KR20230160965A

KR20230160965A - 비제어 이동 검출

Info

Publication number: KR20230160965A
Application number: KR1020237039571A
Authority: KR
Inventors: 마이클 터너
Original assignee: 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2023-11-24
Also published as: CN106456274A; KR20220098799A; EP3179954A1; CN110448345B; CN106456274B; US11607281B2; EP3179954A4; US20180214223A1; KR102414384B1; US20230190397A1; US20200214778A1; WO2016025440A1; US12114948B2; US10646291B2; KR102652836B1; CN110448345A; KR20170041698A

Abstract

원격조정 수술 시스템이 수동 조작을 위해 구성된 다관절 기계 시스템 또는 마스터 컨트롤과 같은 컴포넌트 및 이러한 컴포넌트의 이동을 분석하고 이러한 컴포넌트의 비제어 이동을 검출하도록 구성된 검출 모듈을 포함하고 있다. 비제어 이동은 중력이 이동할 수 있는 조인트에 대한 운동만을 검출하고 중력에 의해 유발된 이동의 영향을 받지 않는 조인트에 대해서는 아무런 이동도 검출하지 않음으로써 식별될 수 있다. 이러한 컴포넌트의 비제어 이동의 검출에 응답하여, 검출 모듈에 의해 시스템은 동작의 안전 모드로 전환될 수 있다.

Description

비제어 이동 검출{DETECTING UNCONTROLLED MOVEMENT}

원격조정 또는 컴퓨터 보조 의료 시스템은 자주 내과의 또는 다른 의료진이 구동되는 슬레이브 의료 기기를 제어하는데 사용할 수 있는 마스터 컨트롤을 채용한다. 예를 들어, 의료 기기는 메스, 겸자, 또는 소작 툴과 같은 툴을 포함하고, 외과의는 제어 시스템에 제어 신호를 제공하기 위해 조이스틱과 유사한 마스터 컨트롤을 조정할 수 있다. 그다음, 이러한 제어 시스템은 예를 들어, 툴 이동이 마스터 컨트롤 이동을 따르도록 환자의 조직을 절개, 클램핑, 또는 소작하기 위해 기기를 이동시키도록 구동기를 구동하는 구동 신호로 이러한 제어 신호를 전환할 수 있다. 이러한 시스템을 위한 하나의 잠재적인 관심은 이러한 마스터 컨트롤의 의도치 않은 이동 또는 제어되지 않은 이동인데, 그 이유는 마스터 컨트롤의 제어되지 않은 이동이 환자의 조직과 상호작용하는 툴의 제어되지 않은 동작을 유발하는 경우에 환자에게 상처를 입힐 수도 있기 때문이다. 외과의는 제어되지 않은 이동이 가능한 상황을 피하도록 훈련될 수 있지만, 제어되지 않은 이동을 방지하기 위해 추가적인 기술 또는 페일 세이프가 필요할 수 있다.

이러한 마스터 컨트롤의 미제어 이동의 가능성을 줄이는 하나의 방법은 마스터 컨트롤의 기계적 부품의 이동을 제한하는 것이다. 예를 들어, 마스터 컨트롤은 균형을 맞추거나 능동적으로 구동되어 내과의가 마스터 컨트롤을 내버려둔 임의의 위치로부터 중력에 의해 마스터 컨트롤이 표류하지 않을 수 있다. 기기의 제어되지 않은 이동의 가능성을 줄이는 다른 방법은 마스터 컨트롤이 기기로부터 분리되는 "잠금" 모드를 사용하여, 잠금 모드에서, 마스터 컨트롤의 이동에 의해 이에 상응하여 기기가 이동하지 않도록 하는 것이다. 이러한 잠금 모드는 내과의가 마스터 컨트롤의 사용을 위한 적절한 위치에 있지 않을 때 자동으로 구동될 수도 있다. 특히, 이러한 시스템은 내과의가 예를 들어, 의료 기기의 엔드 이펙터의 임의의 이동을 보는 위치에 있는 것을 포함하는 시스템의 사용을 위한 적절한 위치에 있다는 것을 센서가 검출하지 않으면 잠금 모드로 디폴트할 수 있다. 그러나, 내과의가 의료 시스템을 잠금 모드 밖으로 꺼낸 후에, 내과의가 의료 기기를 사용하는 위치에 머무는 동안 마스터 컨트롤을 해제할 수도 있다. 이러한 환경에서 마스터 컨트롤을 해제하는 것은 내과의의 입력 없이 마스터 컨트롤이 이동하는 위험을 유발할 수 있어, 의료 기기의 운동이 제어되지 않을 수 있다. 예를 들어, 마스터 컨트롤의 중력 보상이 불완전하거나, 내과의가 기기를 사용하는 위치에 있고 기기가 잠금 모드에 있지 않을 때 내과의의 무릎 또는 손이 뜻하지 않게 마스터 컨트롤에 부딪칠 수 있다.

본 발명의 특징에 따라, 의료 시스템용 제어 모듈 또는 제어 프로세스는 마스터 컨트롤의 다수의 축을 위한 제어 신호 사이의 관계를 평가하여 이러한 제어 신호 사이의 관계를 평가하고 상기 마스터 컨트롤이 독자적으로 이동하고 있는지 여부를 검출할 수 있다. 독자적인 이동이 검출될 때, 의료 시스템은 마스터 컨트롤의 이동이 기기의 이동으로부터 디커플링되거나 이러한 마스터 컨트롤의 하나 이상의 축이 이들의 현재 위치에서 잠금되는 잠금 모드가 될 수 있다. 또한 독자적인 이동 검출은 주요 시스템 고장 완화부가 고장을 신속히 검출하지 않는 경우에 내과의의 손에서 마스터 컨트롤을 당길 수도 있는, 부러진 마스터 컨트롤 평형추 또는 에러 마스터 컨트롤 또는 툴 위치 센서와 같은, 시스템 고장의 2차 완화부를 제공할 수도 있다.

본 발명의 하나의 특정 실시예는 로봇 기술을 사용하는 원격조정 의료 시스템이다. 이러한 시스템은 수동 조작을 위해 구성될 수 있는 마스터 디바이스 또는 슬레이브 디바이스와 같은 컴포넌트를 포함할 수 있다. 이러한 디바이스는 컴포넌트의 다수의 이동 자유도의 이동을 나타내는 신호를 생성한다. 검출 모듈은 이러한 컴포넌트로부터의 신호를 분석하고 이러한 분석에 기초하여 비제어 이동을 검출하도록 구성될 수 있다. 비제어 이동이 검출될 때, 시스템은 컴포넌트의 비제어 이동의 검출에 응답하여 동작 모드로부터 안전 모드로 전환한다.

본 발명의 다른 특정 실시예는 원격조정 의료 시스템을 제어하기 위한 방법이다. 이러한 방법은 로봇 의료 시스템의 컴포넌트가 수동 이동을 위해 구성되어 있는 동안 이러한 컴포넌트의 다수의 자유도를 측정하는 단계; 이러한 컴포넌트의 비제어 이동을 식별하기 위해 상기 자유도의 이동을 분석하는 단계; 및 검출된 불안전 비제어 이동에 응답하여 로봇 의료 시스템을 안전 모드로 전환하는 단계를 포함할 수 있다.

도 1은 마스트 컨트롤의 자율적인 또는 다른 의도치 않은 이동을 검출할 수 있는 의료 시스템의 하나의 실시예의 오버헤드 뷰를 도시한다.
도 2는 의료 시스템의 슬레이브 디바이스의 일부를 형성할 수 있는 로봇 암의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 의료 시스템의 슬레이브 디바이스의 일부를 형성할 수 있는 기기의 말단부의 엔드 이펙터의 실시예를 도시한다.
도 4는 의사가 의료 시스템을 제어할 수 있는 마스터 컨트롤을 포함하는 의사 콘솔의 실시예를 도시한다.
도 5는 슬레이브 디바이스의 다수의 자유도를 제어하기 위해 하나의 핸드를 사용하여 조작될 수 있는 마스터 컨트롤의 실시예의 일부를 개략적으로 도시한다.
도 6은 의료 시스템을 동작시키고 비제어 이동을 검출하기 위한 프로세스의 하나의 실시예의 순서도이다.
도 7a 및 도 7b는 의료 시스템을 동작시키고 의료 시스템의 수동 조작된 컴포넌트의 비제어 운동을 검출하기 위한 프로세스의 일부 다른 실시예의 순서도이다.
도 8은 자동 또는 의도치 않은 이동의 검출을 포함하는 의료 시스템의 실시예의 블록도이다.
이러한 도면은 설명을 위한 예를 도시하고 본 발명 자체는 아니다. 상이한 도면에서 동일한 부재 심볼을 사용하는 것은 유사하거나 동일한 아이템을 가리킨다.

의료 시스템의 다관절 컴포넌트의 수동 조작을 설명하기 위한 제어 시스템 또는 프로세스는 제어되지 않을 가능성이 높은 컴포넌트의 이동으로부터 사용자 제어될 가능성이 높은 컴포넌트의 이동을 식별하기 위해 조인트의 독립적인 이동을 감시할 수 있다. 예를 들어, 원격조정 의료 시스템을 위한 마스터 컨트롤의 조인트 또는 기계적 자유도의 각각은 중력 조인트 또는 비중력 조인트로서 분류될 수 있다. 중력 조인트는 이동이 예를 들어, 내과의의 손에 의해 저지되지 않으면 조인트가 중력의 힘에 의해 이동할 수도 있는 조인트일 수 있다. 비중력 조인트는 중력의 힘에 의해 조인트가 이동하지 않는 조인트일 수 있다. 마스터 컨트롤의 대부분의 조인트는 중력 조인트일 수 있지만, 툴 롤 또는 툴 파지를 제어하는 조인트와 같은 일부 조인트는 비중력 조인트일 수 있다. 정상 동작에서, 마스터 컨트롤 또는 의료 시스템의 다관절 컴포넌트를 수동 조작하는 사용자는 모든 조인트를 이동시킬 수 있다. 그러나, 비중력 조인트의 운동 없이 중력 조인트만이 이동하는 경우, 제어 시스템 또는 프로세스는 컴포넌트가 중력에 응답하여 그리고 사용자 안내 없이 이동하고 있는 것으로 판정할 수 있다. 비제어된 이동의 다른 타입, 예를 들어, 다관절 컴포넌트의 우발적인 부딪힘에 의해 유발된 이동은 마찬가지로 조인트의 이동 사이의 보다 복잡한 관계를 사용하여 검출될 수 있다.

도 1은 Intuitive Surgical, Inc.에 의해 판매되는 da Vinci® Surgical System과 같은 로봇 의료 시스템(100)을 도시하고 있다. (여기에 사용되는 바와 같이, 용어 "로봇" 또는 "로봇으로" 등은 원격조정 또는 원격로봇 특징을 포함하고 있다.) 이러한 의료 시스템에 의해 운전자는 적어도 일부 컴퓨터(메모리와 결합된 연산 또는 논리 유닛)의 도움으로 수술 툴을 이동시킬 수 있다. 시스템(100)은 환자측 카트(110), 의사 콘솔(120), 및 보조 기기 카트(130)를 포함하고 있다. 환자측 카트(110)는 다수의 로봇 암(112)을 포함하고 있다. 교체가능한 기기(114) 및 카메라(116)와 같은 서브시스템은 암(112)에 장착될 수 있다. 의료 시술 동안, 암(112)의 일부일 수 있는 캐뉼라 또는 다른 가이드 튜브는 환자의 작은 절개부를 통해 삽입되어 기기(114)의 말단부를 환자 내측의 작업 사이트로 안내할 수 있다. 대안으로, 이러한 기기의 일부는 인체 구멍을 통해, 캐뉼라에 의해 또는 없이 도입될 수 있다. 메스, 겸자, 니들 드라이버, 리트랙터, 소작기, 또는 다른 디바이스와 같은 수술 툴로서 동작할 수 있는 엔드 이펙터는 일반적으로 각각의 기기(114)의 말단부에 위치되어 있고 작업 사이트에 실행된 의료 시술 동안 사용될 수 있다.

의사 콘솔(120)은 암(112), 기기(114), 및 카메라(116)의 이동을 제어하기 위해 의사 또는 다른 사용자가 채용할 수 있는 제어 인터페이스를 제공한다. 특히, 의사 콘솔(120)은 사용자가 환자측 카트(110)를 제어하고 특히 기기(114)의 말단부에서 엔드 이펙터를 사용하도록 조작할 수 있는 다양한 버튼, 스위치, 키, 풋 페달, 조이스틱, 또는 유사한 디바이스는 물론 카메라(116)의 말단 팁의 전방의 공간에서 깊이의 느낌을 제공하는 입체 뷰어를 포함할 수 있다.

보조 기기 카트(130)는 의사 콘솔(120)과 환자측 카트(110) 사이의 통신을 제어할 수 있다. 특히, 카트(130)는 의사 콘솔(120)로부터 제어 신호를 수신하고 환자측 카트(110)에 전송된 구동 신호를 생성하기 위해 적절한 인터페이스 하드웨어, 프로세싱 파워, 메모리, 및 소프트웨어를 갖는 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 카트(130)는 시스템 고장에 대한 반응 및 메시징의 디스플레이를 포함하는, 집적 시스템용 중앙 처리 하드웨어를 포함하고, 의사 콘솔(120)은 사용자 조작 컨트롤의 비제어 이동을 검출하기 위한 명령어를 실행하는 하드웨어를 포함하는 처리 하드웨어를 포함하고 있다. 대안으로, 시스템(100)과 같은 의료 시스템용 프로세싱 또는 다른 제어 하드웨어가 환자측 카트(110), 의사 콘솔(120), 보조 기기 카트(130), 또는 다른 곳에 위치될 수 있다.

환자측 카트(110)의 모두 또는 일부는 의사 콘솔(120)의 모두 또는 일부를 형성하는 마스터 디바이스의 제어하의 슬레이브 디바이스로 생각할 수 있다. 슬레이브 디바이스의 하나의 예를 설명하기 위해, 도 2는 도 1의 로봇 암(112)중 하나의 하위 암부(200)의 실시예를 대략적으로 도시하고 있다. 도시된 실시예의 암부(200)는 각각 암부(200)의 이동의 제어된 자유도를 제공하는, 일련의 서보메커니즘(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270)을 포함하고 있다. 각각의 서보메커니즘(210, 220, 230, 240, 250, 260 또는 270)은 일반적으로 그 자유도에 따라 서버메커니즘을 이동시킴으로써 구동 신호에 응답하는 구동 모터 또는 다른 구동기를 포함하고 있다. 각각의 서보메커니즘(210, 220, 230, 240, 250, 260 또는 270)은 이러한 서보메커니즘의 자유도와 연관된 위치 또는 좌표를 가리키는 측정 신호를 생성하는 센싱 시스템을 더 포함할 수 있고, 이러한 측정 신호는 서보메커니즘(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270)의 위치를 제어하는 피드백 루프에서 사용될 수 있다.

도시된 실시예에서, 서보메커니즘(210)은 환자측 카트(110) 및 특히 암(112)의 상부에 작착되어 서보메커니즘(210)의 포즈를 제어한다. 연관된 구동 신호에 응답하여, 서보메커니즘(210)은 기기(114)를 포함하는 암부(200)의 말단부 및 서보메커니즘(220, 230, 240, 250, 260, 270)을 축(215)에 대해 회전시킬 수 있다. 서보메커니즘(220)은 서보메커니즘(210)에 장착되어 있고, 연관된 구동 신호에 응답하여, 축(215)에 수직인 축(225)에 대해 서보메커니즘(230, 240, 250, 260, 270)을 포함하는 암부(200)의 말단부를 회전시키는 구동기 또는 모터를 포함하고 있다. 서보메커니즘(230)은 서보메커니즘(220)에 장착되어 있고, 연관된 구동 신호에 응답하여, 축(225)에 수직인 축(235)에 대해 서보메커니즘(240, 250, 260, 270)을 포함하는 암부(200)의 말단부를 회전시키는 구동기 또는 모터를 포함하고 있다. 서보메커니즘(240)은 서보메커니즘(230)에 장착되어 있고, 연관된 구동 신호에 응답하여, 축(235)에 수직인 축(245)에 대해 서보메커니즘(250, 260, 270)을 포함하는 암부(200)의 말단부를 회전시키는 구동기 또는 모터를 포함하고 있다. 서보메커니즘(250)은 서보메커니즘(240)에 장착되어 있고, 연관된 구동 신호에 응답하여, 축(245)에 수직인 축(255)에 대해 서보메커니즘(260, 270)을 포함하는 암부(200)의 말단부를 회전시키는 구동기 또는 모터를 포함하고 있다. 서보메커니즘(260)은 서보메커니즘(250)에 장착되어 있고, 연관된 구동 신호에 응답하여, 축(255)에 수직인 축(265)에 대해 서보메커니즘(270)을 회전시키는 구동기 또는 모터를 포함하고 있다. 서보메커니즘(270)은 기기(114)를 위한 도킹 포트를 포함하고 삽입 방향(275)을 따라 기기(114)의 이동을 위한 구동 슬라이드를 포함할 수 있다.

기기(114)는 보통 서보메커니즘(270)의 도킹 포트의 구동 모터 또는 다른 구동기를 사용하여 구동될 수 있는 슬레이브 디바이스의 운동의 추가 자유도를 제공한다. 도 3은 예를 들어, 기기(114)가 겸자로서 동작하는 실시예의 엔드 이펙터(300)를 도시하고 있다. 도시된 실시예에서, 엔드 이펙터(300)는 기기(114)의 메인 튜브(310)의 말단부에 있고, 메인 튜브(310)의 말단부에 장착된 근접 클레비스(320), 근접 클레비스(320)에 회전가능하게 장착된 말단 클레비스(330), 및 말단 클레비스(330)에 회전가능하게 장착된 조(342, 344)를 포함하고 있다. 엔드 이펙터(300)의 이러한 특정 실시예의 자유도는 근접 클레비스(320)의 핀에 상응하는 축(325)에 대한 말단 클레비스(330)의 회전, 말단 클레비스(330)의 핀에 상응하는 축(335)에 대한 하나의 유닛으로서의 조(343, 344)의 회전, 및 조(344)로부터 조(342)의 각도 분리(345)로서 구별될 수 있다. 이러한 엔드 이펙터(300)의 자유도의 각각은 기계 소자(330, 342, 344)의 하나 이상에 기계적으로 결합되고 암(112)의 도킹 포트의 모터 또는 다른 구동기에 결합된 기기(114)의 트랜스미션 또는 다른 백엔드 메커니즘에 메인 튜브(310)를 통해 다시 뻗은 텐던, 예를 들어, 케이블(도시되지 않음)을 사용하여 제어될 수 있다.

도 2의 암부(200) 및 도 3의 엔드 이펙터(300)는 아래에 더 설명되는 바와 같이 조작될 수 있는 슬레이브 디바이스 또는 의료 시스템의 일부를 형성할 수 있는 기계 시스템의 예일 뿐이다. 보다 일반적으로, 의료 시스템의 비제어 이동을 검출하는 의료 시스템의 슬레이브 디바이스에서 채용될 수 있는 많은 상이한 타입의 로봇 암 및 의료 기기가 알려져 있거나 개발될 수 있다. 또한, 의로 시스템의 슬레이브 디바이스는 조향가능 가이드 튜브 또는 카테터, 관절식 "스네이크" 암, 또는 플렉시블 링키지와 같은 다른 타입의 구동 기계 시스템을 포함할 수 있다.

도 4는 의사 콘솔(120)의 실시예의 전면도이다. 도시된 실시예에서, 의사 콘솔(120)은 뷰 포트(410), 마스터 컨트롤(420), 및 풋 페달(430)을 포함하고 있다.

뷰 포트(410)는 카메라 프로브의 관점으로부터의 3차원 뷰를 표시하는 입체 뷰어(412)를 포함할 수 있고 의료 시술 동안 작업 사이트를 보는데 사용될 수 있다. 의사 콘솔(120)을 사용할 때, 내과의 또는 다른 사용자는 보통 의사 콘솔(120)의 전방의 의자에 앉아, 눈을 뷰어(412)의 전방에 있는 상태에서 그의 머리를 뷰 포트(410)에 위치시키고, 그의 이마가 서포트(422)에 안착된 상태에서, 각각의 손에 하나식 마스터 컨트롤(420)을 잡는다. 뷰 포트(410)는 사용자의 머리가 의사 콘솔(120)의 사용을 위해 적절한 위치에 있을 때를 감지하는 센서(414)를 포함할 수 있다. 의사 콘솔(120)의 프로세서 또는 컨트롤러(420)의 센서는 마스터 컨트롤(420)의 구성을 나타내거나 마스터 컨트롤(420)의 운동에 응답하여 제어 신호를 생성할 수 있고, 이러한 제어 신호는 도 1의 하나 이상의 암(112) 또는 기기(114)와 같은 하나 이상의 슬레이브 디바이스의 이동을 유발하는 구동 신호의 생성에 사용될 수 있다. 그러나, 안전 특징부와 같이, 슬레이브 디바이스의 이동은 사용자가 의사 콘솔(120)의 적절한 사용을 위한 위치에 있다고 센싱 시스템, 예를 들어, 센서(414)가 검출하지 않지 않는 경우에 불가능하거나 제한될 수 있다.

각각의 마스터 컨트롤(420)은 사용자가 손의 이동에 의해 조작할 수 있는 다수의 운동 자유도를 갖고 있다. 하나의 특정 실시예에서, 유용한 자유도에 의해 사용자는 각각의 마스터 컨트롤러(420)의 팁(424)을 수동으로 제어하고 특히 팁(424)의 위치, 예를 들어, 제한된 체적 내의 x, y, z 좌표; 팁(424)의 배향, 예를 들어, 피치, 요, 및 롤 각도; 및 팁(424)에 대한 파지 각도 및/또는 힘을 조작할 수 있다.

도 5는 제어 팁(510)의 위치, 배향, 및 파지 각도의 조작을 위한 다수의 조인트를 갖는 마스터 컨트롤(500)의 하나의 실시예를 대략적으로 도시하고 있다. 제어 팁(510)은 파지 각도 센서(550)를 포함하고 있다. 예를 들어, 사용자는 제어 팁(510) 위에 이동가능하게 장착된 루프에 손가락을 삽입할 수 있고, 센서(550)는 손가락 루프 사이에 축(514)을 따른 분리량을 측정할 수 있다. 팁(510)은 링(520)에 회전가능하게 장착되어 링크(520)의 센서(551)는 축(512)에 대한 제어 팁(510)의 회전각을 측정할 수 있다. 축(512)에 대한 팁(510)의 회전은 팁(510)의 롤 각도일 수 있다. 링크(520)는 축(512)에 수직인 축(522)에 대한 링크(520)의 회전을 센서(552)가 측정할 수 있도록 링크(530)에 회전가능하게 장착되어 있다. 링크(530)는 축(522)에 수직인 축(532)에 대한 링크(530)의 회전을 센서(553)가 측정할 수 있도록 링크(540)에 회전가능하게 장착되어 있다. 링크(540)는 회전가능하게 장착될 수 있고, 센서(554)는 축(532)에 수직인 축(542)에 대한 링크(540)의 회전을 측정할 수 있다. 컴퓨팅 시스템은 축(522, 532, 542)에 대한 회전각의 측정값 및 링크(520, 530, 540)의 공지된 치수 및 기하학 형상로부터 제어 팁(510)의 위치, 피치, 및 요를 알아낼 수 있다. 의료 시술 동안, 마스터 컨트롤(500)의 팁(510)의 위치, 방향, 및 파지 각도는 기구 또는 다른 슬레이브 디바이스의 말단부의 상응하는 위치, 방향, 및 파지 각도에 일치할 수 있고, 제어 시스템은 팁(510)의 위치, 방향, 및 파지 각도를 나타내는 마스터 컨트롤(500)로부터 제어 신호를 수신할 수 있고, 슬레이브 디바이스의 말단 팁의 상응하는 위치, 방향, 및 파지 각도를 구동하는 구동기를 위한 구동 신호를 생성할 수 있다.

도 6은 로봇 의료 시스템의 컴포넌트의 비제어 이동을 검출하는 프로세스(600)의 순서도이다. 프로세스(600)는 로봇 의료 시스템의 수동 컴포넌트의 이동을 측정하는 블록(610)의 실행으로 시작한다. 이러한 수동 컴포넌트는 일반적으로 다수의 운동 자유도를 갖고 있고, 하나의 실시예에서 수동 컴포넌트는 도 5의 마스터 컨트롤(500)과 같은 마스터 컨트롤이다. 이동 측정 블록(610)은 일반적으로 다수의 마스터 컨트롤의 조인트에 대한 현 회전각의 측정과 같은, 컴포넌트의 다수의 자유도의 변화 또는 좌표의 검출 또는 측정을 포함한다.

판정 블록(620)은 측정된 이동이 제어되지 않는지 (또는 제어되지 않을 가능성이 높은지)를 판정한다. 예를 들어, 판정 블록(620)은 이동이 특정 중력 조인트 또는 자유도에서 일어나고 비중력 조인트에서 아무런 이동이 일어나지 않는 경우에 이동이 제어되지 않는다고 판정할 수 있다. 특히, 일부 마스터 컨트롤의 조인트는 중력 조인트로서 식별될 수 있고 일부 마스터 컨트롤의 조인트는 비중력 조인트로서 분류될 수 있다. 이러한 조인트의 분류는 마스터 컨트롤의 현 구성과 관련이 없거나 마스터 컨트롤의 현 구성에 의존할 수 있다. 예를 들어, 조인트는 중력이 마스터 컨트롤의 현 구성에서 조인트를 시프트하거나 이동시키는 경우에만 중력 조인트로서 분류될 수 있다. 대안으로, 중력에 의해 이동되는 확률을 갖는 임의의 조인트는 중력이 그 현 포즈에서 조인트를 시프트하지 않는 경우에도 중력 조인트로서 분류될 수 있다. 조인트는 그 현재 포즈에서 중력이 조인트를 시프트하지 않는 경우에 비중력 조인트로서 분류될 수 있거나, 대안으로, 조인트는 중력이 그 가능한 구성중 하나에서 조인트를 시프트하지 않는 경우에만 비중력 조인트로서 분류될 수 있다. 이동이 적어도 하나의 비중력 조인트에서 일어난다면, 판정 블록 620은 이동이 제어되지 않는다고 판정하고, 블록 630은 마스터 컨트롤의 이동을 따르도록 슬레이브 디바이스를 구동하는 것과 같이 의료 시스템의 현 동작을 계속한다. 이동이 하나 이상의 중력 조인트에서 일어나지만 비중력 조인트에서는 일어나지 않는 경우에, 블록 620은 이러한 이동을 제어되지 않는 것으로 간주할 수 있고, 블록 640은 의료 시스템을 잠금 모드로 시프트하거나 마스터의 이동을 차단하거나 마스터의 이동에 응답하여 슬레이브의 이동을 차단하는 것과 같이 의료 시스템의 동작 모드를 변경할 수 있다.

프로세스 600는 사용자가 마스터 컨트롤 이외의 컴포넌트를 조작하는 로봇 시스템에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 시스템(100)과 같은 의료 시스템은 클러치 모드를 구현할 수 있다. 클러치 모드는 슬레이브 암(112)와 같은 슬레이브의 일부가 의사 콘솔(120)에서 마스터 컨트롤과 함께 피드백 폐루프에 의해 제어되고 있지 않고 부동 상태에 있거나 공간 이동이 자유로울 때 사용될 수 있다. 클러치 모드에 의해 수술측 어시스턴트와 같은 사용자는 환자에 대해 암(112)을 수동으로 조작하고 재위치지정하거나 암(112)을 의료적으로 적절히 조정할 수 있다. 클러치 모드에서 동작할 때, 제어 시스템은 암(112)의 다수의 자유도에서의 이동을 측정하도록 블록 610을 실행할 수 있고, 판정 블록 620은 암(112)의 이동이 제어되지 않는지 여부를 판정하기 위해 측정 이동량 사이의 관계를 평가할 수 있다. 암(112)의 클러치 모드 및 수동 이동은 이러한 이동이 제어되는 한 블록 630을 통해 계속될 수 있다. 그러나, 중력에 의해 영향을 받는 일부 자유도 및 중력에 의해 영향을 받지 않는 일부 자유도를 갖고 있다면, 판정 블록 620은 암(112)이 클러치 모드에서 동작되고 있는 동안 사용자가 암(112)을 수동으로 제어하고 있는지 여부를 판정하기 위해 상술된 바와 같이 동일한 로직을 적용할 수 있다. 중력축의 일부가 임계값 보다 많이 이동하지만 상응하는 비중력 축의 운동이 존재하지 않는 경우에, 블록 640은 암(112)을 클러치 모드 밖으로 끌어내고 추가 수동 이동을 정지시키거나 제한할 수도 있다.

도 7a는 사용자로부터의 마지막 최종 입력 이후에 마스터의 팁이 얼마나 멀리 이동하였는지를 추적함으로써 마스터의 비제어 이동을 검출하는 프로세스 700의 순서도이다. 여기에서 최종 입력은 사용자가 이동을 제어하였다는 것을 최종적으로 나타내는 것으로 받아들여진 조건을 검출된 이동이 충족한다는 것을 의미한다. 일반적으로, 이동이 최종적으로 제어되었는지의 판정은 사용되는 특정 마스터 컨트롤 또는 컴포넌트에 의존할 수 있다. 그러나, 최종 입력의 하나의 예는 마스터의 중력 또는 부딪침이 팁(510)을 회전시킬 수 없거나 그럴 가능성이 낮도록 마스터가 되어 있는 경우에 도 5의 제어 팁(510)의 롤 각도의 변화 또는 측정된 속도를 포함하는 임의의 이동일 수 있다. 최종적인 입력의 다른 예는 사용자가 복구 탄성력에 반하여 팁(510)을 일부 닫힌 상태로 유지하는 것을 측정 분리량이 나타내는 경우에 파지 축(514)을 따른 측정된 분리량일 수 있다. 보다 일반적으로, 최종 입력은 특히 사용자의 손으로부터의 입력을 나타내는 관계에 대해, 마스터 컨트롤의 자유도의 위치, 방향, 속도, 또는 가속도 중에 또는 이것들에 대한 관계의 평가를 통해 제어 시스템에 논리적으로 또는 기계적으로 식별될 수 있다.

프로세스(700)는 마스터의 이동량이 최종 입력으로서 식별될 때 마스터의 팁의 위치를 기록하는 블록 710으로 시작한다. 블록 710의 팁 위치의 기록은 처음에, 슬레이브가 마스터의 이동을 따르는 의료 시스템의 "추종"을 사용자가 시작할 때 일어날 수 있다. 일부 시간 후에, 블록 720은 도 5의 마스터(500)와 같은 마스터의 이동 또는 새로운 구성을 측정하거나, 하나 이상의 회전축(512, 522, 532, 542)과 각각 연관된 각도를 측정하거나 각도의 변화를 알아내거나 축(514)을 따른 분리량 또는 분리량의 변화를 측정한다.

판정 블록 730은 방금 측정된 이동량이 최종적으로 제어를 나타내는지, 즉, 최종 입력에 상응하는지를 여부를 판정한다. 예를 들어, 롤 각도의 변화, 예를 들어, 축(512)에 대한 팁(510)의 회전각의 변화는 제어된 이동 또는 최종 입력을 가리킬 수 있다. 최종 입력은 또한 측정된 파지량에 의해 표시될 수도 있는데, 예를 들어, 축(514)을 따른 분리량은 외력이 팁(510)에 가해지고 있다는 것을 나타낸다. 최종 입력의 다른 표시가 가능하다. 이러한 이동이 최종 입력이라고 판정되면, 제어 시스템은 슬레이브가 마스터의 이동을 따르도록 하는 구동 신호를 생성하기 위해 블록 732를 실행하고, 마지막 최종 이동에 대한 새로운 팁 위치가 블록 710의 실행에 의해 기록된다.

블록 730이 방금 측정된 팁 이동이 최종 입력이라고 판정하는 것에 실패하면, 마스터의 이동은 사용자의 통제하에 있거나 있지 않을 수 있다. 그러나, 마스터의 팁이 안전 범위 안에 머물러 있다면, 추정은 계속될 수 있다. 그다음, 블록 740은 팁 이동이 마지막으로 최종 입력을 가리킨 때에 기록된 팁 위치와 현 팁 위치 사이의 차이를 알아내고, 판정 블록 750은 이러한 이동이 안전 범위 안에 있는지를 판정한다. 이러한 차이가 안전 범위에 있다면, 제어 시스템은 슬레이브가 마스터의 이동을 따르도록 하는 구동 신호를 생성하도록 블록 752를 실행하고, 마스터의다음 이동은 블록 720에서 측정된다. 이러한 차이가 안전 범위 밖에 있다면, 슬레이브는 마스터의 이동을 추종하는 것이 허용되지 않고, 블록 760은 의료 시스템을 추종 모드에서 뺄 수 있다. 추종 모드에서 나오면, 슬레이브의 이동은 사용자가 추종 모드를 재달성할 때가지 차단되고, 사용자는 의료 시스템을 추종 모드로 복귀시키도록 그립을 쥐는 것과 같은 고의적인 액션을 실행하도록 명령될 있다.

판정 단계 750에서 사용되는 안전 범위는 일반적으로, 전체적인 의료 시스템의 포즈 또는 상태, 현재 제어되는 기기의 타입, 기기의 현재 포즈, 마스터의 어느 자유도가 이동하는지, 의사의 동작 속도, 작업 사이트의 치수와 같은 많은 요인에 의존할 수 있다. 극단의 경우에, 이러한 안전 범위는 마스터의 이동이 최종 입력으로 판정될 때를 제외하면 슬레이브의 어떤 이동도 허용되지 않도록 제로 크기를 갖고 있다. 그러나, 마스터의 비제어 이동이 일어날 때도, 예를 들어, 사용자가 임시로 마스터를 내버려두지만 마스터가 이동하지 않을 때, 마스터의 비제어된 이동이 반드시 위험한 상황인 것은 아니다. 이러한 안전 범위는 안전하지 않은 비제어된 이동의 검출을 위해, 마스터의 팁이 얼마나 멀리, 선형으로, 또는 회전되어, 또는 선형 및 회전의 조합으로 이동되었는지에 기초하여 임계값을 제공할 수 있다. 따라서, 사용자는 시스템이 안전 모드로 들어가서 사용자가 다시 추종 모드로 재진입하도록 요청할 필요없이, 마스터의 비제어 이동 후에 추종 모드를 안전하게 복구하고 계속할 수 있다. 따라서, 마스터의 제어를 반복적으로 증명하거나 의료 시스템을 다시 추종 모드로 돌리는 시간 소모가 큰 프로세스를 피할 수 있다.

상술된 프로세스 700는 마스터의 이동이 제어되지 않을 때 마스터의 이동을 분석하고 슬레이브의 이동을 제한한다. 로봇 의료 시스템의 다른 컴포넌트가 수동으로 조작될 수 있을 때 유사한 프로세스 역시 채용될 수 있다. 예를 들어, 도 7b는 의료 시스템을 동작시키고 수동으로 조작될 수도 있는 슬레이브 컴포넌트의 비제어 이동을 검출하기 위한 프로세스 705의 순서도이다. 예를 들어, 이러한 의료 시스템은 사용자가 이러한 암을 직접 그리고 수동으로 조작하는 클러치 모드에 로봇 암과 같은 컴포넌트를 배치할 수 있다. 프로세스 705는 컴포넌트가 자유롭게 조작되고 (즉, 클러치 모드) 최종적으로 사용자 통제하에 있는 구성을 기록함으로써 블록 715에서 시작한다. 이러한 컴포넌트의 이동은 이어서 측정될 수 있고 (블록 715) 판정 블록 730은 이러한 컴포넌트가 최종적으로 사용자 통제하에 있는지 여부를 판정할 수 있다. 그러하다면, 컴포넌트는 클러치 모드를 유지할 수 있고 (블록 737) 새로운 구성이 기록될 수 있다 (블록 715). 이러한 컴포넌트가 최종적으로 통제하에 있지 않다고 판정 블록 730이 판정한 경우, 블록 745는 구성의 변화를 알아낼 수 있고, 블록 750은 컴포넌트가 안전 범위에 있는지를 평가할 수 있다. 그러하다면, 컴포넌트는 클러치 모드를 유지할 수 있다 (블록 757). 그러하지 않다면, 시스템은 이러한 컴포넌트에 대한 클러치 모드에서 나올 수 있다 (블록 765).

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 마스터-슬레이브 시스템(800)의 블록도이다. 시스템(800)은 인간 사용자가 슬레이브 디바이스(890)를 제어하기 위해 조작할 수 있는 마스터 디바이스(810)를 포함하고 있다. 하나의 특정 실시예에서, 마스터 디바이스(810)는 도 5의 마스터 컨트롤(500)과 유사하거나 동일할 수 있지만, 보다 일반적으로, 마스터(810)는 다수의 이동 자유도를 갖는 임의의 타입의 다바이스일 수 있다. 마스터 디바이스(810)는 그 자유도의 상태 또는 변화를 나타내는 제어 신호 C1 내지 Cx를 생성한다.

제어 시스템(820)은 제어 신호 C1 내지 Cx를 수신하고, 슬레이브(890)에 전송되는 구동 신호 A1 내지 Ay를 생성한다. 제어 시스템(820)은 범용 컴퓨터와 같은 컴퓨팅 시스템일 수 있고, 마스터 디바이스(810) 및 슬레이브 디바이스(890)와 통신하기 위한 프로세서(822), 메모리(824), 및 인터페이스 하드웨어(826, 828)와 같은 종래의 컴포넌트를 포함할 수 있다.

도시된 실시예의 제어 시스템(820)은 모드 제어 모듈(850), 검출 모듈(860), 추종 모듈(870), 및 클러치 모듈(880)을 포함하고 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 용어 "모듈"은 하드웨어(예를 들어, 집적 회로 또는 다른 회로와 같은 프로세서) 및 소프트웨어(예를 들어, 머신 또는 프로세서 실행가능한 명령어, 커맨드, 또는 펌웨어, 프로그래밍, 또는 오브젝트 코드와 같은 코드)의 조합을 가리킨다. 하드웨어 및 소프트웨어의 조합은 하드웨어만(즉, 아무런 소프트웨어 요소를 갖지 않는 하드웨어 엘리먼트), 하드웨어에서 관리되는 소프트웨어(예를 들어, 메모리에 저장되어 프로세서에 의해 또는 프로세서에서 실행되거나 해석되는 소프트웨어), 또는 하드웨어와 하드웨어에서 관리되는 소프트웨어를 포함하고 있다.

모드 제어 모듈(850)은 인간 사용자가 의료 시스템의 추종 모드 또는 클러치 모드와 같은 동작 모드를 시작하고 이러한 동작 모드를 자동으로 전환할 때, 예를 들어, 검출 모듈(860)이 마스터-슬레이브 시스템(800)의 잠재적으로 불안전한 비제어된 이동을 검출할 때를 검출한다. 이러한 추종 모드에서, 제어 시스템(820)은 제어 신호 C1 내지 Cx를 수신하고 슬레이브 디바이스(890)가 마스터 디바이스(810)의 이동을 따르도록 하는 구동 신호 A1 내지 Ay를 생성하는 추종 모듈(870)을 사용한다. 검출 모듈(860)은 동시에 제어 신호 C1 내지 Cx를 감시하고 마스터(810)의 임의의 불안전한 비제어된 이동을 검출할 수 있다. 예를 들어, 상술된 실시예에서, 사용자가 마스터 컨트롤(420)의 사용을 위한 적합한 위치에 있다고 센서(414)가 나타내고 인간 조작자가 그립 센서를 누르고 마스터 컨트롤의 롤 센서를 회전시키는 것을 제어 신호가 나타내는 경우에 추종 모드 동작을 활성화하고, 검출 모듈이 마스터(810)의 불안전 비제어된 이동을 가리키는 경우에 추종 모드를 억제할 수 있다.

추종 모듈(870)은 예를 들어, 슬레이브(890)의 이동이 마스터(810)의 이동의 맵핑에 상응하도록, 슬레이브(890)가 마스터(810)의 이동을 따르도록 하는 구동 신호 A1 내지 An을 생성하는데 필요한 계산을 수행할 수 있다. 추종 모듈(870)은 종래의 기술을 사용하여 구현될 수 있다. 검출 모듈(860)은 도 6의 프로세스 600을 구현할 수 있고, 마스터(810)의 불안전, 비제어된 이동이 검출된 경우에, 검출 모듈(860)은 모드 제어 모듈(850)에 알리거나, 추종 모듈(870)이 슬레이브(890)를 이동시키는 구동 신호 A1 내지 An을 생성하지 못하도록 직접 차단할 수 있다.

클러치 모듈(880)이 시스템(800)의 클러치 모드를 위해 채용될 수 있다. 클러치 모드에서, 마스터(810)의 하나 이상의 자유도의 이동은 슬레이브(890)의 하나 이상의 컴포넌트의 이동에 아무런 영향도 주지 않는다. 클러치 모드는 슬레이브(890)의 일부, 예를 들어, 슬레이브 암이 마스터(810)와의 피드백 폐루프에 의해 제어되고 있지 않고 공간 부동 상태에 있고 수동으로 이동될 때 사용될 수 있다. 클러치 모드에 있어서, 클러치 모듈(880)은 슬레이브의 서보 시스템이 프리휠링 상태에 있도록 할 수 있거나 구동 신호 A1 내지 An을 생성하여 암의 모터는 중력에 대해 암의 예측되는 중력을 지지할 수 있지만, 암의 브레이크는 맞물리지 않고 대신에 암의 수동 이동을 허용할 수 있다. 클러치 모드에 의해 수술측 어시스턴트는 환자에 대해 암 또는 다른 슬레이브 컴포넌트를 용이하게 조작하고 재위치지정할 수 있거나 직접 암 또는 슬레이브 컴포넌트를 임의로 달리 의료적으로 적절히 조정할 수 있다. 추종 모드에서 피드백 루프 제어에서 사용될 수 있는, 슬레이브(890)로부터의 센서 신호 B1 내지 By는 검출 모듈(860)에 의해 분석되어 슬레이브(890)의 비제어된 이동을 검출할 수 있다. 신호 B1 내지 By의 분석이 슬레이브(890)의 비제어되거나 불안전한 이동을 나타내는 경우에, 검출 모듈(860) 또는 모드 제어 모듈(850)은 클러치 모드에서 시스템(800)을 꺼낼 수 있고 슬레이브(890)에 제동을 가하여 슬레이브(890)의 추가적인 수동 또는 비제어된 이동을 차단할 수 있다.

상기 발명의 일부 실시예는 컴퓨터 판독가능 매체, 예를 들어, 여기에 기술된 특정 프로세스를 실행하도록 컴퓨팅 디바이스가 실행할 수 있는 명령어를 갖는 광학 또는 자기 디스크, 메모리 카드, 또는 다른 고체 저장부와 같은 비임시 매체에서 구현될 수 있다. 또한 이러한 매체는 데이터 및 실행가능한 명령어의 다운로딩을 제공하는 인터넷과 같은 네트워크에 접속된 서버 또는 다른 디바이스에 있거나 보유될 수 있다.

특정 실시예가 개시되어 있지만, 이러한 실시예는 단지 예이고 제한을 위한 것으로 생각해서는 안된다. 개시된 실시예의 특징의 다양한 구성 및 조합은 다음의 청구범위 안에 있다.

Claims

시스템에 있어서,
입력 컨트롤의 하나 이상의 기계적 자유도의 이동에 응답하여 하나 이상의 신호를 생성하도록 구성된 수동으로 이동가능한 입력 컨트롤; 및
입력 컨트롤에 결합된 검출 모듈을 포함하고,
검출 모듈은,
입력 컨트롤의 이동이 입력 컨트롤에 의해 제어되는 디바이스를 이동의 안전 범위 밖으로 이동시킬 것으로 예상되는지 여부를 판정하고;
입력 컨트롤의 이동이 디바이스를 이동의 안전 범위 밖으로 이동시킬 것으로 예상된다는 판정에 응답하여 시스템이 동작 모드로부터 안전 모드로 전환하도록 명령하도록 구성되고,
디바이스는 로봇 암, 기기, 및 매니퓰레이터로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 구성을 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서,
디바이스를 더 포함하고,
동작 모드에서, 시스템은 디바이스가 입력 컨트롤의 이동을 따르도록 이동하는 것을 야기하고;
안전 모드에서, 시스템은 디바이스가 입력 컨트롤의 이동을 따르도록 이동하는 것을 야기하지 않는, 시스템
제1항 또는 제2항에 있어서,
이동의 안전 범위는 조작자의 동작 속도에 의존하는, 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
이동의 안전 범위는 디바이스의 종류에 의존하는, 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
이동의 안전 범위는 디바이스의 현재 포즈, 디바이스의 현재 상태, 입력 컨트롤의 어느 기계적 자유도가 이동하는지, 및 디바이스의 작업 사이트의 치수로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 특성에 의존하는, 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
이동의 안전 범위는 입력 컨트롤의 팁이 얼마나 멀리 이동하였는지에 기초하여 하나 이상의 임계값을 제공하는, 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
검출 모듈은 입력 컨트롤로 수행되는 의도된 동작을 검출하는 것에 응답하여 시스템을 동작 모드로 복귀시키도록 추가로 구성되는, 시스템.
제7항에 있어서,
의도된 동작은 입력 컨트롤의 그립을 쥐는 것인, 시스템
제1항 또는 제2항에 있어서,
입력 컨트롤은 복수의 조인트를 포함하고,
복수의 조인트는 조작자가 입력 컨트롤의 위치, 입력 컨트롤의 배향 및 입력 컨트롤의 팁의 파지 각도로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 입력 컨트롤의 적어도 하나의 특성을 조작하도록 허용하는, 시스템.
방법을 수행하도록 시스템이 실행할 수 있는 명령어를 갖는 비임시 매체로서,
방법은:
시스템의 수동으로 이동가능한 입력 컨트롤의 이동을 측정하는 단계;
입력 컨트롤의 이동이 입력 컨트롤에 의해 제어되는 디바이스를 이동의 안전 범위 밖으로 이동시킬 것으로 예상되는지 여부를 판정하는 단계;
입력 컨트롤의 이동이 입력 컨트롤에 의해 제어되는 디바이스를 이동의 안전 범위 밖으로 이동시킬 것으로 예상된다는 판정에 응답하여 시스템이 동작 모드로부터 안전 모드로 전환하도록 명령하는 단계를 포함하고,
입력 컨트롤은 복수의 이동가능한 기계적 자유도를 갖고,
디바이스는 로봇 암, 기기, 및 매니퓰레이터로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 구성을 포함하는, 비임시 매체.
제10항에 있어서,
시스템은 동작 모드에서 디바이스가 입력 컨트롤의 이동을 따르도록 이동하는 것을 야기하고;
시스템은 안전 모드에서 디바이스가 입력 컨트롤의 이동을 따르도록 이동하는 것을 야기하지 않는, 비임시 매체.
제10항 또는 제11항에 있어서,
이동의 안전 범위는 조작자의 동작 속도, 디바이스의 종류, 디바이스의 현재 포즈, 디바이스의 현재 상태, 입력 컨트롤의 어느 기계적 자유도가 이동하는지, 및 디바이스의 작업 사이트의 치수로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 특성에 의존하는, 비임시 매체.
제10항 또는 제11항에 있어서,
이동의 안전 범위는 입력 컨트롤의 팁이 얼마나 멀리 이동하였는지에 기초하여 하나 이상의 임계값을 제공하는, 비임시 매체.
제10항 또는 제11항에 있어서,
방법은 입력 컨트롤을 사용하여 수행되는 의도된 동작을 검출하는 것에 응답하여 시스템을 동작 모드로 복귀시키는 단계를 추가로 포함하는, 비임시 매체.
제14항에 있어서,
의도된 동작은 입력 컨트롤의 그립을 쥐는 것인, 비임시 매체.