KR20230079417A - 접촉 정보의 검출에 기초한 수술 로봇의 충돌 회피 - Google Patents

접촉 정보의 검출에 기초한 수술 로봇의 충돌 회피 Download PDF

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KR20230079417A
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medical
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보 양
옌안 황
호세인 태헤리
바박 키안마지드
잉 마오
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아우리스 헬스, 인코포레이티드
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Abstract

로봇 시스템은 충돌 검출 및 회피를 가능하게 할 수 있다. 의료 로봇 시스템은 제1 운동학적 체인 및 제1 운동학적 체인의 하나 이상의 부분과의 접촉의 하나 이상의 파라미터를 검출하도록 위치되는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 의료 로봇 시스템은 하나 이상의 센서에 의해 검출된 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터로부터 결정된 제약에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로의 제1 운동학적 체인의 구성의 조절을 유발하도록 구성될 수 있다.

Description

접촉 정보의 검출에 기초한 수술 로봇의 충돌 회피
본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 로봇 아암(robotic arm)을 가진 의료 로봇 시스템(medical robotic system)에 관한 것으로, 더 구체적으로는 충돌을 회피하기 위해 로봇 아암을 자동으로 조절할 수 있는 의료 로봇 시스템에 관한 것이다.
의료 로봇 시스템을 사용하는 의료 절차 동안, 로봇 아암은 서로(예컨대, 아암 충돌) 그리고 환경(예컨대, 환자, 베드측 스태프(bed-side staff), 및 액세서리)과 접촉하게 될 수 있다. 로봇 아암들 사이의 충돌이 알려진 아암 구성에 기초하여 예측되고 회피될 수 있지만, 다른 물체와의, 특히 시간 경과에 따라 그들의 위치를 변경하는 물체에 대한 충돌을 예측하고 완전하게 회피하는 것은 어려웠다. 충돌의 유형에 관계없이, 충돌은 의료 절차에 지장을 줄 수 있고, 따라서 로봇 아암과의 충돌 발생을 감소시키거나 제거할 수 있는 의료 로봇 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
힘(예컨대, 또는 충돌의 다른 파라미터들)을 검출하기 위해 운동학적 구성요소(예컨대, 로봇 아암) 상의 하나 이상의 센서들을 사용하는 의료 로봇 시스템이 본 명세서에 개시된다. 충돌의 검출된 힘 또는 다른 파라미터들은 운동학적 구성요소의 구성(예컨대, 위치)을 조절하는 데 사용되고, 이는 이어서 운동학적 구성요소와의 미래의 충돌 발생을 감소시킨다.
일부 실시예에 따르면, 의료 로봇 시스템은 제1 운동학적 체인(kinematic chain); 제1 운동학적 체인의 하나 이상의 부분들과의 접촉의 하나 이상의 파라미터들을 검출하도록 위치되는 하나 이상의 센서들; 하나 이상의 센서들과 통신하는 하나 이상의 프로세서들; 및 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 때, 하나 이상의 센서들에 의해 검출된 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터들로부터 결정된 제약(constraint)에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로의 제1 운동학적 체인의 구성의 조절을 유발하는 명령어들을 저장한 메모리를 포함한다.
일부 실시예에 따르면, 방법은 의료 로봇 시스템과 통신하는 전자 장치에 의해 수행된다. 의료 로봇 시스템은 제1 운동학적 체인 및 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터들을 검출하도록 위치되는 하나 이상의 센서들을 포함한다. 방법은 하나 이상의 센서들에 의해 검출된 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터들을 수신하는 단계; 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터들에 기초하여 제1 운동학적 체인과 연관된 제약을 결정하는 단계; 및 제약에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로의 제1 운동학적 체인의 구성의 조절을 유발하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에 따르면, 전자 장치는 하나 이상의 프로세서들, 및 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 때, 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 하나 이상의 센서들에 의해 검출된, 의료 로봇 시스템의 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터들을 수신하고; 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터들에 기초하여 제1 운동학적 체인과 연관된 제약을 결정하고; 제약에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로의 제1 운동학적 체인의 구성의 조절을 유발하게 하는 명령어들을 저장한 메모리를 포함한다.
일부 실시예에 따르면, 컴퓨터 판독가능 저장 매체는 전자 장치의 하나 이상의 프로세서들에 의한 실행을 위한 명령어들을 저장한다. 저장된 명령어들은 하나 이상의 센서들에 의해 검출된, 의료 로봇 시스템의 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터들을 수신하고; 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터들에 기초하여 제1 운동학적 체인과 연관된 제약을 결정하고; 제약에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로의 제1 운동학적 체인의 구성의 조절을 유발하기 위한 명령어들을 포함한다.
일부 실시예에 따르면, 의료 로봇 시스템은 제1 로봇 아암; 제1 로봇 아암에 인접한 물체들의 존재를 검출하도록 위치되는 하나 이상의 센서들; 하나 이상의 센서들과 통신하는 하나 이상의 프로세서들; 및 메모리를 포함한다. 메모리는, 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 때, 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 하나 이상의 센서들로부터, 제1 로봇 아암 부근에 있는 하나 이상의 물체들의 하나 이상의 위치 로케이션들(positional locations)에 대응하는 제1 센서 정보를 수신하고; 제1 센서 정보에 기초하여, 제1 로봇 아암에 인접한 물체들의 공간적 관계들을 특성화하는 물체 맵(object map)을 생성하거나 업데이트하고; 제1 로봇 아암의 구성을 물체 맵에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로 조절하게 하는 명령어들을 저장한다.
일부 실시예에 따르면, 의료 로봇 시스템은 제1 로봇 아암; 제1 로봇 아암 부근의 동적 물체(dynamic object)의 존재를 검출하도록 위치되는 하나 이상의 센서들; 하나 이상의 센서들과 통신하는 하나 이상의 프로세서들; 및 메모리를 포함한다. 메모리는, 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 때, 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 하나 이상의 센서들로부터, 제1 로봇 아암 부근에 있는 동적 물체의 위치에 대응하는 센서 정보를 수신하고; 센서 정보에 기초하여, 제1 로봇 아암 부근의 물체들의 공간적 관계들을 특성화하는 물체 맵을 생성하거나 업데이트하고; 제1 로봇 아암의 구성을 물체 맵에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로 조절하게 하는 명령어들을 저장한다.
일부 실시예에 따르면, 방법은 제1 로봇 아암 및 제1 로봇 아암 부근의 물체들의 존재를 검출하도록 위치되는 하나 이상의 센서들을 포함하는 의료 로봇 시스템과 통신하는 전자 장치에 의해 수행된다. 방법은 하나 이상의 센서들로부터, 제1 로봇 아암 부근에 존재하는 하나 이상의 물체들의 위치들에 대응하는 센서 정보를 수신하는 단계; 센서 정보에 기초하여, 제1 로봇 아암 부근의 물체들의 공간적 관계들을 특성화하는 물체 맵을 생성하거나 업데이트하는 단계; 및 제1 로봇 아암의 구성을 물체 맵에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로 조절하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에 따르면, 전자 장치는 하나 이상의 프로세서들; 및 메모리를 포함한다. 메모리는, 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 때, 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 하나 이상의 센서들로부터, 의료 로봇 시스템의 제1 로봇 아암 부근에 있는 하나 이상의 물체들의 위치들에 대응하는 센서 정보를 수신하고; 센서 정보에 기초하여, 제1 로봇 아암 부근의 물체들의 공간적 관계들을 특성화하는 물체 맵을 생성하거나 업데이트하고; 물체 맵에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로의 제1 로봇 아암의 구성의 조절을 유발하게 하는 명령어들을 저장한다.
일부 실시예에 따르면, 컴퓨터 판독가능 저장 매체는 전자 장치의 하나 이상의 프로세서들에 의한 실행을 위한 명령어들을 저장한다. 저장된 명령어들은 의료 로봇 시스템의 제1 로봇 아암에 인접하게 존재하는 하나 이상의 물체들의 위치들에 대응하는 센서 정보를 수신하고; 센서 정보에 기초하여, 제1 로봇 아암에 인접한 물체들의 공간적 관계들을 특성화하는 물체 맵을 생성하거나 업데이트하고; 물체 맵에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로의 제1 로봇 아암의 구성의 조절을 유발하기 위한 명령어들을 포함한다.
개시된 태양은, 개시된 태양을 제한하지 않고 예시하기 위해 제공되는 첨부 도면과 함께 본 명세서에 후술될 것이며, 여기서 유사한 명칭은 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경술 절차(들)를 위해 배열된 카트(cart)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 2는 도 1의 로봇 시스템의 추가의 태양을 도시한 도면.
도 3은 요관경술을 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 4는 혈관 절차를 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 5는 기관지경술 절차를 위해 배열된 테이블(table)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 6은 도 5의 로봇 시스템의 대안적인 도면을 제공한 도면.
도 7은 로봇 아암(들)을 적재하도록(stow) 구성된 예시적인 시스템을 예시한 도면.
도 8은 요관경술 절차를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 9는 복강경술 절차를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 10은 피치(pitch) 또는 틸트(tilt) 조절을 갖는 도 5 내지 도 9의 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 11은 도 5 내지 도 10의 테이블-기반 로봇 시스템의 테이블과 칼럼(column) 사이의 인터페이스(interface)의 상세한 예시를 제공한 도면.
도 12는 테이블-기반 로봇 시스템의 대안적인 실시예를 예시한 도면.
도 13은 도 12의 테이블-기반 로봇 시스템의 단부도를 예시한 도면.
도 14는 로봇 아암이 그에 부착된 테이블-기반 로봇 시스템의 단부도를 예시한 도면.
도 15는 예시적인 기구 드라이버(instrument driver)를 예시한 도면.
도 16은 페어링된(paired) 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한 도면.
도 17은 구동 유닛의 축이 기구의 세장형 샤프트(elongated shaft)의 축에 평행한 기구 드라이버 및 기구에 대한 대안적인 설계를 예시한 도면.
도 18은 기구-기반 삽입 아키텍처(insertion architecture)를 갖는 기구를 예시한 도면.
도 19는 예시적인 제어기를 예시한 도면.
도 20은 예시적인 실시예에 따른, 도 16 내지 도 18의 기구의 위치와 같은, 도 1 내지 도 10의 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치결정 시스템(localization system)을 예시한 블록도를 도시한 도면.
도 21은 일부 실시예에 따른 예시적인 로봇 아암을 예시한 도면.
도 22a 및 도 22b는 일부 실시예에 따른, 로봇 아암의 일부분을 형성할 수 있는 예시적인 로봇 링크(link)를 예시한 도면.
도 23은 일부 실시예에 따른, 강성 쉘(rigid shell)을 포함하고 외부 물체와의 접촉을 검출하도록 구성된 예시적인 링크를 예시한 도면.
도 24는 일부 실시예에 따른, 도 23의 링크에 사용될 수 있는 힘-감지 센서의 예를 예시한 도면.
도 25a 및 도 25b는 일부 실시예에 따른, 복수의 센서가 링크에 포함되는 링크의 2개의 도면을 예시한 도면.
도 25c 및 도 25d는 일부 실시예에 따른, 복수의 센서가 링크에 포함되는 링크의 2개의 도면을 예시한 도면.
도 26은 일부 실시예에 따른, 조절가능 아암 지지부(adjustable arm support)를 포함하는 로봇 시스템의 예를 예시한 도면.
도 27은 1 이상의 자유도(degree-of-freedom, DoF)가 로봇 아암, 조절가능 아암 지지부, 및 셋업 조인트(set-up joint) 사이에서 공유될 수 있는 방법을 개략적으로 예시한 도면.
도 28은 일부 실시예에 따른, 접촉 정보에 기초하여 하나 이상의 운동학적 체인을 조절하기 위한 방법을 예시한 흐름도.
도 29a 내지 도 29f는 도 28의 흐름도에 도시된 동작 동안의 로봇 아암의 구성을 예시한 도면.
도 30은 일부 실시예에 따른, 접촉 정보에 기초하여 운동학적 체인의 구성을 조절하는 방법을 예시한 흐름도.
도 31은 일부 실시예에 따른, 부근의 물체를 검출하기 위해 장착된 센서를 도시한 도면.
도 32는 동적 환경에 관한 정보를 수집하기 위한 다수의 센서를 가진 로봇 아암의 예를 도시한 도면.
도 33은 일부 실시예에 따른, 하나 이상의 센서에 의해 검출된 정보에 기초한 대응하는 맵을 가진 사람의 예시적인 표현을 예시한 도면.
도 34는 일부 실시예에 따른, 검출된 물체 정보에 기초하여 하나 이상의 운동학적 체인을 조절하기 위한 방법을 예시한 흐름도.
도 35a 내지 도 35g는 일부 실시예에 따른, 로봇 아암 및 대응하는 맵의 구성을 예시한 도면.
도 36a 및 도 36b는 일부 실시예에 따른 버퍼 구역(buffer zone)을 예시한 개략도.
도 37은 일부 실시예에 따른, 센서 정보에 기초하여 로봇 아암의 구성을 조절하는 방법을 예시한 흐름도.
도 38은 일부 실시예에 따른, 의료 로봇 시스템의 전자 구성요소를 예시한 개략도.
1. 개요.
본 개시의 태양은 복강경술과 같은 최소 침습 절차 및 내시경술과 같은 비-침습 절차 둘 모두를 비롯하여 다양한 의료 절차를 수행할 수 있는 로봇식(robotically-enabled) 의료 시스템에 통합될 수 있다. 내시경술 절차 중에서, 시스템은 기관지경술, 요관경술, 위내시경술(gastroscopy) 등을 수행하는 것이 가능할 수 있다.
광범위한 절차를 수행하는 것에 더하여, 시스템은 의사를 보조하기 위한 향상된 이미징 및 안내와 같은 추가의 이점을 제공할 수 있다. 추가적으로, 시스템은 다루기 어려운 아암 움직임 및 위치에 대한 필요 없이 인체공학적 위치로부터 절차를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수 있다. 더욱이, 시스템은, 시스템의 기구들 중 하나 이상이 단일 사용자에 의해 제어될 수 있도록, 개선된 사용 용이성을 갖고서 절차를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수 있다.
다양한 실시예가 예시의 목적으로 도면과 함께 후술될 것이다. 개시된 개념의 많은 다른 구현예가 가능하고, 개시된 구현예로 다양한 이점이 달성될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 참조를 위해 그리고 다양한 섹션을 찾는 데 도움을 주기 위해 표제가 본 명세서에 포함된다. 이들 표제는 그와 관련하여 기술되는 개념의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 그러한 개념은 전체 명세서 전반에 걸쳐 적용될 수 있다.
A. 로봇 시스템 - 카트.
로봇식 의료 시스템은 특정 절차에 따라 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경술 절차를 위해 배열된 카트-기반 로봇식 시스템(10)의 일 실시예를 예시한다. 기관지경술 동안, 시스템(10)은 기관지경술을 위한 절차-특정적 기관지경일 수 있는, 조향가능 내시경(13)과 같은 의료 기구를 진단 및/또는 치료 도구를 전달하기 위한 자연 구멍 접근 지점(natural orifice access point)(즉, 본 예에서 테이블 상에 위치된 환자의 입)으로 전달하기 위한 하나 이상의 로봇 아암(12)을 갖는 카트(11)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 접근 지점에 대한 접근을 제공하기 위해 환자의 상체에 근접하게 위치될 수 있다. 유사하게, 로봇 아암(12)은 접근 지점에 대해 기관지경을 위치시키도록 작동될 수 있다. 도 1의 배열은 또한, 위장(gastro-intestinal, GI) 절차를 위한 전문화된 내시경인 위내시경으로 GI 절차를 수행할 때 이용될 수 있다. 도 2는 카트의 예시적인 실시예를 더 상세히 도시한다.
계속해서 도 1을 참조하면, 일단 카트(11)가 적절하게 위치되면, 로봇 아암(12)은 조향가능 내시경(13)을 로봇으로, 수동으로, 또는 이들의 조합으로 환자 내로 삽입할 수 있다. 도시된 바와 같이, 조향가능 내시경(13)은 적어도 2개의 삽통 부품(telescoping part), 예컨대 내부 리더(leader) 부분 및 외부 시스(sheath) 부분을 포함할 수 있으며, 각각의 부분은 기구 드라이버들(28)의 세트로부터의 별개의 기구 드라이버에 결합되고, 각각의 기구 드라이버는 개별 로봇 아암의 원위 단부에 결합된다. 리더 부분을 시스 부분과 동축으로 정렬하는 것을 용이하게 하는, 기구 드라이버(28)의 이러한 선형 배열은 하나 이상의 로봇 아암(12)을 상이한 각도 및/또는 위치로 조작함으로써 공간에서 재위치될 수 있는 "가상 레일(virtual rail)"(29)을 생성한다. 본 명세서에 기술되는 가상 레일은 파선을 사용하여 도면에 도시되어 있으며, 따라서 파선은 시스템의 임의의 물리적 구조를 도시하지 않는다. 가상 레일(29)을 따른 기구 드라이버(28)의 병진은 외부 시스 부분에 대해 내부 리더 부분을 삽통식으로 이동시키거나, 환자로부터 내시경(13)을 전진 또는 후퇴시킨다. 가상 레일(29)의 각도는 임상 적용 또는 의사 선호도에 기초하여 조절, 병진, 및 피봇될(pivoted) 수 있다. 예를 들어, 기관지경술에서, 도시된 바와 같은 가상 레일(29)의 각도 및 위치는 내시경(13)을 환자의 입 안으로 구부림으로써 발생하는 마찰을 최소화하면서 내시경(13)에 대한 의사 접근을 제공하는 것 사이의 절충을 나타낸다.
내시경(13)은 표적 목적지 또는 수술 부위에 도달할 때까지 로봇 시스템으로부터의 정확한 명령을 사용하여 삽입 후 환자의 기관 및 폐를 따라 지향될 수 있다. 환자의 폐 네트워크(lung network)를 통한 내비게이션(navigation)을 향상시키고/시키거나 원하는 표적에 도달하기 위해, 내시경(13)은 향상된 관절운동 및 더 큰 굽힘 반경을 얻기 위해 외부 시스 부분으로부터 내부 리더 부분을 삽통식으로 연장시키도록 조작될 수 있다. 별개의 기구 드라이버(28)의 사용은 또한 리더 부분과 시스 부분이 서로 독립적으로 구동되도록 허용한다.
예를 들어, 내시경(13)은, 예를 들어 환자의 폐 내의 병변 또는 결절과 같은 표적에 생검 바늘을 전달하도록 지향될 수 있다. 바늘은 병리학자에 의해 분석될 조직 샘플을 얻기 위해 내시경의 길이를 따라 연장되는 작업 채널(working channel)을 따라 전개될 수 있다. 병리학 결과에 따라, 추가 도구가 추가 생검을 위해 내시경의 작업 채널을 따라 전개될 수 있다. 결절을 악성으로 확인한 후에, 내시경(13)은 잠재적인 암 조직을 절제하기 위한 도구를 내시경으로 전달할 수 있다. 일부 경우에, 진단 및 치료 처치제(treatment)가 별개의 절차로 전달될 수 있다. 그들 상황에서, 내시경(13)은 또한 표적 결절의 위치를 "표시"하기 위한 기준점을 전달하는 데에도 사용될 수 있다. 다른 경우에서, 진단 및 치료 처치제는 동일한 절차 동안 전달될 수 있다.
시스템(10)은 또한 이동가능 타워(tower)(30)를 포함할 수 있으며, 이는 카트(11)에 지원 케이블을 통해 연결되어 카트(11)에 제어부, 전자장치, 유체장치, 광학계, 센서, 및/또는 전력에 대한 지원을 제공할 수 있다. 그러한 기능을 타워(30) 내에 두는 것은 수술 의사 및 그/그녀의 스태프에 의해 더 용이하게 조절 및/또는 재위치될 수 있는 더 작은 형태 인자(form factor)의 카트(11)를 허용한다. 추가적으로, 카트/테이블과 지원 타워(30) 사이의 기능의 분할은 수술실의 어수선함을 감소시키고, 임상 작업흐름의 개선을 용이하게 한다. 카트(11)는 환자 가까이에 위치될 수 있지만, 타워(30)는 절차 동안 방해가 되지 않도록 원격 위치에 적재될 수 있다.
전술된 로봇 시스템을 지원하기 위해, 타워(30)는, 예를 들어 영구 자기 저장 드라이브(persistent magnetic storage drive), 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive) 등과 같은 비-일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장하는 컴퓨터-기반 제어 시스템의 구성요소(들)를 포함할 수 있다. 그들 명령어의 실행은, 실행이 타워(30)에서 발생하든 또는 카트(11)에서 발생하든 간에, 전체 시스템 또는 그의 서브-시스템(들)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템의 프로세서에 의해 실행될 때, 명령어는 로봇 시스템의 구성요소로 하여금 관련 캐리지(carriage) 및 아암 마운트(arm mount)를 작동시키고, 로봇 아암을 작동시키고, 의료 기구를 제어하게 할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호를 수신하는 것에 응답하여, 로봇 아암의 조인트 내의 모터는 아암을 소정 자세로 위치시킬 수 있다.
타워(30)는 또한, 내시경(13)을 통해 전개될 수 있는 시스템에 제어된 관주 및 흡인 능력을 제공하기 위해 펌프, 유량계, 밸브 제어부, 및/또는 유체 접근부(fluid access)를 포함할 수 있다. 이들 구성요소는 또한 타워(30)의 컴퓨터 시스템을 사용하여 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 관주 및 흡인 능력은 별개의 케이블(들)을 통해 내시경(13)으로 직접 전달될 수 있다.
타워(30)는 카트(11)에 필터링되고 보호된 전력을 제공하도록 설계되는 전압 및 서지(surge) 보호기를 포함하여, 그에 의해 카트(11) 내에 전력 변압기 및 다른 보조 전력 구성요소를 배치하는 것을 회피하여, 더 작고 더 이동가능한 카트(11)를 생성할 수 있다.
타워(30)는 또한 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 전개된 센서에 대한 지원 장비를 포함할 수 있다. 예를 들어, 타워(30)는 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 광학 센서 또는 카메라로부터 수신된 데이터를 검출, 수신, 및 처리하기 위한 광-전자 장비를 포함할 수 있다. 제어 시스템과 조합하여, 그러한 광-전자 장비는 타워(30) 내를 비롯하여, 시스템 전체에 걸쳐 전개된 임의의 수의 콘솔(console)에 디스플레이하기 위한 실시간 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있다. 유사하게, 타워(30)는 또한 전개된 전자기(electromagnetic, EM) 센서로부터 수신되는 신호를 수신하고 처리하기 위한 전자 서브시스템을 포함할 수 있다. 타워(30)는 또한 의료 기구 내의 또는 그 상의 EM 센서에 의한 검출을 위한 EM 필드 발생기(field generator)를 수용하고 위치시키는 데 사용될 수 있다.
타워(30)는 또한 시스템의 나머지 부분에서 이용가능한 다른 콘솔, 예컨대 카트의 상부에 장착된 콘솔에 더하여 콘솔(31)을 포함할 수 있다. 콘솔(31)은 의사 조작자를 위한 사용자 인터페이스 및 디스플레이 스크린, 예컨대 터치스크린을 포함할 수 있다. 시스템(10) 내의 콘솔은 일반적으로 로봇 제어뿐만 아니라 절차의 수술전 및 실시간 정보, 예컨대 내시경(13)의 내비게이션 및 위치결정 정보 둘 모두를 제공하도록 설계된다. 콘솔(31)이 의사가 이용가능한 유일한 콘솔이 아닐 때, 그것은 간호사와 같은 제2 조작자에 의해, 환자의 건강 또는 바이탈(vital) 및 시스템의 동작을 모니터링할 뿐만 아니라, 내비게이션 및 위치결정 정보와 같은 절차-특정적 데이터를 제공하는 데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 콘솔(31)은 타워(30)와 별개인 본체 내에 수용된다.
타워(30)는 하나 이상의 케이블 또는 연결부(도시되지 않음)를 통해 카트(11) 및 내시경(13)에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 타워(30)로부터의 지원 기능은 단일 케이블을 통해 카트(11)에 제공되어, 수술실을 간소화하고 정리할 수 있다. 다른 실시예에서, 특정 기능은 별개의 케이블류(cabling) 및 연결부로 결합될 수 있다. 예를 들어, 전력은 단일 전력 케이블을 통해 카트에 제공될 수 있지만, 제어부, 광학계, 유체장치, 및/또는 내비게이션에 대한 지원은 별개의 케이블을 통해 제공될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 카트-기반 로봇식 시스템으로부터의 카트의 일 실시예의 상세한 예시를 제공한다. 카트(11)는 일반적으로 세장형 지지 구조물(14)(흔히 "칼럼"으로 지칭됨), 카트 기부(15), 및 칼럼(14)의 상부에 있는 콘솔(16)을 포함한다. 칼럼(14)은 하나 이상의 로봇 아암(12)(3개가 도 2에 도시됨)의 전개를 지원하기 위한 캐리지(17)(대안적으로 "아암 지지부")와 같은 하나 이상의 캐리지를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 환자에 대한 더 양호한 위치설정을 위해 로봇 아암(12)의 기부를 조절하도록 수직 축을 따라 회전하는 개별적으로 구성가능한 아암 마운트를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 또한 캐리지(17)가 칼럼(14)을 따라 수직으로 병진하도록 허용하는 캐리지 인터페이스(19)를 포함한다.
캐리지 인터페이스(19)는 캐리지(17)의 수직 병진을 안내하기 위해 칼럼(14)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에 위치되는, 슬롯(slot)(20)과 같은 슬롯을 통해 칼럼(14)에 연결된다. 슬롯(20)은 캐리지를 카트 기부(15)에 대해 다양한 수직 높이에 위치시키고 유지하기 위한 수직 병진 인터페이스를 포함한다. 캐리지(17)의 수직 병진은 카트(11)가 로봇 아암(12)의 도달범위를 조절하여 다양한 테이블 높이, 환자 크기, 및 의사 선호도를 충족시키도록 허용한다. 유사하게, 캐리지(17) 상의 개별적으로 구성가능한 아암 마운트는 로봇 아암(12)의 로봇 아암 기부(21)가 다양한 구성으로 경사지도록 허용한다.
일부 실시예에서, 슬롯(20)은 캐리지(17)가 수직으로 병진함에 따라 수직 병진 인터페이스 및 칼럼(14)의 내부 챔버 내로 먼지 및 유체가 유입되는 것을 방지하기 위해 슬롯 표면과 동일 평면상에 있고 그에 평행한 슬롯 커버로 보완될 수 있다. 슬롯 커버는 슬롯(20)의 수직 상부 및 저부 부근에 위치된 스프링 스풀들(spring spools)의 쌍을 통해 전개될 수 있다. 커버는 캐리지(17)가 상향 및 하향으로 수직으로 병진함에 따라 그들의 코일링된(coiled) 상태로부터 연장 및 후퇴되도록 전개될 때까지 스풀 내에 코일링된다. 스풀의 스프링-로딩(spring-loading)은 캐리지(17)가 스풀을 향해 병진할 때 커버를 스풀 내로 후퇴시키는 힘을 제공함과 동시에, 또한 캐리지(17)가 스풀로부터 멀어지게 병진할 때 밀폐 시일(tight seal)을 유지한다. 커버는 캐리지(17)가 병진함에 따라 커버의 적절한 연장 및 후퇴를 보장하기 위해, 예를 들어 캐리지 인터페이스(19) 내의 브래킷(bracket)을 사용하여 캐리지(17)에 연결될 수 있다.
칼럼(14)은 내부적으로, 사용자 입력, 예컨대 콘솔(16)로부터의 입력에 응답하여 생성된 제어 신호에 응답하여 기계화된 방식으로 캐리지(17)를 병진시키기 위해 수직으로 정렬된 리드 스크류(lead screw)를 사용하도록 설계되는, 기어 및 모터와 같은 메커니즘을 포함할 수 있다.
로봇 아암(12)은 일반적으로, 일련의 조인트(24)에 의해 연결되는 일련의 링크장치(linkage)(23)에 의해 분리되는 로봇 아암 기부(21) 및 엔드 이펙터(end effector)(22)를 포함할 수 있으며, 각각의 조인트는 독립적인 액추에이터(actuator)를 포함하고, 각각의 액추에이터는 독립적으로 제어가능한 모터를 포함한다. 각각의 독립적으로 제어가능한 조인트는 로봇 아암이 이용가능한 독립적인 자유도를 나타낸다. 아암들(12) 각각은 7개의 조인트를 가지며, 따라서 7 자유도를 제공한다. 다수의 조인트는 다수의 자유도를 생성하여, "여유(redundant)" 자유도를 허용한다. 여유 자유도는 로봇 아암(12)이 상이한 링크장치 위치 및 조인트 각도를 사용하여 공간에서 특정 위치, 배향, 및 궤적으로 그들 각각의 엔드 이펙터(22)를 위치시키도록 허용한다. 이는 시스템이 의료 기구를 공간에서 원하는 지점으로부터 위치시키고 지향시키도록 허용함과 동시에, 의사가 아암 충돌을 회피하면서 더 우수한 접근을 생성하기 위해 아암 조인트를 환자로부터 떨어진 임상적으로 유리한 위치로 이동시키도록 허용한다.
카트 기부(15)는 바닥 위에서 칼럼(14), 캐리지(17), 및 아암(12)의 중량의 균형을 잡는다. 따라서, 카트 기부(15)는 전자장치, 모터, 전력 공급부와 같은 더 무거운 구성요소뿐만 아니라, 이동을 가능하게 하고/하거나 카트를 움직이지 못하게 하는 구성요소를 수용한다. 예를 들어, 카트 기부(15)는 절차 전에 카트가 수술실을 용이하게 돌아다니도록 허용하는 롤링가능 휠(rollable wheel)-형상의 캐스터(caster)(25)를 포함한다. 적절한 위치에 도달한 후에, 캐스터(25)는 절차 동안 카트(11)를 제위치로 유지하기 위해 휠 로크(wheel lock)를 사용하여 움직이지 못하게 될 수 있다.
칼럼(14)의 수직 단부에 위치되어, 콘솔(16)은 사용자 입력을 수신하기 위한 사용자 인터페이스, 및 수술전 데이터 및 수술중 데이터 둘 모두를 의사 사용자에게 제공하기 위한 디스플레이 스크린 둘 모두(또는 예를 들어 터치스크린(26)과 같은 이중-목적 장치)를 허용한다. 터치스크린(26) 상의 잠재적인 수술전 데이터는 수술전 계획, 수술전 컴퓨터 단층촬영(computerized tomography, CT) 스캔으로부터 도출된 내비게이션 및 매핑 데이터(mapping data), 및/또는 수술전 환자 인터뷰로부터의 기록을 포함할 수 있다. 디스플레이 상의 수술중 데이터는 도구로부터 제공되는 광학 정보, 센서로부터의 센서 및 좌표 정보뿐만 아니라, 호흡, 심박수, 및/또는 맥박과 같은 바이탈 환자 통계치를 포함할 수 있다. 콘솔(16)은 의사가 캐리지(17) 반대편에 있는 칼럼(14)의 측부로부터 콘솔에 접근하게 허용하도록 위치되고 틸팅될 수 있다. 이러한 위치로부터, 의사는 카트(11) 뒤로부터 콘솔(16)을 동작시키면서 콘솔(16), 로봇 아암(12), 및 환자를 관찰할 수 있다. 도시된 바와 같이, 콘솔(16)은 또한 카트(11)를 조작하고 안정시키는 것을 보조하기 위한 손잡이(27)를 포함한다.
도 3은 요관경술을 위해 배열된 로봇식 시스템(10)의 일 실시예를 예시한다. 요관경술 절차에서, 카트(11)는 환자의 요도 및 요관을 통과하도록 설계된 절차-특정적 내시경인 요관경(32)을 환자의 하복부 영역으로 전달하도록 위치될 수 있다. 요관경술에서, 요관경(32)이 환자의 요도와 직접 정렬되어 그러한 영역 내의 민감한 해부학적 구조에 대한 마찰과 힘을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 환자의 요도에 대한 직접적인 선형 접근을 위해 요관경(32)을 위치시키게 허용하도록 테이블의 풋(foot)에 정렬될 수 있다. 테이블의 풋으로부터, 로봇 아암(12)은 요관경(32)을 가상 레일(33)을 따라 요도를 통해 환자의 하복부 내로 직접 삽입할 수 있다.
요도 내로의 삽입 후에, 기관지경술에서와 유사한 제어 기법을 사용하여, 요관경(32)은 진단 및/또는 치료 응용을 위해 방광, 요관, 및/또는 신장 내로 내비게이팅될 수 있다. 예를 들어, 요관경(32)은 요관경(32)의 작업 채널을 따라 전개된 레이저 또는 초음파 쇄석술 장치를 사용하여 신장 결석 축적물을 부수기 위해 요관 및 신장 내로 지향될 수 있다. 쇄석술이 완료된 후에, 생성된 결석 파편은 요관경(32)을 따라 전개된 바스켓(basket)을 사용하여 제거될 수 있다.
도 4는 혈관 절차를 위해 유사하게 배열된 로봇식 시스템의 일 실시예를 예시한다. 혈관 절차에서, 시스템(10)은 카트(11)가 조향가능 카테터(steerable catheter)와 같은 의료 기구(34)를 환자의 다리 내의 대퇴 동맥 내의 접근 지점으로 전달할 수 있도록 구성될 수 있다. 대퇴 동맥은 내비게이션을 위한 더 큰 직경뿐만 아니라 환자의 심장으로의 상대적으로 덜 우회하고 사행형인 경로 둘 모두를 나타내며, 이는 내비게이션을 단순화한다. 요관경술 절차에서와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 환자의 대퇴부/둔부 영역 내의 대퇴 동맥 접근 지점에 대한 직접적인 선형 접근을 갖는 가상 레일(35)을 제공하게 허용하도록 환자의 다리 및 하복부를 향해 위치될 수 있다. 동맥 내로의 삽입 후에, 의료 기구(34)는 기구 드라이버(28)를 병진시킴으로써 지향되고 삽입될 수 있다. 대안적으로, 카트는, 예를 들어 어깨 및 손목 부근의 경동맥 및 상완 동맥과 같은 대안적인 혈관 접근 지점에 도달하기 위해 환자의 상복부 주위에 위치될 수 있다.
B. 로봇 시스템 - 테이블.
로봇식 의료 시스템의 실시예는 또한 환자의 테이블을 통합할 수 있다. 테이블의 통합은 카트를 제거함으로써 수술실 내의 자본 장비의 양을 감소시키며, 이는 환자에 대한 더 우수한 접근을 허용한다. 도 5는 기관지경술 절차를 위해 배열된 그러한 로봇식 시스템의 일 실시예를 예시한다. 시스템(36)은 바닥 위에서 플랫폼(platform)(38)("테이블" 또는 "베드"로 도시됨)을 지지하기 위한 지지 구조물 또는 칼럼(37)을 포함한다. 카트-기반 시스템에서와 매우 유사하게, 시스템(36)의 로봇 아암(39)의 엔드 이펙터는 기구 드라이버(42)를 포함하며, 이는 도 5의 기관지경(40)과 같은 세장형 의료 기구를 기구 드라이버(42)의 선형 정렬로부터 형성된 가상 레일(41)을 통해 또는 그를 따라 조작하도록 설계된다. 실제로, 형광투시 이미징(fluoroscopic imaging)을 제공하기 위한 C-아암이 방출기(emitter) 및 검출기(detector)를 테이블(38) 주위에 배치함으로써 환자의 상복부 영역 위에 위치될 수 있다.
도 6은 논의 목적을 위해 환자 및 의료 기구가 없는 시스템(36)의 대안적인 도면을 제공한다. 도시된 바와 같이, 칼럼(37)은 시스템(36) 내에 링(ring)-형상으로 도시된 하나 이상의 캐리지(43)를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 로봇 아암(39)이 그로부터 기초할 수 있다. 캐리지(43)는 로봇 아암(39)이 그로부터 환자에게 도달하도록 위치될 수 있는 상이한 유리한 지점을 제공하기 위해 칼럼(37)의 길이를 따라 연장되는 수직 칼럼 인터페이스(44)를 따라 병진할 수 있다. 캐리지(들)(43)는, 로봇 아암(39)이 예를 들어 환자의 양쪽 측부와 같은 테이블(38)의 다수의 측부에 접근할 수 있도록 허용하기 위해, 칼럼(37) 내에 위치된 기계식 모터를 사용하여 칼럼(37)을 중심으로 회전할 수 있다. 다수의 캐리지를 갖는 실시예에서, 캐리지는 칼럼 상에 개별적으로 위치될 수 있고, 다른 캐리지와 독립적으로 병진 및/또는 회전할 수 있다. 캐리지(43)가 칼럼(37)을 둘러싸거나 심지어 원형일 필요는 없지만, 도시된 바와 같은 링-형상은 구조적 균형을 유지하면서 칼럼(37)을 중심으로 하는 캐리지(43)의 회전을 용이하게 한다. 캐리지(43)의 회전 및 병진은 시스템이 내시경 및 복강경과 같은 의료 기구를 환자 상의 상이한 접근 지점으로 정렬하도록 허용한다. (도시되지 않은) 다른 실시예에서, 시스템(36)은 그 옆으로 연장되는 바아(bar) 또는 레일 형태의 조절가능 아암 지지부를 갖는 환자 테이블 또는 베드를 포함할 수 있다. 하나 이상의 로봇 아암(39)은 (예컨대, 엘보우 조인트(elbow joint)를 갖는 쇼울더(shoulder)를 통해) 조절가능 아암 지지부에 부착될 수 있고, 이는 수직으로 조절될 수 있다. 수직 조절을 제공함으로써, 로봇 아암(39)은 유리하게는 환자 테이블 또는 베드 아래에 콤팩트하게 적재되고, 후속하여 절차 동안 상승될 수 있다.
아암(39)은 로봇 아암(39)에 추가의 구성가능성(configurability)을 제공하기 위해 개별적으로 회전하고/하거나 삽통식으로 연장될 수 있는 일련의 조인트를 포함하는 아암 마운트들(45)의 세트를 통해 캐리지 상에 장착될 수 있다. 추가적으로, 아암 마운트(45)는, 캐리지(43)가 적절하게 회전될 때, 아암 마운트(45)가 (도 6에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 동일한 측부 상에, (도 9에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에, 또는 테이블(38)의 인접한 측부들 상에(도시되지 않음) 위치될 수 있도록 캐리지(43) 상에 위치될 수 있다.
칼럼(37)은 테이블(38)에 대한 지지, 및 캐리지의 수직 병진을 위한 경로를 구조적으로 제공한다. 내부적으로, 칼럼(37)은 캐리지의 수직 병진을 안내하기 위한 리드 스크류, 및 리드 스크류에 기초하여 상기 캐리지의 병진을 기계화하기 위한 모터를 구비할 수 있다. 칼럼(37)은 또한 캐리지(43) 및 그 상에 장착된 로봇 아암(39)에 전력 및 제어 신호를 전달할 수 있다.
테이블 기부(46)는 도 2에 도시된 카트(11) 내의 카트 기부(15)와 유사한 기능을 하여, 테이블/베드(38), 칼럼(37), 캐리지(43), 및 로봇 아암(39)의 균형을 잡기 위해 더 무거운 구성요소를 수용한다. 테이블 기부(46)는 또한 절차 동안 안정성을 제공하기 위해 강성 캐스터를 통합할 수 있다. 테이블 기부(46)의 저부로부터 전개되어, 캐스터는 기부(46)의 양쪽 측부 상에서 반대 방향들로 연장될 수 있고, 시스템(36)이 이동될 필요가 있을 때 후퇴될 수 있다.
계속해서 도 6을 참조하면, 시스템(36)은 또한 타워(도시되지 않음)를 포함할 수 있으며, 이는 테이블의 형태 인자 및 부피(bulk)를 감소시키기 위해 시스템(36)의 기능을 테이블과 타워 사이에서 분할한다. 이전에 개시된 실시예에서와 같이, 타워는 처리, 컴퓨팅, 및 제어 능력, 전력, 유체장치, 및/또는 광학 및 센서 처리와 같은 다양한 지원 기능을 테이블에 제공할 수 있다. 타워는 또한, 의사 접근을 개선하고 수술실을 정리하기 위해 환자로부터 멀리 위치되도록 이동가능할 수 있다. 추가적으로, 타워 내에 구성요소를 배치하는 것은 로봇 아암의 잠재적인 적재를 위한, 테이블 기부 내의 더 많은 보관 공간을 허용한다. 타워는 또한, 키보드 및/또는 펜던트와 같은, 사용자 입력을 위한 사용자 인터페이스뿐만 아니라, 실시간 이미징, 내비게이션, 및 추적 정보와 같은 수술전 및 수술중 정보를 위한 디스플레이 스크린(또는 터치스크린) 둘 모두를 제공하는 마스터 제어기(master controller) 또는 콘솔을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 타워는 또한 주입(insufflation)을 위해 사용될 기체 탱크를 위한 홀더를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 테이블 기부는 사용하지 않을 때 로봇 아암을 적재 및 보관할 수 있다. 도 7은 테이블-기반 시스템의 일 실시예에서 로봇 아암을 적재하는 시스템(47)을 예시한다. 시스템(47)에서, 캐리지(48)는 로봇 아암(50), 아암 마운트(51), 및 캐리지(48)를 기부(49) 내에 적재하기 위해 기부(49) 내로 수직으로 병진될 수 있다. 기부 커버(52)는 병진 및 후퇴되어 개방되어 캐리지(48), 아암 마운트(51), 및 아암(50)을 칼럼(53) 주위로 전개시킬 수 있고, 사용하지 않을 때 그들을 적재하여 보호하기 위해 폐쇄될 수 있다. 기부 커버(52)는 그의 개구의 에지를 따라 멤브레인(membrane)(54)으로 밀봉되어, 폐쇄될 때 먼지 및 유체 유입을 방지할 수 있다.
도 8은 요관경술 절차를 위해 구성된 로봇식 테이블-기반 시스템의 일 실시예를 예시한다. 요관경술에서, 테이블(38)은 환자를 칼럼(37) 및 테이블 기부(46)로부터 벗어난 각도로 위치시키기 위한 스위블 부분(swivel portion)(55)을 포함할 수 있다. 스위블 부분(55)은 스위블 부분(55)의 저부 부분을 칼럼(37)으로부터 멀리 위치시키기 위해 피봇 지점(예컨대, 환자의 머리 아래에 위치됨)을 중심으로 회전 또는 피봇할 수 있다. 예를 들어, 스위블 부분(55)의 피봇팅(pivoting)은 C-아암(도시되지 않음)이 테이블(38) 아래의 칼럼(도시되지 않음)과 공간을 경합함이 없이 환자의 하복부 위에 위치되도록 허용한다. 캐리지(도시되지 않음)를 칼럼(37)을 중심으로 회전시킴으로써, 로봇 아암(39)은 요관경(56)을 가상 레일(57)을 따라 환자의 서혜부 영역 내로 직접 삽입하여 요도에 도달하게 할 수 있다. 요관경술에서, 스터럽(stirrup)(58)이 또한 테이블(38)의 스위블 부분(55)에 고정되어, 절차 동안 환자의 다리의 위치를 지지하고 환자의 서혜부 영역에 대한 명확한 접근을 허용할 수 있다.
복강경술 절차에서, 환자의 복벽 내의 작은 절개부(들)를 통해, 최소 침습 기구가 환자의 해부학적 구조 내로 삽입될 수 있다. 일부 실시예에서, 최소 침습 기구는 환자 내의 해부학적 구조에 접근하는 데 사용되는, 샤프트와 같은 세장형 강성 부재를 포함한다. 환자의 복강의 팽창 후에, 기구는 파지, 절단, 절제, 봉합 등과 같은 수술 또는 의료 작업을 수행하도록 지향될 수 있다. 일부 실시예에서, 기구는 복강경과 같은 스코프(scope)를 포함할 수 있다. 도 9는 복강경술 절차를 위해 구성된 로봇식 테이블-기반 시스템의 일 실시예를 예시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 시스템(36)의 캐리지(43)는 로봇 아암들(39)의 쌍을 테이블(38)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에 위치시키도록 회전되고 수직으로 조절될 수 있어서, 기구(59)가 환자의 양쪽 측부 상의 최소 절개부로 통과되어 그/그녀의 복강에 도달하도록 아암 마운트(45)를 사용하여 위치될 수 있게 한다.
복강경술 절차를 수용하기 위해, 로봇식 테이블 시스템은 또한 플랫폼을 원하는 각도로 틸팅되게 할 수 있다. 도 10은 피치 또는 틸트 조절을 갖는 로봇식 의료 시스템의 일 실시예를 예시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 시스템(36)은 테이블(38)의 틸트를 수용하여, 테이블의 하나의 부분을 다른 부분보다 바닥으로부터 더 큰 거리를 두고 위치시킬 수 있다. 추가적으로, 아암 마운트(45)는 틸트와 일치하도록 회전할 수 있어서, 아암(39)이 테이블(38)과 동일한 평면 관계를 유지하게 한다. 더 급격한 각도를 수용하기 위해, 칼럼(37)은 또한, 칼럼(37)의 수직 연장이 테이블(38)이 바닥에 닿거나 기부(46)와 충돌하지 않게 하도록 허용하는 삽통 부분(60)을 포함할 수 있다.
도 11은 테이블(38)과 칼럼(37) 사이의 인터페이스의 상세한 예시를 제공한다. 피치 회전 메커니즘(61)은 다중 자유도로 칼럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하도록 구성될 수 있다. 피치 회전 메커니즘(61)은 칼럼-테이블 인터페이스에서의 직교 축(1, 2)의 위치설정에 의해 가능해질 수 있으며, 각각의 축은 전기 피치 각도 명령에 응답하여 별개의 모터(3, 4)에 의해 작동된다. 하나의 스크류(5)를 따른 회전은 하나의 축(1)에서의 틸트 조절을 가능하게 할 것인 한편, 다른 하나의 스크류(6)를 따른 회전은 다른 하나의 축(2)을 따른 틸트 조절을 가능하게 할 것이다. 일부 실시예에서, 볼 조인트(ball joint)가 다중 자유도로 칼럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하도록 사용될 수 있다.
예를 들어, 피치 조절은, 하복부 수술을 위해, 테이블을 트렌델렌부르크 자세(Trendelenburg position)로 위치시키려고 할 때, 즉 환자의 하복부를 환자의 하복부보다 바닥으로부터 더 높은 위치에 위치시키려고 할 때 특히 유용하다. 트렌델렌부르크 자세는 환자의 내부 장기가 중력을 통해 그/그녀의 상복부를 향해 미끄러지게 하여, 최소 침습 도구가 들어가서 복강경 전립선절제술과 같은 하복부 수술 또는 의료 절차를 수행할 복강을 비운다.
도 12 및 도 13은 테이블-기반 수술 로봇 시스템(100)의 대안적인 실시예의 등각도 및 단부도를 예시한다. 수술 로봇 시스템(100)은 테이블(101)에 대해 하나 이상의 로봇 아암(예를 들어, 도 14 참조)을 지지하도록 구성될 수 있는 하나 이상의 조절가능 아암 지지부(105)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 단일 조절가능 아암 지지부(105)가 도시되어 있지만, 추가 아암 지지부가 테이블(101)의 반대편 측부 상에 제공될 수 있다. 조절가능 아암 지지부(105)는 그것이 테이블(101)에 대한 조절가능 아암 지지부(105) 및/또는 그에 장착된 임의의 로봇 아암의 위치를 조절 및/또는 변경하기 위해 테이블(101)에 대해 이동할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 조절가능 아암 지지부(105)는 1 이상의 자유도로 테이블(101)에 대해 조절될 수 있다. 조절가능 아암 지지부(105)는, 하나 이상의 조절가능 아암 지지부(105) 및 그에 부착된 임의의 로봇 아암을 테이블(101) 아래에 용이하게 적재하는 능력을 포함하는, 시스템(100)에 대한 높은 다용도성을 제공한다. 조절가능 아암 지지부(105)는 적재된 위치로부터 테이블(101)의 상부 표면 아래의 위치로 상승될 수 있다. 다른 실시예에서, 조절가능 아암 지지부(105)는 적재된 위치로부터 테이블(101)의 상부 표면 위의 위치로 상승될 수 있다.
조절가능 아암 지지부(105)는 리프트(lift), 측방향 병진, 틸트 등을 포함하는 여러 자유도를 제공할 수 있다. 도 12 및 도 13의 예시된 실시예에서, 아암 지지부(105)는 도 12에 화살표로 예시된 4 자유도로 구성된다. 제1 자유도는 z-방향으로의 조절가능 아암 지지부(105)의 조절("Z-리프트")을 허용한다. 예를 들어, 조절가능 아암 지지부(105)는 테이블(101)을 지지하는 칼럼(102)을 따라 또는 그에 대해 상향 또는 하향으로 이동하도록 구성되는 캐리지(109)를 포함할 수 있다. 제2 자유도는 조절가능 아암 지지부(105)가 틸팅하도록 허용할 수 있다. 예를 들어, 조절가능 아암 지지부(105)는 조절가능 아암 지지부(105)가 트렌델렌부르크 자세에서 베드와 정렬되도록 허용할 수 있는 회전 조인트를 포함할 수 있다. 제3 자유도는 조절가능 아암 지지부(105)가 "상향 피봇(pivot up)"하도록 허용할 수 있으며, 이는 테이블(101)의 측부와 조절가능 아암 지지부(105) 사이의 거리를 조절하는 데 사용될 수 있다. 제4 자유도는 테이블의 길이방향 길이를 따른 조절가능 아암 지지부(105)의 병진을 허용할 수 있다.
도 12 및 도 13의 수술 로봇 시스템(100)은 기부(103)에 장착된 칼럼(102)에 의해 지지되는 테이블을 포함할 수 있다. 기부(103) 및 칼럼(102)은 지지 표면에 대해 테이블(101)을 지지한다. 바닥 축(131) 및 지지 축(133)이 도 13에 도시되어 있다.
조절가능 아암 지지부(105)는 칼럼(102)에 장착될 수 있다. 다른 실시예에서, 아암 지지부(105)는 테이블(101) 또는 기부(103)에 장착될 수 있다. 조절가능 아암 지지부(105)는 캐리지(109), 바아 또는 레일 커넥터(111), 및 바아 또는 레일(107)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 레일(107)에 장착된 하나 이상의 로봇 아암은 서로에 대해 병진 및 이동할 수 있다.
캐리지(109)는 제1 조인트(113)에 의해 칼럼(102)에 부착될 수 있으며, 이는 캐리지(109)가 (예컨대, 제1 또는 수직 축(123)의 상향 및 하향으로와 같이) 칼럼(102)에 대해 이동하도록 허용한다. 제1 조인트(113)는 조절가능 아암 지지부(105)에 제1 자유도("Z-리프트")를 제공할 수 있다. 조절가능 아암 지지부(105)는 조절가능 아암 지지부(105)에 대한 제2 자유도(틸트)를 제공하는 제2 조인트(115)를 포함할 수 있다. 조절가능 아암 지지부(105)는 조절가능 아암 지지부(105)에 대한 제3 자유도("상향 피봇")를 제공할 수 있는 제3 조인트(117)를 포함할 수 있다. 레일 커넥터(111)가 제3 축(127)을 중심으로 회전됨에 따라 레일(107)의 배향을 유지하기 위해 제3 조인트(117)를 기계적으로 구속하는 (도 13에 도시된) 추가 조인트(119)가 제공될 수 있다. 조절가능 아암 지지부(105)는 제4 축(129)을 따라 조절가능 아암 지지부(105)에 대한 제4 자유도(병진)를 제공할 수 있는 제4 조인트(121)를 포함할 수 있다.
도 14는 테이블(101)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에 장착된 2개의 조절가능 아암 지지부(105A, 105B)를 갖는 수술 로봇 시스템(140A)의 단부도를 예시한다. 제1 로봇 아암(142A)이 제1 조절가능 아암 지지부(105B)의 바아 또는 레일(107A)에 부착된다. 제1 로봇 아암(142A)은 레일(107A)에 부착되는 기부(144A)를 포함한다. 제1 로봇 아암(142A)의 원위 단부는 하나 이상의 로봇 의료 기구 또는 도구에 부착될 수 있는 기구 구동 메커니즘(instrument drive mechanism)(146A)을 포함한다. 유사하게, 제2 로봇 아암(142B)은 레일(107B)에 부착되는 기부(144B)를 포함한다. 제2 로봇 아암(142B)의 원위 단부는 기구 구동 메커니즘(146B)을 포함한다. 기구 구동 메커니즘(146B)은 하나 이상의 로봇 의료 기구 또는 도구에 부착되도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 로봇 아암들(142A, 142B) 중 하나 이상은 7 이상의 자유도를 갖는 아암을 포함한다. 일부 실시예에서, 로봇 아암들(142A, 142B) 중 하나 이상은, 삽입 축(삽입을 포함하는 1-자유도), 리스트(wrist)(리스트 피치, 요(yaw) 및 롤(roll)을 포함하는 3-자유도), 엘보우(엘보우 피치를 포함하는 1-자유도), 쇼울더(쇼울더 피치 및 요를 포함하는 2-자유도), 및 기부(144A, 144B)(병진을 포함하는 1-자유도)를 포함하는, 8 자유도를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 삽입 자유도는 로봇 아암(142A, 142B)에 의해 제공될 수 있는 한편, 다른 실시예에서는, 기구 자체가 기구-기반 삽입 아키텍처를 통한 삽입을 제공한다.
C. 기구 드라이버 및 인터페이스.
시스템의 로봇 아암의 엔드 이펙터는 (i) 의료 기구를 작동시키기 위한 전기-기계 수단을 통합하는 기구 드라이버(대안적으로 "기구 구동 메커니즘" 또는 "기구 장치 조작기"로 지칭됨), 및 (ii) 모터와 같은 임의의 전기-기계 구성요소가 없을 수 있는 제거가능 또는 탈착가능 의료 기구를 포함한다. 이러한 이분법은 의료 절차에 사용되는 의료 기구를 멸균할 필요성, 및 그들의 복잡한 기계 조립체 및 민감한 전자장치로 인해 고가의 자본 장비를 적절하게 멸균할 수 없음에 의해 주도될 수 있다. 따라서, 의료 기구는 의사 또는 의사의 스태프에 의한 개별적인 멸균 또는 폐기를 위해 기구 드라이버(및 그에 따라 시스템)로부터 탈착, 제거, 및 교환되도록 설계될 수 있다. 대조적으로, 기구 드라이버는 변경 또는 멸균될 필요가 없고, 보호를 위해 드레이핑될(draped) 수 있다.
도 15는 예시적인 기구 드라이버를 예시한다. 로봇 아암의 원위 단부에 위치되어, 기구 드라이버(62)는 구동 샤프트(64)를 통해 의료 기구에 제어된 토크를 제공하기 위해 평행 축으로 배열되는 하나 이상의 구동 유닛(63)으로 구성된다. 각각의 구동 유닛(63)은 기구와 상호작용하기 위한 개별 구동 샤프트(64), 모터 샤프트 회전을 원하는 토크로 변환하기 위한 기어 헤드(65), 구동 토크를 생성하기 위한 모터(66), 모터 샤프트의 속도를 측정하고 제어 회로부에 피드백을 제공하기 위한 인코더(encoder)(67), 및 제어 신호를 수신하고 구동 유닛을 작동시키기 위한 제어 회로부(68)를 포함한다. 각각의 구동 유닛(63)이 독립적으로 제어되고 동력화되기 때문에, 기구 드라이버(62)는 의료 기구에 다수의(도 15에 도시된 바와 같이 4개의) 독립적인 구동 출력부를 제공할 수 있다. 동작 시에, 제어 회로부(68)는 제어 신호를 수신할 것이고, 모터(66)에 모터 신호를 전송할 것이며, 인코더(67)에 의해 측정된 바와 같은 생성된 모터 속도를 원하는 속도와 비교할 것이고, 모터 신호를 변조하여 원하는 토크를 생성할 것이다.
멸균 환경을 필요로 하는 절차의 경우, 로봇 시스템은 기구 드라이버와 의료 기구 사이에 있는, 멸균 드레이프(sterile drape)에 연결된 멸균 어댑터(sterile adapter)와 같은 구동 인터페이스를 통합할 수 있다. 멸균 어댑터의 주된 목적은 기구 드라이버의 구동 샤프트로부터 기구의 구동 입력부로 각도 운동을, 구동 샤프트와 구동 입력부 사이의 물리적 분리, 및 그에 따라 멸균을 유지하면서, 전달하는 것이다. 따라서, 예시적인 멸균 어댑터는 기구 드라이버의 구동 샤프트 및 기구 상의 구동 입력부와 정합되도록 의도되는 일련의 회전 입력부 및 출력부로 구성될 수 있다. 멸균 어댑터에 연결되어, 투명 또는 반투명 플라스틱과 같은 얇은 가요성 재료로 구성된 멸균 드레이프는 기구 드라이버, 로봇 아암, (카트-기반 시스템 내의) 카트 또는 (테이블-기반 시스템 내의) 테이블과 같은 자본 장비를 덮도록 설계된다. 드레이프의 사용은 자본 장비가 멸균을 필요로 하지 않는 영역(즉, 비-멸균 영역) 내에 여전히 위치되면서 환자에게 근접하게 위치되도록 허용할 것이다. 멸균 드레이프의 다른 하나의 측부 상에서, 의료 기구는 멸균을 필요로 하는 영역(즉, 멸균 영역)에서 환자와 인터페이싱할 수 있다.
D. 의료 기구.
도 16은 페어링된 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한다. 로봇 시스템과 함께 사용하도록 설계된 다른 기구와 마찬가지로, 의료 기구(70)는 세장형 샤프트(71)(또는 세장형 본체) 및 기구 기부(72)를 포함한다. 의사에 의한 수동 상호작용을 위한 그의 의도된 설계로 인해 "기구 손잡이"로 또한 지칭되는 기구 기부(72)는 일반적으로, 로봇 아암(76)의 원위 단부에서 기구 드라이버(75) 상의 구동 인터페이스를 통해 연장되는 구동 출력부(74)와 정합되도록 설계되는 회전가능 구동 입력부(73), 예컨대 리셉터클(receptacle), 풀리(pulley) 또는 스풀을 포함할 수 있다. 물리적으로 연결, 래칭, 및/또는 결합될 때, 기구 기부(72)의 정합된 구동 입력부(73)는 기구 드라이버(75) 내의 구동 출력부(74)와 회전 축을 공유하여, 구동 출력부(74)로부터 구동 입력부(73)로의 토크의 전달을 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 출력부(74)는 구동 입력부(73) 상의 리셉터클과 정합하도록 설계되는 스플라인(spline)을 포함할 수 있다.
세장형 샤프트(71)는, 예컨대 내시경술에서와 같이, 해부학적 개구 또는 내강, 또는 예컨대 복강경술에서와 같이, 최소 침습 절개부를 통해 전달되도록 설계된다. 세장형 샤프트(71)는 가요성(예컨대, 내시경과 유사한 특성을 가짐) 또는 강성(예컨대, 복강경과 유사한 특성을 가짐)이거나 가요성 부분 및 강성 부분 둘 모두의 맞춤형 조합을 포함할 수 있다. 복강경술을 위해 설계될 때, 강성의 세장형 샤프트의 원위 단부는, 적어도 1의 자유도를 갖는 클레비스(clevis)로부터 형성되는 조인트식 리스트(jointed wrist)로부터 연장되는 엔드 이펙터, 및 구동 입력부가 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신된 토크에 응답하여 회전함에 따라 텐돈(tendon)으로부터의 힘에 기초하여 작동될 수 있는, 예를 들어 파지기 또는 가위와 같은 수술 도구 또는 의료 기구에 연결될 수 있다. 내시경술을 위해 설계될 때, 가요성의 세장형 샤프트의 원위 단부는 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신된 토크에 기초하여 관절운동되고 구부러질 수 있는 조향가능 또는 제어가능 굽힘 섹션을 포함할 수 있다.
기구 드라이버(75)로부터의 토크는 샤프트(71)를 따른 텐돈을 사용하여 세장형 샤프트(71)를 따라 전달된다. 당김 와이어(pull wire)와 같은 이들 개별 텐돈은 기구 손잡이(72) 내의 개별 구동 입력부(73)에 개별적으로 고정될 수 있다. 손잡이(72)로부터, 텐돈은 세장형 샤프트(71)를 따른 하나 이상의 당김 루멘(pull lumen)을 따라 지향되고, 세장형 샤프트(71)의 원위 부분에, 또는 세장형 샤프트의 원위 부분에 있는 리스트 내에 고정된다. 복강경술, 내시경술 또는 하이브리드 절차와 같은 수술 절차 동안, 이들 텐돈은 리스트, 파지기, 또는 가위와 같은 원위에 장착된 엔드 이펙터에 결합될 수 있다. 그러한 배열 하에서, 구동 입력부(73)에 가해진 토크는 텐돈에 장력을 전달하여, 그에 의해 엔드 이펙터가 일정 방식으로 작동하게 할 것이다. 일부 실시예에서, 수술 절차 동안, 텐돈은 조인트가 축을 중심으로 회전하게 하여, 그에 의해 엔드 이펙터가 하나의 방향 또는 다른 방향으로 이동하게 할 수 있다. 대안적으로, 텐돈은 세장형 샤프트(71)의 원위 단부에서 파지기의 하나 이상의 조오(jaw)에 연결될 수 있으며, 여기에서 텐돈으로부터의 장력은 파지기가 폐쇄되게 한다.
내시경술에서, 텐돈은 접착제, 제어 링, 또는 다른 기계적 고정을 통해 (예컨대, 원위 단부에서) 세장형 샤프트(71)를 따라 위치된 굽힘 또는 관절운동 섹션에 결합될 수 있다. 굽힘 섹션의 원위 단부에 고정식으로 부착될 때, 구동 입력부(73)에 가해진 토크는 텐돈을 따라 전달되어, 더 연질인 굽힘 섹션(때때로 관절운동가능 섹션 또는 영역으로 지칭됨)이 구부러지거나 관절운동하게 할 것이다. 비-굽힘 섹션을 따라, 내시경 샤프트의 벽을 따라(또는 그 내측에서) 개별 텐돈을 지향시키는 개별 당김 루멘을 나선형화 또는 나선화하여, 당김 와이어의 장력으로부터 발생하는 반경방향 힘의 균형을 잡는 것이 유리할 수 있다. 나선(spiraling)의 각도 및/또는 그들 사이의 간격은 특정 목적을 위해 변경 또는 조작될 수 있으며, 여기에서 더 조밀한 나선은 하중 힘 하에서의 더 작은 샤프트 압축을 나타내는 한편, 더 적은 양의 나선은 하중 힘 하에서의 더 큰 샤프트 압축을 가져오지만, 또한 한계 굽힘을 나타낸다. 스펙트럼의 다른 단부 상에서, 당김 루멘은 원하는 굽힘 또는 관절운동가능 섹션에서의 제어된 관절운동을 허용하기 위해 세장형 샤프트(71)의 길이방향 축에 평행하게 지향될 수 있다.
내시경술에서, 세장형 샤프트(71)는 로봇 절차를 보조하기 위한 다수의 구성요소를 수용한다. 샤프트는 샤프트(71)의 원위 단부에서 수술 영역에 수술 도구(또는 의료 기구), 관주, 및/또는 흡인을 전개시키기 위한 작업 채널로 구성될 수 있다. 샤프트(71)는 또한, 광학 카메라를 포함할 수 있는, 원위 팁(distal tip)에 있는 광학 조립체로/그로부터 신호를 전달하기 위한 와이어 및/또는 광섬유를 수용할 수 있다. 샤프트(71)는 또한, 발광 다이오드와 같은 근위에 위치된 광원으로부터 샤프트의 원위 단부로 광을 전달하기 위한 광섬유를 수용할 수 있다.
기구(70)의 원위 단부에서, 원위 팁은 또한, 진단 및/또는 치료, 관주, 및 흡인을 위한 도구를 수술 부위로 전달하기 위한 작업 채널의 개구를 포함할 수 있다. 원위 팁은 또한, 내부 해부학적 공간의 이미지를 캡처하기 위한, 섬유경 또는 디지털 카메라와 같은 카메라를 위한 포트를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 원위 팁은 또한, 카메라를 사용할 때 해부학적 공간을 조명하기 위한 광원을 위한 포트를 포함할 수 있다.
도 16의 예에서, 구동 샤프트 축, 및 그에 따라 구동 입력부 축은 세장형 샤프트의 축에 직교한다. 그러나, 이러한 배열은 세장형 샤프트(71)에 대한 롤 능력을 복잡하게 한다. 구동 입력부(73)를 정지 상태로 유지하면서 세장형 샤프트(71)를 그의 축을 따라 롤링시키는 것은 텐돈이 구동 입력부(73)로부터 연장되고 세장형 샤프트(71) 내의 당김 루멘에 들어감에 따라 텐돈의 바람직하지 않은 엉킴을 야기한다. 그러한 텐돈의 결과적인 엉킴은 내시경술 절차 동안 가요성의 세장형 샤프트의 이동을 예측하도록 의도된 임의의 제어 알고리즘을 방해할 수 있다.
도 17은 구동 유닛의 축이 기구의 세장형 샤프트의 축에 평행한 기구 드라이버 및 기구에 대한 대안적인 설계를 예시한다. 도시된 바와 같이, 원형 기구 드라이버(80)는 그들의 구동 출력부(81)가 로봇 아암(82)의 단부에서 평행하게 정렬되는 4개의 구동 유닛을 포함한다. 구동 유닛, 및 그들 각각의 구동 출력부(81)는 기구 드라이버(80)의 회전 조립체(83) 내에 수용되며, 이는 조립체(83) 내의 구동 유닛들 중 하나에 의해 구동된다. 회전 구동 유닛에 의해 제공되는 토크에 응답하여, 회전 조립체(83)는 회전 조립체(83)를 기구 드라이버의 비-회전 부분(84)에 연결하는 원형 베어링을 따라 회전한다. 전력 및 제어 신호가 기구 드라이버(80)의 비-회전 부분(84)으로부터, 브러시형 슬립 링 연결부(brushed slip ring connection)(도시되지 않음)에 의해 회전을 통해 유지될 수 있는 전기 접촉부를 통해 회전 조립체(83)로 전달될 수 있다. 다른 실시예에서, 회전 조립체(83)는, 비-회전가능 부분(84)에 통합되어, 그에 따라 다른 구동 유닛에 평행하지 않은 별개의 구동 유닛에 응답할 수 있다. 회전 메커니즘(83)은 기구 드라이버(80)가 구동 유닛, 및 그들 각각의 구동 출력부(81)를 단일 유닛으로서 기구 드라이버 축(85)을 중심으로 회전시키도록 허용한다.
이전에 개시된 실시예와 마찬가지로, 기구(86)는 세장형 샤프트 부분(88), 및 기구 드라이버(80) 내의 구동 출력부(81)를 수용하도록 구성되는 (리셉터클, 풀리, 및 스풀과 같은) 복수의 구동 입력부(89)를 포함하는 기구 기부(87)(논의 목적을 위해 투명 외부 스킨으로 도시됨)를 포함할 수 있다. 이전에 개시된 실시예와 달리, 기구 샤프트(88)는 축이 도 16의 설계에서와 같이 직교하기보다는 구동 입력부(89)의 축에 실질적으로 평행한 상태로 기구 기부(87)의 중심으로부터 연장된다.
기구 드라이버(80)의 회전 조립체(83)에 결합될 때, 기구 기부(87) 및 기구 샤프트(88)를 포함하는 의료 기구(86)는 회전 조립체(83)와 조합하여 기구 드라이버 축(85)을 중심으로 회전한다. 기구 샤프트(88)가 기구 기부(87)의 중심에 위치되기 때문에, 기구 샤프트(88)는 부착될 때 기구 드라이버 축(85)과 동축이다. 따라서, 회전 조립체(83)의 회전은 기구 샤프트(88)가 그 자체의 길이방향 축을 중심으로 회전하게 한다. 더욱이, 기구 기부(87)가 기구 샤프트(88)와 함께 회전함에 따라, 기구 기부(87) 내의 구동 입력부(89)에 연결된 임의의 텐돈은 회전 동안 엉키지 않는다. 따라서, 구동 출력부(81), 구동 입력부(89), 및 기구 샤프트(88)의 축의 평행성은 임의의 제어 텐돈을 엉키게 하지 않고서 샤프트 회전을 허용한다.
도 18은 일부 실시예에 따른, 기구 기반 삽입 아키텍처를 갖는 기구를 예시한다. 기구(150)는 위에서 논의된 기구 드라이버들 중 임의의 것에 결합될 수 있다. 기구(150)는 세장형 샤프트(152), 샤프트(152)에 연결되는 엔드 이펙터(162), 및 샤프트(152)에 결합되는 손잡이(170)를 포함한다. 세장형 샤프트(152)는 근위 부분(154) 및 원위 부분(156)을 갖는 튜브형 부재를 포함한다. 세장형 샤프트(152)는 그의 외부 표면을 따라 하나 이상의 채널 또는 홈(158)을 포함한다. 홈(158)은 그를 통해 하나 이상의 와이어 또는 케이블(180)을 수용하도록 구성된다. 따라서, 하나 이상의 케이블(180)이 세장형 샤프트(152)의 외부 표면을 따라 이어진다. 다른 실시예에서, 케이블(180)은 또한 세장형 샤프트(152)를 통해 이어질 수 있다. (예컨대, 기구 드라이버를 통한) 하나 이상의 케이블(180)의 조작이 엔드 이펙터(162)의 작동을 유발한다.
기구 기부로 또한 지칭될 수 있는 기구 손잡이(170)는 일반적으로, 기구 드라이버의 부착 표면 상의 하나 이상의 토크 커플러(torque coupler)와 상호 정합되도록 설계되는 하나 이상의 기계적 입력부(174), 예컨대 리셉터클, 풀리 또는 스풀을 갖는 부착 인터페이스(172)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 기구(150)는 세장형 샤프트(152)가 손잡이(170)에 대해 병진하는 것을 가능하게 하는 일련의 풀리 또는 케이블을 포함한다. 다시 말하면, 기구(150) 자체가 기구의 삽입을 수용하는 기구-기반 삽입 아키텍처를 포함하여, 그에 의해 기구(150)의 삽입을 제공하기 위한 로봇 아암에 대한 의존성을 최소화한다. 다른 실시예에서, 로봇 아암이 기구 삽입을 주로 담당할 수 있다.
E. 제어기.
본 명세서에 기술된 로봇 시스템들 중 임의의 것은 로봇 아암에 부착된 기구를 조작하기 위한 입력 장치 또는 제어기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기는 제어기의 조작이 예컨대 마스터 슬레이브 제어(master slave control)를 통해 기구의 대응하는 조작을 유발하도록 기구와 (예컨대, 통신가능하게, 전자적으로, 전기적으로, 무선으로, 그리고/또는 기계적으로) 결합될 수 있다.
도 19는 제어기(182)의 일 실시예의 사시도이다. 본 실시예에서, 제어기(182)는 임피던스 및 어드미턴스 제어(impedance and admittance control) 둘 모두를 가질 수 있는 하이브리드 제어기를 포함한다. 다른 실시예에서, 제어기(182)는 단지 임피던스 또는 수동 제어(passive control)를 이용할 수 있다. 다른 실시예에서, 제어기(182)는 단지 어드미턴스 제어를 이용할 수 있다. 하이브리드 제어기임으로 인해, 제어기(182)는 유리하게는 사용 중인 동안 더 낮은 인지 관성(perceived inertia)을 가질 수 있다.
예시된 실시예에서, 제어기(182)는 2개의 의료 기구의 조작을 허용하도록 구성되고, 2개의 손잡이(184)를 포함한다. 손잡이들(184) 각각은 짐벌(gimbal)(186)에 연결된다. 각각의 짐벌(186)은 위치설정 플랫폼(188)에 연결된다.
도 19에 도시된 바와 같이, 각각의 위치설정 플랫폼(188)은 직선형 조인트(prismatic joint)(196)에 의해 칼럼(194)에 결합되는 SCARA 아암(선택적 순응형 조립 로봇 아암(selective compliance assembly robot arm))(198)을 포함한다. 직선형 조인트(196)는 손잡이들(184) 각각이 z-방향으로 병진되는 것을 허용하여 제1 자유도를 제공하기 위해 칼럼(194)을 따라(예컨대, 레일(197)을 따라) 병진하도록 구성된다. SCARA 아암(198)은 x-y 평면 내에서의 손잡이(184)의 움직임을 허용하여, 2의 추가 자유도를 제공하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 로드 셀(load cell)이 제어기 내에 위치된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 로드 셀(도시되지 않음)이 짐벌들(186) 각각의 본체에 위치된다. 로드 셀을 제공함으로써, 제어기(182)의 부분들은 어드미턴스 제어 하에서 동작할 수 있어서, 그에 의해 유리하게는 사용 중인 동안 제어기의 인지 관성을 감소시킨다. 일부 실시예에서, 위치설정 플랫폼(188)은 어드미턴스 제어를 위해 구성되는 한편, 짐벌(186)은 임피던스 제어를 위해 구성된다. 다른 실시예에서, 짐벌(186)은 어드미턴스 제어를 위해 구성되는 한편, 위치설정 플랫폼(188)은 임피던스 제어를 위해 구성된다. 따라서, 일부 실시예의 경우, 위치설정 플랫폼(188)의 병진 또는 위치 자유도는 어드미턴스 제어에 의존할 수 있는 한편, 짐벌(186)의 회전 자유도는 임피던스 제어에 의존할 수 있다.
F. 내비게이션 및 제어.
전통적인 내시경술은 (예컨대, C-아암을 통해 전달될 수 있는 바와 같은) 형광투시법 및 다른 형태의 방사선-기반 이미징 기법의 사용을 수반하여, 조작자 의사에게 관내 안내를 제공할 수 있다. 대조적으로, 본 개시에 의해 고려되는 로봇 시스템은 비-방사선-기반 내비게이션 및 위치결정 수단을 제공하여, 방사선에 대한 의사의 노출을 감소시키고 수술실 내의 장비의 양을 감소시킬 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "위치결정"은 기준 좌표계에서 물체의 위치를 결정 및/또는 모니터링하는 것을 지칭할 수 있다. 수술전 매핑, 컴퓨터 비전(computer vision), 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터와 같은 기법은 방사선이 없는 수술 환경을 달성하기 위해 개별적으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 방사선-기반 이미징 기법이 여전히 사용되는 다른 경우에, 수술전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터는 방사선-기반 이미징 기법만을 통해 획득된 정보를 개선하기 위해 개별적으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
도 20은 예시적인 실시예에 따른, 기구의 위치와 같은, 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치결정 시스템(90)을 예시한 블록도이다. 위치결정 시스템(90)은 하나 이상의 명령어를 실행하도록 구성되는 하나 이상의 컴퓨터 장치들의 세트일 수 있다. 컴퓨터 장치는 위에서 논의된 하나 이상의 구성요소 내의 프로세서(또는 프로세서들) 및 컴퓨터-판독가능 메모리에 의해 구현될 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 컴퓨터 장치는 도 1에 도시된 타워(30), 도 1 내지 도 4에 도시된 카트, 도 5 내지 도 14에 도시된 베드 등 내에 있을 수 있다.
도 20에 도시된 바와 같이, 위치결정 시스템(90)은 의료 기구의 원위 팁에 대한 위치 데이터(96)를 생성하도록 입력 데이터(91 내지 94)를 처리하는 위치결정 모듈(95)을 포함할 수 있다. 위치 데이터(96)는 기준 프레임(frame of reference)에 대한 기구의 원위 단부의 위치 및/또는 배향을 나타내는 데이터 또는 논리일 수 있다. 기준 프레임은 환자의 해부학적 구조 또는 알려진 물체, 예컨대 EM 필드 발생기(EM 필드 발생기에 대해서는 아래의 논의 참조)에 대한 기준 프레임일 수 있다.
이제, 다양한 입력 데이터(91 내지 94)가 더 상세히 기술된다. 수술전 매핑은 저 선량 CT 스캔의 집합의 사용을 통해 달성될 수 있다. 수술전 CT 스캔은 3차원 이미지로 재구성되며, 이는, 예컨대 환자의 내부 해부학적 구조의 절결도의 "슬라이스(slice)"로서 시각화된다. 전체적으로 분석될 때, 환자 폐 네트워크와 같은 환자의 해부학적 구조의 해부학적 공동, 공간 및 구조에 대한 이미지-기반 모델이 생성될 수 있다. 중심선 기하학(center-line geometry)과 같은 기법이 CT 이미지로부터 결정되고 근사화되어, 모델 데이터(91)로 지칭되는(수술전 CT 스캔만을 사용하여 생성될 때 "수술전 모델 데이터"로 또한 지칭됨), 환자의 해부학적 구조의 3차원 볼륨(three-dimensional volume)을 개발할 수 있다. 중심선 기하학의 사용은 그 내용이 전체적으로 본 명세서에 포함되는 미국 특허 출원 제14/523,760호에서 논의된다. 네트워크 위상 모델(network topological model)이 또한 CT-이미지로부터 도출될 수 있으며, 기관지경술에 특히 적절하다.
일부 실시예에서, 기구는 비전 데이터(92)를 제공하기 위한 카메라를 구비할 수 있다. 위치결정 모듈(95)은 하나 이상의 비전-기반 위치 추적을 가능하게 하도록 비전 데이터를 처리할 수 있다. 예를 들어, 수술전 모델 데이터는 비전 데이터(92)와 함께 사용되어 의료 기구의 컴퓨터 비전-기반 추적을 가능하게 할 수 있다(예컨대, 내시경 전진 또는 내시경의 작업 채널을 통한 기구 전진). 예를 들어, 수술전 모델 데이터(91)를 사용하여, 로봇 시스템은 내시경의 예상 이동 경로에 기초하여 모델로부터 예상 내시경 이미지의 라이브러리(library)를 생성할 수 있으며, 각각의 이미지는 모델 내의 일정 위치에 링크된다. 수술중에, 이러한 라이브러리는, 카메라(예컨대, 내시경의 원위 단부에 있는 카메라)에서 캡처된 실시간 이미지를 이미지 라이브러리 내의 이미지와 비교하여 위치결정을 보조하기 위해 로봇 시스템에 의해 참조될 수 있다.
다른 컴퓨터 비전-기반 추적 기법은 특징부 추적을 사용하여 카메라, 및 그에 따라 내시경의 움직임을 결정한다. 위치결정 모듈(95)의 일부 특징부는 해부학적 내강에 대응하는 수술전 모델 데이터(91) 내의 원형 기하학적 구조를 식별하고 그들 기하학적 구조의 변화를 추적하여, 어느 해부학적 내강이 선택되었는지뿐만 아니라 카메라의 상대 회전 및/또는 병진 운동을 결정할 수 있다. 위상 맵(topological map)의 사용은 비전-기반 알고리즘 또는 기법을 추가로 향상시킬 수 있다.
다른 컴퓨터 비전-기반 기법인 광학 흐름(optical flow)은 비전 데이터(92) 내의 비디오 시퀀스(video sequence)에서 이미지 픽셀의 변위 및 병진을 분석하여 카메라 이동을 추론할 수 있다. 광학 흐름 기법의 예는 모션 검출(motion detection), 객체 분할 계산(object segmentation calculation), 휘도(luminance), 모션 보상 인코딩(motion compensated encoding), 스테레오 디스패리티 측정(stereo disparity measurement) 등을 포함할 수 있다. 다수의 반복에 걸친 다수의 프레임의 비교를 통해, 카메라(및 그에 따라 내시경)의 이동 및 위치가 결정될 수 있다.
위치결정 모듈(95)은 수술전 모델에 의해 표현되는 환자의 해부학적 구조에 정합될 수 있는 전역 좌표계에서 내시경의 실시간 위치를 생성하기 위해 실시간 EM 추적을 사용할 수 있다. EM 추적에서, 의료 기구(예컨대, 내시경 도구) 내에 하나 이상의 위치 및 배향으로 내장된 하나 이상의 센서 코일로 구성되는 EM 센서(또는 추적기)가 알려진 위치에 위치된 하나 이상의 정적 EM 필드 발생기에 의해 생성되는 EM 필드의 변화를 측정한다. EM 센서에 의해 검출된 위치 정보는 EM 데이터(93)로서 저장된다. EM 필드 발생기(또는 전송기)는 내장된 센서가 검출할 수 있는 저 강도 자기장을 생성하기 위해 환자 가까이에 배치될 수 있다. 자기장은 EM 센서의 센서 코일에 소전류(small current)를 유도하며, 이는 EM 센서와 EM 필드 발생기 사이의 거리 및 각도를 결정하기 위해 분석될 수 있다. 이들 거리 및 배향은 좌표계 내의 단일 위치를 환자의 해부학적 구조의 수술전 모델 내의 위치와 정렬하는 기하학적 변환을 결정하기 위해 수술중에 환자 해부학적 구조(예컨대, 수술전 모델)에 "정합될" 수 있다. 일단 정합되면, 의료 기구의 하나 이상의 위치(예컨대, 내시경의 원위 팁)에 있는 내장된 EM 추적기는 환자의 해부학적 구조를 통한 의료 기구의 진행의 실시간 표시(real-time indication)를 제공할 수 있다.
로봇 명령 및 운동학 데이터(94)가 또한 위치결정 모듈(95)에 의해 사용되어, 로봇 시스템에 대한 위치결정 데이터(96)를 제공할 수 있다. 관절운동 명령으로부터 발생하는 장치 피치 및 요는 수술전 보정 동안 결정될 수 있다. 수술중에, 이들 보정 측정치는 알려진 삽입 깊이 정보와 조합하여 사용되어 기구의 위치를 추정할 수 있다. 대안적으로, 이들 계산치는 EM, 비전, 및/또는 위상 모델링과 조합하여 분석되어 네트워크 내의 의료 기구의 위치를 추정할 수 있다.
도 20이 도시하는 바와 같이, 다수의 다른 입력 데이터가 위치결정 모듈(95)에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 20에 도시되어 있지 않지만, 형상-감지 섬유를 이용하는 기구가, 위치결정 모듈(95)이 기구의 위치 및 형상을 결정하는 데 사용할 수 있는 형상 데이터를 제공할 수 있다.
위치결정 모듈(95)은 입력 데이터(91 내지 94)를 조합(들)으로 사용할 수 있다. 일부 경우에, 그러한 조합은 위치결정 모듈(95)이 입력 데이터(91 내지 94) 각각으로부터 결정된 위치에 신뢰 가중치(confidence weight)를 할당하는 확률적 접근법(probabilistic approach)을 사용할 수 있다. 따라서, (EM 간섭이 있는 경우 그러할 수 있는 바와 같이) EM 데이터가 신뢰할 수 없을 수 있는 경우, EM 데이터(93)에 의해 결정된 위치의 신뢰도가 감소될 수 있고, 위치결정 모듈(95)은 비전 데이터(92) 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)에 더 많이 의존할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 본 명세서에서 논의되는 로봇 시스템은 위의 기법들 중 하나 이상의 조합을 통합하도록 설계될 수 있다. 타워, 베드 및/또는 카트에 기반한 로봇 시스템의 컴퓨터-기반 제어 시스템은 예를 들어 영구 자기 저장 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브 등과 같은 비-일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장할 수 있으며, 이는, 실행 시에, 시스템으로 하여금 센서 데이터 및 사용자 명령을 수신 및 분석하고, 시스템 전체에 걸쳐 제어 신호를 생성하고, 전역 좌표계, 해부학적 맵 등 내에서의 기구의 위치와 같은 내비게이션 및 위치결정 데이터를 디스플레이하게 한다.
2. 충돌 회피를 위한 시스템 및 방법에 대한 도입.
본 출원은 미래의 충돌 위험을 회피하거나 감소시키기 위해 의료 로봇 시스템 부근의 물체에 관한 정보를 이용하는 의료 로봇 시스템을 개시한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 로봇 의료 시스템은 주어진 의료 절차 동안 의료 도구(들)의 이동을 제어하도록 구성된 복수의 로봇 아암을 포함할 수 있다. 의료 도구의 원하는 자세를 달성하기 위해, 로봇 아암이 소정 자세로 배치될 수 있고, 이는 로봇 아암이 예를 들어 환자, 베드측 스태프, 또는 무생물 물체(들)(예컨대, 베드 상의 액세서리)와 같은 외부 물체와 접촉하게 할 수 있다. 로봇 아암과 외부 물체 사이의 접촉을 충분히 조기에(예컨대, 접촉시 즉시, 또는 적어도 접촉이 임계 값보다 큰 힘을 발생시키기 전에) 검출함으로써, 로봇 수술의 안전성이 개선될 수 있다.
부근의 물체에 관한 정보는 힘 센서와 같은 접촉 센서를 사용하여 획득되는 접촉 정보, 및 비-접촉 센서를 사용하여 획득되는 비-접촉 정보를 포함할 수 있다. 의료 로봇 시스템 부근의 물체에 관한 정보에 기초하여, 운동학적 체인(예컨대, 로봇 아암 및 조절가능 아암 지지부)의 구성이 예를 들어 부근의 물체로부터의 거리를 증가시키고 미래의 충돌 가능성을 감소시키도록 조절된다.
A. 접촉을 검출하거나 제어 정보를 획득하기 위한 로봇 아암 및 센서 아키텍처
의료 로봇 시스템은 의료 로봇 시스템 부근의 물체에 관한 정보(예컨대, 위치 정보)를 수집하기 위한 복수의 센서를 포함한다. 센서들 중 일부는 의료 로봇 시스템의 로봇 아암 상에 또는 그에 인접하게 위치된다.
도 21은 일부 실시예에 따른 예시적인 로봇 아암(205)을 예시한다. 로봇 아암(205)은 하나 이상의 조인트(131)(예컨대, 131-1 내지 131-3)에 의해 연결되는 복수의 링크(132)를 포함한다. 로봇 아암(205)의 근위 단부가 기부(136)에 연결될 수 있고, 로봇 아암(205)의 원위 단부가 고급 장치 조작기(advanced device manipulator, ADM)(134)(로봇 아암의 기구 드라이버 또는 엔드 이펙터로도 지칭됨)에 연결될 수 있다. ADM(134)은 의료 도구(135)(의료 기구로도 지칭됨)의 위치설정 및 조작을 제어하도록 구성될 수 있다. 따라서, 링크(132)는 의료 도구(135)에 탈착가능하게 결합될 수 있다. 조인트(131)는 ADM(134)을 통한 의료 도구(135)의 제어를 용이하게 하는 복수의 자유도(DoF)를 로봇 아암(205)에 제공한다.
일부 실시예에서, 로봇 아암(205)은 로봇 아암(205)의 임의의 부분과 로봇 아암(205) 이외의 물체(137)(예컨대, 다른 로봇 아암, 다른 의료 장비, 환자, 의료진 등) 사이의 접촉을 검출하기 위한 하나 이상의 힘-기반 센서를 포함한다. 일부 실시예에서, 그러한 센서는 조인트(131) 내에 또는 그에 인접하게 위치된다. 예를 들어, 하나 이상의 힘 센서는 조인트(131-3)에 위치될 수 있다. 조인트(131-3)에 위치된 하나 이상의 힘 센서는 로봇 아암(205)의 근위 단부로부터 상호작용 힘(예컨대, 힘 및/또는 모멘트의 크기 및/또는 방향)을 검출할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 하나 이상의 힘 센서는 로봇 아암(205)의 원위 단부 근처에서 조인트(131-1)에 또는 그 근처에 위치될 수 있다. 조인트(131-1)에 또는 그 근처에 위치된 하나 이상의 힘 센서는 6개의 축에 대한 힘 및 모멘트(예컨대, 토크) 둘 모두(예컨대, x, y, 및 z-축을 따른 힘 및 약 x, y, 및 z-축을 중심으로 한 토크)를 검출할 수 있는 6-축 로드 셀을 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서에 의해 검출된 힘에 기초하여, 하나 이상의 프로세서는 접촉의 위치 및 접촉에 관련되는 로봇 아암(205)의 하나 이상의 부분(하나 이상의 링크 또는 조인트, ADM(134), 또는 의료 도구(135))을 결정할 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 로봇 아암(205)은 하나 이상의 접촉 센서를 포함한다. 도 22a 및 도 22b는 일부 실시예에 따른, 하나 이상의 접촉 센서와 함께 로봇 아암의 일부분을 형성할 수 있는 예시적인 로봇 링크를 예시한다.
도 22a는 로봇 아암(205)의 원위 부분의 3개의 도면을 예시하는 반면, 도 22b는 도 22a의 원위 부분에 대해 근위에 있는 로봇 아암(205)의 일부분의 3개의 도면을 예시한다. 도 22a 및 도 22b를 참조하면, 로봇 아암(205)은 장치 조작기(203), 복수의 링크(207, 209, 211, 233), 및 장치 조작기(203)와 링크(207, 209, 211, 233)를 연결하는 복수의 조인트(213, 215, 217, 219)를 포함할 수 있다. 도 22a에 예시된 도면들 각각에서, 환자와 충돌할 가능성이 상대적으로 더 높은 로봇 아암(205)의 영역(221)이 강조되어 있다.
일부 실시예에서, 아암 구성요소(예컨대, 도 22a 및 도 22b의 로봇 링크들(205 내지 211) 또는 조인트들(213 내지 219) 중 하나)가 환자, 베드측 스태프, 또는 다른 물체와 같은 외부 물체와의 접촉을 감지하기 위해 하나 이상의 센서와 결합된다.
일부 실시예에서, 쉘이 주어진 링크 주위에 현수될 수 있고, 쉘과 링크의 내부 구성요소/부재 사이의 상대 운동은 외부 물체와의 접촉을 검출하기 위해 하나 이상의 센서를 사용하여 검출될 수 있다. 도 23은 일부 실시예에 따른, 강성 쉘(309)을 포함하고 외부 물체와의 접촉을 검출하도록 구성된 예시적인 링크(300)를 예시한다. 특히, 링크(300)는 구조 링크(301), 구조 커버(303), 제1 조인트(305), 제2 조인트(307), 쉘(309), 한 쌍의 반응 패들(reaction paddle)(311), 및 쉘 커버(313)를 포함한다. 예를 들어, 링크(300)의 내부 구성요소는 구조 링크(301) 및 구조 커버(303)를 포함할 수 있다.
구조 커버(303)는, 구조 링크(301)의 구성요소를 수용하고 제1 조인트(305)와 제2 링크 사이의 내부 구조 연결부를 형성하기 위해 구조 링크(301)에 부착될 수 있다. 쉘 커버(313)와 함께 쉘(309)은 구조 링크(301)로부터 현수되고 그것을 둘러싼다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 문맥상 명백하게 달리 지시되지 않는 한, 쉘(309)과 쉘 커버(313)는 집합적으로 간단히 "쉘"(309)로 지칭될 수 있고, 한편 구조 링크(301)와 구조 커버(303)는 집합적으로 간단히 구조 링크(301) 또는 조작가능 링크로 지칭될 수 있다.
쉘(309)은 힘-감지 연결부를 통해 구조 링크(301)에 연결될 수 있다. 쉘(309)이 구조 링크(301)를 둘러싸기 때문에, 링크(300)가 외부 물체와 접촉할 때, 물체는 쉘(309)과 접촉하게 될 것이다. 따라서, 힘-감지 연결부는 외부 물체와 접촉하게 되는 링크(300)에 의해 유발되는 쉘(309)과 구조 링크(301) 사이의 힘의 변화를 측정함으로써 쉘(309)과 외부 물체 사이의 접촉을 검출할 수 있다. 쉘(309)은 또한 외부 물체와의 접촉 시에, 쉘(309)이 힘-감지 연결부와 맞물리도록 충분히 강성일 수 있다. 유리하게는, 강성 쉘(309)을 사용함으로써, 쉘(309)과 구조 링크(301) 사이의 힘 및 상대 이동은 3개의 방향 모두에서 감지될 수 있다.
힘-감지 연결부는 일부 실시예에 따라 다양한 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 힘-감지 연결부는 전통적인 로드 셀, 힘 감지 저항기, 및/또는 힘(또는 스프링과 조합될 때 변위)을 감지할 수 있는 임의의 구성요소 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 24는 일부 실시예에 따른, 도 23의 링크(300)에 사용될 수 있는 힘-감지 연결부의 일례를 예시한다. 특히, 힘-감지 연결부는 구조 링크(301)와 쉘(309) 사이에 배치될 수 있는 복수의 쉘 센서(321)(예컨대, 예시된 실시예에서 14개의 쉘 센서)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 센서(321)는 쉘(309)과 구조 링크(301) 사이에서 링크(300) 전체에 걸쳐 분포된다. 예를 들어, 쉘(309)은 센서(321)를 통해 구조 링크(301) 위에 현수될 수 있다. 구현예에 따라, 링크(300)는 로봇 아암 링크를 따라 분포된 1개, 2개, 3개, 4개 또는 그보다 많은 센서(321)를 포함할 수 있다. 도 25a 및 도 25b는 일부 실시예에 따른, 14개의 센서(321)가 링크(401)에 포함되는 링크(401)의 2개의 도면을 예시한다. 특히, 도 25a 및 도 25b는 7개의 센서(321)를 포함하는 링크(401)의 일 단부의 측면도 및 정면도를 각각 예시한다. 링크(401)는 링크(401)의 양 단부에서 실질적으로 대칭이어서, 링크(401)에 총 14개의 센서(321)를 포함할 수 있다.
도 25c 및 도 25d는 일부 실시예에 따른, 12개의 센서(321)가 링크(411)에 포함되는 링크(411)의 2개의 도면을 예시한다. 일부 구현예에서, 로봇 아암이 링크(401) 및 링크(411) 둘 모두를 포함할 수 있고, 이때 링크(401)는 링크(411)에 대해 근위에 위치된다. 특히, 도 25c 및 도 25d는 12개의 센서(321)를 포함하는 링크(411)의 측면도 및 정면도를 각각 예시한다. 링크(411)는 링크(411)의 양 단부에서 실질적으로 대칭이어서, 링크(401)에 총 24개의 센서(321)를 포함할 수 있다. 다수의 구현예에서, 복수의 센서(321)는 강성 쉘에 고정됨이 없이 강성 쉘을 지지하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 링크(401 또는 411)는 구조 링크에 대해 강성 쉘을 지지하도록 구성된 하나 이상의 지지부를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 지지부는 스프링(들), 굴곡부(들), 및/또는 서스펜션(suspension)(들)을 포함할 수 있다.
도 25a 내지 도 25d가 복수의 센서(321)를 포함하는 링크(401, 411)를 예시하지만, 일부 실시예에서, 링크는 다수의 방향에서 구조 링크(301)와 쉘(309) 사이의 힘 및/또는 변위를 감지하도록 구성된 단일 센서를 포함할 수 있다. 센서(들)(321)로부터 수신된 신호를 사용하여, 로봇 시스템은 쉘(309)과 외부 물체 사이의 접촉의 방향을 검출하도록 구성될 수 있다. 로봇 시스템은 또한 센서(들)(321)로부터의 신호에 기초하여 쉘(309)과 외부 물체 사이의 접촉으로부터 발생하는 힘의 크기를 측정할 수 있다. 링크(401, 411) 내의 복수의 센서(321)의 배치에 기초하여, 로봇 시스템은 또한 링크에 인가된 토크를 검출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 토크가 쉘(309)에 인가되는 경우, 링크(401, 411)의 일 측부 상의 소정 센서(321)가 압축될 수 있다. 압축되는 센서(321)에 의해 감지되는 힘 및 힘의 위치에 기초하여, 로봇 시스템은 링크(401, 411)에 인가된 토크를 결정할 수 있다.
다시 도 21을 참조하면, 로봇 아암(205)은 하나 이상의 센서(321)가 로봇 아암(205)의 임의의 부분과 다른 물체 사이의 접촉 또는 충돌을 검출하는 동안 다양한 자세로 배치될 수 있다. 일부 상황에서, 로봇 아암(205)의 이동에 대한 추가 제약이 있다. 예를 들어, 의료 절차 동안, 로봇 아암(205)의 ADM(134) 및/또는 그에 결합된 도구(135)의 원격 이동 중심(remote center of movement, RCM)이 정적 자세/위치로 유지되게 하는 것이 바람직할 수 있다. RCM은 의료 도구(135)가 그것을 통해 삽입되는 캐뉼러(cannula) 또는 다른 접근 포트의 움직임이 구속되는 공간 내의 지점을 지칭할 수 있다. 일부 구현예에서, 의료 도구(135)는 RCM을 유지하면서 환자의 절개부 또는 자연 구멍을 통해 삽입되는 엔드 이펙터를 포함한다.
일부 상황에서, 로봇 시스템은 로봇 아암(205)의 ADM(134) 및/또는 RCM이 그들 각각의 자세/위치에서 유지되는 동안 인근의 물체(예컨대, 다른 로봇 아암)와의 충돌을 회피하기 위해 로봇 아암(205)의 하나 이상의 링크(132)를 "널 공간(null space)" 내에서 이동시키도록 구성될 수 있다. 널 공간은 ADM(134) 및/또는 RCM의 이동을 야기하지 않고 로봇 아암(205)이 이동하여, 의료 도구(135)의 위치 및/또는 배향을 유지할 수 있는 공간으로서 고려될 수 있다. 일부 구현예에서, 로봇 아암(205)은 ADM(134)의 각각의 자세에 대해 이용가능한 다수의 위치 및/또는 구성을 가질 수 있다.
로봇 아암(205)이 ADM(134)을 공간에서 원하는 자세로 이동시키기 위해, 소정 구현예에서, 로봇 아암(205)은 적어도 6의 DoF를 가질 수 있다 - 병진을 위한 3 DoF(예컨대, X, Y, Z 위치) 및 회전을 위한 3 DoF(예컨대, 요, 피치, 및 롤). 일부 구현예에서, 각각의 조인트(131)는 로봇 아암(205)에 단일 DoF를 제공할 수 있고, 따라서 로봇 아암(205)은 ADM(134)을 공간에서 임의의 자세로 위치시키기 위한 운동 자유도를 달성하도록 적어도 6개의 조인트를 가질 수 있다. 로봇 아암(205)의 ADM(134) 및/또는 원격 운동 중심을 원하는 자세로 추가로 유지하기 위해, 로봇 아암(205)은 적어도 하나의 추가적인 "여유 조인트"를 추가로 가질 수 있다. 따라서, 소정 구현예에서, 시스템은 적어도 7개의 조인트(131)를 갖는 로봇 아암(205)을 포함하여, 로봇 아암(205)에 적어도 7 DoF를 제공할 수 있다. 그러나, 구현예에 따라, 로봇 아암(205)은 더 많거나 더 적은 수의 DoF를 가질 수 있다.
적어도 1의 여유 DoF를 갖는 로봇 아암(205)("운동학적으로 여유(kinematically redundant)"의 로봇 아암으로도 불림)은 주어진 작업을 수행하는 데 필요한 DoF의 최소 수보다 적어도 1 더 많은 DoF를 갖는 로봇 아암(205)을 지칭할 수 있다.
예를 들어, 로봇 아암(205)은 적어도 7 DoF를 가질 수 있고, 여기서 로봇 아암(205)의 조인트들(131) 중 하나는 6 DoF를 필요로 하는 작업을 완료하기 위한 여유 조인트로 고려될 수 있다. 하나 이상의 여유 조인트는 ADM(134)의 자세 및 RCM의 위치를 유지할 뿐만 아니라 다른 아암 또는 물체와의 충돌(들)을 회피하기 위해 로봇 아암(205)이 널 공간에서 이동하도록 허용할 수 있다.
로봇 시스템(예컨대, 도 6의 시스템(36) 또는 도 14의 시스템(140A))은 널 공간에서 하나 이상의 여유 조인트의 이동을 (예컨대, 개별적으로 또는 조정된 움직임으로) 이용함으로써, 예컨대 인접한 로봇 아암들 사이의 충돌(들)을 회피하기 위해 충돌 회피를 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 로봇 아암이 다른 로봇 아암과 충돌하거나 (다른 로봇 아암의 한정된 거리 내에) 접근할 때, 시스템의 하나 이상의 프로세서는 (예컨대, 운동학을 통해) 충돌 또는 임박한 충돌을 검출하도록 구성될 수 있다. 따라서, 시스템은 충돌 또는 임박한 충돌을 회피하기 위해 널 공간 내에서 그들 각각의 조인트를 조절하도록 로봇 아암들 중 하나 또는 둘 모두를 제어할 수 있다. 한 쌍의 로봇 아암을 포함하는 일부 구현예에서, 로봇 아암들 중 하나의 기부 및 그의 엔드 이펙터는 그들의 자세를 유지할 수 있고. 한편 그들 사이의 링크 또는 조인트는 인접한 로봇 아암과의 충돌을 회피하기 위해 널 공간에서 이동한다.
도 26은 일부 실시예에 따른, 조절가능 아암 지지부(210)를 포함하는 로봇 시스템(200)의 예를 예시한다. 도 26에서, 로봇 시스템(200)은 복수의 로봇 아암(205), 하나 이상의 조절가능 아암 지지부(210), 하나 이상의 셋업 조인트(215), 및 베드 칼럼(220)을 포함한다. 로봇 아암들(205) 각각은 조절가능 아암 지지부들(210) 중 하나에 의해 지지될 수 있고, 조절가능 아암 지지부(들)(210)는 이어서 셋업 조인트(들)(215)에 의해 지지될 수 있다. 전술된 바와 같이, 각각의 로봇 아암(205)은 복수의 DoF를 가질 수 있다. 유사하게, 조절가능 아암 지지부(들)(210) 및 셋업 조인트(들)(215)는 1 이상의 DoF로 이동가능할 수 있다.
도 27은 1 이상의 DoF가 로봇 아암, 조절가능 아암 지지부, 및 셋업 조인트 사이에서 공유될 수 있는 방법을 개략적으로 예시한다. 도 27은 셋업 조인트(215)가 근위 단부에서 베드 지지부(223)에 그리고 원위 단부에서 조절가능 아암 지지부(210)에 결합될 수 있는 시스템을 도시한다. 또한, 복수의 로봇 아암(205)은 그들 각각의 근위 단부에서 조절가능 아암 지지부(210)에 결합될 수 있다. 소정 구현예에서, 조절가능 아암 지지부(210)와 셋업 조인트(215)는 함께 4 DoF를 가질 수 있다. 따라서, 조절가능 아암 지지부(210)에 부착된 로봇 아암(205)은 셋업 조인트(215)와 조절가능 아암 지지부(210)에 의해 제공되는 4 DoF를 공유할 수 있다.
따라서, 구현예에 따라, 로봇 의료 시스템은 널 공간 이동 및 충돌 회피를 제공하기 위해 단지 로봇 아암의 자유도를 넘어서는 훨씬 더 많은 로봇으로 제어되는 자유도를 가질 수 있다. 이러한 구현예들 각각에서, 하나 이상의 로봇 아암의 엔드 이펙터(및 그에 결합된 임의의 도구 또는 기구) 및/또는 그들과 연관된 (예컨대, 도구의 축을 따른) 원격 중심은 유리하게는 환자 내에서 자세 및/또는 위치를 유지할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 로봇 시스템은 충돌 회피를 위한 널 공간 이동을 달성하기 위해 (예컨대, 복수의 로봇 아암 및/또는 조절가능 아암 지지부의) 상이한 링크 부재들 사이에서 공유된 DoF를 이용한다. 소정 구현예에서, 시스템은 충돌 회피를 위한 널 공간 이동을 달성하기 위해 하나 이상의 동력화된 링크의 제2 세트(예컨대, 하나 이상의 셋업 조인트 링크 및 하나 이상의 아암 지지부 링크 - 예컨대, 도 26에 예시된 셋업 조인트(215) 및 조절가능 아암 지지부(210) - 를 포함하는, 로봇 아암을 지지하는 지지 링크의 형태)와 연관된 1 이상의 DoF와 조정된 그리고/또는 동기화된 움직임으로 하나 이상의 동력화된 링크의 제1 세트(예컨대, 하나 이상의 로봇 아암 - 예컨대, 도 26에 예시된 로봇 아암(205) - 의 형태)와 연관된 1 이상의 DoF를 사용할 수 있다.
하나 이상의 동력화된 링크의 제1 세트(예컨대, 하나 이상의 로봇 아암의 형태)는 하나 이상의 동력화된 링크의 제2 세트(예컨대, 조절가능 아암 지지부 링크 또는 레일의 형태)와 상이한 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 링크의 제1 세트는 하나 이상의 링크의 제2 세트에 의해 지지된다.
더욱이, 일부 구현예에서, 하나 이상의 동력화된 링크의 제1 세트는 하나 이상의 동력화된 링크의 제2 세트와 상이한 수의 DoF를 갖는다. 예를 들어, 도 27에 예시된 단순화된 구현예에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 링크의 제1 세트는 각각 7 이상의 DoF를 갖는 3개의 로봇 아암(205)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 로봇 아암들(205) 각각은 쇼울더 요, 쇼울더 피치, 엘보우 피치, 리스트 요, 리스트 피치, 롤, 및 삽입을 포함하지만 이에 제한되지 않는 DoF를 가질 수 있다. 하나 이상의 동력화된 링크의 제2 세트는 4 이상의 DoF를 갖는 조절가능 아암 지지부(210)와 조합하여 셋업 조인트(215)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 셋업 조인트(215)와 조절가능 아암 지지부(210)는 수직 병진 또는 "Z-리프트", 베드를 따른 길이방향 병진, 틸트, 및 상향 피봇을 포함하지만 이에 제한되지 않는 DoF를 가질 수 있다. 셋업 조인트(215)와 조절가능 아암 지지부(210)의 DoF는 또한 위에서 논의된 바와 같이 도 24에 예시되어 있다.
일부 다른 구현예에서, 하나 이상의 동력화된 링크의 제1 세트는 하나 이상의 동력화된 링크의 제2 세트와 동일한 수의 DoF를 가질 수 있다. 유리하게는, 하나 이상의 링크의 제1 세트와 하나 이상의 링크의 제2 세트 사이에서 DoF를 공유함으로써, 널 공간 이동 및 충돌 회피를 위한 DoF의 수가 확장될 수 있다.
본 개시의 태양은 널 공간 이동이 가능한 로봇 아암의 DoF에 더하여 1 이상의 DoF를 갖는 로봇 시스템에 관한 것이다. (예컨대, 조절가능 아암 지지부와 조합하여 셋업 조인트로부터의) 이들 추가의 DoF는 조절가능 아암 지지부에 결합된 로봇 아암(들)의 움직임에 영향을 미치고 충돌 회피를 보조할 수 있다. 예를 들어, 수직 병진, 길이방향 병진, 및 틸트를 포함하는 링크의 제2 세트로부터의 DoF는 로봇 아암들 각각의 DoF와 조합될 때 널 공간 이동에 특히 유용할 수 있다.
전술된 구현예에서, 링크 부재의 상이한 세트들 사이의 공유된 DoF는 링크 부재의 적어도 하나의 세트가 로봇 아암과 연관되는 널 공간 이동에 이용된다. 이들 구현예에서, 로봇 아암의 ADM뿐만 아니라, 그에 부착된 도구의 RCM은 유리하게는 자세/위치가 유지될 수 있다.
B. 로봇 아암 및/또는 바아 최적화를 위한 힘 정보의 이용
(예컨대, 로봇 아암과 환자와 같은 물체 사이의 충돌 또는 접촉 동안) 전술된 하나 이상의 센서에 의해 검출되는 힘 정보는 로봇 아암 및/또는 조절가능 아암 지지부("바아"로도 알려짐) 최적화를 위한 전반적인 제약으로 변환될 수 있다. 일부 경우에, 의료 절차는 하나 이상의 로봇 아암이 포트 위치에 부착되는 표준 포트 배치로 시작할 수 있다. 충돌이 발생할 때, 충돌 정보는 힘 센서들(예컨대, 하나 이상의 조인트에 있는 힘 센서들을 포함하는 접촉 센서들) 중 하나 이상을 통해 수집될 것이다. 충돌을 검출할 수 있는 다른 잠재적인 센서는 초음파 또는 광을 검출하기 위한 센서를 포함한다. 그러한 충돌 정보는 충돌의 특성(예컨대, 아암 대 아암 충돌, 아암 대 환경 충돌), 충돌의 전반적인 위치(예컨대, 충돌이 링크, 조인트, 고급 장치 조작기(ADM) 등에서 발생했는지 여부), 및 충돌의 추정된 방향(예컨대, 충돌 벡터)을 포함한다. 이러한 정보는 예컨대 충돌 방향으로 충돌 위치에서 유래하는 외부 제약, 예컨대 포텐셜/충돌 필드(potential/collision field)를 생성하는 데 사용될 것이다. 이러한 포텐셜 필드는 로봇 아암 및/또는 조절가능 아암 지지부의 인근의 조인트 및 링크를 접근하지 못하게 하고 "밀어내어", 유리하게는 추가 충돌을 회피할 수 있다. 그러한 "밀어냄"의 강도는 인근의 구성요소로부터 충돌 위치까지의 거리의 함수일 수 있다. 이들 제약에 의해, 하나 이상의 아암을 최적화하는 것에 더하여, 조절가능 아암 지지부/바아 자세는 또한 충돌 거리 및 로봇 아암 엔드 이펙터 작업공간에 대해 최적화될 수 있다. 이는 시스템이 충돌로부터 쉽게 복구되고 미래의 충돌 가능성이 더 낮은 상태에서 절차를 계속하도록 허용한다.
도 28은 일부 실시예에 따른, 접촉 정보에 기초하여 하나 이상의 운동학적 체인(예컨대, 각각의 운동학적 체인은 연관된 조절가능 아암 지지부/바아에 결합된 하나 이상의 로봇 아암과 같은, 서로 회전가능하게 결합된 강성 본체의 조립체를 포함함)을 조절하기 위한 방법을 예시한 흐름도이다.
도 28에 도시된 작업흐름은 의료 로봇 시스템이 의료 절차를 위해 사용되는 것으로 시작하고(동작(281)), 여기서 의료 로봇 시스템은 하나 이상의 운동학적 체인을 갖는다. 시스템이 의료 절차를 위해 사용되는 동안, (예컨대, 도 21, 도 22a 및 도 22B, 도 24, 및 도 25a 내지 도 25d와 관련하여 기술된 하나 이상의 센서를 사용하여) 운동학적 체인과의 충돌(예컨대, 로봇 아암과 환자 사이의 접촉)이 검출된다(동작(282)). 의료 로봇 시스템은 운동학적 체인의 이동을 중단하고 접촉 정보를 수집한다(동작(283)). 일부 경우에, 의료 로봇 시스템은 하나 이상의 운동학적 체인의 구성의 최적화를 위해 접촉 정보를 명령어의 특정 세트(예컨대, 소프트웨어 애플리케이션) 또는 전자 장치에 제공한다. 이어서, 의료 로봇 시스템은 예를 들어 명령어의 특정 세트 또는 전자 장치를 사용함으로써 운동학적 체인의 새로운 구성을 결정하고(동작(284)), 운동학적 체인을 결정된 구성으로 배치하여 운동학적 체인과의 접촉을 제거한다(동작(285)). 그 후에, 의료 로봇 시스템은 의료 절차를 재개한다(동작(286)). 운동학적 체인이 최적화된 구성에 있기 때문에, 운동학적 체인이 물체와 접촉하게 될 가능성이 감소된다. 일부 경우에, 의료 로봇 시스템은 의료 절차를 계속한다(동작(281)).
도 29a 내지 도 29f는 도 28의 흐름도에 따른 동작 동안의 로봇 아암(205)의 구성을 예시한다.
도 29a는 도 26과 관련하여 기술된 의료 로봇 시스템(200)을 예시하고, 여기서 테이블 상부(225) 상의 환자가 의료 절차를 받고 있다. 도 29a 내지 도 29f에서, 의료 기구는 의료 로봇 시스템(200)의 동작의 다른 양태를 모호하게 하지 않도록 도시되지 않는다.
도 29b는 로봇 아암(205-2)이 아래로 이동하고 로봇 아암(205-2)의 일부분이 환자와 접촉하게 되는 것을 도시한다. 도 29c는 의료 로봇 시스템(200)(또는 그의 하나 이상의 프로세서)이 접촉 정보(예컨대, 접촉의 위치, 접촉의 방향, 접촉의 힘 등)를 수신하고 맵(예컨대, 의료 로봇 시스템(200) 부근의 물체를 모델링하는 3차원 맵)에서 접촉을 모델링하는 것을 도시한다. 예를 들어, 접촉 또는 충돌은 맵에서 제약 또는 포텐셜 필드로서 모델링될 수 있다. 도 29c에서, 접촉은 포텐셜 필드(227-1)로서 모델링된다. 일부 구현예에서, 포텐셜 필드는 방향성(예컨대, 접촉의 위치로부터 소정 방향 또는 방향의 소정 범위에 위치되는 운동학적 체인의 부분에 적용가능함)이거나 비-방향성(예컨대, 접촉의 위치에 대한 그들의 위치에 관계없이 운동학적 체인의 모든 부분에 적용가능함)이다. 일부 구현예에서, 제약 또는 포텐셜의 효과는 접촉의 위치로부터 운동학적 체인의 각각의 부분까지의 거리에 기초한다. 예를 들어, 접촉의 위치로부터 제1 거리에 위치되는 운동학적 체인의 부분이 접촉의 위치로부터, 제1 거리보다 큰 제2 거리에 위치되는 운동학적 체인의 다른 부분보다 그의 원래 위치 및/또는 접촉의 위치로부터 더 멀리 이동될 수 있다. 도 29c에서, 접촉의 위치에 근접하게 위치되는 로봇 아암(205-2)의 원위 단부(예컨대, 의료 도구를 유지하도록 구성된 로봇 아암(205-2)의 팁)는 접촉의 위치에 유지되거나 그로부터 최소로 멀어지게 이동될 수 있다. 마찬가지로, (조절가능 아암 지지부(210) 근처의) 로봇 아암(205-2)의 근위 단부 및 다른 로봇 아암(205-1 및 205-3 내지 205-6)은 정지되어 유지될 수 있는 반면, 아암의 근위 단부와 원위 단부 사이의 중간 링크 및 조인트는 이동할 수 있다.
일부 구현예에서, 제약의 크기(예컨대, 구속된 영역 또는 볼륨의 크기) 또는 포텐셜 필드의 범위는 접촉으로부터 검출된 힘, 접촉 물체의 유형(예컨대, 테이블 상부(225) 위에서 그와의 충돌이 검출되는 환자, 및 테이블 상부(225) 외측에서 그와의 충돌이 검출되는 의료진과 같은, 접촉의 위치에 기초하여 결정됨), 및 검출 확률과 같은 하나 이상의 인자에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 도 29d는 도 29c에 도시된 포텐셜 필드보다 큰 범위를 갖는 포텐셜 필드를 도시하고, 다수의 로봇 아암, 즉 로봇 아암(205-1 내지 205-3)의 구성이 조절된다(예컨대, 로봇 아암(205-1, 205-3) 및 로봇 아암(205-2)의 부분이 접촉의 위치 또는 포텐셜 필드로부터 멀리 이동됨).
도 29e는 로봇 아암(205-1)의 원위 단부의 하향 이동 동안 로봇 아암(205-1)과 환자 사이에서 다른 충돌(또는 접촉)이 검출되는 것을 도시한다. 도 29e에서, 의료 로봇 시스템(200)은 로봇 아암(205-1)과 환자 사이의 접촉에 관한 정보를 수신하고, 맵에서 포텐셜 필드(227-2)로서 접촉을 모델링하고, 로봇 아암(205-1)의 구성(또는 포텐셜 필드의 범위에 따라 로봇 아암들(205-1 내지 205-6) 중 2개 이상의 구성)을 조절한다. 도 29e 및 도 29f는 또한 의료 로봇 시스템(200)이 맵에서 포텐셜 필드(227-1)를 유지하는 것(및 그 결과, 로봇 아암(205-1)의 구성의 조절 동안, 로봇 아암(205-1)이 포텐셜 필드(227-1) 부근으로 오지 않을 수 있는 것)을 도시한다. 일부 경우에, 하나 이상의 포텐셜 필드(또는 제약)는 시간 경과에 따라 만료되고, 따라서 의료 로봇 시스템(200)은 로봇 아암(205-1)과 환자 사이의 충돌이 검출될 때까지 포텐셜 필드(227-1)를 유지하지 않을 수 있다.
도 30은 일부 실시예에 따른, 접촉 정보에 기초하여 운동학적 체인의 구성을 조절하는 방법(330)을 예시한 흐름도이다. 방법(330)은 제1 운동학적 체인 및 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터(예컨대, 힘, 토크, 접촉의 방향, 접촉 위치 등)를 검출하도록 위치된 하나 이상의 센서를 포함하는 의료 로봇 시스템(예컨대, 도 21, 도 23, 도 24, 및 도 25a 내지 도 25d와 관련하여 기술된 로봇 아암(205) 및 하나 이상의 센서를 가진 의료 로봇 시스템(200))과 통신하는 전자 장치(예컨대, 도 38과 관련하여 기술된 프로세서(380)와 같은 하나 이상의 프로세서)에 의해 수행된다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 제1 운동학적 체인의 기부에(예컨대, 조인트(131-3)에 또는 기부(136)에) 위치된 힘 센서, 하나 이상의 링크와 제1 운동학적 체인의 엔드 이펙터 사이의 조인트에(예컨대, 조인트(131-1)에) 인접하게 위치된 힘 센서, 또는 하나 이상의 링크 상의 (예컨대, 쉘 센서 상의) 하나 이상의 접촉 센서(예컨대, 센서(321)) 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 링크와 로봇 아암 엔드 이펙터 사이의 조인트에 인접하게 위치된 힘 센서는 6-축 로드 셀을 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 운동학적 체인은 운동학적으로 여유의 것이다. 예를 들어, 제1 운동학적 체인은 의료 작업을 완료하는 데 필요한 것보다 높은 자유도를 갖는다(예컨대, 제1 운동학적 체인은 7, 8, 또는 9 또는 그보다 높은 자유도를 가짐). 일부 실시예에서, 제1 로봇 아암은 운동학적으로 여유의 것이다. 일부 실시예에서, 제1 로봇 아암과 조절가능 아암 지지부의 조합이 운동학적으로 여유의 것이다.
방법(330)은 하나 이상의 센서에 의해 검출되는 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터를 (예컨대, 하나 이상의 센서로부터) 수신하는 단계(331)를 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 운동학적 체인과의 접촉은 의료 로봇 시스템의 일부가 아닌 물체(예컨대, 환자, 스태프, 또는 액세서리)와 제1 운동학적 체인 사이의 접촉을 포함한다.
일부 실시예에서, 접촉의 하나 이상의 파라미터는 접촉의 힘 정보(힘 및/또는 토크를 포함함), 접촉의 위치 정보, 및 접촉의 방향 정보(이는 제1 운동학적 체인과 물체 사이의 접촉 전 및/또는 그 동안 제1 운동학적 체인의 이동 및/또는 힘의 방향으로부터 결정될 수 있음)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함한다(332).
일부 실시예에서, 접촉의 하나 이상의 파라미터는 접촉이 이동하는 물체와의 또는 고정된 물체와의 접촉인지 여부(이는 접촉의 위치가 시간 경과에 따라 변화하는지 여부에 기초하여 결정될 수 있음)에 관한 정보를 포함한다.
방법(330)은 또한 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터에 기초하여 제1 운동학적 체인과 연관된 제약을 결정하는 단계(333)를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법(330)은 하나 이상의 센서에 의해 검출된 제1 운동학적 체인과의 후속 접촉의 하나 이상의 파라미터에 기초하여 제약을 업데이트하고/하거나 제약 맵(constraint map)을 구축하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 의료 로봇 시스템(200)은 (예컨대, 접촉의 초기 정보에 기초하여) 제약 맵을 생성하거나 (예컨대, 접촉의 후속 정보에 기초하여) 이전에 구축된 제약 맵을 업데이트한다.
일부 실시예에서, 접촉의 하나 이상의 파라미터는 확률 맵(probabilistic map)의 일부를 형성한다. 예를 들어, 접촉 정보는 소정 물체가 3차원 공간 내의 각각의 위치에 존재할 수 있는 확률로 변환된다(따라서, 확률 맵에서의 확률 값은 각각의 위치 또는 복셀(voxel)에 대한 접촉 또는 충돌의 가능성을 나타냄).
일부 실시예에서, 확률 맵은 접촉의 검출 신뢰도에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 검출의 높은 신뢰도를 갖는 물체(또는 접촉)에 높은 확률 값이 할당될 수 있는데, 이는 물체가 대응하는 위치에 존재할 높은 가능성을 갖기 때문이고, 검출의 낮은 신뢰도를 갖는 물체(또는 접촉)에 낮은 확률 값이 할당될 수 있는데, 이는 물체가 대응하는 위치에 존재할 낮은 가능성을 갖기 때문이다.
일부 실시예에서, 방법(330)은 제약의 유한 시간(finite time)에 기초하여 확률 맵을 업데이트하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 의료 로봇 시스템(200)은 하나 이상의 시간 간격으로 확률 맵을 업데이트할 수 있다. 일부 구현예에서, 제약의 유한 시간에 기초하여 확률 맵을 업데이트하는 단계는 그러한 제약이 확률 맵에서 마지막으로 업데이트된 이후 소정 기간 후에 하나 이상의 제약을 만료시키는(또는 제거하는) 단계를 포함한다. 이는 오래된 제약이 확률 맵에 남아 있어서, 제1 운동학적 체인에 대한 최적 구성의 결정을 방해하는 것을 방지한다.
일부 실시예에서, 방법(330)은 제약의 변화하는 확률에 기초하여 확률 맵을 업데이트하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 의료 로봇 시스템(200)은 접촉이 정지된 물체와 또는 동적인 이동하는 물체와 이루어졌는지 여부를 결정한다(예컨대, 접촉 위치에 기초함, 예를 들어, 테이블 상부(225) 외측의 접촉이 이동하는 물체와의 접촉으로서 모델링될 수 있고, 테이블 상부(225) 위에서의 접촉이 정지된 물체와의 접촉으로서 모델링될 수 있음). 동적 물체와의 접촉의 경우, 확률은 동적 물체가 동일한 위치에 유지되지 않을 수 있는 가능성에 기초하여 감소된다. 예를 들어, 시간 감쇠 함수(또는 곡선)는 확률 맵을 업데이트하는 데 사용될 수 있고, 여기서 시간 감쇠 함수는 선형 감쇠 함수 또는 비선형 감쇠 함수(예컨대, 지수 감쇠 함수)일 수 있다.
일부 실시예에서, 제약은 하나 이상의 센서에 의해 검출된 접촉의 하나 이상의 파라미터에 적어도 부분적으로 기초하여 포텐셜 필드(예컨대, 포텐셜 필드(227-1))로서 모델링된다(334). 예를 들어, 포텐셜 필드는 힘이 제1 운동학적 체인의 하나 이상의 구성요소 상에(그리고 가능하게는 다른 운동학적 체인의 구성요소 상에) 인가되는 하나 이상의 위치로서 모델링된다. 일부 실시예에서, 포텐셜 필드로 인한 제1 운동학적 체인의 각각의 구성요소 상의 모델링된 힘은 접촉의 위치로부터 각각의 구성요소의 위치까지의 거리에 기초하고, 충돌의 위치로부터 멀리 향하는 방향을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 포텐셜 필드는 또한 하나 이상의 센서들 중 각각의 센서에 의해 접촉을 검출할 확률에 기초한다(335). 예를 들어, 모델링된 힘은 검출의 높은 신뢰성/충실도를 갖는 센서(예컨대, 낮은 감도를 갖는 센서)에 의해 검출된 접촉에 대해 증가되고, 모델링된 힘은 검출의 낮은 신뢰성/충실도를 갖는 센서(예컨대, 높은 감도를 갖는 센서)에 의해 검출된 접촉에 대해 감소된다. 이는 (예컨대, 물체의 크기 또는 재료로 인해) 검출하기 어려운 물체와의 접촉의 가능성을 감소시키는 반면, 신뢰성 있고 정확하게 검출될 수 있는 물체에 대한 힘을 감소시킴으로써 로봇 아암 및 도구를 조작하기 위해 이용가능한 공간을 증가시킨다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서들 중 각각의 센서에 사전한정된 검출 확률이 할당된다(예컨대, 의료 로봇 시스템(200)은 각각의 센서 또는 각각의 센서 유형에 대한 사전한정된 검출 확률 값의 테이블을 메모리에 저장함).
일부 실시예에서, 제약은 진입-금지 구역(예컨대, 제1 운동학적 체인의 어떠한 구성요소도 진입하도록 허용되지 않는 볼륨)으로서 모델링된다. 일부 실시예에서, 진입-금지 구역은 접촉의 하나 이상의 파라미터에 기초하여 한정된 하나 이상의 경계를 갖는다(예컨대, 진입-금지 구역의 크기는 힘 정보에 기초하여 결정되고, 진입-금지 구역의 형상은 방향 정보 및/또는 위치 정보에 기초하여 결정됨).
방법(330)은 제약에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성(예컨대, 제2 구성은 제1 구성과 별개임)으로의 제1 운동학적 체인의 구성의 조절(예컨대, 제1 운동학적 체인과 결합되거나 그에 포함된 하나 이상의 액추에이터를 활성화함으로써)을 유발하는 단계(336)를 추가로 포함한다. 조절은 제1 운동학적 체인을 비-충돌 위치로 위치시키고, 미래의 충돌 위험을 감소시킨다.
일부 실시예에서, 제1 운동학적 체인은 제1 로봇 아암(예컨대, 로봇 아암(205-1)) 및 제1 로봇 아암이 그 상에 위치되는 조절가능 아암 지지부(예컨대, 조절가능 아암 지지부(210))(예컨대, 제1 로봇 아암이 조절가능 아암 지지부와 - 회전가능하게 결합되는 것과 같이 - 기계적으로 결합됨)를 포함하고, 제1 운동학적 체인의 구성의 조절은 조절가능 아암 지지부의 위치를 변경하는 단계(337)를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 제1 운동학적 체인의 널 공간을 이용하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로의 제1 운동학적 체인의 구성의 조절을 유빌하는 단계(338)를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법(330)은 하나 이상의 센서에 의해 검출된 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터로부터 결정된 제약에 기초하여 제1 운동학적 체인의 하나 이상의 부분과 접촉하지 않는 하나 이상의 다른 운동학적 체인의 구성의 조절을 유발하는 단계를 포함한다(예컨대, 도 29d에 도시된 바와 같이, 로봇 아암(205-1, 205-3)이 로봇 아암(205-2)과 접촉하지 않더라도 로봇 아암(205-1, 205-3)이 이동됨).
일부 실시예에서, 방법(330)은 하나 이상의 센서에 의해 검출된 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터로부터 결정된 제약에 기초하여 물체와 접촉하지 않는 하나 이상의 운동학적 체인의 구성의 조절을 유발하는 단계를 포함한다(예컨대, 도 29d에 도시된 바와 같이, 환자와 접촉하지 않는 로봇 아암(205-1, 205-3)이 이동됨).
일부 실시예에서, 방법(330)은 의료 절차를 수행하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 의료 절차는 수술 절차를 포함한다.
C. 부근의 물체를 검출하기 위한 센서 아키텍처
전술된 바와 같이, 의료 로봇 시스템(200)은 운동학적 체인(예컨대, 로봇 아암)과의 접촉을 검출하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 의료 로봇 시스템(200)은 의료 로봇 시스템(200) 부근의 물체를 검출하기 위한 하나 이상의 센서(예컨대, 비-접촉, 근접 센서)를 포함한다. 그러한 센서는 접촉을 필요로 하지 않고, 따라서 운동학적 체인의 구성(또는 이동)을 조절하고 접촉이 발생하기 전에 접촉을 방지하는 데 사용될 수 있다. 그러한 센서의 예는 소나(sonar), 레이더(radar), LIDAR, 초음파 센서, 광-기반 센서, 또는 비전-기반 센서를 포함한다.
도 31은 일부 실시예에 따른, 부근의 물체를 검출하기 위해 장착된 센서(314)를 도시한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서(예컨대, 센서(314-1 내지 314-5))는 로봇 링크들(132) 중 하나 이상에 고정된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서(예컨대, 센서(314-6, 314-7))는 의료 로봇 시스템(200)의 외부에(예컨대, 벽 또는 천장 상에) 고정된다. 일부 경우에, 하나 이상의 센서(314)는 동적 환경에 관한 정보를 수집하기 위한 기준 지점으로서 기능할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서(314)는 물체(예컨대, 환자)에 대한 최상의 가시성을 갖는 링크들 또는 링크들 사이의 조인트들 중 임의의 것 상에 위치된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 로봇 아암은 하나의 센서를 갖는다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 로봇 아암은 다수의 센서를 갖는다.
도 32는 동적 환경에 관한 정보를 수집하기 위한 다수의 센서(314)를 가진 로봇 아암(205)의 예를 도시한다. 도 32에서, 로봇 아암(205)은 적어도 4개의 센서를 포함한다(로봇 아암(205)이 추가 센서를 포함할 수 있지만, 4개의 센서(314-1 내지 314-4)가 도 32에 도시되어 있음). 3개의 센서(314-1 내지 314-3)는 로봇 아암(205)의 원위 링크 상에 위치되는 반면, 하나의 센서(314-4)는 로봇 아암(205)의 근위 링크 상에 위치된다. 도 32에 예시된 바와 같이, 상이한 센서(314)는 환경의 상이한 패치(patch) 또는 영역을 검출하도록 구성될 수 있다. 센서(314-1, 314-2)는 환자의 상이한 영역을 검출하고, 센서(314-3)는 의료 스태프(예컨대, 의사 보조원, 간호사, 마취과 의사 등)를 검출하는 반면, 센서(314-4)는 어떤 것도 검출하지 않는다. 센서(314)에 의해 검출된 정보로부터, 환경의 맵이 생성될 수 있다.
도 33은 일부 실시예에 따른, 하나 이상의 센서(314)(또는 단일 센서)에 의해 검출된 정보에 기초한 맵을 가진 사람(예컨대, 환자)의 예시적인 표현을 예시한다. 도 33에서, 사람은 3차원 공간에서 포인트 클라우드(point cloud)(예컨대, 점 또는 도트의 그룹)로서 표현된다(예컨대, 각각의 점은 3차원 좌표와 연관됨). 일부 실시예에서, 각각의 점은 그 점이 특정 물체(예컨대, 환자)에 속할 가능성을 나타내는 확률 값을 갖는다. 도 33에서, 확률 값은 점의 크기에 기초하여 표현된다(예컨대, 더 큰 점은 그 점이 물체에 속할 더 높은 확률을 표현함).
D. 감지된 물체의 맵을 생성하기 위한 감지된 정보의 이용
도 34는 일부 실시예에 따른, 검출된 물체 정보에 기초하여 하나 이상의 운동학적 체인을 조절하기 위한 방법을 예시한 흐름도이다.
도 34에 도시된 작업흐름은 맵 초기화로 시작한다(동작(322)). 일부 구현예에서, 맵 초기화는 비어 있는 맵을 사용하는 것을 포함한다. 그러한 경우에, 의료 로봇 시스템은 환경(예컨대, 물체의 위치 및 크기)에 대한 사전 지식이 없는 것으로 가정한다. 일부 다른 구현예에서, 맵 초기화는 환자의 신체 모델의 사전결정된 모델로부터의 초기 환자 신체 맵(그리드 또는 포인트 클라우드 형태의 공간적, 통계적 또는 결정론적)의 선택을 포함한다. 그러한 경우에, 맵은 환자 신체 맵(예컨대, 디폴트 환자 신체 맵 또는 사용자 입력에 기초하여 선택되거나 생성된 환자 신체 맵)으로 초기화된다. 예를 들어, 환자 신체 맵은 환자의 신체 치수(예컨대, 신장 및 허리 둘레 등)에 기초하여 생성될 수 있다. 일부 구현예에서, 초기 환자 신체 맵은 모델링된 환자 신체 주위에 비어 있는 주변부를 갖는다.
의료 절차가 시작되고, 의료 로봇 시스템은 환경을 모니터링하고(동작(323)), 검출된 물체에 관한 정보로 맵을 업데이트한다(동작(324)). 예를 들어, 로봇 아암이 이동함에 따라, 센서는 시야에서 가장 근접한 물체까지의 거리를 기록할 것이다. 일부 구현예에서, 의료 로봇 시스템은 검출된 물체가 의료 로봇 시스템에 속하는지 그렇지 않은지 여부를 결정한다. 검출된 물체가 의료 로봇 시스템(200)에 속하지 않고, 물체가 의료 절차 내에 있는 경우, 초기 공간적/통계적 또는 결정론적 모델(또는 맵)이 업데이트된다. 업데이트는 칼만 필터(Kalman filter), 입자 필터, 및 공분산 교차 알고리즘과 같은, 임의의 동시 위치결정 및 매핑(simultaneous localization and mapping, SLAM) 알고리즘 또는 센서 융합 알고리즘에 기초할 수 있다. 업데이트 동작(동작(324))은 주기적으로 반복된다. 다수의 반복 후에, 높은 신뢰도를 가진 환경(예컨대, 환자 신체를 포함함)의 공간 모델이 달성될 수 있다.
로봇 프로세서는 모델의 신뢰도 및 정확도가 충분히 높을 때 이러한 모델과의 충돌을 회피할 것이다. 이는 환자와의 충돌 가능성을 제거할 것이다. 바아 배치는 또한 효율을 증가시키기 위해(더 적은 아암-아암 충돌 등) 이러한 모델에 기초하여 동작 동안 수정될 수 있다.
일부 경우에, 운동학적 체인의 새로운 구성이 업데이트된 맵에 기초하여 결정되고(동작(325)), 의료 로봇 시스템은 운동학적 체인을 결정된 구성으로 배치한다(동작(326)). 운동학적 체인이 최적화된 구성에 있는 동안 의료 절차가 계속된다. 그 결과, 운동학적 체인이 다른 물체와 접촉하게 될 가능성이 감소된다. 이는, 이어서, (예컨대, 로봇 아암들 사이의 또는 로봇 아암과 다른 물체 사이의) 충돌이 더 적을 것이기 때문에, 의료 절차의 효율을 증가시킨다.
일부 구현예에서, 환경의 동적 특성으로 인해, 경계의 각각의 패치에 경계의 패치가 검출된 때 및 방법에 기초한 확률이 할당될 수 있다(예컨대, 의료 로봇 시스템은 검출의 타임스탬프와 같은 특정 지점에 관한 정보가 검출된 때 및 방법을 나타내는 정보를 저장함). 예를 들어, 패치가 높은 접촉력으로(또는 높은 감도를 가진 센서로) 결정되었다는 결정에 따라, 의료 로봇 시스템은 물체의 검출된 경계에 높은 확률을 할당한다. 또한, 의료 로봇 시스템은 시간 경과에 따라 확률을 감소시켜, 물체가 그의 원래 위치로부터 이동했을 수 있다는 사실을 반영하고, 따라서 오래 전에 검출된 경계를 무효화한다. 다른 한편, 물체가 시간 경과에 따라 동일하거나 유사한 위치에서 계속 검출되는 경우, 의료 로봇 시스템은 물체의 검출된 경계에 할당된 확률을 증가시킨다. 그러한 경우에, 물체(또는 그의 경계)의 위치 및 형상은 더 우수한 정확도로 근사화될 수 있다. 일부 구현예에서, 추가적인 사전 지식이 사용될 수 있다. 예를 들어, 환자가 테이블 상부에 비교적 고정되는 것으로 알려져 있는 반면, 스태프는 일반적으로 베드 외측에서 돌아다닌다. 따라서, 센서 측정의 위치에 기초하여, 별개의 모델이 생성될 수 있다(예컨대, 테이블 상부 영역에 대한 센서 측정에 기초한 환자 모델 및 시간 경과에 따라 만료되거나 감쇠될 수 있는, 베드 외측의 센서 측정에 기초한 스태프 모델).
도 35a 내지 도 35g는 일부 실시예에 따른, 로봇 아암 및 대응하는 맵의 구성을 예시한다. 도 35a 내지 도 35g에서, 센서는 의료 로봇 시스템의 동작의 다른 양태를 모호하게 하지 않도록 도시되지 않는다.
도 35a는, 좌측에서, 로봇 아암(205-1, 205-2)을 가진 의료 로봇 시스템을 예시하고, 여기서 환자(240)가 테이블 상부(225) 상에 위치된다. 도 35a는 또한 천장 구조물(291)(예컨대, 조명 기구)을 도시한다. 도 35a의 좌측에 도시된 설정에 대응하는 물체 맵의 그래픽 표현이 도 35a의 우측에 도시되어 있다. 물체 맵은 환자의 맵(241)(예컨대, 환자의 표면 경계를 표현하는 점의 그룹)을 포함하고, 또한 테이블 상부(225) 및 천장 구조물(291) 중 하나 이상의 부분의 맵을 포함한다.
도 35b는, 좌측에서, 로봇 아암(205-2)이 환자의 맵(241)에 기초하여 (예컨대, 더 최적의 위치 또는 자세로) 이동하는 것을 예시한다. 도 35b는 또한, 좌측에서, 의료진(242)이 로봇 아암(205-1) 부근으로 이동한 것을 도시한다. 의료진(242)의 맵(243)을 포함하는 업데이트된 물체 맵의 그래픽 표현이 도 35b의 우측에 도시되어 있다.
도 35c는, 의료진의 맵(243)을 포함하여, 좌측에서, 로봇 아암(205-1)이 업데이트된 맵에 기초하여 이동하는 것을 예시한다.
도 35d는, 좌측에서, 의료진(242)이 로봇 아암(205-1)으로부터 멀리 이동한 것을 예시한다. 그러나, 도 35d는, 우측에서, 의료진의 맵(243)이 (적어도 소정 기간 동안) 유지되는 것을 도시한다.
도 35e는, 우측에서, 의료진의 맵(243)이 제거되었다는 것을 예시한다. 일부 구현예에서, 의료진(또는 임의의 이동하는 물체)의 맵(243)은 소정 기간 후에 만료된다(예컨대, 이동하는 물체의 맵이 사전설정된 기간의 경과 시에 제거됨). 일부 다른 구현예에서, 의료진(또는 임의의 이동하는 물체)의 맵(243)은 시간 경과에 따라 감쇠된다(예컨대, 이동하는 물체의 맵에 대한 확률 값이 시간 경과에 따라 감소함). 다른 한편, 환자(240)는 시간 경과에 따라 동일한 위치에서 계속 검출된다. 일부 구현예에서, 정적 물체(static object)(예컨대, 환자(240))의 맵에 대한 확률 값은 시간 경과에 따라 증가한다.
도 35f는, 좌측에서, 의료진(242)이 로봇 아암(205-2) 부근으로 이동한 것을 예시한다. 환자(240)의 우측 상의 의료진(242)의 맵(243)을 포함하는 다른 업데이트된 물체 맵의 그래픽 표현이 도 35f의 우측에 도시되어 있다.
도 35g는, 새로운 위치에 있는 의료진의 맵(243)을 포함하여, 좌측에서, 로봇 아암(205-2)이 업데이트된 맵에 기초하여 이동하는 것을 예시한다.
도 35a 내지 도 35g에 도시된 바와 같이, 의료 로봇 시스템은 의료 로봇 시스템 부근의 물체를 검출하고, 운동학적 체인과의 충돌 위험이 감소되도록 운동학적 체인의 구성을 조절할 수 있다. 도 35a 내지 도 35g는 또한 소정 물체가 맵에서 상이하게 모델링되는 것을 도시한다. 예를 들어, 이동하는 물체의 맵이 시간 경과에 따라 만료되거나 감쇠될 수 있고, 정적 물체의 확률 값은 시간 경과에 따라(또는 임계 시간에 도달할 때) 증가할 수 있다.
일부 실시예에서, 물체는 맵에서 버퍼 구역으로 모델링된다. 운동학적 체인이 물체의 경계 바로 옆으로 이동하도록 허용하는 것은 측정 오류, 모델링 오류, 및 물체의 이동과 같은 다양한 이유로 인해 운동학적 체인이 물체와 접촉하게 할 수 있고, 버퍼 구역(예컨대, 물체의 경계로부터 소정 거리를 갖는 경계를 가진 소정 영역 또는 볼륨)을 제공하는 것은 운동학적 체인과 물체 사이의 접촉 가능성을 감소시킨다. 일부 실시예에서, 버퍼 구역에 대한 버퍼 거리 db는 도 36a에 도시된 바와 같이 다양한 인자(예컨대, 검출 확률, 검출 신뢰도 등)에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 동일한 물리적 크기(및 형상)를 갖는 2개의 물체(244, 245)에 대해, 그들의 버퍼 구역(246, 247)은 물체(244)가 정적 물체이고 물체(245)가 동적인 이동하는 물체일 때 상이한 크기를 가질 수 있다.
도 37은 일부 실시예에 따른, 센서 정보에 기초하여 로봇 아암의 구성을 조절하는 방법(370)을 예시한 흐름도이다. 방법(330)은 제1 로봇 아암 및 제1 로봇 아암 부근의 물체를 검출하도록 위치된 하나 이상의 센서를 포함하는 의료 로봇 시스템(예컨대, 도 31과 관련하여 기술된 로봇 아암(205) 및 하나 이상의 센서를 가진 의료 로봇 시스템(200))과 통신하는 전자 장치(예컨대, 도 38과 관련하여 기술된 프로세서(380)와 같은 하나 이상의 프로세서)에 의해 수행된다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 소나, 레이더, LIDAR, 초음파, 광-기반 센서, 또는 비전-기반 센서 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 적어도 하나의 비-접촉 센서를 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 적어도 하나의 비-접촉 센서에 더하여 적어도 하나의 접촉 센서를 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 로봇 아암은 원격조작으로 제어된다. 일부 실시예에서, 저장된 명령어는, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 하나 이상의 프로세서로 하여금 하나 이상의 프로세서와 별개로 위치된 입력 장치로부터 제어 신호를 수신하게 한다. 일부 실시예에서, 입력 장치는 제1 로봇 아암 또는 임의의 다른 로봇 아암과 별개로 위치된다.
일부 실시예에서, 제1 로봇 아암은 운동학적으로 여유의 것이다. 예를 들어, 제1 로봇 아암은 의료 작업을 완료하는 데 필요한 것보다 높은 자유도를 갖는다(예컨대, 제1 로봇 아암은, 연관된 조절가능 아암 지지부가 있거나 없이, 7, 8, 또는 9 또는 그보다 높은 자유도를 가짐).
일부 실시예에서, 의료 로봇 시스템은 이동가능 환자 플랫폼을 포함한다. 일부 실시예에서, 이동가능 환자 플랫폼은 강성 기부 및 강성 기부에 대해 이동가능한 테이블 상부를 포함한다.
방법(370)은, 하나 이상의 센서로부터, (예컨대, 제1 시간에) 제1 로봇 아암 부근에 존재하는 하나 이상의 물체의 위치에 대응하는 센서 정보를 수신하는 단계(371)를 포함한다.
방법(370)은 또한 센서 정보에 기초하여 물체 맵(예컨대, 의료 로봇 시스템, 특히 제1 로봇 아암에 인접한 물체의 위치 및/또는 크기를 나타내는 데이터 구조)을 생성하거나 업데이트하는 단계(372)를 포함하고, 여기서 물체 맵은 제1 로봇 아암 부근의 물체의 공간적 관계를 특성화한다. 일부 실시예에서, 물체 맵은 의료 로봇 시스템에 인접한 물체의 공간적 관계를 특성화한다. 다수의 센서를 이용함으로써, 가려진 물체를 검출하는 것이 가능하다. 예를 들어, 물체가 특정 센서의 시야 내에서 장애물 뒤에 위치될 수 있다. 그러나, 물체는 상이한 각도로부터 물체를 관찰하는 하나 이상의 다른 센서에 의해 검출될 수 있다. 따라서, 다수의 센서를 이용함으로써, 소정 뷰로부터 물체를 가리는 장애물이 있더라도, 물체가 검출될 수 있고 그들의 위치가 결정될 수 있다.
방법(370)은 제1 로봇 아암의 구성을 물체 맵에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성(예컨대, 제2 구성은 제1 구성과 별개임)으로 조절하는 단계(373)를 추가로 포함한다. 제1 로봇 아암의 구성의 조절은 제1 로봇 아암과 검출된 물체 사이의 충돌 위험을 감소시킨다.
일부 실시예에서, 의료 로봇 시스템은 제1 로봇 아암 이외의 하나 이상의 로봇 아암; 및 하나 이상의 로봇 아암 부근의 물체의 존재를 검출하도록 위치된 하나 이상의 제2 센서를 포함한다. 방법(370)은, 하나 이상의 제2 센서로부터, 하나 이상의 로봇 아암 부근에 있는 하나 이상의 물체(예컨대, 제1 센서 정보에 표현된 동일한 물체 및/또는 상이한 물체)의 하나 이상의 위치 로케이션에 대응하는 제2 센서 정보를 수신하는 단계; 제2 센서 정보에 또한 기초하여 물체 맵을 생성하거나 업데이트하는 단계; 및 물체 맵에 기초하여 하나 이상의 로봇 아암의 구성을 조절하는 단계를 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 방법(370)은, 물체 맵을 생성하거나 업데이트하는 단계에 후속하여, 하나 이상의 센서로부터, 제1 로봇 아암의 부근에 있는 하나 이상의 물체의 위치에 대응하는 후속 센서 정보를 수신하는 단계; 후속 센서 정보에 기초하여 물체 맵을 업데이트하는 단계; 및 후속 센서 정보에 기초하여 업데이트된 물체 맵에 따라 제1 로봇 아암의 구성을 조절하는 단계를 반복하는 단계(374)를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법(370)은 선택적으로 하나 이상의 물체들 중 각각의 물체를 검출할 확률에 기초하여 물체 맵을 업데이트하는 단계(375)를 포함한다. 예를 들어, 낮은 검출 확률을 갖는 물체(예컨대, 임계 주파수 미만의 주파수로 검출되고 따라서 검출될 가능성이 더 낮은 물체)가 물체와의 충돌 확률을 감소시키기 위한 버퍼 영역으로 모델링되고, 높은 검출 확률을 갖는 물체(예컨대, 임계 주파수 초과의 주파수로 검출되고 따라서 검출될 가능성이 더 높은 물체)가 버퍼 영역 없이 또는 더 작은 버퍼 영역으로 모델링된다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 물체는 동적으로 이동하는 물체를 포함한다. 예를 들어, 물체는 제1 시간에 제1 위치에 그리고 제1 시간과 상이한 제2 시간에 제1 위치와 상이한 제2 위치에 위치된다. 동적으로 이동하는 물체는 환자, 스태프, 또는 액세서리일 수 있다. 일부 실시예에서, 물체는 의료 로봇 시스템의 구성(예컨대, 운동학적 정보)에 기초하여 동적으로 이동한다(예컨대, 물체는 제1 로봇 아암 또는 임의의 다른 로봇 아암의 구성에 기초하여 그의 위치를 변경함). 예를 들어, 물체는 환자 플랫폼(예컨대, 수술 베드)의 구성에 기초하여 그의 위치가 변경되는 환자이다. 다른 실시예에서, 물체는 로봇 아암이 움직이는 동안 로봇 아암에 방해가 안 되게 비키려고 하는 베드측 스태프이다. 일부 실시예에서, 방법은 물체 맵이 물체를 반영하도록 업데이트된 후 일정 기간 후에 물체 맵에 대한 업데이트를 제거하는 단계(376)(또는 물체 맵에 대한 물체의 효과를 감소시키거나 제거하기 위해 물체 맵을 업데이트하거나 물체 맵으로부터 물체를 제거하는 단계)를 추가로 포함한다. 예를 들어, 물체가 위치 A에서 검출되는 경우, 위치 A 근처의 영역이 물체 맵에 표시될 것이다. 잠시 후에, 위치 A 주위의 영역은 더 이상 물체 맵에 표시되지 않는다. 이는 동일한 위치에 유지되는 물체에는 적용되지 않는다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서는 물체 맵에 대한 업데이트를 제거하는 단계를 보류하거나 물체가 (예컨대, 동일한 위치 주위에서) 계속 검출된다는 결정에 따라 물체를 물체 맵에 유지한다.
일부 실시예에서, 제1 로봇 아암의 구성을 조절하는 단계는 제1 로봇 아암과 동적 물체 사이의 충돌 위험이 감소되도록 제1 로봇 아암과 동적 물체 사이의 거리를 증가시킨다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 물체는 정적 물체를 포함한다. 일부 실시예에서, 방법(370)은, 센서 정보에 기초하여, (예컨대, 동일한 위치 주위에서) 정적 물체를 계속 검출함에 따라 정적 물체를 물체 맵에 유지하는 단계를 포함한다(또는 정적 물체를 포함하는 물체 맵에 대한 업데이트를 유지함).
일부 실시예에서, 방법(370)은 의료 로봇 시스템의 구성(예컨대, 운동학적 정보)(예컨대, 제1 로봇 아암 및/또는 임의의 다른 로봇 아암의 구성)에 또한 기초하여 물체 맵을 업데이트하는 단계(377)를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법(370)은 의료 절차를 수행하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 의료 절차는 수술 절차를 포함한다.
E. 구성의 결정
전술된 바와 같이, 의료 로봇 시스템은 센서 정보(예컨대, 접촉 정보 및/또는 검출된 물체 정보)에 기초하여 운동학적 체인의 새로운 구성을 결정한다. 로봇 아암(205)의 ADM(134) 및/또는 그에 결합된 원격 운동 중심(RCM)이 정적 자세/위치로 유지되는 반면, 각각의 운동학적 체인과 검출된 물체 사이의 거리 및 임의의 2개의 운동학적 체인들 사이의 거리가 (예컨대, 접촉 가능성을 감소시키고 운동학적 체인을 조작하기 위한 증가된 작업공간을 제공하기 위해) 증가될 필요가 있는 것과 같은, 새로운 구성에 대한 소정 조건이 존재한다. 이들 조건에 기초하여 새로운 구성을 결정하기 위한 많은 방식이 존재하지만, 새로운 구성을 결정하기 위한 한 가지 방식은 비용 함수(손실 함수로도 불림)에 기초하는 것이다. 예를 들어, 비용 함수는 새로운 구성에 대한 조건에 기초한 페널티 또는 포인트를 포함할 수 있고, 새로운 구성은 비용 함수를 최소화하거나 최대화하는 파라미터(예컨대, 운동학적 체인의 각각의 구성요소의 위치)에 기초하여 선택된다.
일부 구현예에서, 의료 로봇 시스템의 작업공간을 최대화하기 위해, 하기 최적화 프로세스가 수행될 수 있다. 각각의 로봇 아암의 원격 중심 위치를 유지하는 동안, 목표는 각각의 조인트 한계까지의 조인트 위치의 최소 거리(이는 조인트 한계까지 더 많은 이동이 남게 하여, 임의의 조인트가 그의 조인트 한계에 도달할 가능성을 감소시킴) 및 임의의 2개의 로봇 아암의 최소 거리(이는 2개의 로봇 아암들 사이의 충돌 가능성을 감소시킴)를 최대화하는 것이다. 제1 내지 제3 로봇 아암이 하나의 기부 상에 있고 제4 내지 제6 로봇 아암이 다른 기부 상에 있는 총 6개의 로봇 아암을 가정하면, 비용 함수는 하기와 같이 기재될 수 있다:
[수학식 1]
Figure pct00001
여기서 qi,j는 로봇 아암 j의 조인트 i에 대한 위치이고, qi,j,min은 로봇 아암 j의 조인트 i에 대한 하한 한계이고, qi,j,max는 로봇 아암 j의 조인트 i에 대한 상한 한계이고, wi,j 및 vm,n은 특정 응용에 대해 선택된 가중치이고, Tbase,j는 로봇 아암 j의 기부 자세를 표현하는 동차(예컨대, 4x4) 행렬이고, d(j1,j2)는 각각의 로봇 아암 상의 임의의 2개의 링크의 최소 거리인, 2개의 로봇 아암들 j1과 j2 사이의 최소 거리이다. 최적화 문제는 비용 함수를 최대화하기 위해 Tbase,1 및 Tbase,4를 찾는 것이고, 이는 수학적으로 하기와 같이 표현된다:
[수학식 2]
Figure pct00002
여기서 qj는 로봇 아암 j의 모든 조인트 위치에 대한 벡터이고, prc,j(qj,Tbase,j)는 로봇 아암 j의 조인트 위치 및 기부 자세의 함수로서 로봇 아암 j의 원격 중심의 위치이다.
접촉의 크기, 즉 힘 또는 토크 또는 둘 모두가 알려져 있고 사용되는 경우, 최적화는 온라인 프로세스로서 수행될 수 있어서, 최적화 동안 접촉 감소의 개선이 측정될 수 있다. 하기 수정된 비용 함수가 사용될 수 있다:
[수학식 3]
Figure pct00003
여기서 Fi,j 및 Ti,j는 로봇 아암 j의 링크 i 상의 측정된 외부 접촉력 및 모멘트이고, wF 및 wT는 특정 응용에 대해 선택된 가중치이다. 이러한 경우에, 최적화 문제는 비용 함수를 최대화하기 위해 Tbase,1 및 Tbase,4를 찾는 것이고, 이는 수학적으로 하기와 같이 표현된다:
[수학식 4]
Figure pct00004
오프라인 최적화를 가능하게 하기 위해, 대략적인 접촉 위치 및 접촉 방향의 추가 정보가 로봇 아암과 물체 사이의 추정된 거리가 계산될 수 있도록 물체의 위치를 추정하는 데 이용될 수 있다.
대략적인 위치가 접촉에 대한 방향 정보 없이 사용될 때, |Fi,j| 및 |Ti,j|의 크기를 가진 접촉이 로봇 아암 j의 링크 i 상에서 검출되는 것으로 가정하면, 물체의 위치는 Oi,j로 표기되는, 그의 수직 이등분선을 따라 접촉하는 링크로부터 떨어진 min(kF/|Fi,j|, kT/|Ti,j|)인 것으로 추정될 수 있다. 접촉하는 링크와 물체 사이의 거리는 ri,j(qj)로서 추정될 수 있다. 접촉이 검출되지 않은 링크의 경우, ri,j(qj) = 0이다. 접촉 거리를 또한 고려하는 새로운 비용 함수는 하기와 같다:
[수학식 5]
Figure pct00005
여기서 wr은 특정 응용에 대해 선택된 가중치이다. 이러한 경우에, 최적화 문제는 비용 함수를 최대화하기 위해 Tbase,1 및 Tbase,2를 찾는 것이고, 이는 수학적으로 하기와 같이 표현된다:
[수학식 6]
Figure pct00006
접촉 방향 정보가 대략적인 접촉 위치와 함께 이용가능할 때, 더 정확한 물체 위치가 추정될 수 있다. 접촉 방향 정보에 의해, 물체 위치 O'i,j는 veci,j + kF · Fi,j / |Fi,j|2로서 추정될 수 있고, 여기서 veci,j는
Figure pct00007
로부터 얻어진다.
이어서, 접촉하는 링크와 물체 사이의 거리는 전술된 바와 유사하게 추정될 수 있다. 추정된 거리는 r'i,j(qj)로서 표기된다. 일부 구현예에서, 회전 조인트 상의 링크에 대해 90°를 향한 접촉 방향과 세로 링크 방향 사이의 각도는 최적화에 포함될 필요가 있다. 접촉이 diri,j를 따라 로봇 아암 j의 링크 i 상에서 검출되었고, 세로 링크 방향이 qj의 함수인 linki,j인 경우, 2개의 방향 벡터들 사이의 각도 θi,j(qj) = arccos(diri,j · linki,j)이다. 접촉의 방향을 또한 고려하는 새로운 비용 함수는 하기와 같다:
[수학식 7]
Figure pct00008
여기서 wθ는 특정 응용에 대해 선택된 가중치이다. 이러한 경우에, 최적화 문제는 비용 함수를 최대화하기 위해 Tbase,1 및 Tbase,4를 찾는 것이고, 이는 수학적으로 하기와 같이 표현된다:
[수학식 8]
Figure pct00009
3. 구현 시스템 및 용어.
도 38은 일부 실시예에 따른, 의료 로봇 시스템의 전자 구성요소를 예시한 개략도이다.
의료 로봇 시스템은 하나 이상의 프로세서(380)를 포함하고, 이는 본 명세서에 기술된 임의의 방법(예컨대, 도 30 및 도 37과 관련하여 기술된 동작)을 수행하기 위한 명령어를 저장한 컴퓨터 판독가능 저장 매체(382)(예컨대, 컴퓨터 메모리 장치, 예컨대 랜덤-액세스 메모리, 판독-전용 메모리, 정적 랜덤-액세스 메모리, 및 비-휘발성 메모리, 및 다른 저장 장치, 예컨대 하드 드라이브, 광학 디스크, 자기 테이프 기록, 또는 이들의 임의의 조합)와 통신한다. 하나 이상의 프로세서(380)는 또한 (시스템 버스 또는 임의의 적절한 전기 회로를 통해) 입력/출력 제어기(384)와 통신한다. 입력/출력 제어기(384)는 하나 이상의 센서(388-1, 388-2 등)로부터 센서 데이터를 수신하고, 센서 데이터를 하나 이상의 프로세서(380)에 전달한다. 입력/출력 제어기(384)는 또한 하나 이상의 프로세서(380)로부터 명령어 및/또는 데이터를 수신하고, 명령어 및/또는 데이터를 하나 이상의 액추에이터, 예컨대 제1 모터(387-1, 387-2 등)에 전달한다. 일부 실시예에서, 입력/출력 제어기(384)는 하나 이상의 액추에이터 제어기(386)에 결합되고, 명령어 및/또는 데이터를 하나 이상의 액추에이터 제어기(386)의 적어도 서브세트에 제공하며, 이는 이어서 제어 신호를 선택된 액추에이터에 제공한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 액추에이터 제어기(386)는 입력/출력 제어기(384)와 통합되고, 입력/출력 제어기(384)는 제어 신호를 (별개의 액추에이터 제어기 없이) 하나 이상의 액추에이터(387)에 직접 제공한다. 도 38이 하나의 액추에이터 제어기(386)(예컨대, 전체 이동식 의료 플랫폼을 위한 하나의 액추에이터 제어기)가 있는 것으로 도시하지만, 일부 실시예에서, 추가 액추에이터 제어기(예컨대, 각각의 액추에이터에 대해 하나의 액추에이터 제어기 등)가 사용될 수 있다.
본 명세서에 개시된 구현예는 운동학적 체인 부근의 물체의 위치에 기초하여 운동학적 체인의 구성을 최적화할 수 있는 의료 로봇 시스템을 위한 시스템, 방법 및 장치를 제공한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "결합하다", "결합하는", "결합된" 또는 단어 결합하다의 다른 변형은 간접적인 연결 또는 직접적인 연결을 나타낼 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소가 제2 구성요소에 "결합된" 경우, 제1 구성요소는 다른 구성요소를 통해 제2 구성요소에 간접적으로 연결되거나 제2 구성요소에 직접적으로 연결될 수 있다.
본 명세서에 기술된 이동식 의료 플랫폼의 전력-보조식 가동화를 위한 기능은 프로세서-판독가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체 상에 하나 이상의 명령어로서 저장될 수 있다. 용어 "컴퓨터-판독가능 매체"는 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용가능한 매체를 지칭한다. 제한이 아닌 예로서, 그러한 매체는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독-전용 메모리(ROM), 전기적 소거가능 프로그램가능 판독-전용 메모리(EEPROM), 플래시 메모리, 콤팩트 디스크 판독-전용 메모리(CD-ROM) 또는 다른 광학 디스크 저장 장치, 자기 디스크 저장 장치 또는 다른 자기 저장 장치, 또는 명령어 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드를 저장하는 데 사용될 수 있고 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터-판독가능 매체는 유형적이고 비-일시적일 수 있음에 유의하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "코드"는 컴퓨팅 장치 또는 프로세서에 의해 실행가능한 소프트웨어, 명령어, 코드 또는 데이터를 지칭할 수 있다.
본 명세서에 개시된 방법은 기술된 방법을 달성하기 위한 하나 이상의 단계 또는 동작을 포함한다. 방법 단계 및/또는 동작은 청구범위의 범주로부터 벗어남이 없이 서로 교환될 수 있다. 다시 말하면, 기술되는 방법의 적절한 동작을 위해 특정 순서의 단계 또는 동작이 요구되지 않는 한, 특정 단계 및/또는 동작의 순서 및/또는 사용은 청구범위의 범주로부터 벗어남이 없이 수정될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "복수"는 2개 이상을 나타낸다. 예를 들어, 복수의 구성요소는 2개 이상의 구성요소를 나타낸다. 용어 "결정하는"은 매우 다양한 동작을 포함하며, 따라서 "결정하는"은 계산, 컴퓨팅, 처리, 도출, 조사, 검색(예컨대, 테이블, 데이터베이스 또는 다른 데이터 구조에서의 검색), 확인 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 수신(예컨대, 정보를 수신함), 액세스(예컨대, 메모리의 데이터에 액세스함) 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 해석, 선택, 선정, 설정 등을 포함할 수 있다.
어구 "~에 기초한"은, 달리 명백히 명시되지 않는 한, "단지 ~에 기초한"을 의미하지는 않는다. 다시 말하면, 어구 "~에 기초한"은 "단지 ~에 기초한" 및 "적어도 ~에 기초한" 둘 모두를 기술한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 어구 "의료 로봇 시스템 부근"은 센서의 검출 범위(예컨대, 센서들 중 적어도 하나가 의료 로봇 시스템 부근의 물체를 검출할 수 있음) 또는 운동학적 체인의 이동 범위를 지칭할 수 있다. 일부 경우에, 어구 "부근에"는 또한 "동일한 방에", "시야에", 인접한, 또는 근처를 포함한다.
개시된 구현예의 이전의 설명은 당업자가 본 발명을 제조하거나 사용하는 것을 가능하게 하도록 제공된다. 이들 구현예에 대한 다양한 수정은 당업자에게 용이하게 명백해질 것이고, 본 명세서에서 정의된 일반적인 원리는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다른 구현예에 적용될 수 있다. 예를 들어, 당업자가 다수의 대응하는 대안적인 그리고 동등한 구조적 상세사항, 예컨대 도구 구성요소를 체결, 장착, 결합, 또는 맞물리게 하는 동등한 방식, 특정 작동 운동을 생성하기 위한 동등한 메커니즘, 및 전기 에너지를 전달하기 위한 동등한 메커니즘을 채용할 수 있을 것임이 인식될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 도시된 구현예로 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범주에 따른다.

Claims (37)

  1. 의료 로봇 시스템(medical robotic system)으로서,
    제1 운동학적 체인(kinematic chain);
    상기 제1 운동학적 체인의 하나 이상의 부분들과의 접촉의 하나 이상의 파라미터들을 검출하도록 위치되는 하나 이상의 센서들;
    상기 하나 이상의 센서들과 통신하는 하나 이상의 프로세서들; 및
    상기 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 때, 상기 하나 이상의 센서들에 의해 검출된 상기 제1 운동학적 체인과의 상기 접촉의 하나 이상의 파라미터들로부터 결정된 제약(constraint)에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로의 상기 제1 운동학적 체인의 구성의 조절을 유발하는 명령어들을 저장한 메모리를 포함하는, 의료 로봇 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 운동학적 체인은 제1 로봇 아암(robotic arm)을 포함하는, 의료 로봇 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 운동학적 체인은 상기 제1 로봇 아암이 위치되는 조절가능 아암 지지부(adjustable arm support)를 포함하고;
    상기 제1 운동학적 체인의 상기 구성의 상기 조절은 상기 조절가능 아암 지지부의 위치를 변경하는 것을 포함하는, 의료 로봇 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 운동학적 체인은 하나 이상의 링크들(links) 및 엔드 이펙터(end effector)를 포함하고;
    상기 하나 이상의 센서들은 상기 제1 운동학적 체인의 기부에 위치되는 힘/토크 센서, 상기 하나 이상의 링크들과 상기 엔드 이펙터 사이의 조인트(joint)에 인접하게 위치되는 힘/토크 센서, 또는 상기 하나 이상의 링크들 상의 하나 이상의 접촉 센서들 중 적어도 하나를 포함하는, 의료 로봇 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 운동학적 체인과의 상기 접촉은 상기 제1 운동학적 체인과 상기 의료 로봇 시스템의 일부가 아닌 물체 사이의 접촉을 포함하는, 의료 로봇 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 의료 로봇 시스템은 상기 제1 운동학적 체인의 하나 이상의 부분들과 접촉하지 않는 하나 이상의 운동학적 체인들을 추가로 포함하고,
    상기 명령어들은, 상기 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 때, 상기 하나 이상의 센서들에 의해 검출된 상기 제1 운동학적 체인과의 상기 접촉의 하나 이상의 파라미터들로부터 결정된 상기 제약에 기초하여 상기 하나 이상의 운동학적 체인들의 구성들의 조절을 유발하는, 의료 로봇 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제약은 상기 하나 이상의 센서들에 의해 검출된 상기 접촉의 하나 이상의 파라미터들에 적어도 부분적으로 기초하는 포텐셜 필드(potential field)로서 모델링되는, 의료 로봇 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 포텐셜 필드는 또한 상기 하나 이상의 센서들 중 각각의 센서에 의해 접촉을 검출할 확률에 기초하는, 의료 로봇 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접촉의 상기 하나 이상의 파라미터들은 상기 접촉의 힘 정보, 상기 접촉의 위치 정보, 및 상기 접촉의 방향 정보로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는, 의료 로봇 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 센서들에 의해 검출된 상기 제1 운동학적 체인과의 후속 접촉의 하나 이상의 파라미터들에 기초하여 상기 제약을 업데이트하고/하거나 제약 맵(constraint map)을 구축하는 것을 추가로 포함하는, 의료 로봇 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접촉의 하나 이상의 파라미터들은 확률 맵(probabilistic map)의 일부를 형성하는, 의료 로봇 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 확률 맵은 접촉의 검출 신뢰도에 기초하여 결정되는, 의료 로봇 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 접촉의 하나 이상의 파라미터들은 상기 접촉이 이동하는 물체와의 또는 고정된 물체와의 접촉인지 여부에 관한 정보, 및/또는 상기 접촉의 위치 정보를 포함하는, 의료 로봇 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 저장된 명령어들은, 상기 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 때, 추가로 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 제약의 유한 시간(finite time)에 기초하여 상기 확률 맵을 업데이트하게 하는, 의료 로봇 시스템.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 저장된 명령어들은, 상기 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 때, 추가로 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 제약의 변화하는 확률에 기초하여 상기 확률 맵을 업데이트하게 하는, 의료 로봇 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 운동학적 체인의 상기 구성의 상기 조절은 상기 제1 운동학적 체인의 널 공간(null space)을 이용하는, 의료 로봇 시스템.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 운동학적 체인은 운동학적으로 여유(kinematically redundant)의 것인, 의료 로봇 시스템.
  18. 제1 운동학적 체인 및 상기 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터들을 검출하도록 위치되는 하나 이상의 센서들을 포함하는 의료 로봇 시스템과 통신하는 전자 장치에 의해 수행되는 방법으로서,
    상기 하나 이상의 센서들에 의해 검출된 상기 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터들을 수신하는 단계;
    상기 제1 운동학적 체인과의 상기 접촉의 하나 이상의 파라미터들에 기초하여 상기 제1 운동학적 체인과 연관된 제약을 결정하는 단계; 및
    상기 제약에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로의 상기 제1 운동학적 체인의 구성의 조절을 유발하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 운동학적 체인은 제1 로봇 아암 및 상기 제1 로봇 아암이 위치되는 조절가능 아암 지지부를 포함하고;
    상기 제1 운동학적 체인의 상기 구성의 조절은 상기 조절가능 아암 지지부의 위치를 변경하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서들은 상기 제1 운동학적 체인의 기부에 위치되는 힘 센서, 상기 제1 운동학적 체인의 하나 이상의 링크들과 엔드 이펙터 사이의 조인트에 인접하게 위치되는 힘 센서, 또는 상기 하나 이상의 링크들 상의 하나 이상의 접촉 센서들 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 운동학적 체인과의 상기 접촉은 상기 제1 운동학적 체인과 상기 의료 로봇 시스템의 일부가 아닌 물체 사이의 접촉을 포함하는, 방법.
  22. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 센서들에 의해 검출된 상기 제1 운동학적 체인과의 상기 접촉의 하나 이상의 파라미터들로부터 결정된 상기 제약에 기초하여 상기 제1 운동학적 체인의 하나 이상의 부분들과 접촉하지 않는 하나 이상의 운동학적 체인들의 구성들의 조절을 유발하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  23. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제약은 상기 하나 이상의 센서들에 의해 검출된 상기 접촉의 하나 이상의 파라미터들에 적어도 부분적으로 기초하는 포텐셜 필드로서 모델링되는, 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 포텐셜 필드는 또한 상기 하나 이상의 센서들 중 각각의 센서에 의해 접촉을 검출할 확률에 기초하는, 방법.
  25. 제18항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접촉의 상기 하나 이상의 파라미터들은 상기 접촉의 힘 정보, 상기 접촉의 위치 정보, 및 상기 접촉의 방향 정보로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는, 방법.
  26. 제18항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 구성으로부터 상기 제2 구성으로의 상기 제1 운동학적 체인의 상기 구성의 조절을 유발하는 단계 동안 상기 제1 운동학적 체인의 널 공간을 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
  27. 전자 장치로서,
    하나 이상의 프로세서들; 및
    상기 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 때, 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금,
    하나 이상의 센서들에 의해 검출된, 의료 로봇 시스템의 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터들을 수신하고;
    상기 제1 운동학적 체인과의 상기 접촉의 하나 이상의 파라미터들에 기초하여 상기 제1 운동학적 체인과 연관된 제약을 결정하고;
    상기 제약에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로의 상기 제1 운동학적 체인의 구성의 조절을 유발하게 하는
    명령어들을 저장한 메모리를 포함하는, 전자 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 제1 운동학적 체인은 제1 로봇 아암 및 상기 제1 로봇 아암이 위치되는 조절가능 아암 지지부를 포함하고;
    상기 제1 운동학적 체인의 상기 구성의 조절은 상기 조절가능 아암 지지부의 위치를 변경하는 것을 포함하는, 전자 장치.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 하나 이상의 센서들은 상기 제1 운동학적 체인의 기부에 위치되는 힘 센서, 상기 제1 운동학적 체인의 하나 이상의 링크들과 엔드 이펙터 사이의 조인트에 인접하게 위치되는 힘 센서, 또는 상기 하나 이상의 링크들 상의 하나 이상의 접촉 센서들 중 적어도 하나를 포함하는, 전자 장치.
  30. 제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 운동학적 체인과의 상기 접촉은 상기 제1 운동학적 체인과 상기 의료 로봇 시스템의 일부가 아닌 물체 사이의 접촉을 포함하는, 전자 장치.
  31. 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 명령어들은, 상기 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 때, 추가로 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 상기 하나 이상의 센서들에 의해 검출된 상기 제1 운동학적 체인과의 상기 접촉의 하나 이상의 파라미터들로부터 결정된 상기 제약에 기초하여 상기 제1 운동학적 체인의 하나 이상의 부분들과의 상기 접촉에 포함되지 않는 하나 이상의 운동학적 체인들의 구성들의 조절을 유발하게 하는, 전자 장치.
  32. 제27항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제약은 상기 하나 이상의 센서들에 의해 검출된 상기 접촉의 하나 이상의 파라미터들에 적어도 부분적으로 기초하는 포텐셜 필드로서 모델링되는, 전자 장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 포텐셜 필드는 또한 상기 하나 이상의 센서들 중 각각의 센서에 의해 접촉을 검출할 확률에 기초하는, 전자 장치.
  34. 제27항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접촉의 상기 하나 이상의 파라미터들은 상기 접촉의 힘 정보, 상기 접촉의 위치 정보, 및 상기 접촉의 방향 정보로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는, 전자 장치.
  35. 제27항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 명령어들은, 상기 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 때, 추가로 상기 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 상기 제1 구성으로부터 상기 제2 구성으로의 상기 제1 운동학적 체인의 상기 구성의 조절을 유발하는 동안 상기 제1 운동학적 체인의 널 공간을 이용하게 하는, 전자 장치.
  36. 전자 장치의 하나 이상의 프로세서들에 의한 실행을 위한 명령어들을 저장한 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서,
    상기 저장된 명령어들은,
    하나 이상의 센서들에 의해 검출된, 의료 로봇 시스템의 제1 운동학적 체인과의 접촉의 하나 이상의 파라미터들을 수신하고;
    상기 제1 운동학적 체인과의 상기 접촉의 하나 이상의 파라미터들에 기초하여 상기 제1 운동학적 체인과 연관된 제약을 결정하고;
    상기 제약에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로의 상기 제1 운동학적 체인의 구성의 조절을 유발하기 위한
    명령어들을 포함하는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  37. 제36항에 있어서, 상기 저장된 명령어들은 또한 제19항 내지 제26항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 명령어들을 포함하는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
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