KR20200068455A

KR20200068455A - 수술용 슬레이브 암을 원격으로 제어하는 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20200068455A
Application number: KR1020180155466A
Authority: KR
Inventors: 최종도
Original assignee: (주)미래컴퍼니
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2020-06-15
Anticipated expiration: 2038-12-05
Also published as: WO2020116792A1; CN113164216A; CN113164216B; KR102221089B1

Abstract

일 실시예에 따른 수술용 슬레이브 암을 원격으로 제어하는 방법은, 오퍼레이터로부터 마스터 암을 통해 명령을 입력 받는 단계, 상기 입력 받은 명령에 기초하여 상기 슬레이브 암의 목표 포지션 데이터를 산출하는 단계, 상기 산출된 목표 포지션 데이터에 기초하여 조인트 각도들을 산출하는 단계, 상기 슬레이브 암의 운동 범위 이내에 포함되도록, 상기 산출된 조인트 각도들 중 적어도 어느 하나를 수정하는 단계, 상기 수정된 조인트 각도들 및 상기 슬레이브 암의 현재 위치 및 자세 대응되는 현재 조인트 각도들에 기초하여 상기 슬레이브 암의 다음 위치 및 자세에 대응되는 다음 조인트 각도들을 결정하는 단계, 및 상기 슬레이브 암이 상기 결정된 다음 조인트 각도들에 따라 움직이도록 제어하는 단계를 포함한다.

Description

수술용 슬레이브 암을 원격으로 제어하는 방법 및 시스템{Method and system for remotely controlling surgical slave arm}

수술용 슬레이브 암이 운동 범위(運動範圍) 이내에서 움직이도록 원격으로 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기계를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다. 특히, 수술부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제로 인하여 최근에는 로봇(robot)을 사용한 수술이 대안으로서 각광받고 있다.

이러한 수술용 로봇은 의사의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터 암(master arm)과, 조작부로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브 암(slave arm)으로 구분될 수 있는데, 마스터 암과 슬레이브 암은 하나의 수술용 로봇의 각 부분으로서 구분되거나, 별도의 장치로 구성되어 수술실에 각각 배치될 수도 있다.

로봇 수술의 경우 오퍼레이터는 수술에 필요한 인스트루먼트를 직접 조작하는 것이 아니라, 마스터 암을 조작하여 슬레이브 암에 장착된 각종 인스트루먼트가 수술에 필요한 동작을 수행하도록 한다.

오퍼레이터가 마스터 암을 조작하고 슬레이브 암의 움직임이 원격으로 제어되는 과정에는 역기구학(inverse kinematics)이 이용될 수 있다. 역기구학에 의해 직선 공간(linear space)의 포지션 데이터(position data)가 조인트 공간(joint space)의 조인트 각도들로 변환될 수 있다. 여기서, 포지션 데이터는 기준점에 대한 X축, Y축, 및 Z축 방향으로의 거리와 회전 각도를 포함한다.

역기구학을 이용하여 포지션 데이터로부터 조인트 각도들을 산출하는 경우, 특이점(singularity)이 발생할 수 있다. 특이점이 발생하면, 슬레이브 암이 물리적으로 움직일 수 있는 운동 범위를 벗어나는 각도 및 각속도로 움직이도록 제어될 수 있다.

이에, 물리적으로 움직일 수 있는 운동 범위 내에서 움직이도록 슬레이브 암을 제어하는 방법이 요구된다.

수술용 슬레이브 암이 물리적으로 움직일 수 있는 운동 범위 내에서 움직이도록 원격으로 제어하는 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

일 실시예에 따른 수술용 슬레이브 암을 원격으로 제어하는 방법은, 오퍼레이터로부터 마스터 암을 통해 명령을 입력 받는 단계; 상기 입력 받은 명령에 기초하여 상기 슬레이브 암의 목표 포지션 데이터를 산출하는 단계; 상기 산출된 목표 포지션 데이터에 기초하여 조인트 각도들을 산출하는 단계; 상기 슬레이브 암의 운동 범위 이내에 포함되도록, 상기 산출된 조인트 각도들 중 적어도 어느 하나를 수정하는 단계; 상기 수정된 조인트 각도들 및 상기 슬레이브 암의 현재 포지션에 대응되는 현재 조인트 각도들에 기초하여 상기 슬레이브 암의 다음 포지션에 대응되는 다음 조인트 각도들을 결정하는 단계; 및 상기 슬레이브 암이 상기 결정된 다음 조인트 각도들에 따라 움직이도록 제어하는 단계를 포함한다.

상술한 방법에서, 상기 산출된 조인트 각도들 중 적어도 어느 하나를 수정하는 단계는, 상기 산출된 조인트 각도들 중 상기 슬레이브 암의 운동 범위를 벗어나는 조인트 각도를 상기 운동 범위에 포함되는 값으로 치환하는 단계를 더 포함한다.

상술한 방법에서, 상기 산출된 조인트 각도들 중 상기 슬레이브 암의 운동 범위를 벗어나는 조인트 각도는 상기 운동 범위의 경계값으로 치환된다.

상술한 방법에서, 상기 슬레이브 암의 다음 조인트 각도들을 결정하는 단계는, 상기 수정된 조인트 각도들에 기초하여 산출되는 포지션 데이터와 상기 목표 포지션 데이터의 차이가 제1 기준값을 초과하는지 판단하는 단계를 더 포함한다.

상술한 방법에서, 상기 슬레이브 암의 다음 조인트 각도들을 결정하는 단계는, 상기 수정된 조인트 각도들과 상기 슬레이브 암의 현재 조인트 각도들의 차이가 제2 기준값을 초과하는지 판단하는 단계를 더 포함한다.

상술한 방법에서, 상기 슬레이브 암의 다음 조인트 각도들을 결정하는 단계는, 상기 제1 기준값을 초과하는 것으로 판단되거나 상기 제2 기준값을 초과하는 것으로 판단되는 경우, 상기 슬레이브 암의 다음 조인트 각도들을 상기 슬레이브 암의 현재 조인트 각도들로 결정하는 단계; 및 그 외의 경우, 상기 슬레이브 암의 다음 조인트 각도들을 상기 수정된 조인트 각도들로 결정하는 단계를 더 포함한다.

상술한 방법은, 상기 슬레이브 암의 다음 조인트 각도들을 상기 슬레이브 암의 현재 조인트 각도들로 결정한 경우, 상기 오퍼레이터에게 알람을 제공하는 단계를 더 포함한다.

상술한 방법에서, 상기 알람은 디스플레이 되거나, 소리의 형태로 출력되거나, 상기 마스터 암 또는 상기 슬레이브 암에 발생하는 진동의 형태로 출력되어 상기 오퍼레이터에게 제공된다.

다른 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템은, 마스터 암; 슬레이브 암; 및 오퍼레이터가 상기 마스터 암을 조작하는 것에 기초하여 상기 슬레이브 암이 움직이도록 제어하는 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 오퍼레이터로부터 상기 마스터 암을 통해 입력된 명령을 획득하는 단계; 상기 획득한 명령에 기초하여 상기 슬레이브 암의 목표 포지션 데이터를 산출하는 단계; 상기 산출된 목표 포지션 데이터에 기초하여 조인트 각도들을 산출하는 단계; 상기 슬레이브 암의 운동 범위 이내에 포함되도록, 상기 산출된 조인트 각도들 중 적어도 어느 하나를 수정하는 단계; 상기 수정된 조인트 각도들 및 상기 슬레이브 암의 현재 포지션에 대응되는 현재 조인트 각도들에 기초하여 상기 슬레이브 암의 다음 포지션에 대응되는 다음 조인트 각도들을 결정하는 단계; 및 상기 슬레이브 암이 상기 결정된 다음 조인트 각도들에 따라 움직이도록 제어하는 단계를 수행한다.

상술한 수술용 로봇 시스템에서, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 산출된 조인트 각도들 중 상기 슬레이브 암의 운동 범위를 벗어나는 조인트 각도를 상기 운동 범위에 포함되는 값으로 치환한다.

슬레이브 암이 물리적으로 움직일 수 있는 위치 및 자세로 이동하도록 제어되거나, 슬레이브 암이 과도한 각도 및 각속도로 움직이지 않도록 제어될 수 있다. 또한 슬레이브 암이 오퍼레이터 명령에 의해 입력된 위치 및 자세로 움직이도록 제어될 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 수술용 로봇 시스템의 일 실시예를 나타내는 평면도이다.
도 2는 슬레이브 암을 원격으로 제어하는 방법의 일 예를 나타낸 순서도이다.
도 3은 다음 조인트 각도들을 결정하는 방법의 일 예를 나타낸 순서도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 하기 설명은 실시예들을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 당해 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.

본 명세서에서 사용되는 '구성된다' 또는 '포함한다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

도 1은 수술용 로봇 시스템의 일 실시예를 나타내는 평면도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템(1)은 수술대(2)에 누워있는 환자(P)에게 수술을 행하는 슬레이브 로봇(10)과, 슬레이브 로봇(10)을 오퍼레이터(O)가 원격 조종하도록 하는 마스터 콘솔(20)을 포함한다. 또한, 수술용 로봇 시스템(1)은 비전 카트(30)를 포함할 수 있다. 비전 카트(30)의 표시부(35)를 통해서, 보조자(A)가 수술의 진행 상황을 확인할 수 있다.

슬레이브 로봇(10)은 하나 이상의 슬레이브 암(11)을 포함할 수 있다. 일반적으로 로봇 암은 인간의 팔 및/또는 손목과 유사한 기능을 가지고 있으며 손목 부위에 소정의 도구를 부착시킬 수 있는 장치를 의미한다. 본 명세서에서 슬레이브 암(11)이란 상박, 하박, 손목, 팔꿈치 등의 구성 요소 및 상기 손목 부위에 결합되는 수술용 인스트루먼트 등을 모두 포괄하는 개념으로 정의할 수 있다. 이와 같은, 슬레이브 로봇(10)의 슬레이브 암(11)은 다자유도를 가지며 구동되도록 구현될 수 있다. 슬레이브 암(11)은 예를 들어 환자(P)의 수술 부위에 삽입되는 수술기구, 수술기구를 길이 방향으로 이동시키는 이송 구동부와, 수술기구를 회전시키는 회전 구동부, 수술기구의 끝단에 설치되어 수술 병변을 절개 또는 절단하는 수술기구 구동부를 포함하여 구성될 수 있다. 다만, 슬레이브 암(11)의 구성이 이에 제한되지는 않으며, 이러한 예시가 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

슬레이브 로봇(10)은 환자(P)를 수술하기 위하여 하나 이상으로 이용될 수 있으며, 수술 부위가 디스플레이 부재(미도시)를 통해 화상 이미지로 표시되 도록 하기 위한 수술 도구(12)는 독립된 슬레이브 로봇(10)으로 구현될 수도 있다.

또한, 앞서 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 복강경 이외의 다양한 수술용 내시경(예를 들어, 흉강경, 관절경, 비경 등)이 이용되는 수술들에 범용적으로 사용될 수 있다.

마스터 콘솔(20)과 슬레이브 로봇(10)이 반드시 물리적으로 독립된 별도의 장치로 분리되어야 하는 것은 아니며, 하나로 통합되어 일체형으로 구성될 수 있다.

마스터 콘솔(20)은 마스터 암(미도시) 및 디스플레이 부재(미도시)를 포함한다. 또한, 마스터 콘솔(20)은 추가적으로 외측에 오퍼레이터(O)의 상태를 표시할 수 있는 외부의 디스플레이 장치(25)를 더 구비할 수 있다.

상세히, 마스터 콘솔(20)은 오퍼레이터(O)가 조작할 수 있도록 마스터 암을 구비한다. 오퍼레이터(O)가 마스터 암을 조작하면, 조작 신호가 유선 또는 무선 통신망을 통해 슬레이브 로봇(10)으로 전송되어 슬레이브 암(11)이 제어된다. 즉, 오퍼레이터(O)의 마스터 암 조작에 의해 슬레이브 암(11)의 위치 이동, 회전, 절단 작업 등의 수술 동작이 수행될 수 있다.

마스터 콘솔(20)의 디스플레이 부재에는 수술 도구(12)를 통해 촬영되는 영상이 화상 이미지로 표시된다. 또한 디스플레이 부재에는 소정의 가상 조작판이 상기 수술 도구(12)를 통해 촬영되는 영상과 함께 표시되거나 또는 독립적으로 표시될 수 있다.

디스플레이 부재는 오퍼레이터(O)가 영상을 확인할 수 있는 다양한 형태로 구비될 수 있다. 예를 들어, 오퍼레이터(O)의 양안에 대응하도록 디스플레이 장치가 설치될 수 있다. 다른 예로, 하나 이상의 모니터들로 구성될 수 있으며, 각 모니터에 수술시 필요한 정보들이 개별적으로 표시되도록 할 수 있다. 디스플레이 부재의 수량은 표시를 요하는 정보의 유형이나 종류 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다.

비전 카트(30)는 슬레이브 로봇(10)이나 마스터 콘솔(20)에 이격되게 설치되고, 외부에서 수술의 진행상황을 표시부(35)를 통해서 확인할 수 있다.

표시부(35)에서 디스플레이되는 영상은 오퍼레이터(O)의 디스플레이 부재에서 디스플레이 되는 영상과 동일할 수 있다. 보조자(A)는 표시부(35)의 영상을 확인하면서, 오퍼레이터(O)의 수술 작업을 보조할 수 있다. 예를 들어, 보조자(A)는 수술의 진행상태에 따라 수술 도구(12)를 인스트루먼트 카트(3)에서 교체할 수 있다.

중앙 제어부(40)는 슬레이브 로봇(10), 마스터 콘솔(20), 및 비전 카트(30)와 연결되어, 각각의 신호를 송수신 할 수 있다.

중앙 제어부(40)는 오퍼레이터(O)가 마스터 암을 조작하는 것에 기초하여 슬레이브 암(11)이 움직이도록 제어하는 적어도 하나의 프로세서를 포함한다. 적어도 하나의 프로세서는 다수의 논리 게이트들의 어레이로 구현될 수 있고, 범용적인 마이크로 프로세서와 마이크로 프로세서에서 실행될 수 있는 프로그램이 저장된 메모리의 조합으로 구현될 수도 있다.

적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 암(11)이 물리적으로 이동 가능한 운동 범위 내에서 움직이도록 제어할 수 있다. 이하에서는, 도 2 및 도 3을 참조하여, 슬레이브 암(11)이 물리적으로 이동 가능한 운동 범위 내에서 움직이도록 원격으로 제어하는 방법에 대하여 살펴본다.

도 2는 슬레이브 암을 원격으로 제어하는 방법의 일 예를 나타낸 순서도이다.

단계 S210에서, 적어도 하나의 프로세서는 오퍼레이터로부터 마스터 암을 통해 슬레이브 암을 제어하기 위한 명령을 입력 받을 수 있다. 마스터 암은 조작 레버를 포함할 수 있으며, 조작 레버를 통해 명령이 입력될 수 있다.

조작 레버는 다양한 기구적 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 조작 레버는 핸들 형태일 수 있다. 조작 레버의 형태는 제한되지 않으며, 조이스틱, 키패드, 트랙볼, 터치스크린 등과 같이 다양한 형태일 수 있다.

단계 S220에서, 적어도 하나의 프로세서는 입력 받은 명령에 기초하여 슬레이브 암의 목표 포지션 데이터 T_target를 산출할 수 있다.

포지션 데이터는 선형 공간에서 물체의 포지션(위치 및 자세)을 나타내는 데이터로, 기준점에 대한 X축, Y축, 및 Z축 방향으로의 거리 및 회전 각도를 포함할 수 있다.

적어도 하나의 프로세서는 입력 받은 명령에 기초하여 목표하는 슬레이브 암의 포지션을 나타내는 목표 포지션 데이터 T_target를 산출할 수 있다.

예를 들어, 목표 포지션 데이터 T_target는 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

(수학식 1)

T_target = {X_target, Y_target, Z_target, RX_target, RY_target, RZ_target}

여기서, X_target, Y_target, Z_target는 각각 기준점에 대한 슬레이브 암의 X축, Y축, 및 Z축 방향으로의 목표하는 위치를 나타내고, RX_target, RY_target, RZ_target는 각각 기준점에 대한 슬레이브 암의 X축, Y축, 및 Z축 방향으로의 목표하는 회전 각도를 나타낸다. RX_target, RY_target, RZ_target에 의해 슬레이브 암의 목표하는 자세가 결정될 수 있다.

즉, 단계 S220에서 적어도 하나의 프로세서는 오퍼레이터가 마스터 암을 조작한 것에 기초하여 슬레이브 암의 목표하는 위치 및 자세를 산출할 수 있다.

단계 S230에서, 적어도 하나의 프로세서는 산출된 목표 포지션 데이터 T_target에 기초하여 조인트 각도들(q_calculated_1, q_calculated_2, ..., q_calculated_n)을 산출할 수 있다.

슬레이브 암은 링크와 조인트(관절)를 포함한다. 조인트에 장착된 모터가 회전함에 따라 링크가 회전하여 슬레이브 암의 위치 및 자세가 변경될 수 있다. 따라서, 산출된 목표 포지션 데이터 T_target에 따라 슬레이브 암의 위치 및 자세가 변경되도록 제어하기 위해서는, 모터가 회전해야 할 조인트 각도가 산출되어야 한다.

조인트 각도들(q_calculated_1, q_calculated_2, ..., q_calculated_n)은 선형 공간에서 조인트 공간으로 변환시키는 역기구학(inverse kinematics)에 의해 산출될 수 있다. 조인트 각도들의 집합을 Q_calculated라 하고, 조인트 공간에서 선형 공간으로 매핑하는 도함수를 J라고 하였을 때, 조인트 각도들 Q_calculated은 다음의 수학식 2에 의해 산출될 수 있다.

(수학식 2)

Q_calculated = J^-1 x T_target

즉, 단계 S230에서 적어도 하나의 프로세서는 선형 공간의 목표 포지션 데이터 T_target를 조인트 공간의 조인트 각도들 Q_calculated로 변환할 수 있다.

단계 S240에서, 적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 암의 운동 범위 이내에 포함되도록, 산출된 조인트 각도들 Q_calculated 중 적어도 어느 하나를 수정할 수 있다.

역기구학에 의해 조인트 각도들 Q_calculated을 산출하는 과정에서 특이점이 발생하는 경우, 산출된 조인트 각도들 Q_calculated이 슬레이브 암의 운동 범위에서 벗어나는 값을 가질 수 있다. 또는, 목표 포지션 데이터 T_target가 슬레이브 암의 운동 범위에서 벗어나는 위치 및 자세인 경우, 산출된 조인트 각도들 Q_calculated이 슬레이브 암의 운동 범위에서 벗어나는 값을 가질 수 있다.

슬레이브 암의 운동 범위는 슬레이브 암의 조인트(관절)가 물리적으로 움직일 수 있는 회전 각도의 범위를 의미한다. 슬레이브 암이 운동 범위를 벗어나도록 제어되는 경우, 파손되거나 고장 날 수 있다.

적어도 하나의 프로세서는 산출된 조인트 각도들 Q_calculated이 슬레이브 암의 운동 범위를 벗어나는지 여부를 판단하고, 운동 범위를 벗어나는 조인트 각도는 운동 범위 이내에 포함되도록 수정한다.

적어도 하나의 프로세서는 운동 범위를 벗어나는 조인트 각도가 운동 범위 이내에 포함되도록, 운동 범위에 포함되는 값으로 치환할 수 있다.

예를 들어, 산출된 조인트 각도들 중 q_calculated_1이 슬레이브 암의 운동 범위를 벗어나는 경우, q_calculated_1을 운동 범위에 포함되는 값으로 치환할 수 있다. 다른 예를 들어, 산출된 조인트 각도들 중 q_calculated_2 및 q_calculated_n이 슬레이브 암의 운동 범위를 벗어나는 경우, q_calculated_2 및 q_calculated_n을 운동 범위에 포함되는 값으로 수정할 수 있다.

적어도 하나의 프로세서는 운동 범위를 벗어나는 조인트 각도가 운동 범위 이내에 포함되도록, 운동 범위 경계값으로 치환할 수 있다.

예를 들어, 산출된 조인트 각도들 중 q_calculated_1이 슬레이브 암의 운동 범위를 벗어나고, q_calculated_1에 대응되는 조인트의 운동 범위의 경계값이 1.5rad인 경우, q_calculated_1를 1.5rad으로 치환할 수 있다.

이와 같이, 산출된 조인트 각도들 중 슬레이브 암의 운동 범위를 벗어나는 조인트 각도를 운동 범위 이내에 포함되도록 수정하여, 슬레이브 암이 운동 범위에서 벗어나는 것을 방지할 수 있다.

또한, 도함수 J를 수정하지 않고, 조인트 각도를 직접 치환하여, 직관적으로 슬레이브 암이 운동 범위에서 벗어나지 않도록 제어할 수 있다. 직관적인 제어 방법을 사용함에 따라, 슬레이브 암이 고장나거나 오작동하는 경우, 제어 오류를 보다 빠르게 발견할 수 있다.

단계 S250에서, 적어도 하나의 프로세서는 수정된 조인트 각도들 Q_modified 및 현재 조인트 각도들 Q_current에 기초하여 슬레이브 암의 다음 조인트 각도들 Q_next을 결정 결정할 수 있다.

여기서, 현재 조인트 각도들 Q_current은 슬레이브 암의 현재 포지션(위치 및 자세)에 대응되는 조인트 각도들을 의미한다. 다음 조인트 각도들 Q_next은 슬레이브 암이 움직여야 할 다음 포지션(위치 및 자세)에 대응되는 조인트 각도들을 의미한다.

단계 S260에서, 적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 암이 결정된 다음 조인트 각도들 Q_next에 따라 움직이도록 제어할 수 있다.

다음 조인트 각도들 Q_next이 수정된 조인트 각도들 Q_modified로 결정된 경우, 적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 암이 수정된 조인트 각도들 Q_modified에 따라 움직이도록 제어할 수 있다.

다음 조인트 각도들 Q_next이 현재 조인트 각도들 Q_current로 결정된 경우, 적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 암이 현재 위치 및 자세를 유지하도록 제어할 수 있다.

단계 S250을 보다 상세하게 설명하기 위하여, 도 3을 참조한다.

도 3은 다음 조인트 각도들을 결정하는 방법의 일 예를 나타낸 순서도이다.

단계 S251에서, 적어도 하나의 프로세서는 수정된 조인트 각도들 Q_modified에 기초하여 산출되는 슬레이브 암의 포지션 데이터 T_calculated와 슬레이브 암의 목표 포지션 데이터 T_target의 차이가 제1 기준값을 초과하는지 판단한다.

슬레이브 암의 포지션 데이터 T_calculated는 정기구학(forward kinematics)을 이용하여 수정된 조인트 각도들 Q_modified로부터 산출될 수 있다. 예를 들어, 조인트 공간에서 선형 공간으로 매핑하는 도함수를 J라고 하였을 때, 슬레이브 암의 포지션 데이터 T_calculated는 다음의 수학식 3에 의해 산출될 수 있다.

(수학식 3)

T_calculated = J x Q_modified

예를 들어, 슬레이브 암의 목표 포지션 데이터 T_target가 상기 수학식 1에 따라 표현되고, 산출된 슬레이브 암의 포지션 데이터 T_calculated가 하기 수학식 4에 따라 표현될 수 있다.

(수학식 4)

T_calculated = {X_calculated, Y_calculated, Z_calculated, RX_calculated, RY_calculated, RZ_calculated}

예를 들어, 적어도 하나의 프로세서는 하기 수학식 5에 따라, 목표 포지션 데이터 T_target과 산출된 포지션 데이터 T_calculated의 차이의 노름(norm)이 제1 기준값을 초과하는지 판단할 수 있다. 이 경우, 제1 기준값은 상수일 수 있다.

(수학식 5)

∥T_calculated - T_target∥

다른 예를 들어, 적어도 하나의 프로세서는 하기 수학식 6에 따라, 목표 포지션 데이터 T_target과 산출된 포지션 데이터 T_calculated의 원소들의 차이가 각각 제1 기준값을 초과하는지 판단할 수 있다. 이 경우, 제1 기준값은 상수들을 원소로 갖는 벡터일 수 있다. 각각의 원소들의 차이가 제1 기준값을 초과하는지 판단하므로, 슬레이브 암이 목표하는 위치 및 자세로 이동할 수 있는지 정밀하게 판단할 수 있다.

(수학식 6)

|X_calculated - X_target|

|Y_calculated - Y_target|

|Z_calculated - Z_target|

|RX_calculated - RX_target|

|RY_calculated - RY_target|

|RZ_calculated - RZ_target|

또 다른 예를 들어, 적어도 하나의 프로세서는 목표 포지션 데이터 T_target와 산출된 포지션 데이터 T_calculated의 위치의 차이와 자세의 차이를 각각 제1 기준값과 비교할 수 있다.

적어도 하나의 프로세서는 그 외에도 다양한 방법으로 목표 포지션 데이터 T_target와 산출된 포지션 데이터 T_calculated를 비교할 수 있으며, 설명된 실시예들로 제한되지 않는다.

목표 포지션 데이터 T_target는 오퍼레이터의 명령에 의해 입력된 위치 및 자세를 나타내고, 산출된 포지션 데이터 T_calculated는 슬레이브 암이 운동 범위 내에서 움직이도록 산출된 위치 및 자세를 나타낸다. 따라서, 목표 포지션 데이터 T_target와 산출된 포지션 데이터 T_calculated를 비교하여, 오퍼레이터 명령에 의해 입력된 위치 및 자세로 슬레이브 암이 움직이도록 제어되는지 여부 및 슬레이브 암이 과도한 각도 및 각속도로 움직이도록 제어되는지 여부 등을 판단할 수 있다.

단계 S252에서, 적어도 하나의 프로세서는 수정된 조인트 각도들 Q_modified과 현재 조인트 각도들 Q_current의 차이가 제2 기준값을 초과하는지 판단한다.

단계 S251에서와 같은 방식으로, 적어도 하나의 프로세서는 수정된 조인트 각도들 Q_modified과 현재 조인트 각도들 Q_current의 차이의 노름(norm)이 제2 기준값을 초과하는지 판단할 수 있다. 또는, 적어도 하나의 프로세서는 수정된 조인트 각도들 Q_modified과 현재 조인트 각도들 Q_current의 원소들의 차이가 각각 제2 기준값을 초과하는지 판단할 수 있다.

수정된 조인트 각도들 Q_modified은 슬레이브 암이 운동 범위 내에서 움직이도록 산출된 조인트 각도들을 나타내고, 현재 조인트 각도들 Q_current은 현재 슬레이브 암의 위치 및 자세에 대한 조인트 각도들을 나타낸다. 따라서, 수정된 조인트 각도들 Q_modified과 현재 조인트 각도들 Q_current을 비교하여, 슬레이브 암이 과도한 각도 및 각속도로 움직이도록 제어되는지 여부를 판단할 수 있다.

단계 S253에서, 적어도 하나의 프로세서는 다음 조인트 각도들 Q_next을 슬레이브 암의 현재 조인트 각도들 Q_current로 결정한다.

단계 S253은 단계 S251의 조건 및 단계 S252의 조건 중 어느 하나를 만족하는 경우 수행되는 단계이다. 즉, 단계 S253은 수정된 조인트 각도들 Q_modified에 기초하여 산출되는 슬레이브 암의 포지션 데이터 T_calculated와 슬레이브 암의 목표 포지션 데이터 T_target의 차이가 제1 기준값을 초과하거나, 수정된 조인트 각도들 Q_modified과 현재 조인트 각도들 Q_current의 차이가 제2 기준값을 초과하는 경우에 수행되는 단계이다.

단계 S251의 조건 및 단계 S252 의 조건 중 어느 하나를 만족하는 것은 슬레이브 암이 움직일 수 없는 위치 및 자세로 이동하도록 제어되거나, 슬레이브 암이 과도한 각도 및 각속도로 움직이도록 제어되는 경우를 의미한다. 이러한 경우, 슬레이브 암이 파손되거나 고장날 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위하여, 적어도 하나의 프로세서는 다음 조인트 각도들 Q_next을 현재 조인트 각도들 Q_current로 결정하여, 슬레이브 암의 움직임을 잠글 수 있다.

적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 암의 움직임이 잠긴 것을 오퍼레이터에게 알람을 통해 알릴 수 있다. 알람은 마스터 콘솔(도 1의 20)의 디스플레이 부재, 외부 디스플레이 장치(도 1의 25), 비전 카트의 표시부(도 1의 35) 등을 통해 디스플레이 되어 오퍼레이터에게 전달되거나, 소리의 형태로 오퍼레이터에게 전달되거나, 마스터 암 또는 슬레이브 암에 발생하는 진동 형태로 오퍼레이터에게 전달될 수 있다.

단계 S254에서, 적어도 하나의 프로세서는 다음 조인트 각도들 Q_next을 수정된 조인트 각도들 Q_modified로 결정한다.

단계 S254는 단계 S251의 조건 및 단계 S252의 조건을 모두 만족하지 않는 경우 수행되는 단계이다. 즉, 단계 S254는 수정된 조인트 각도들 Q_modified에 기초하여 산출되는 슬레이브 암의 포지션 데이터 T_calculated와 슬레이브 암의 목표 포지션 데이터 T_target의 차이가 제1 기준값을 초과하지 않고, 수정된 조인트 각도들 Q_modified과 현재 조인트 각도들 Q_current의 차이가 제2 기준값을 초과하지 않는 경우에 수행되는 단계이다.

단계 S251의 조건 및 단계 S252 의 조건을 모두 만족하지 않는 것은, 슬레이브 암이 물리적으로 움직일 수 있는 위치 및 자세로 이동하도록 제어되는 것을 의미한다. 따라서, 적어도 하나의 프로세서는 다음 조인트 각도들 Q_next을 수정된 조인트 각도들 Q_modified로 결정하여, 슬레이브 암이 수정된 조인트 각도들 Q_modified에 따라 움직이도록 제어할 수 있다.

이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

1: 수술용 로봇 시스템 10: 슬레이브 로봇
11: 슬레이브 암 20: 마스터 콘솔
30: 비전 카트 40: 중앙 제어부

Claims

수술용 슬레이브 암을 원격으로 제어하는 방법에 있어서,
오퍼레이터로부터 마스터 암을 통해 명령을 입력 받는 단계;
상기 입력 받은 명령에 기초하여 상기 슬레이브 암의 목표 포지션 데이터를 산출하는 단계;
상기 산출된 목표 포지션 데이터에 기초하여 조인트 각도들을 산출하는 단계;
상기 슬레이브 암의 운동 범위 이내에 포함되도록, 상기 산출된 조인트 각도들 중 적어도 어느 하나를 수정하는 단계;
상기 수정된 조인트 각도들 및 상기 슬레이브 암의 현재 포지션에 대응되는 현재 조인트 각도들에 기초하여 상기 슬레이브 암의 다음 포지션에 대응되는 다음 조인트 각도들을 결정하는 단계; 및
상기 슬레이브 암이 상기 결정된 다음 조인트 각도들에 따라 움직이도록 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 산출된 조인트 각도들 중 적어도 어느 하나를 수정하는 단계는,
상기 산출된 조인트 각도들 중 상기 슬레이브 암의 운동 범위를 벗어나는 조인트 각도를 상기 운동 범위에 포함되는 값으로 치환하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제2항에 있어서,
상기 산출된 조인트 각도들 중 상기 슬레이브 암의 운동 범위를 벗어나는 조인트 각도는 상기 운동 범위의 경계값으로 치환되는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 슬레이브 암의 다음 조인트 각도들을 결정하는 단계는,
상기 수정된 조인트 각도들에 기초하여 산출되는 포지션 데이터와 상기 목표 포지션 데이터의 차이가 제1 기준값을 초과하는지 판단하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제4항에 있어서,
상기 슬레이브 암의 다음 조인트 각도들을 결정하는 단계는,
상기 수정된 조인트 각도들과 상기 슬레이브 암의 현재 조인트 각도들의 차이가 제2 기준값을 초과하는지 판단하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제5항에 있어서,
상기 슬레이브 암의 다음 조인트 각도들을 결정하는 단계는,
상기 제1 기준값을 초과하는 것으로 판단되거나 상기 제2 기준값을 초과하는 것으로 판단되는 경우, 상기 슬레이브 암의 다음 조인트 각도들을 상기 슬레이브 암의 현재 조인트 각도들로 결정하는 단계; 및
그 외의 경우, 상기 슬레이브 암의 다음 조인트 각도들을 상기 수정된 조인트 각도들로 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제6항에 있어서,
상기 슬레이브 암의 다음 조인트 각도들을 상기 슬레이브 암의 현재 조인트 각도들로 결정한 경우, 상기 오퍼레이터에게 알람을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제7항에 있어서,
상기 알람은 디스플레이 되거나, 소리의 형태로 출력되거나, 상기 마스터 암 또는 상기 슬레이브 암에 발생하는 진동의 형태로 출력되어 상기 오퍼레이터에게 제공되는, 방법.
마스터 암;
슬레이브 암; 및
오퍼레이터가 상기 마스터 암을 조작하는 것에 기초하여 상기 슬레이브 암이 움직이도록 제어하는 적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
상기 적어도 하나의 프로세서는,
상기 오퍼레이터로부터 상기 마스터 암을 통해 입력된 명령을 획득하는 단계;
상기 획득한 명령에 기초하여 상기 슬레이브 암의 목표 포지션 데이터를 산출하는 단계;
상기 산출된 목표 포지션 데이터에 기초하여 조인트 각도들을 산출하는 단계;
상기 슬레이브 암의 운동 범위 이내에 포함되도록, 상기 산출된 조인트 각도들 중 적어도 어느 하나를 수정하는 단계;
상기 수정된 조인트 각도들 및 상기 슬레이브 암의 현재 포지션에 대응되는 현재 조인트 각도들에 기초하여 상기 슬레이브 암의 다음 포지션에 대응되는 다음 조인트 각도들을 결정하는 단계; 및
상기 슬레이브 암이 상기 결정된 다음 조인트 각도들에 따라 움직이도록 제어하는 단계를 수행하는, 수술용 로봇 시스템.
제9항에 있어서,
상기 적어도 하나의 프로세서는,
상기 산출된 조인트 각도들 중 상기 슬레이브 암의 운동 범위를 벗어나는 조인트 각도를 상기 운동 범위에 포함되는 값으로 치환하는, 수술용 로봇 시스템.