융합 추정치는 모터측 측정 데이터만에 기초하는 추정치보다 더 정확할 수도 있고, 이는 도구 팁(262)의 위치 및 모션의 더 정확한 추정을 야기할 수도 있다. 더욱이, 부하측 센서 시스템(264)이 도구 팁(262)과 병치되지 않은 실시예에서, 조인트 제어기 유닛(318)은 대응 동적 모델을 사용하여 부하측 장소(266)와 도구 팁(262) 사이의 동역학 및 부하측 센서 시스템(264)의 동역학을 고려할 수도 있다. 이는 도구 팁(262)의 위치 및 모션의 추정치의 정확도를 더 향상시킬 수도 있어, 이에 의해 도구 팁의 더 양호한 제어를 가능하게 한다.
조인트 제어기 유닛(318)은 모터측 입력 처리 유닛(320)으로부터 조인트 인코더 데이터(404)(θenc로 나타냄)(예를 들어, 슬레이브 조작기 부분(207)의 조인트 인코더에 의해 제공됨)를 수신하는 순 운동학 블록(402)을 포함한다. 조인트 인코더 데이터(404)(θenc)는 조인트 위치 데이터, 조인트 모션(예를 들어, 속도, 가속도) 데이터, 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있다. 다양한 실시예에서, 조작기 아암부(207)를 형성하는 운동학적 체인의 운동학 수학식은 조인트 파라미터를 로봇 시스템의 구성에 맵핑하는 데 사용될 수도 있다. 조작기 아암부(207)의 치수 및 그 연관된 운동학 수학식은 조작기 아암부(207)에 의해 도달 가능한 공간의 체적 및 일반적으로 작업 공간으로서 알려져 있는 조작기 아암부(207)와 연관된 특징부를 정의한다. 순 운동학 블록(402)은 작업 공간 내의 조작기 아암부(207)와 연관된 특정 특징부(예를 들어, 스파(214), 도구(250), 엔드 이펙터(260), 도구 팁(262)을 포함하는 조작기 아암부(207)의 링크)의 위치를 컴퓨팅하기 위해 순 운동학을 사용할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 순 운동학 블록(402)은 조작기 아암부(207)와 연관된 순 운동학을 조인트 인코더 데이터(404)(θenc)에 적용하고, 부하측 장소(266)의 위치 및/또는 모션(예를 들어, 속도, 가속도)에 대한 추정치(406)(
Figure pat00003
로서 나타냄)를 발생할 수도 있다. 예에서, 순 운동학 블록(402)은 월드 기준 프레임으로부터 부하측 센서 시스템 프레임(예를 들어, 부하측 센서 시스템(264)과 연관된 프레임)으로 조인트 인코더 데이터(404)(θenc)를 변환할 수도 있다(예를 들어, 직교 좌표 변환을 사용하여). 추정치(406)(
Figure pat00004
)가 부하측 장소(266)의 속도 추정치를 포함하는 예에서, 순 운동학 블록(402)은 부하측 장소(266)의 속도 추정치를 발생하기 위해 조인트 인코더 데이터(404)(θenc)에서 대응 조인트 속도 데이터에 자코비안 함수(430)를 적용할 수도 있다.
도 4의 예에 도시되어 있는 바와 같이, 조인트 인코더 데이터(404)(θenc)에 기초하는 부하측 장소(266)의 추정치(406)(
Figure pat00005
)는 융합 블록(408)으로 송신된다. 융합 블록(408)은 상태 추정기(410) 및 동적 모델 유닛(412)을 포함한다. 상태 추정기(410)는 부하측 입력 처리 유닛(322)으로부터 부하측 장소(266)의 부하측 측정 데이터(414)(예를 들어, 부하측 센서 시스템(264)에 의해 제공되는)를 수신할 수도 있다. 예에서, 부하측 측정 데이터(414)는
Figure pat00006
로서 나타내는 부하측 장소(266)의 선형 가속도 데이터(
Figure pat00007
) 및 각속도 데이터(ω)를 포함할 수도 있다.
도 4의 예에서, 상태 추정기(410)는 부하측 장소(266)와 연관된 추정치(406)(
Figure pat00008
) 및 측정 데이터(414)(
Figure pat00009
)를 수신하고, 부하측 장소(266)에 대한 융합된 상태 추정치 직교 좌표 변환(416)(
Figure pat00010
로서 나타냄)을 발생할 수도 있다. 융합된 상태 추정치(416)(
Figure pat00011
)는 부하측 장소(266)의 위치/모션에 대한 추정치를 포함할 수도 있다. 칼만 필터(Kalman filter) 및 그 변형(예를 들어, 확장 칼만 필터, 무향 칼만 필터, 정상 상태 칼만 필터 등), H∞ 필터, 입자 필터, 루엔버거 관측기(Luenberger observer), 매드윅 필터(Madgwick filter), 알파-베타-감마 필터, 활주-모드 관측기 등을 포함하는 다양한 상태 추정기 알고리즘이 융합된 상태 추정치(416)(
Figure pat00012
)를 발생하는 데 사용될 수도 있다. 조인트 인코더 데이터(404)(θenc) 및 부하측 센서 시스템(264)으로부터의 측정 데이터(414)에 기초하여 발생된 추정치(406)(
Figure pat00013
)를 조합하기 위해 융합 블록을 사용함으로써, 부하측 장소(266)의 위치 및 모션이 조인트 인코더 데이터(404)(θenc)만을 사용하여 발생된 추정치(406)(
Figure pat00014
)보다 더 양호하게 캡처된다.
몇몇 실시예에서, 부하측 센서 시스템(264)은 도구 팁(262)과 병치되지 않는다. 예를 들어, 부하측 센서 시스템(264)은 조작기 아암부(207)의 링크(예를 들어, 스파(214)에) 또는 도구(250)(예를 들어, 도구(250)의 장착 부분(252))에 위치될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 조인트 제어기 유닛(318)의 융합 블록(408)은 부하측 장소(266)와 도구 팁(262) 사이의 동역학을 고려하기 위해 동적 모델 유닛(412)을 포함할 수도 있다. 도 4의 예에 도시되어 있는 바와 같이, 상태 추정기(410)는 부하측 장소(266)의 융합된 상태 추정치(416)(
Figure pat00015
)를 동적 모델 유닛(412)으로 송신할 수도 있다. 동적 모델 유닛(412)은 부하측 장소(266)와 도구 팁(262) 사이의 동역학을 모델링하는 동적 모델을 결정한다. 다양한 실시예에서, 동적 모델은 부하측 장소(266)의 위치, 예를 들어 질량, 강성, 마찰, 감쇠, 베어링 및 기어의 탄성 변형, 부하 하에서 링크의 편향, 진동 등을 포함하여, 아암(200), 도구(250)의 본체 및 엔드 이펙터(260)의 다양한 물리적 특성에 기초하여 결정될 수도 있다. 동적 모델은 개별 구성요소의 물리적 모델링, 동역학의 실험적 식별, 도출 및 실험 데이터의 조합 및/또는 동역학의 온라인 적응적 식별로부터 도출될 수도 있다. 동적 모델 유닛(412)은 월드 기준 프레임으로부터 도구 팁 기준 프레임(예를 들어, 도구 팁(262)과 연관된 프레임)으로의 직교 좌표 변환을 생성하고, 부하측 장소(266)의 동적 모델 및 융합된 상태 추정치(416)(
Figure pat00016
)에 기초하여 도구 팁(262)의 융합된 상태 추정치 직교 좌표 변환(418)(
Figure pat00017
)을 발생할 수도 있다. 융합 블록(408)은 이어서 도구 팁(262)의 융합된 상태 추정치(418)(
Figure pat00018
)를 출력할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 도구 팁(262)의 융합된 상태 추정치(418)(
Figure pat00019
) 및 부하측 장소(266)의 융합된 상태 추정치(416)(
Figure pat00020
)는 동일한 상태 파라미터(예를 들어, 위치, 속도 또는 이들의 조합)에 대한 추정치를 포함할 수도 있다. 예에서, 도구 팁(262)의 융합된 상태 추정치(418)(
Figure pat00021
) 및 부하측 장소(266)의 융합된 상태 추정치(416)(
Figure pat00022
)의 각각은 단지 위치 추정치만을 포함하고, 임의의 모션(예를 들어, 속도) 추정치는 포함하지 않는다. 다른 예에서, 도구 팁(262)의 융합된 상태 추정치(418)(
Figure pat00023
) 및 부하측 장소(266)의 융합된 상태 추정치(416)(
Figure pat00024
)의 각각은 속도 추정치를 포함하고, 위치 추정치는 포함하지 않는다. 또 다른 예에서, 도구 팁(262)의 융합된 상태 추정치(418)(
Figure pat00025
) 및 부하측 지점(266)의 융합된 상태 추정치(416)(
Figure pat00026
)의 각각은 위치 및 속도의 모두에 대한 추정치를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 순 운동학 블록(402)은 조작기 아암(207), 도구(250) 및 엔드 이펙터(260)와 연관된 순 운동학을 조인트 인코더 데이터(404)(θenc)에 적용하고, 조인트 인코더 데이터(404)(θenc)에 기초하여 도구 팁(262)에 대한 상태 추정치(420)(
Figure pat00027
로서 나타냄)를 발생할 수도 있다. 순 운동학 블록(402)은 월드 기준 프레임으로부터 도구 팁 기준 프레임으로 조인트 인코더 데이터(404)(θenc)를 변환할 수도 있다(예를 들어, 직교 좌표 변환을 사용하여). 상태 추정치(420)(
Figure pat00028
)는 도구 팁(262)의 위치/모션에 대한 추정치를 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 순 운동학 블록(402)은 조인트 인코더 데이터(404)(θenc)의 조인트 속도 데이터에 기초하여 도구 팁(262)의 속도 추정치를 발생하기 위해 자코비안 함수(430)를 사용할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 조인트 제어기 유닛(318)은 비교기(422)를 포함한다. 비교기(422)는 융합 블록(408)으로부터 도구 팁(262)의 융합된 상태 추정치(418)(
Figure pat00029
) 및 순 운동학 블록(402)으로부터 도구 팁(262)의 상태 추정치(420)(
Figure pat00030
)를 수신하고,
Figure pat00031
와
Figure pat00032
사이의 도구 팁 상태 추정치 차이(424)(δTtip)를 발생한다. 도구 팁 상태 추정치 차이(424)(δTtip)는 도구 팁(262)의 위치 추정치 차이, 도구 팁(262)의 속도 추정치 차이, 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있다.
도 4a에 도시되어 있는 바와 같이, 조인트 제어기 유닛(318)은 역 운동학 블록(426)을 포함할 수도 있다. 역 운동학 블록(426)은 비교기(422)로부터 도구 팁 상태 추정치 차이(424)(δTtip)를 수신하고, 조인트 인코더(401)로부터 결합 인코더 데이터(θenc)를 수신할 수도 있다. 역 운동학 블록(426)은 도구 팁 상태 추정치 차이(424)(δTtip)를 조인트 조정 추정치(432)(δθCMD로서 나타냄)로 변환하기 위해 역 운동학을 적용할 수도 있다. 조인트 조정 추정치(432)(δθCMD)는 도구 팁 상태 추정치 차이(424)(δTtip)를 보상하기 위해 요구되는 조인트 위치 및/또는 모션(예를 들어, 속도) 조정의 추정치를 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 역 운동학 블록(426)은 도구 팁 상태 추정치 차이(424)(δTtip)에서의 도구 팁 속도 추정치 차이에 기초하여 조인트 속도 조정의 추정치 발생하기 위해 역 자코비안 함수(428)를 사용할 수도 있다.
조인트 조정 추정치(432)(δθCMD)는 결합기(434)로 송신될 수도 있는데, 이 결합기는 명령된 조인트 데이터(436)(θ'CMD로 나타냄)와 조인트 조정 추정치(432)(δθCMD)를 결합하여 조정된 명령된 조인트 데이터(438)(θCMD로 나타냄)를 발생한다. 예에서, 명령된 조인트 데이터(436)(θ'CMD)는 조작자 입력 시스템(예를 들어, 도 1a 내지 도 1c 예에서 조작자 입력 시스템(16))으로부터의 입력에 응답하여 시뮬레이션된 슬레이브 처리 유닛(308)에 의해 제공된다. 조정된 명령된 조인트 데이터(438)(θCMD)는 조정된 명령된 조인트 위치, 조정된 명령된 조인트 속도, 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 조인트 제어 유닛(318)은 도구 팁 상태 추정치 차이(424)(δTtip)에 기초하여 슬레이브 토크 명령 신호를 발생할 수도 있다. 도구 팁 상태 추정치 차이(424)(δTtip)를 사용함으로써, 조인트 제어 유닛(318)은 도구 팁 상태 추정치 차이(424)(δTtip)를 고려하는 슬레이브 토크 명령 신호를 발생한다. 슬레이브 토크 명령 신호는 슬레이브 조작기(207)의 모터(예를 들어, 요 조인트(208), 피치 조인트(212a, 212b, 212c), 스파 조인트(216), 삽입 기어(218)용 모터)를 구동하는 데 사용될 수도 있다.
다양한 실시예에서, 조인트 제어 유닛(318)은 슬레이브 조인트 모터를 제어하기 위한 피드백 제어기를 사용할 수도 있다. 피드백 제어기는 비례-미분(PD) 제어기, 비례-적분-미분(PID) 제어기, 임의의 선형 제어기(예를 들어, 리드-래그 제어기, H∞ 제어기, LQR/LQG 제어기), 선형-파라미터-가변 제어기, 활주-모드 또는 다른 적응형 제어기 및 임의의 다른 적합한 피드백 제어기를 포함할 수도 있다. 슬레이브 토크 명령 신호는, 피드백 제어기에 의해 계산된 피드백 에러가 제로 아웃될 때까지 슬레이브 조작기의 조인트를 구동하는 데 사용될 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 슬레이브 토크 명령 신호는 토크 포화 블록에 의해 추가로 조정될 수도 있는데, 이 토크 포화 블록은 명령 토크값이 그 각각의 모터에 대한 원하는 토크값을 최대로 초과하지 않도록 명령된 토크값을 제한할 수도 있다.
도 4b를 참조하면, 조인트 가속도 피드백 에러를 피드백하기 위해 링크 센서 시스템에 의해 제공된 링크 데이터를 사용하는 조인트 제어 유닛(450)(예를 들어, 도 3의 조인트 제어 유닛(318))이 도시되어 있다. 조인트 제어 유닛(450)은 이하에 설명되는 차이점 이외에는 도 3a의 조인트 제어 유닛(400)과 실질적으로 유사하다. 도 4b에 도시되어 있는 바와 같이, 다중-변수 제어기(452)(예를 들어, 다중-변수 H∞ 제어기)는 조인트 조정 추정치(432)를 수신하고(예를 들어, 역 운동학 블록(426)으로부터), 명령된 조인트 데이터(436)(θ'CMD)를 수신하고(예를 들어, 시뮬레이션된 슬레이브 처리 유닛(308)으로부터), 조인트 인코더 데이터(404)(θenc)를 수신할 수도 있다(예를 들어, 모터측 입력 처리 유닛(320)으로부터). 다중-변수 제어기(452)는 조인트 조정 추정치(432), 명령된 조인트 데이터(436), 및 조인트 인코더 데이터(404)에 기초하여 모터 토크 명령을 발생할 수도 있다. 슬레이브 출력 처리 유닛(310)은 다중-변수 제어기(452)로부터 슬레이브 토크 명령 신호를 수신하고, 이 신호를 적절한 전류로 변환하고, 이에 따라 모터를 구동하기 위해 슬레이브 조작기의 조인트 모터에 전류를 공급한다.
도 5는 모터측 센서(예를 들어, 조인트 인코더) 및 부하측 센서의 모두로부터의 측정 데이터에 기초하여 도구 팁을 제어하기 위한 방법(500)을 도시하고 있다. 방법(500)은 동작 또는 프로세스(502 내지 514)의 세트로서 도 5에 도시되어 있다. 예시된 프로세스(502 내지 514)의 모두가 방법(500)의 모든 실시예에서 수행될 수도 있는 것은 아니다. 부가적으로, 도 5에 명확하게 도시되지 않은 하나 이상의 프로세스는 프로세스(502 내지 514) 전에, 후에, 사이에, 또는 그의 부분으로서 포함될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 프로세스 중 하나 이상은 하나 이상의 프로세서(예를 들어, 제어 시스템의 프로세서)에 의해 실행될 때, 하나 이상의 프로세서가 프로세스 중 하나 이상을 수행하게 할 수도 있는 비일시적 탠저블 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 저장된 실행 가능한 코드 형태로 적어도 부분적으로 구현될 수도 있다.
방법(500)에 도시되어 있는 바와 같이, 조인트 제어기는 모터측 센서 및 부하측 센서의 모두로부터의 측정 데이터에 기초하여 조작기 아암의 조인트의 이동을 제어할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 부하측 센서는 원위 도구 팁과 병치되지 않은 조작기 아암 또는 다른 위치(예를 들어, 조작기 아암의 원위부에 의해 지지되는 도구)의 링크 상의 부하측 장소에 위치될 수도 있다. 이들 실시예에서, 조인트 제어기는 부하측 장소와 도구 팁 사이의 동역학을 고려하기 위해 동적 모델 유닛을 포함할 수도 있다. 모터측 센서 및 부하측 센서의 모두로부터의 측정 데이터를 이용하고 부하측 센서와 도구 팁 사이의 동역학을 고려함으로써, 감소된 진동 및 적은 정착 시간으로 더 양호한 도구 팁 제어가 달성된다.
방법(500)은 프로세스(502)에서 시작하고, 여기서 조인트 제어기가 로봇 시스템(예를 들어, 도 1a 내지 도 1c에 도시되어 있는 원격 조작 의료 시스템, 의료 시스템, 또는 비의료 시스템)의 조작기 아암의 조인트 인코더로부터 모터측(예를 들어, 조인트) 측정 데이터를 수신한다. 예를 들어, 마스터/슬레이브 제어 시스템(300)의 조인트 제어기 유닛(318)은 조작기 아암부(207)의 조인트 인코더로부터 조인트 측정 데이터를 수신할 수도 있다. 방법(500)은 프로세스(504)로 진행할 수도 있고, 여기서 조인트 제어기가 임의의 부하측 측정 데이터를 사용하지 않고 조인트 측정 데이터에 기초하여 제1 도구 팁 추정치를 발생한다. 예를 들어, 조인트 제어기 유닛(318)의 순 운동학 블록(402)은 제1 도구 팁 추정치를 발생하기 위해 조인트 측정 데이터에 순 운동학을 적용할 수도 있다. 방법(500)은 프로세스(506)로 진행할 수도 있고, 여기서 조인트 제어기가 부하측 센서 시스템으로부터 부하측 장소의 부하측 측정 데이터를 수신한다. 예를 들어, 조인트 제어기 유닛(318)은 부하측 센서 시스템(264)에 의해 제공된 부하측 장소(266)의 측정 데이터를 수신할 수도 있다.
방법(500)은 이어서 프로세스(508)로 진행할 수도 있고, 여기서 조인트 제어기가 조인트 측정 데이터와 부하측 측정 데이터의 모두에 기초하여 부하측 장소(266)의 위치 및 모션의 추정치를 발생한다. 프로세스(508)에서, 조인트 제어기 유닛(318)은 조인트 측정 데이터에 순 운동학을 적용하고, 부하측 장소(266)의 위치 및/또는 모션에 대한 추정치(
Figure pat00033
)를 발생하기 위해 순 운동학 블록(402)을 사용할 수도 있다. 상태 추정기(410)는 부하측 장소(266)의 융합 추정치(
Figure pat00034
)를 발생하기 위해 부하측 장소(266)의 부하측 측정 데이터(예를 들어, 가속도 데이터 및 각속도 데이터)와 제1 추정치(
Figure pat00035
)를 융합할 수도 있다.
방법(500)은 이어서 프로세스(510)로 진행할 수도 있고, 여기서 조인트 제어기가 융합된 부하측 장소 추정치 및 동적 모델을 사용하여 제2 도구 팁 추정치(융합된 도구 팁 추정치)를 발생한다. 동적 모델은 조작기 아암, 조작기 아암에 결합된 도구, 및 도구에 결합된 엔드 이펙터의 동역학에 기초하여 결정될 수도 있다. 예를 들어, 프로세스(510)에서, 동적 모델 유닛(412)은 상태 추정기(410)에 의해 제공되는 융합된 부하측 장소 추정치에 기초하여 융합된 도구 팁 추정치를 발생하기 위해 동적 모델을 사용할 수도 있다.
방법(500)은 이어서 프로세스(512)로 진행할 수도 있고, 여기서 조인트 제어기가 제1 및 제2 도구 팁 추정치 사이의 도구 팁 추정치 차이에 기초하여 조인트 조정 데이터를 결정한다. 예를 들어, 프로세스(512)에서, 조인트 제어기 유닛(318)은 비교기(422)를 사용하여 제1 및 제2 도구 팁 추정치를 비교함으로써 도구 팁 상태 추정치 차이(424)를 결정할 수도 있다. 역 운동학 블록(426)은 대응 조인트 조정 데이터를 발생하기 위해 도구 팁 상태 추정치 차이(424)에 역 운동학을 적용할 수도 있다.
방법(500)은 이어서 프로세스(514)로 진행할 수도 있고, 여기서 조인트 제어기가 조인트 조정 데이터에 기초하여 조인트의 모션을 제어할 수도 있다. 예를 들어, 프로세스(514)에서, 조인트 제어기 유닛(318)은 조인트 조정 데이터를 사용하여 명령된 조인트 데이터(θ'CMD)(예를 들어, 조작자 입력 시스템으로부터의 입력에 응답하여 시뮬레이션된 슬레이브 처리 유닛(308)에 의해 제공됨)를 조정할 수도 있다. 조인트 제어기 유닛(318)은 이어서 δTtip으로서 나타낸 최종 도구 팁 상태 추정치 차이(424)에 기초하여 조작기 아암의 조인트를 제어하기 위한 슬레이브 토크 명령 신호를 발생할 수도 있다. 모터측 및 부하측 측정 데이터의 모두를 사용하고 부하측 센서 시스템과 도구 팁 사이의 동역학을 고려함으로써, 더 양호한 도구 팁 제어가 달성된다.
방법(500)은 이어서 제1 데이터를 사용하여 도구 팁의 제2 파라미터의 제3 도구 팁 추정치가 발생될 수 있고 - 여기서, 도구 팁의 제2 파라미터는 도구 팁의 위치 및 속도 중 다른 하나임 -; 제1 및 제2 데이터를 사용하여 도구 팁의 제2 파라미터의 제4 도구 팁 추정치가 발생될 수 있고; 제1 차이 및 제3 및 제4 도구 팁 추정치 사이의 제2 차이에 기초하여 조인트가 제어될 수 있는 프로세스로 추가로 진행할 수 있다.
본 명세서에 설명된 도구 및 방법은 동물, 인간 시체, 동물 시체, 인간 또는 동물 해부학 구조의 부분, 비수술적 진단, 산업 시스템, 및 일반적인 로봇, 또는 원격 조작 시스템에 사용될 수도 있기 때문에, 수술 도구 및 수술 방법에 대한 임의의 언급은 비한정적이다.
본 발명의 실시예의 하나 이상의 요소는 제어 처리 시스템과 같은 컴퓨터 시스템의 프로세서 상에서 실행하기 위해 소프트웨어로 구현될 수도 있다. 소프트웨어로 구현될 때, 본 발명의 실시예의 요소는 본질적으로 필수 작업을 수행하기 위한 코드 세그먼트이다. 프로그램 또는 코드 세그먼트는 전송 매체 또는 통신 링크를 통해 반송파로 구체화된 컴퓨터 데이터 신호에 의해 다운로드될 수도 있는 프로세서-판독 가능 저장 매체 또는 디바이스에 저장될 수 있다. 프로세서 판독 가능 저장 디바이스는 광학 매체, 반도체 매체, 및 자기 매체를 포함하는 정보를 저장할 수 있는 임의의 매체를 포함할 수도 있다. 프로세서 판독 가능 저장 디바이스 예는 전자 회로; 반도체 디바이스, 반도체 메모리 디바이스, 판독 전용 메모리(read-only memory: ROM), 플래시 메모리, 소거 가능 프로그램 가능 판독 전용 메모리(EPROM); 플로피 디스켓, CD-ROM, 광학 디스크, 하드 디스크 또는 다른 저장 디바이스를 포함한다. 코드 세그먼트는 인터넷, 인트라넷 등과 같은 컴퓨터 네트워크를 통해 다운로드될 수도 있다.
제시된 프로세스 및 디스플레이는 본질적으로 임의의 특정 컴퓨터 또는 다른 장치와 관련되지 않을 수도 있다는 것을 주목하라. 다양한 범용 시스템이 본 명세서의 교시에 따른 프로그램과 함께 사용될 수도 있거나, 설명된 동작을 수행하기 위해 더 특수화된 장치를 구성하는 것이 편리한 것이 입증될 수도 있다. 다양한 이들 시스템을 위한 요구된 구조는 청구범위에서 요소로서 나타날 것이다. 게다가, 본 발명의 실시예는 임의의 특정 프로그래밍 언어를 참조하여 설명되지 않는다. 다양한 프로그래밍 언어가 본 명세서에 설명된 바와 같은 본 발명의 교시를 구현하기 위해 사용될 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 특정 예시적인 실시예가 설명되고 첨부 도면에 도시되었지만, 이러한 실시예는 단지 광범위한 발명의 예시이고 한정이 아니며, 통상의 기술자에게 다양한 다른 수정이 발생할 수도 있기 때문에, 본 발명의 실시예는 도시되고 설명된 특정 구성 및 배열에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (20)

  1. 시스템이며,
    도구의 모션의 제어를 위해 구성된 로봇 조작기로서, 상기 로봇 조작기는 조인트 및 상기 조인트에 연결된 링크를 포함하고, 상기 링크는 상기 도구에 연결되도록 구성되는, 로봇 조작기;
    하나 이상의 프로세서를 포함하는 처리 유닛을 포함하고,
    상기 처리 유닛은:
    상기 조인트의 조인트 측정 데이터를 사용하여 상기 도구의 제1 파라미터의 제1 추정치를 발생하고;
    상기 링크 또는 상기 도구에 위치된 센서 시스템으로부터 부하측 측정 데이터를 수신하고;
    상기 조인트 측정 데이터 및 부하측 측정 데이터를 사용하여 상기 도구의 제1 파라미터의 제2 추정치를 발생하고;
    상기 제1 추정치와 제2 추정치 사이의 제1 차이에 기초하여 상기 조인트를 제어하도록 구성되는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 추정치를 발생하기 위해, 상기 처리 유닛은:
    상기 조인트 측정 데이터 및 부하측 측정 데이터를 사용하여 상기 링크의 센서부의 제1 파라미터의 센서부 추정치를 발생하고 - 상기 센서 시스템은 상기 링크의 센서부에 위치됨 -;
    상기 센서부 추정치 및 상기 센서부와 상기 도구 사이의 동적 모델에 기초하여 상기 제2 추정치를 발생하도록 구성되는, 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 센서부 추정치는 칼만 필터, 입자 필터, 비선형 관측기, 및 알파-베타-감마 필터로 이루어진 그룹으로부터 선택된 상태 추정기 알고리즘을 사용하여 발생되는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 처리 유닛은 또한:
    상기 조인트 측정 데이터를 사용하여 상기 도구의 제2 파라미터의 제3 추정치를 발생하고 - 상기 도구의 제1 파라미터는 도구의 위치 및 속도 중 하나이고, 상기 도구의 제2 파라미터는 도구의 위치 및 속도 중 다른 하나임 -;
    상기 조인트 측정 데이터 및 부하측 측정 데이터를 사용하여 상기 도구의 제2 파라미터의 제4 추정치를 발생하고,
    상기 제1 차이 및 제3 추정치와 제4 추정치 사이의 제2 차이에 기초하여 상기 조인트를 제어하도록 구성되는, 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조인트 측정 데이터는 상기 조인트의 위치 및 속도 중 적어도 하나와 연관된 데이터를 포함하는, 시스템.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부하측 측정 데이터는 병진 가속도 데이터 및 각속도 데이터를 포함하는, 시스템.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 시스템은 가속도계 및 자이로스코프를 포함하는, 시스템.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조인트의 모션을 구동하기 위해 상기 조인트에 결합된 작동 조립체를 더 포함하고;
    상기 제1 차이에 기초하여 상기 조인트를 제어하기 위해, 상기 처리 유닛은:
    상기 제1 차이에 기초하여 조인트 조정 데이터를 발생하고;
    상기 작동 조립체를 제어하기 위한 조인트 조정 데이터에 기초하여 제어 신호를 발생하도록 구성되는, 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 조인트 조정 데이터는 상기 제1 차이에 역 운동학을 적용함으로써 발생되는, 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 차이는 상기 제1 추정치의 제1 속도 추정치와 상기 제2 추정치의 제2 속도 추정치 사이의 차이를 포함하고,
    상기 조인트 조정 데이터는 조인트 속도 조정 데이터를 포함하고,
    역 자코비안 함수가 상기 조인트 속도 조정 데이터를 발생하도록 상기 제1 차이에 적용되는, 시스템.
  11. 방법이며,
    로봇 조작기의 조인트의 조인트 측정 데이터를 수신하는 단계로서, 상기 로봇 조작기는 상기 조인트에 연결된 링크를 포함하는, 조인트 측정 데이터 수신 단계;
    상기 조인트 측정 데이터를 사용하여 도구의 제1 파라미터의 제1 추정치를 발생하는 단계로서, 상기 도구는 상기 링크에 연결되는, 제1 추정치 발생 단계;
    상기 링크 또는 상기 도구에 위치된 센서 시스템으로부터 부하측 측정 데이터를 수신하는 단계;
    상기 조인트 측정 데이터 및 부하측 측정 데이터를 사용하여 상기 도구의 제1 파라미터의 제2 추정치를 발생하는 단계; 및
    상기 제1 추정치와 제2 추정치 사이의 제1 차이에 기초하여 상기 조인트를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 추정치를 발생하는 단계는:
    상기 조인트 측정 데이터 및 부하측 측정 데이터를 사용하여 상기 링크의 센서부의 제1 파라미터의 센서부 추정치를 발생하는 단계로서; 상기 센서 시스템은 상기 링크의 센서부에 위치되는, 센서부 추정치 발생 단계; 및
    상기 센서부 추정치 및 상기 센서부와 상기 도구 사이의 동적 모델에 기초하여 상기 도구의 제2 추정치를 발생하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 센서부 추정치는 칼만 필터, 입자 필터, 및 알파-베타-감마 필터로 이루어진 그룹으로부터 선택된 상태 추정기 알고리즘을 사용하여 발생되는, 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 조인트 측정 데이터를 사용하여 상기 도구의 제2 파라미터의 제3 추정치를 발생하는 단계로서, 상기 도구의 제1 파라미터는 상기 도구의 위치 및 속도 중 하나이고, 상기 도구의 제2 파라미터는 상기 도구의 위치 및 속도 중 다른 하나인, 제3 추정치 발생 단계;
    상기 조인트 측정 데이터 및 부하측 측정 데이터를 사용하여 상기 도구의 제2 파라미터의 제4 추정치를 발생하는 단계; 및
    상기 제1 차이 및 제3 추정치와 제4 추정치 사이의 제2 차이에 기초하여 상기 조인트를 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조인트 측정 데이터는 상기 조인트의 위치 및 속도 중 적어도 하나와 연관된 데이터를 포함하는, 방법.
  16. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부하측 측정 데이터는 병진 가속도 데이터 및 각속도 데이터를 포함하는, 방법.
  17. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 차이에 기초하여 상기 조인트를 제어하는 단계는:
    상기 제1 차이에 기초하여 조인트 조정 데이터를 발생하는 단계; 및
    상기 조인트의 모션을 구동하기 위해 상기 조인트에 결합된 작동 조립체를 제어하기 위한 조인트 조정 데이터에 기초하여 제어 신호를 발생하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 조인트 조정 데이터는 상기 제1 차이에 역 운동학을 적용함으로써 발생되는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 차이는 상기 제1 추정치의 제1 속도 추정치와 상기 제2 추정치의 제2 속도 추정치 사이의 차이를 포함하고,
    상기 조인트 조정 데이터는 조인트 속도 조정 데이터를 포함하고,
    역 자코비안 함수가 상기 조인트 속도 조정 데이터를 발생하도록 상기 제1 차이에 적용되는, 방법.
  20. 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 하나 이상의 프로세서가 방법을 수행하게 하도록 구성되는 복수의 기계 판독 가능 명령을 포함하는 비일시적 기계 판독 가능 매체이며, 상기 방법은,
    로봇 조작기의 조인트의 조인트 측정 데이터를 수신하는 단계로서, 상기 로봇 조작기는 상기 조인트에 연결된 링크를 포함하는, 조인트 측정 데이터 수신 단계;
    상기 조인트 측정 데이터를 사용하여 도구의 제1 파라미터의 제1 추정치를 발생하는 단계로서, 상기 도구는 상기 링크에 연결되는, 제1 추정치 발생 단계;
    상기 링크 또는 상기 도구에 위치된 센서 시스템으로부터 부하측 측정 데이터를 수신하는 단계;
    상기 조인트 측정 데이터 및 부하측 측정 데이터 사용하여 상기 도구의 제1 파라미터의 제2 추정치를 발생하는 단계; 및
    상기 제1 추정치와 제2 추정치 사이의 제1 차이에 기초하여 상기 조인트를 제어하는 단계를 포함하는, 비일시적 기계 판독 가능 매체.
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