KR101404447B1 - 최소 침습 로봇 수술 시스템을 위한 힘 추정 - Google Patents

Abstract

로봇 조작기(10)를 포함하는 최소 침습 의료 시스템을 위한 힘 추정의 방법이 제공된다. 상기 로봇 조작기는 6 자유도(6 DOF) 힘/토크 센서(30)를 구비하는 효과기 유닛(12)을 가지며, 상기 효과기 유닛에 장착된 제1 단부(16) 및 상기 도구의 모션을 제한하는 외부 받침점(23)을 넘어 위치하는 제2 단부(20)를 가지는 최소 침습 도구(14)를 유지하도록 구성되어 있으며, 통상적으로 4 DOF에 대해 유지된다. 상기 방법은, - 상기 받침점과 관련하여 상기 도구의 위치를 결정하는 단계; - 상기 6 DOF 힘/토크 센서를 이용하여 상기 도구의 상기 제1 단부에 의해 상기 효과기 유닛에 가해지는 힘 및 토크를 측정하는 단계; 및 - 중첩의 원리를 이용하여 상기 결정된 위치, 상기 측정된 힘 및 상기 측정된 토크에 기초하여 상기 도구의 상기 제2 단부에 가해지는 힘의 추정치를 계산하는 단계를 포함한다.

Description

최소 침습 로봇 수술 시스템을 위한 힘 추정{FORCE ESTIMATION FOR A MINIMALLY INVASIVE ROBOTIC SURGERY SYSTEM}

본 발명은 일반적으로 수술 및 진단 과정을 포함한 최소 침습 수술의 분야에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은, 특히 최소 침습 도구의 팁에 의해, 그러나 환자의 몸에 들어가는 도구의 접근 포트의 레벨에서조차도, 환자에 가해지는 힘을 결정할 수 있는 힘 추적을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

최소 침습 중재술(minimally invasive interventions)에는 진단 또는 외과 수술 중에 손상된 외부 조직의 크기를 줄이는 이점이 있다는 것이 잘 알려져 있다. 그 결과 환자의 회복 시간을 더 짧게 할 수 있고, 불편함을 줄이고, 유해한 악영향을 줄이며, 병원비를 낮출 수 있다. 오늘날, 일반적인 외과(surgery), 비뇨기과(urology), 부인과(gynecology), 및 심장병 전문직에서, 복강경 검사(laparoscopic) 기술과 같은 최소 침습 기술에 의해 수행되는 중재술이 증가하고 있다.

수동 최소 침습 기술은 일반적으로, 특히 복강경 검사는 수술을 집도하는 외과 의사에 대해 엄격한 요건을 요구한다. 외과 의사는 불편하고 고된 자세로, 시야가 제한되고 덜 능숙하며 촉감 인식이 떨어진 상태에서 수술한다. 이러한 문제 에 부가되는 것은, 외과 의사들은 종종 날마다 몇몇 연속적인 중재술을 해야만 한다는 사실이며, 각각의 중재술은 예를 들어 30분 내지 몇 시간이 걸리기도 한다. 본래부터의 어려움에도 불구하고, 최소 침습 수술은 주민 평균 나이의 상승 및 의료 분야의 비용 압박으로 인하여 수년 안에 더 증가할 것으로 예상되는 경향이 있다.

예를 들어 복강경 검사에서, 외과 의사들은 분명하게도 개복술(laparotomy)만큼이나 움직임이 정교해야되는 것으로 요구받는다. 관절 민첩성을 가진 긴 골간 도구(long shaft instrument)를 조작하는 것은 도구 접근 포트(투관침(trocar))에서, 즉 환자 몸의 절개에서, 받침점(피봇 포인트)을 중심으로 4 자유도로 감소하였다. 무엇보다도 요구된 자세는 종종 지루하고 도구와 조직 사이의 이미 한계에 이른 상호작용 힘의 인지를 감소시키기 때문에 합병증이 일어난다. 그 결과, 외과 의사의 운동 신경 능력은 정상적으로 20-30분 후에는 쇠약해져서 무엇보다도 떨리고, 정확성이 떨어지고 촉감이 감퇴하여 환자에게 위험한 상황이 초래한다. 그러므로 최소 침습 로봇 수술(MIRS)과 같은, 새로운 컴퓨터 및/또는 로봇을 활용한 기술이 부상하고 있다. 이러한 기술들은 중개술의 효율성, 질 및 안전성을 향상을 목표로 하고 있다.

위와 같은 관점에서, MIRS는 지난 10년 동안 상당히 발전해왔다. 2개의 대표적인 상용 로봇 시스템은 캘리포니아주 서니베일 소재의 인튜이티브 서지컬(Intuitive Sugical)사에서 개발한 상표명 'DA VINCI'로 알려진 시스템이고, 이 시스템은 캘리포니아주, 골레타 소재의 컴퓨터 모션(Computer Motion)사에서 원래 개발한 'ZEUS'로 알려져 있다. 'DA VINCI'라는 이름으로 알려진 시스템은 무엇보다도 US 6,659,939; US 6,837,883 및 동일한 양수인의 다른 특허문헌에 Moll 등에 의해 개시되어 있다. 'ZEUS'라는 이름으로 알려진 시스템은 US, 6,102,850; US 5,762,458; US 5,515,478 및 캘리포니아주 골레타 소재의 컴퓨터 모션사에 양도된 다른 특허문헌에 Wang 등에 의해 개시되어 있다.

이러한 원격 조종 로봇 시스템은 일반적으로 2차원 또는 3차원 비주얼 피드백만을 사용하여, 수술실에서 직접 또는 원격의 위치에서 외과 중재술을 제어할 수 있게 한다. 어느 경우이든지, 외과 의사가 고된 자세를 취할 필요가 없다. 또한, 이러한 시스템들은 예를 들어 개복술에서와 같이, 외과 의사에게 개방된 조건에서 일할 느낌을 주고, 전술한 고된 자세를 취할 필요가 없다.

현재 이용 가능한 원격 조종 MIS 시스템은 통상적으로 외과 의사가 로봇(들)에 명령을 내리는 콘솔 상에 진정한 촉감력 피드백(이하 포스 피드백(force feedback)이라 함)을 제공하지 않는다. 그러므로 외과 의사는 기관 및 조직에 가해지는 힘의 진정한 햅틱 느낌(haptic feeling)을 잘 느끼지 못한다. 이러한 시스템에서는, 외과 의사는 비주얼 피드백과 자신의 경험에 의존해야만 하므로 환자내 환경(intra-patient environment)과의 도구의 상호작용이 제한된다. 이와 관련해서, 손으로 하는 MIS 수술에 능숙한 외과 의사가 할 수 있는 것을 컴퓨터가 할 수 있다는 개념에 기초하여 컴퓨터 활용 무센서 포스 피드백 시스템(computer assited sensorless force feedback system)에 관한 연구가 진행되어 왔다. 환언하면, 컴퓨터는 눈(vision)으로 관찰된 변형으로부터 힘을 추정할 수 있을 것이다. 이러한 시도의 일례를, "Force feedback using vision"; Kennddy, C. 및 Desai, J. P.; International Conference on Advanced Robotics; Coimbra, Portuga, 2003에서 볼 수 있다. 이러한 시스템들은 그렇지만 상업적 실용화 상태에는 도달하지 못하고 있다.

이해할 수 있는 바와 같이, 정확한 포스 피드백은, 수술 안전을 보장하고 머신을 활용한 최소 침습 시스템으로 수행되는 수술의 질을 향상시키기 위한 결정적인 특징인 것으로 상정된다. 그러므로 원격 조정 중재술에 있어서는 포스 피드백이 가장 중요한 것으로 여겨진다.

도구 팁 레벨에서, 힘 감지에 의해 예를 들어 기관 및 조직의 촉지(palpation)가 가능한데, 이것은 진단 과정에서나 동맥으로 중요 부위(critical areas)를 식별하는데 매우 바람직하다. 다른 가능성 있는 향상은, 봉합선에 대한 신장 장력(stretching tension)의 제한 및 중재술의 유형 및 특정한 단계에 따라 조직에 가해지는 힘의 제한으로 이루어진다. 실제로, 모션 스케일(motion scale)을 증가시키고, 조작기 모션을 중지시키거나 마스터 디바이스에 대한 포스 피드백을 증가시킴으로써 접촉력을 소정의 임계값 이하로 유지할 수 있다. 또한, 힘 감지는 외과 의사 보조사가 수술 현장에서 기관을 들고 있을 때 내시경 카메라의 시야에 있지 않은 도구를 사용하여 직관적으로 작업할 수 있게 한다.

접근 포트 레벨에서, 접근 포트의 절개에서 도구에 의해 가해지는 힘을 모니터하여 줄이기 위해서는 힘 감지가 이로울 것이다. 이러한 힘은 복부 압력의 저하, 투관침의 해제 및 상황을 호전시킬 필요성으로 인한 중재술 시간을 야기할 수 있는 절개 상실(incision wear)의 주요 원인이다. 이러한 해로운 힘은 도구 받침점(instrument fulcrum)(피봇 포인트)의 부정확한 위치가 원인인데, 시스템에 의해 결정되고 복부내 압력의 변동으로 의해 변한 바와 같이, 환자 절개와 관련해서 그러나 또한 그 위치선정의 부정확성으로 인한 (로봇) 조작기의 모션 드리프트에 의해서이다. 손으로 하는 중재술에서, 이러한 상실력(wearing forces)은 인간의 능력 때문에 덜 표명되어 절재에서 최적의 피봇 포인트와 관련해서 손의 움직임을 직관적으로 조정한다.

투관침 해제 문제를 극복하기 위해, 전술한 DA VINCI 시스템은 예를 들어, 도구 삽입/추출 슬라이드의 끝에 조작기 손목에 부착된 투관침을 사용한다. 이 솔루션은 절재 상실의 위험을 줄여주지 못하며 복부 압력의 저하를 향상시키지 못한다.

투관침 레벨에서의 후자의 문제를 해결하기 위해, 환자의 복부에 접하는 면 상의 로봇 조작기의 받침점 포인트를 자동으로 조절할 수 있는 포스-피드백 적응형 제어기가 개발되어 왔으며, 논문 "Achieving High Precision Laparoscopic Manipulation Through Adaptive Force Control"; Krupa, A. Morel, G. De Mathellin M.; Proceedings of the 2002 IEEE Intern. Conference on Robotics and Automation; Washington D.C. May 2002에 개시되어 있다. 이 방식에서, 로봇의 말단장치(end-effector) 상의 센서는 포스 제어기와 조합하여, 복벽과 함께 받침점을 형성하는, 투관침에 가해지는 측력(lateral force)을 제로(zero) 쪽으로 뚜렷하게 조절하는 데 사용된다. 이 방법 및 시스템은 투관침을 통해 가해지는 도구의 팁에 서의 힘을 결정하지는 못한다. 대신, 도구 팁에서의 상호작용 힘은 무시할 수 있는 것으로 가정한다. 그러므로 이 방법은 환자와의 어떤 다른 접촉점을 갖지 않는 내시경 조작기만으로 만족스럽게 사용될 수 있다.

논문 "Development of actuated and sensor integrated forceps for minimally invasive robotic surgery"; B.

, U. Seibold and G. Hirzinger; Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft

Computer- und Roboterassistierte Chirurgie(CURAC), October 2004에 다른 방법이 개시되어 있다. 이 논문은 최소 침습 도구의 팁에 설치된 소형 6DOF 포스/토크 센서를 개시하고 있다. 이 센서는 도구 팁에 의해 가해지는 힘과 이에 대응하는 포스 피드백을 정확하게 감지할 수 있다. 이 개념은 그렇지만 몇 가지 단점을 가지고 있는데, 그 중에서, 제조 및 설치 비용, 고압멸균(autoclave sterilization)에서의 견고성의 취약, 전력 도구와 결합될 때 EMI 차폐 발생이 있다. 이해되는 바와 같이, 이 방식을 사용할 때는 도구마다 전용의 센서가 제공되어야만 한다. 논문 "A miniature microsurgical instrument tip force sensor for enhanced force feedback during robot-assisted manipulation"; Berkelman, P. J., Whitcomb, L. L., Taylor, R. H., and Jensen, P.; IEEE Transactions on Robotics and Automation, October 2003에 유사한 방식이 개시되어 있다.

논문 "A New Robot for force Control in Minimally Invasive Surgery"; Zemiti N., Ortmaier T. et Morel G.; IEEE/RSJ International conference on Intelligent Robots and Systems, Japan, 2004에 도구마다 팁 탑재 센서를 필요로 하지 않는 다른 방법이 개시되어 있다. 이 논문에는 투관침에 설치된 센서와의 원격의 기관-도구 상호작용을 측정할 수 있는 로봇 및 포스 센서 배치에 대해 개시되어 있다. 이 방식에서, 도구 자체에 센서가 장착되어 있지 않으므로 소형화 및 멸균 제약을 낮추게 되지만, 그럼에도 이 솔루션은 멸균을 견뎌낼 수 있는 센서 기구를 가진 변형된 투관침을 필요로 한다. 특허출원 WO 2005/039835에 개시된 바와 같이, MIS를 위해 설계된 다른 방법에서는, 매사츄세츠 워번 소재의 SensAble Technologies사에서 개발한 2개의 PHANTOM? 햅틱 디바이스를 가진 매스터/슬레이브 아키텍처를 사용한다. 이 시스템은 슬레이브 서브시스템에 일체화되고, 효과기 서브어셈블리와 결합하여 도구용 조작기로서 기능하는 제1 PHANTOM 디바이스를 포함하며, 상기 효과기 서브어셈블리는 그래스퍼(grasper), 해부 기구(dissector), 가위(scissor) 등과 같은 최소 침습 도구의 규격품의 도구 팁을 제1 PHANTOM 디바이스에 유지하여 탑재하는 구성으로 되어 있다. 수술 시, 최소 침습 도구는 효과기 서브어셈블리에 장착된 제1 단부와 도구의 동작을 제한하는 외부 받침점을 넘어 위치하는 제2 단부를 가진다. 힘 벡터(f_x, f_y, f_z) 및 도구 팁의 단부에서의 모멘트(τ_z)의 측정을 제공하기 위해, 주문형 배치의 다양한 스트레인 게이지가 제공된다. 또한, 시스템은 하나의 슬레이브 서브시스템의 제1 PHANTOM 디바이스 및 매스터 서브시스템의 제2 PHANTOM 디바이스를 제어하고 보강하기 위한 응용 프로그램이 내장된 퍼스널 컴퓨터를 포함한다.

본 발명의 목적은 투관침 및/또는 도구 팁 장착 센서의 필요 없이 도구 팁에 가해지는 힘을 각각 저렴한 비용 및 효과적인 방식으로 추정할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

이 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 힘 추정의 방법, 최소 침습 의료 시스템, 특히 이 방법을 수행하도록 적합되어 있는 복강경 검사 시스템을 제안한다. 시스템은 6 자유도(6-DOF 또는 6-축) 힘/토크 센서를 갖는 효과기 유닛을 갖는 조작기, 예를 들어 로봇 조작기를 포함한다. 효과기 유닛은 자신에 장착된 최소 침습 도구를 유지하도록 구성되어 있다. 정상적인 사용에서, 상기 도구의 제1 단부는 상기 효과기 유닛에 장착되어 있으며, 상기 도구의 반대측의 제2 단부는 상기 도구의 동작을 제한하는 외부 받침점(피봇 포인트 운동 제약)을 넘어 위치한다. 일반적으로, 받침점은 환자의 몸 내의 절개, 예를 들어 복벽에 설치된 접근 포트(예를 들어, 투관침) 내에 위치한다. 본 발명에 따르면, 상기 방법은 이하의 단계를 포함한다:

상기 받침점과 관련하여 상기 도구의 위치를 결정하는 단계(본 문맥에서는 특히 도구의 삽입 깊이 또는 센서의 (기준 프레임)과 받침점 사이의 거리를 연속적으로 갱신하는 것을 의미함);

상기 6 DOF 힘/토크 센서를 이용하여 상기 도구의 상기 제1 단부에 의해 상기 효과기 유닛에 가해지는 힘 및 토크를 측정하는 단계; 및

중첩의 원리를 이용하여 상기 결정된 위치, 상기 측정된 힘 및 상기 측정된 토크에 기초하여 상기 도구의 상기 제2 단부에 가해지는 힘의 추정치를 계산하는 단계.

시스템은 6 DOF 힘/토크 센서에 의해 이루어지는 측정을 처리하고 전술한 바와 같은 힘 추정치를 계산하기 위해 도구 위치를 결정하도록 프로그램되어 있는, 표준 컴퓨터, 디지털 시그널 프로세서(DSP), 또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)와 같은 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스를 포함한다.

방법 및 시스템은 투관침과 같은 접근 포트를 통해 환자에 침습하는, 도구의 제2 단부, 즉 도구 팁에 의해 환자의 조직 또는 기관에 가해지는 힘을 추정할 수 있게 한다(본 문맥에서는 특히 미세한 부정확성에 의해 영향을 받을 수 있는 값(들)의 결정을 의미함). 진정으로, 후자의 힘은 방법에 의해 추정되는 반대의 힘(반응)(reactio)의 힘(actio)과 동등하다. 이해되는 바와 같이, 이 방법에 의하면, 6-DOF 힘/토크 센서를 포함하는 단일의 센서 유닛만을 필요로 하며 조작기 상에, 즉 환자의 외부에 장착되는 시스템 설계가 가능하다. 편리하게도, 센서 유닛은 효과기 유닛 상의 도구를 위한 연결 인터페이스와 효과기 유닛을 지지하는 조작기의 극단적인 링크/부재 사이의 힘 전송으로 장착된다. 환언하면, 도구의 제1 단부(=장착된 단부)에 의해 효과기 유닛에 가해지는 힘 및 토크를 감지하기 위해 6-DOF 힘/토크 센서가 배치된다.

그러므로 본 발명은 도구 팁에 가해지는 힘에 대한 정확한 힘 측정을 달성하기 위해 도구 팁 및/또는 투관침의 레벨에 감지 도구가 제공되어야만 한다는 잘 알려진 일반적 견해를 극복한다. 그러므로 소형화가 어렵고 멸균 제약을 겪어야 했던, 모든 도구의 팁뿐만 아니라 투관침에 제공되어야 하는 고가의 전용 감지 설비를 사용할 필요가 없다. 본 발명의 방법 및 시스템에 따르면, 후자의 제약을 극복하는 동시에, 도구 팁에서의 놀랍도록 정확한 접촉력 추정이 달성될 수 있다.

본 발명의 방법 및 시스템을 수동으로 동작되는 조작기와 연결하여, 또는 더 흔하게는, 로봇 조작기와 연결하여 사용할 수 있음은 물론이다. 방법/시스템은 무엇보다도 최소 침습 로봇 수술 및 진단 시스템과 같은 원격 조정의 의료 시스템에서 포스-피드백 및 자동화된 안전 특성의 구현을 촉진할 수 있다. 예를 들어, 외과 의사용 조작 콘솔의 힘-반사(햅틱) 매스터 아암 상의 촉각 감지뿐만 아니라 도구 팁에 의해 환자의 기관(들) 및 조직(들)에 가해지는 최대의 힘을 제한하기 위한 자동화된 과정을 본 발명의 방법/시스템으로 얻어지는 정보를 이용하여 구현할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 방법은 받침점과 관련해서 도구의 초기 기준 위치를 결정하는 단계를 포함한다. 이 실시예에서, 상기 받침점과 관련해서 상기 도구의 위치를 결정하는 단계는 상기 결정된 초기 기준 위치 및 조작기 모션 정보를 사용하는 연속적인 갱신에 기초한다. 이 유효한 과정은 로봇 조작기의 순기구학(direct kinematics)에 의해 좌표 정보와 같은 공지의 정보의 이점을 취한다.

바람직하게, 방법은 결정된 위치, 측정된 힘 및 측정된 토크에 기초하여, 상기 중첩의 원리를 이용하여 도구의 받침점에서, 예를 들어 투관침에 가해지는 힘의 추정치를 계산하는 단계를 더 포함한다. 받침점에서 가해지는 힘이 반응(reactio)인(부호가 반대인), 절개 레벨에서의 환자의 조직에 가해지는 힘에 대한 지식에 의해, 무엇보다도, 예를 들어 절개 레벨에서 환자의 조직에 가해지는 압박 및 부하를 감소시키기 위해 로봇 제어기에 의해 사용되는, 받침점 좌표의 자동화된 (재)조정이 가능하다. 또한, 접근 포트 레벨에서 가해지는 최대의 힘을 감소시키기 위해 자동화된 과정이 구현될 수 있다.

바람직하게, 효과기 유닛은 6-DOF 가속도계를 더 구비한다. 이 경우, 방법은 바람직하게,

- 상기 6-DOF 가속도계를 이용하여 상기 6-DOF 힘/토크 센서에 가해지는 중력 하중 및/또는 동적 하중을 측정하는 단계; 및

- 상기 측정된 힘 및 상기 측정된 토크에서 상기 중력 하중 및/또는 동적 하중을 보상하는 단계

를 더 포함한다.

이러한 보상에 의하면, 도구 팁에서 및/또는 받침점 레벨에서 원하는 힘 추정치(들)의 정확성을 향상시킬 수 있다.

이롭게도, 방법은 교정 과정을 더 포함하며,

상기 교정 과정은 이하의 부가적인 단계를 더 포함한다:

상기 조작기의 작업공간에 걸쳐 분포된 일련의 자세를 통해 상기 효과기 유닛을 통과시키는 단계;

각각의 자세에 측정된 힘 및 측정된 토크를 기록하는 단계; 및

상기 기록된 힘 측정치 및 토크 측정치에 기초하여 힘 측정 오프셋 및 토크 측정 오프셋을 결정하는 단계.

추가의 바람직한 실시예에서, 6-DOF 가속도계가 제공되는 경우, 교정 과정은,

각각의 자세에 측정된 선형 가속도 및 측정된 각도 가속도를 기록하는 단계; 및

상기 기록된 선형 가속도 측정치 및 각도 가속도 측정치에 기초하여 선형 가속도 측정치 오프셋 및 각도 가속도 측정치 오프셋을 결정하는 단계

를 더 포함한다.

교정 과정에 의하면 센서들에 의해 제공되는 측정 신호에서의 (전기적) 오프셋 및 추가의 유용한 시스템 파라미터를 결정할 수 있으며, 이에 대한 지식으로 원하는 힘 추정치(들)의 정확성을 더욱 향상시킬 수 있다.

측정 신호 노이즈를 감소시키기 위해, 방법은 이롭게도 상기 추정된 힘을 계산하기 전에 상기 6-DOF 힘/토크 센서에 의해 측정된 힘 및 토크 데이터에 (예를 들어 비선형 확장 칼만 공식과 반대의 기본적인 사항에 따라) 선형 칼만 필터를 적용하는 단계 및 상기 추정된 힘(들)이 계산된 후에, 상기 계산된 힘 추정치에 선형 칼만 필터를 적용하는 단계를 더 포함한다. 많은 이용 가능한 필터 형태 중에서, 측정된 성분에서 신호 노이즈를 제거하는데 있어서 기본적인 선형 칼만 필터가 간단하고 신뢰성 있는 고속 필터인 것으로 알려져 있다.

가속도계가 제공되는 경우, 방법은 바람직하게,

- 상기 6-DOF 힘/토크 센서에 의해 측정된 힘 및 토크 데이터에 대해 그리고 상기 6-DOF 가속도계에 의해 측정된 선형 및 각도 가속도 데이터에 대해 1차 선형 칼만 필터를 적용하는 단계;

- 상기 1차 선형 칼만 필터의 적용 후 중력 하중 및 동적 하중으로 인한 교란을 보상하는 단계; 및

- 상기 보상된 힘 및 토크 데이터에 2차 선형 칼만 필터를 적용하는 단계

를 포함할 수 있다.

모든 칼만 필터는 각각의 힘/토크 및 가속도 성분에 있어서 필터 고유의 응답-지연을 동일하게 발생해야만 한다. (가속도 신호가 힘/토크 측정치보다 노이즈가 더 심하여) 보상 후에도 힘 성분 추정치에 과도한 노이즈가 있는 경우에는, 교란 보상 후 2차 필터가 양호하다.

1차 필터는 보상 동안 노이즈-유도의 왜곡(falsification)을 감소시키는 반면, 2차 필터에 의해서는 보상 결과의 평활화가 가능하다.

바람직하게, 상기 칼만 필터, 각각의 상기 1차 칼만 필터 및/또는 상기 2차 칼만 필터는 직렬이며, 프로세스 노이즈 공분산 파라미터가 높은 값에, 바람직하게는 0.1 내지 1의 범위에 설정되어 있는 제1 선형 칼만 필터 스테이지, 및 프로세스 노이즈 공분산 파라미터가 낮은 값에, 바람직하게는 0.001 내지 0.1의 범위에 설정되어 있는 제2 선형 칼만 필터 스테이지를 가진다. 주어진 측정 노이즈 공분산에서, 직렬의 필터 구성에 의하면, 주어진 노이즈 감소 용량에 있어서, 단일의 스테이지 필터와 비교해 볼 때 전체적인 응답-지연이 더 낮을 수 있다.

이해되는 바와 같이, 시스템은 센서 없는 최소 침습 도구와 함께 사용되는데 적합되어 있다. 바람직하게는 자기-기반의 에어 밸브를 가지는 그리고 특별하게는 플라스틱 캡을 갖지 않는, 센서 없는 투관침을 더 이롭게 포함한다. 또한 시스템은 가스 탭을 갖지 않는 투관침을 이롭게 포함하고 이 투관침은 플라스틱 재료를 주재료로 해서 바람직하게 만들어져서 중량을 줄일 수 있다.

시스템은 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스에 의해 저장되는 소프트웨어 프로그램을 포함할 수 있으며, 상기 소프트웨어 프로그램은, 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스에서 운용될 때 상기 방법의 전술한 실시예들 중 임의의 실시예의 모든 단계를 수행하기 위한 프로그램 코드를 포함한다. 본 발명은 또한, 상기 프로그램 코드가 상기 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스에서 운용되거나 로드되어 있을 때, 상기 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스로 하여금 상기 방법의 전술한 실시예들 중 임의의 실시예의 모든 단계를 수행하게 하는, 머신-판독 가능 저장 매체 상에 저장되어 있는 프로그램 코드를 포함하는 소프트웨어 프로그램 제품에 관한 것이다.

원칙적으로 출원된 바와 같은 본 특허출원이 본 명세서에 첨부된 청구의 범위에 정의된 바와 같은 발명에 관한 것이지만, 본 특허출원이 다른 발명의 정의에 대한 지지를 포함하며, 이것은 예를 들어 본 출원의 보정된 청구의 범위의 요지와 같이 또는 분할 및/또는 연속 출원에서의 청구의 범위의 요지와 같이 청구될 수 있다는 것을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 요지는 여기에 개시된 임의의 특징이나 특징들의 조합에 의해 정의될 수 있다.

본 발명의 다른 상세한 설명 및 이점은 첨부된 도면을 참조하되 제한하려는 의도가 아닌, 이하의 상세한 설명으로부터 분명하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 최소 침습 의료 시스템용 로봇 조작 기의 사시도이다.

도 2는 받침점 힘 및 팁 힘을 나타내기 위해, 최소 침습 도구의 팁이 환자에 삽입되고, 최소 침습 도구의 반대 단부가 도 1의 로봇 조작기의 효과기 유닛에 장착되어 있는, 최소 침습 도구의 부분 사시도이다.

도 3은 도 2의 효과기 유닛에 제공된 힘/토크 및 가속 센서의 기준 좌표계를 설명하는, 효과기 유닛의 확대 사시도이다.

도 4는 직렬연결된 선형 칼만 필터의 개략 블록도이다.

도 5는 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 소프트웨어 아키텍처의 개략 블록도이다.

도 6은 도 5의 아키텍처의 주작업(main task)(FSS 작업)의 상태 변환도이다.

도 7은 도 6의 APPLICATION_LOADS_EVALUATION 상태 동안 주기적으로 수행되는 프로그램 단계의 시퀀스에 대한 흐름도이다.

도 8은 도 6의 APPLICATION_LOADS_EVALUATION 상태 동안 주기적으로 수행되는 프로그램 단계의 다른 시퀀스에 대한 흐름도이다.

시스템 구성요소 및 기계적 구성

도 1은 본 발명에 따른 최소 침습 의료 시스템의 주요 기계적 구성요소를 도시하고 있다. 시스템은 일반적으로 도면부호 10으로 표시된 로봇 조작기를 포함한다. 로봇 조작기(10)의 플랜지에는 효과기 유닛(12)이 연결되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 효과기 유닛에는 제1 단부(16)와 함께 최소 침습 도구(14)가 장착 되어 있다. 도구(14)는 팁(20)을 가지는 긴 샤프트(18)를 포함하며, 상기 팁(20)은 도구(14)의 제2 단부를 형성한다. 이 팁(20)에서, 도구(14)는 정상적으로 특정한 툴, 예를 들어 그래스퍼, 가위, 후크, 응고제(coagulator) 등을 포함한다. 로봇 조작기(10) 자체는 효과기 유닛(12)을 위치시키고 지향시키기 위한 PRP-RRR 조인트 배치에 의해 6 자유도(DOF)를 제공하며, 효과기 유닛(12)은 도구(14)의 세로 샤프트 축과 일치하는 로봇 조작기(10)의 6번째 DOF를 중심으로 최소 침습 도구(14)를 회전시키기 위한 선두 회전(R) 조인트에 장착되어 있다. 이해되는 바와 같이, 로봇 조작기(10)는 효과기 유닛(12)의 움직임에 의해 외과 의사의 손의 움직임을 그대로 따라할 수 있는 6축 위치선정 및 지향 디바이스를 제공한다.

도 2는 최소 침습 의료 과정을 수행하기 위한 수술 위치에서 로봇 조작기(10)의 효과기 유닛(12)에 장착되어 있는 도구(14)를 도시하고 있다. 도 2에 점선으로 도시되어 있는 바와 같이, 도구(12)의 샤프트(18)는 환자의 몸에, 예를 들어 환자의 복부에 일부분이 삽입된다. 도구는 이하 투관침(22)이라 칭할 접근 포트를 통해 슬라이딩하면서 관통한다. 도구(14)의 제1 단부, 즉, 팁(20)은 환자의 복벽에서의 절개에 삽입되어 거기에 고정된 투관침(22)에 의해 형성된, 도면부호 23에서 십자 형상의 파선으로 표시된 받침점(피봇 포인트라고도 함)을 넘어 위치한다.

정상적인 사용에서, 받침점은 3개의 축(예를 들어, 2개의 직교 피봇 방향 및 도구를 중심으로 하는 하나의 방향, 즉, 이하에 정의된 SRF에서의 Z축)을 중심으로 회전 가능하되 (예를 들어 이하에 정의된 SRF에서의 받침점 22-Z의) 관통축만을 따 라 도구(14)의 변환이 가능한 운동학적 제약이다. 받침점은 접근 포트에 의해, 예를 들어 투관침(22)에 의해 및/또는 절개가 제공되는 환자의 조직, 예를 들어 환자의 복벽에 의해 정의된다.

도 2는 개략적으로 2개의 힘

및

을 표시하고 있다.

은 도구 팁(20)에 가해지는 힘이며 따라서 도구 팁(20)이 환자의 내부 기관 또는 조직에 가하는 (반대의) 힘(actio)에 대응하는 반응(reactio)을 나타낸다.

은 투관침(22)에 가해지는 힘이며 따라서 도구 샤프트(18)에 의해 가해지는 하중(load)을 겪게 되는 투관침(2)이 환자의 복벽에 가하는 (반대의) 힘(actio)에 대응하는 반응(reactio)을 나타낸다. 두 힘

및

을 결정하기 위해 제안된 방법에 대해서는 후술될 것이다.

도면에 도시되지는 않았지만, 시스템은 즉, 하드웨어, 예를 들어 하나 이상의 로봇 조작기(10)를 동작시키기 위한 소프트웨어로 프로그램되어 있는 메인 컴퓨터의 형태로 된 조작기 제어기를 더 포함한다. 또한, 오퍼레이터, 즉 외과 의사는 힘 반사 매스터 아암(force reflection master arm)으로 원격-조정을 위한 커맨드 콘솔, 즉, 포스-피드백을 위한 햅틱 인터페이스를 사용하여, 조작기 제어기를 통해 로봇 조작기(10)에 명령한다. 이해되는 바와 같이,

의 추정치는 포스-피드백을 위한 햅틱 인터페이스 및 안전 기능을 위한 모션 제어기에 제공될 것이다. 모션 제어기는 또한 안전 기능을 위해 그리고 받침점(23)의 제안된 좌표를 재조정하 기 위해

의 힘을 사용한다.

도 3은 기계적으로 단단하게 도구(14)(도 3에 도시되지 않음)의 제1 단부(16)를 지지하도록 배치되어 있는 효과기 유닛(12)의 확대도를 도시하고 있으며 특정한 유형의 도구를 활성화시키기 위한 액추에이팅 수단 및 도구(14)를 시스템에 전기적으로 연결하기 위한 신호 및 전력 연결 수단을 더 구비한다. 효과기 유닛(12)은 상기 액추에이팅 수단 및 상기 연결 수단뿐만 아니라 도구(14)(도시되지 않음)의 제1 단부(16)에서의 어댑터가 단단하게 연결될 수 있는 소켓(26)을 포함하는 단단한 주요 몸체(24)를 포함한다. 그 이면의 단부에서, 주요 몸체(24)는 12-DOF(즉, 12축) 힘/토크의 감지판 및 가속 센서(30)에 단단하게 고정되어 있는 연결 플랜지(28)를 포함하며, 상기 가속 센서(30)를 이하에서는 F/TAS(30)로 칭한다. F/TAS(30)는, 3개의 직교 축 상에서의 힘 및 토크를 감지하기 위한, 이하에서 F/T 센서라 칭할, 6-DOF 힘/토크 센서, 및 3개의 직교 축을 중심으로 선형 가속 및 각도 가속을 감지하기 위한 내장형 6-DOF 가속도계를 포함하는 단일의 센서 유닛으로 구성될 수 있다. 대안적으로, 적절하게 관련된 별도의 6-DOF 가속도계를 가지는 6-DOF 힘/토크 센서도 사용될 수 있다. F/FAS(30)는 도 1에 도시된 바와 같이, 로봇 조작기(10)에 차례로 단단하게 고정되어 있다. 서술된 F/TAS(30) 대신에, 6-DOF F/T 센서만을 포함하는 센서 유닛(가속도계가 아님)이 사용될 수 있다. 후자의 경우, 가속 성분은 관절 위치를 사용하여 직접적인 운동 계산에 의해 얻어진 단부-효과기(예를 들어, 효과기 유닛(12))의 위치 좌표에 대한 2차 도함수를 사용하 여 결정될 수 있다. 이하에 서술되는 바와 같은 동적 하중의 계산은 그러므로 가속도계 없이 달성될 수 있다. 중력의 효과도 또한 가속도계 없이 계산될 수 있다는 것에 주목해야 하는데, 왜냐하면, 중력 벡터는 알려져 있고 F/T 센서에 부착된 페이로드(payload)의 중력의 방향 및 중심은 결정될 수 있기 때문이다.

도 3은 3개의 직교 축 X, Y, Z을 가지는, F/TAS(30)의 직각 기준 좌표계를 도시하고 있으며, 이하 SRF(센서 기준 프레임)이라 칭한다. 이해되는 바와 같이, SRF에서, F/TAS(30)에서 F/T 센서의 6 DOF는 X, Y, Z 힘 성분 각각에 대한 3 DOF 및 X, Y, Z 축 각각을 중심으로 하는 모멘트(토크 값)에 대한 3 DOF에 대응한다. 별도의 6-DOF 가속도계가 F/TAS(30)을 제공하기 위한 6-DOF F/T 센서에 부착되어 있는 경우, 가속도계의 기준 좌표계는 F/T 센서의 기준 좌표계와 바람직하게 일치한다. 그렇지 않으면, 이러한 2개의 직각 좌표들 사이의 추가의 변환은 이하에 설명되는 계산에서 추가될 것이다. 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에서, 12축 F/TAS(30)는 내장형 6-DOF 가속도계를 포함한다. 가속도계의 6 DOF는 도 3에 도시된 SRF에서, X, Y, Z 축을 따르는 선형 가속도 성분 및 상기 X, Y, Z 축 각각을 중심으로 하는 각도 가속 성분에 대응한다.

이해되는 바와 같이, 효과기 유닛(12)은 F/TAS(30)의 감지판에 단단히 고정되어 있고 장착된 도구(14)(도 2 참조)의 세로(샤프트) 축이 F/TAS(30)의 SRF의 하나의 축, 바람직하게는 도 3에서 보이는 바와 같이 Z 축과 동일 선상에 있다. 그렇지 않으면, 추가의 변형이 이하에 설명되는 계산에서 추가될 것이다.

주요 교란 소스 및 그것의 분석

이 장에서는 도구 팁(20)에서의 원하는 힘의 추정치에 영향을 주는 주요 교란 소스에 대해 논의할 것이며, 시스템은 도 1 내지 도 3에 제시되어 있다.

센서 오프셋, 전기 노이즈 및 온도 드리프트와 같은 내재적 F/T 센서 교란 외에, 본 시스템과 함께 다른 공지의 힘 감지 시스템과는 반대인(예를 들어, 도구 팁에 장착된 F/T 센서를 사용하여), 일련의 추가의 교란 및 마스킹 요인을 고려해야 한다. 측정된 힘 및 모멘트 정보와 관련해서는 주로 이하가 같이 있다:

- F/T 센서에 가해지는 정적 및 동적 하중: 중력으로 인한 정적 하중(조작기 장착 F/T(30)에 부착된 질량의 중량), F/T 센서에 부착된 페이로드의 속도 및 가속도로 인한 동적 하중;

- 최소 침습 의료 과정과 관련된 교란 소스: 투관침 가스 탭 및 에어 밸브로 인한 관통 및 추출 방향에서의 투관침 마찰력, 투관침 가스 탭으로 인한 피봇에 대한 저항, 복부 흡입 압력의 변동으로 인한 받침점(23)(피봇 포인트)의 변형, 받침점(23)의 부정확한 정의, 움직이는 동안의 조작기(10)의 부정확성으로 인한 받침점(23)의 변형.

투관침 마찰에 의해 생기는 교란력(distrubing force): 투관침(22)은 관통/추출 축을 따라 마찰을 생성한다. 마찰 크기는, 플라스틱 캡 상실, 도구 샤프트(18)의 재료 및 관주 수분(irrigation water) 및 복강내 점성액에 의한 그 내부 윤활(internal lubrication)에 대하여, 투관침(22)에서 사용된 에어-밸브의 유형(예를 들어, 자기 유형, 스프링-기반 유형 또는 플라스틱 멤브레인 유형)에 좌우된다. 실험실 실험에 따르면, 자기 및 스프링-기반의 에어-밸브에 의해 생긴 마찰은 0.5N - 0.9N의 범위에서 쿨롱 마찰에 의해 근사될 수 있으며 윤활 조건에 의존하지 않는다. 실제로, 스프링-기반의 에어-밸브 마찰은 그 상실에 약간 의존하며, 약 0.3N만큼 자기 에어-밸브 마찰보다 더 높다. 플라스틱 멤브레인 에어-밸브 및 플라스틱 캡은 쿨롱 마찰을 일으키지만 도구 방향을 반대로 할 때는 임펄스형 반응력도 일으킨다. 이 반응 성분은 모션 방향과는 반대이며 주로 플라스틱 칼라 리버설(plastic collar reversal)에 의해 야기된다. 멤브레인 및 캡 마찰은 멤브레인 절단 기하학적 구조 및 재료의 유형에 따라 다르지만, 도구의 움직임을 통한 중재술 시간과 함께 증가하는 투관침(22)의 윤활에 의해 감쇠된다. 표준 투관침을 사용하는 건조한 실험실 실험에서는, 플라스틱 캡이 1N - 1.5N 범위의 쿨롱 마찰을 일으키고, 플라스틱 멤브레인 에어-밸브는 6N - 10N 범위의 쿨롱 마찰을 제공한다. 또한, 마찰 크기는 관통 및 추출 방향과 관련해서 비대칭인 것으로 알려져 있다. 플라스틱 멤브레인 밸브에 있어서, 관통 방향으로 더 작은 마찰 크기가 관찰되었다. 그러므로 투관침(22)에서의 관통 및 추출 마찰을 가능한 많이 줄이기 위해서는, 가능한 플라스틱 캡이 없는 자기-기반의 에어-밸브가 바람직하다.

투관침 가스 탭에 의해 생기는 교란력: 몇몇 유형의 투관침은 흡입 가스용 캡을 갖는다. 탭 및 연결된 가스관은 투관침(22)을 피봇팅할 때 장애물의 역할을 하고, 그 결과 피봇 방향과는 반대의 교란 저항력이 생긴다. 이 힘의 크기는 복벽의 탄성계수(stiffness)에 의존하며 실험실 실험에 따르면 일반적으로 2N과 5N 사이이다. 그러므로 가스 탭을 구비한 투관침의 사용은 본 시스템에서는 회피해야만 한다.

투관침 용량에 의해 생기는 교란력: 다용도의 투관침은 일반적으로 30g 내지 80g의 경량이고, 가능한 스테인리스 강철로 만들지만 일부는 플라스틱으로 되어 있다. 가스 탭을 구비한 투관침은 원통형 리저버를 가지며 100g 내지 180g의 중량이다. 투관침 무게는 중력 벡터와 관련해서 투관침(22)의 방향에 따라, SRF에서 교차하는 X 및 Y 축을 따라 교란력으로서 인지될 수 있다. 그러므로 플라스틱 부분을 가진 경량의 투관침이 제안된 시스템에서 바람직하다.

낮은 복강내 압력에 의해 생기는 교란력: 정상적인 복강경 검사 조건에서, 낮은 복강내 압력의 경우, 투관침 마찰 크기는 복벽에 의해 제공되는 저항보다 높을 수 있다. 이 경우, 도구 관통 또는 추출은 투관침(22)을 복벽 신장이 투관침 마찰을 극복하는 지점에 대해 안쪽 또는 바깥으로 이동시킬 수 있다. 부정적인 악영향은 먼저, 받침점(23)의 위치가 복벽과 관련해서 변한다는 것이고, 이에 의해 피봇팅 동안의 교란 하중이 도구와 복벽과의 상호작용으로 인해 증가한다는 것이며, 두 번째로, 스프링형 하중(투과침 마찰과 동등한 최대값을 가짐)이 도구의 모션과 반대의 방향으로 가해진다는 것이다. 이러한 교란력을 회피하기 위해서는, 복강내 압력을 계속해서 모니터해서 유지하는 것이 바람직하다. 감압(depressurization)의 경우에는, 조작기 제어기에서의 받침점 위치를 조정하는 것과 같이, 적절한 행동을 취하기 위해 경고가 발동된다.

받침점 위치의 결정의 부정확성으로 인한 교란력: 손으로 하는 복강경 검사 외과 수술에서, 외과 의사는 자연스럽게 도구를 미러 틸팅 저항 포인트와 관련해서 이동시키며, 이 포인트는 투관침(22)의 내부에서, 복벽의 가장 강한 층의 높이를 중심으로 해서 위치하는 이상적인 받침점(23)(피봇 포인트)이다. 받침점(23)과 관련해서 어떤 특정적으로 설계된 기계적 컴플라이언스(compliance) 없이, 도구(14)를 다루기 위한 로봇 조작기(10)를 사용할 때, 받침점 위치는 적절한 과정에 의해 결정되어야 하고 조작기 제어기에 의해 조정되어야 한다. 받침점 위치가 부정확하게 형성되면, 도구(14)의 피봇팅은 도구 팁(20) 및/또는 받침점(23)에서의 원하는 힘/토크 값을 마스킹할 수 있는 복벽과의 상호작용력을 발생한다. 이러한 마스킹 힘은 받침점 위치 부정확성의 크기에 따라 증가한다. 또한, 이러한 부정확성은 절개의 상실을 생기게 하고, 이것은 투관침(22)의 해제를 야기할 수 있고, 차례로 복부 압력의 저하를 일으키며 이에 의해 필요한 상황의 회복으로 인해 불필요하게 중재술 시간을 증가시킨다.

받침점(23)의 위치의 정의 정확성(definition accuracy)은 그 위치를 식별하는데 사용되는 과정에 의존할 뿐만 아니라 로봇 조작기(10)의 정적 정확성 및 동적 정확성에도 의존한다. 본 발명의 출원에서는, 절개 치수 및 복벽의 탄력을 고려하여 전체 받침점과 조작기 정확성의 +/-2.5㎜ 추정치를 수용할 만하다. 실험적 설정에 따르면, 받침점(23)에 관한 정의 부정확성은 투관침(22)의 레벨에서 2N-10N의 교란을 일으킬 수 있다.

그 결과, 투관침(22)의 유형의 적절한 선택은 가스 탭 교란을 회피할 수 있게 하고 0.6N인 통상적인 인간의 손 감도의 레벨까지 도구 샤프트(18)의 축을 따라 마찰 및 중량 교란을 감소시킨다. 초기의 받침점 정의에서의 압력과 관련해서 복강내 압력을 실시간 모니터함으로써, 흡입 조건의 변화로 인한 진정한 받침점 위치 의 변동을 검출할 수 있다. 그렇지만, 접근 포트 레벨(즉, 받침점(23) 또는 피봇 포인트)에서의 교란력은, 받침점(23)의 부정확한 정의 및 조작기(10)의 모션 부정확성으로 인해, 이하에 설명되는 제안된 방법을 통해 실시간으로 확인될 수 있다.

제안된 방법 및 시스템은 당면한 교란 문제를 극복할 수 있으며, 이에 의해 정확한 포스 피드백으로 그리고 일련의 다른 이로운 안전과 관련된 기능들을 원격 조종할 수 있으며, 이러한 기능들은 조작기(10)에 장착된 센서 배치로부터, 예를 들어 환자 외부에서 독점적으로 얻는다. 도구(14) 상에서도 또한 투관침(22)에서도 추가의 센서가 필요 없다.

도구 팁 및 받침점 레벨에서의 힘의 계산

제안된 방법에 따르면 도구 팁(20)에서의 힘

및 받침점(23)에서의 힘

의 정확한 추정치를 제공할 수 있다.

이 방법의 골자는 이해되는 바와 같이

및

의 각각의 적용 지점과 관련해서 원격 지점에 위치하는 F/TAS(30)에 의해 측정된 힘과 토크 성분을 사용하여, 힘

및

를 계산하는 것이다. 이 계산은 또한 투관침(22)과 관련하여 도구(14)의 결정된 위치, 예를 들어 받침점(23)과 도 3에 도시된 F/TAS(30)의 SRF의 원점 사이의 거리를 사용한다. 이 계산은 다음과 같은 몇 가지 가정과 필요 조건에 근거한다:

A. F/TAS(30)의 6-DOF F/T 센서는 F/TAS(30)에 부착된 부하에 의해 생기는 도 3에 도시된 오른쪽 직각 좌표(SRF)에서 3 성분의 힘(Fx, Fy, Fz) 및 3 성분의 모멘트(Mx, My, Mz)를 측정한다.

B. 도구(14)는 도구 메커니즘뿐만 아니라 추가의 다른 서브시스템(즉, 효과기 유닛(12))을 위한 하나 이상의 액추에이터를 포함하는, 지지부를 통해 F/T 센서에 부착된다.

C. 설명을 쉽게 하기 위해, 6-DOF F/T 센서의 유효 기준 프레임과 F/TAS(30)의 6-DOF 가속도계의 유효 기준 프레임은 도 3에 도시된 SRF와 일치하는 것으로 가정하며, 이 좌표에서, Z축은 장착된 도구(14)의 세로축과 동일 선상에 있고 도구 팁(20) 쪽으로 가리키며, Y축은 본체(24)의 상부 표면과 평행하며, 원점은 F/TAS(30)의 감지판에 위치한다. F/T 센서에 의해 측정된 힘 및 토크가 다른 좌표와 관련해서 표시되는 경우, SRF와 관련해서 그 측정된 힘 및 모멘트 값들을 표시하기 위해 변환이 적용될 수 있다.

D. 이하의 식에서 사용되는 힘 및 토크 성분의 값들은 원래 필터링되지 않은 6-DOF F/T 센서 측정에서 얻어지는데, 전기적 오프셋, 중력 및 가속도 하중들의 보상 및 후술하는 바와 같은 측정 노이즈를 감소시키기 위한 특정한 필터링 프로세스에 대한 상기 센서 측정을 행한 후에 얻어진다.

E. 도 2에 도시된 바와 같이 단지 2개의 외부 접촉력이 도구(14)에 인가되는데, 즉, 복벽에 접하는 것으로 가정한, 받침점에서의 반응력 (

), 및 임의의 방향 및 감지를 가질 수 있는 도구 팁(20) 상의 접촉력(

)이 인가된다.

F.

으로 표시된 SRF에서 표시된 받침점 반응은 널(null) Z 성분을 가지며, 받침점(23)에 인가되는 외부 모멘트가 없다.

G. 도구 팁(20)에 인가되는 외력(external force)은 SRF에서 표시되며

로 표시된다.

는 도구 팁과 접촉하는 조직/기관에 가해지는 반대력과 같다(actio+reactio=0). 도구 팁(20)에 인가되는 외부 모멘트는 존재하지 않는다.

H. SRF의 원점으로부터 받침점(20)으로의 거리 벡터

는 알려져 있으며 Z축만을 따르는 성분을 갖는다. 도구(14)의 샤프트(18)가 구부려지고 그에 따라 Z축을 따르는 거리가 약간 부정확한 경우, 실제로 수 밀리미터의 X 성분 및 Y 성분이 있을 수 있다. 이 거리 벡터

는 결정될 수 있는데, 즉, 이하에 강조되는 과정을 사용하여 초기 기준으로부터 연속적으로 갱신된다.

I. SRF의 원점으로부터 도구 팁(20)으로의 거리 벡터

는 알려져 있고 Z축을 따라 정렬되어 있다.

이상의 가정을 고려하여, 그에 따른 SRF에서의 토크 및 모멘트는 각각

및 로 표시되며, 이하의 식들에 의해 힘 및 모멘트에 인가되는 중첩의 원리를 이용하여 계산될 수 있다.

여기서

는 SRF의 원점으로부터 도구 팁(20)으로의 벡터를 나타내며, SRF의 Z축과 동일 선상에 있다.

도구 팁(20)에서의 접촉력 성분은 식(10)에서

을 대체함으로써 결정되며, 그 결과는 다음과 같다:

마찬가지로, 받침점(23)에서의 힘 성분은 다음과 같다:

이해되는 바와 같이, 도구 팁(20) 및 받침점(23) 각각에 인가되는 접촉력

및

은 무엇보다도 안전성 및 로봇 보조 최소 침습 의료 과정의 질을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 로봇 조작기(10)가 움직이는 것과 관련해서 받침점(23)의 가정된 위치는, 과정 동안 실시간으로,

을 이용하여 최소 저항의 포인트 쪽으로 로봇 제어 소프트웨어에 의해 계속해서 조정될 수 있다. 또한, 도 구 팁(20)에서의 접촉력은 촉각을 감지할 수 있도록 외과 의사가 (슬레이브) 로봇 조작기(10)에 명령을 내리는 (매스터) 아암에 의해 반영될 수 있다.

받침점과 관련하여 도구 위치를 결정하기

받침점과 관련된 도구의 초기 기준 위치, 예를 들어 거리

는 주어진 도구(14)가 최초로 투관침(22)에 삽입될 때, 이하에 설정된 과정을 통해 결정될 수 있다. 초기 기준 거리

를 이용하여, 명령이 내려진 관통/추출을 이용하여

은 계속해서 연속적으로 갱신되는데, 이것은 조작기의 모션의 함수이며, 이것은 또한 조작기 제어기로부터 알려져 있다.

초기 받침점 위치(기준 거리

)를 결정하기 위한 과정의 일례는, 받침점(23)이 지엽적인 힘 저항의 포인트에 기초하고, 효과기 유닛(12) 상의 F/T 센서를 이용하여 찾아낼 수 있다. 이 과정에 있어서, SFR의 X축 및 Y축은 F/T 센서의 감지판의 전면에 놓여 있는 반면 Z 성분은 도구 샤프트(18)와 동일 선상에 있다. 이 과정은 다음과 같이 설명될 수 있다:

단계 1 - 도구 팁(20)이 내시경 모니터 상에 보여질 때까지(즉, 투관침 슬리브가 빠져 나올 때까지) 조작기(10)에 부착되어 있는 도구(14)의 투관침(22)으로의 삽입.

단계 2 - 반응력이 예를 들어 0.3N의 주어진 임계값보다 낮을 때까지 도구(14)를 X축 및 Y축을 따라 슬라이딩시킴으로써, SRF의 X축 및 Y축을 따라 가장 낮은 반응력이 제공되는 도구(14)의 위치의 결정. 일단 적절한 포인트가 알려지 면, 받침점(23)이 도구 축을 따라, 즉 Z축을 따라 소정의 포인트에 위치하는 것을 가정할 수 있다.

단계 3 - 힘이 인가되는 거리가 힘 벡터의 모듈에 의해 나뉘어진 모멘트 벡터의 모듈과 동일한 경우에, 지레 원리를 이용하여 (Z축에 대응하는) 도구 축 상의 받침점(23)(Z축 좌표)의 위치의 결정.

단계 2 이후, 도구 위치는 니어-제로(near-zero) 접촉력(

)에 대응하고, 도구(14)는 충분한 접촉력(약 3N)이 도달될 때까지 그 팁(20)과 관련해서 피봇된다. 이 포인트에서 지레 원리에 따라 거리가 계산된다. 이어서, 동일한 접촉력 값이 측정될 때까지 반대의 방향으로 도구가 피봇되고 다시 거리가 계산된다. 그 후, 도구(14)는 단계 2에서 결정된 그 초기 위치로 피봇된다. 받침점(23)과 (Z축을 따르는) 센서 상의 SFR의 원점 사이의 기준 거리(

)가 마지막 2개의 측정치의 평균값에 설정된다.

세계 기준 프레임의 위치와 방향 및 초기 기준 거리

둘 모두가, 단계 2에서 발견된 위치에 머물러 있는 SRF와 관련해서 받침점(23)의 위치를 제공할 때, 세계 기준 프레임과 관련해서 받침점 위치는 기준 프레임의 단순한 변화(좌표의 변환)로 계산될 수 있다.

그 후, 받침점(23)과 관련해서 모든 움직임(피봇 및 관통)이 주어질 수 있고, 받침점(23)과 관련해서의 도구 위치, 예를 들어 SRF 및 받침점(23)의 원점 사이의 거리가 그에 따라 조작기 제어기로부터의 위치 정보를 이용하여 갱신될 수 있 다.

오프셋 및 중력 하중과 동적 하중의 보상

이해되는 바와 같이, 예를 들어 F/TAS(30)에서, 로봇 조작기(10)에 부착된 힘/토크 센서는 접촉력

,

뿐만 아니라, 중력 하중 및 센서의 감지판에 부착된 성분에 가해지는 동적(즉, 모션과 관련된) 하중까지도 측정한다.

그러므로 힘 추정의 방법은 6-DOF F/T 센서와 관련된 6-DOF 가속도계로부터 얻어진 추가의 측정치를 통하여 이러한 하중들에 대한 보상을 제공한다.

센서 기준 프레임(SRF)과 관련해서 그 보상된 힘 벡터

는 다음과 같이 주어진다:

여기서,

는 F/T 센서에 의해 측정된 바와 같이 SRF에서의 힘 벡터이고;

는 SRF에서의 6-DOF 가속도계에 의해 측정된, 중력 가속도를 포함한, 선형 가속도이며;

는 SRF에서의 6-DOF 가속도계에 의해 측정된 각도 가속도이며;

는 이하에서 약술된 바와 같이 추정되는, SRF에서의 6-DOF F/T 센 서에 부착된 부하의 중력의 중심의 벡터이며;

,

및

는 이하에 약술되는 교정 과정(calibration procedure) 동안 추정되는 센서 오프셋의 벡터이다.

센서 기준 프레임과 관련해서 그 보상된 토크 벡터

는 다음과 같이 주어진다:

여기서,

는 F/T 센서에 의해 측정된 바와 같은 SRF에서의 모멘트 벡터이며;

는 이하에서 약술되는 바와 같이 추정되는 모멘트 오프셋 벡터이며;

는 중력 하중 및 F/TAS(30)의 감지판에 토크를 가하는 가속도 관련 하중의 효과에 의해 생긴 힘을 나타내는 오른쪽의 세 번째 항목과 같으며;

는 예를 들어, 오프-라인 분석에서의 비주얼 동조(visual trning)에 의해 추정될 수 있는 SRF 축 X, Y, Z에 관한 하중 관성의 벡터이며, 즉 다양한 값의 관성 벡터에 대한 측정 플롯 상의 보상 정확성 향상을 관찰하는 것이다.

고정된 프레임에 대하여 움직이는 프레임의 각도 가속도 및 선형 속도에 의존하는 코리올리 가속도(Coriolis acceleration)의 효과와 관련하여, 이 효과는 본 시스템을 고려할 필요가 없는데, 왜냐하면 힘과 토크는 F/T 센서의 움직이는 기준 프레임(SRF)과 관련해서 측정되기 때문이다.

제공된 시스템에서 도구 스템(stem) 축, 즉 SRF의 Z축을 따르는 원심 가속도의 효과는 통상적인 도구 움직임에 있어서는 경험적으로 0.2N 미만인 것으로 알려져 있고, 최소 침습 과정에서의 고속 움직임에 있어서는 0.4N 미만인 것으로 발견되어 왔다. 완벽성을 위해 언급되었지만, 이 효과는 무시할만하고 따라서 식(17) 및 식(18)에서는 고려되지 않는 것으로 경험적으로 알려져 있다.

통상적인 시스템 설정에 있어서, 접촉 없이 고속 이동에서, 즉 피치 및 요 피봇 DOF에 대해서는 약 60도/초 그리고 관통/방향에 대해서는 150㎜/초에서의 실험 결과는, 힘이 +/-0.25N 윈도 내에서 보상되고 모멘트는 근사적으로 +/-0.03N 윈도 내에서 보상되는 것을 보여준다.

이해되는 바와 같이, 보상된 힘 및 토크 벡터는 "도구 팁 및 받침점 레벨에서의 힘 계산하기" 장에 설명된 계산, 즉

및

에 사용될 것이다.

교정 과정

측정 정확성 및 힘 추정치의 계산에 영향을 주는 시스템 관련 파라미터를 결정하기 위해, 적절한 맞춤 기법, 예를 들어 최소 자승 맞춤법(a least squares fitting method)을 일련의 측정된 데이터에 적용한다. 이 최소 자승 맞춤 기법을 적용하기 위한 데이터 시리즈를 얻기 위해, 로봇 조작기(10)는, 로봇 조작기(10)의 작업공간에 걸쳐 분배된 적절하게 미리 정해진 일련의 측정 자세로 연속적으로 위치한다. 각각의 자세에서, 로봇 조작기(10)의 6 DOF의 여러 구성을 통해 F/TAS(30)의 상이한 위치 및 방향에 대응하여, 로봇 조작기(10)는 F/TAS(30)의 센서들로부터 측정 데이터를 판독할 때 정지하고 있다. 상기 일련의 자세는 이하의 방향 각도의 충분한 범위("방향 작업공간")를 커버하도록 양호하게 선택된다: SRF의 Z축을 중심으로 하는 회전("롤(roll)") 및 피치를 중심으로 하는 회전 또는 요(yaw) 피봇 축을 중심으로 하는 회전(예를 들어 중력에 따라 센서 방향을 변화시키는 손목 관절/조인트를 사용함).

적절하게 선택된 경우에는, F/TAS(30)가 공장-교정(factory-calibrated)이고 센서의 정확성 및 리솔루션이 응용 요건을 훨씬 넘어선 것으로 가정하는 것이 안전하다. 이 경우, 측정 데이터 시리즈에 적용되는 맞춤 기법은 무엇보다도 각각의 축에서의 힘 및 토크 성분 측정의 (전기적) 오프셋뿐만 아니라 각각의 축에서의 선형 가속도 성분 측정의 (전기적) 오프셋의 정확한 식별을 가능하게 한다. 또한, F/TAS(30)의 감지판에 부착된 부하의 질량 LoadMass 및 중력의 질량(COG)을 후술하는 바와 같은 교정 과정을 이용하여 정확하게 결정할 수 있다.

힘 측정 오프셋(

), 유효 부하 질량(LoadMass), 선형 가속도 오프셋(

)의 결정의 경우, 이하의 식이 사용된다:

여기서,

는 SRF에서, F/T 센서에 의해 측정된 바와 같은, 힘 벡터이며;

는 선형 가속도 측정

은 모션-관련 가속도(정지 중에는 널(null)) 및 전기적 오프셋

외에 중력 가속도 항을 포함하기 때문에, SRF와 관련해서 중력 힘의 방향을 제공하며;

는 SRF와 관련해서, F/TAS(30)에 부착된 페이로드의 질량 및 그 방향에 의해 주어진 중략 힘 벡터이다.

모멘트 측정 오프셋

및 SRF와 관련해서 페이로드의 중력의 중심의 좌표

의 결정에 있어서, 이하의 식이 사용된다:

여기서

는 위에서 표현한 바와 같으며, 식(21)을 참조하라. 선형 가속도 측정 오프셋의 결정의 경우, 식은 다음과 같다:

여기서,

G는 중력 상수이다.

이해되는 바와 같이, 벡터 식 (21), (22) 및 (23)은 로봇 조작기(10)의 주어진 교정 자세에서 F/TAS(30)의 모든 측정에 대해 13개의 미지수를 가지는 7개의 스칼라 식을 제공한다.

로봇 조작기(10) 및 이에 따른 F/TAS(30)은 각각의 자세에서 정지하고 있기 때문에, 즉, 측정이 이루어질 때 모션이 없기 때문에, 각도 가속도 성분의 오프셋은 모든 자세에 있어서 각도 가속도 측정의 평균값에 기초하여 추정될 수 있다:

여기서,

는 가속도계에 의해 측정된 각도 가속도 벡터이며;

는 각도 가속도 성분에 대한 전기적 오프셋 벡터이다.

일련의 자세는 외과 응용에서 로봇 조작기(10)의 방향 작업공간을 커버하도록 선택될 것이다. 예를 들어, 이러한 방향 작업공간은 SRF의 Z축을 중심으로 하는 롤 각도(roll angle) 및 중력 축과 관련해서 SRF의 Z축에 의해 주어지는 방향 각도를 샘플링할 것이다. 경험적으로, 210 식에 대응하는 일련의 30 자세가 일반적으로 그 요구된 시스템 파라미터의 만족스런 근사에 대해 충분히 알려져 있다.

전기적 오프셋은 모든 기동(start-up)에서 다를 수 있기 때문에, F/TAS(30)로부터 임의의 측정을 이용하기 전에 기동 시에 교정 과정이 수행되어야 한다. "오프셋 드리프트의 검사" 장에 서술된 바와 같이, 오프셋 드리프트를 고려하기 위해 중재술 동안에도 교정 과정을 반복하는 것이 바람직하다. 이 경우, 시스템은 상기 일련의 자세를 통해 로봇 조작기(10)를 구동할 필요가 있으며, 이것은 안전한 조건에서 수행되어야만 한다.

교정 방법의 관심 있는 관점은 단부-효과기(end-effector)의 위치 및 방향에 대한 지식이 필요하지 않다는 점이며, 이것은 또한 이 방법은 로봇 조작기 정확성과는 무관하다는 것을 의미한다. 그러므로 예를 들어 손으로 잡는 휴대형 디바이스에서, 보상된 힘을 측정해야만 하는 응용에 있어서는, 간단히 손으로 가동하는, 즉 수동 위치선정 디바이스는 본 교정 과정을 거칠 수 있다.

이해되는 바와 같이, 뒤이은 근사(데이터 맞춤 방법)를 갖는 이상의 교정 과정은 무엇보다도 F/TAS(30)으로부터 얻어진 센서 데이터에서 오프셋의 보상을 위해 식(17) 및 식(18)에서 사용된

,

,

및

을 결정할 수 있게 한다.

센서 데이터 필터링

F/TAS(30)에 의해 얻어진 미가공의 측정 데이터(raw measurement data)에 필터링 기술을 적용하여야 한다. 원리적으로 많은 적절한 기술이 존재하지만, 가속도 및 힘/토크 프로세스 변수를 효과적으로 추정하기 위해, 그리고 특히 F/T 센서 및 가속도계에 내재하는 측정 노이즈를 감소시키기 위해, 기본적인 분류 형태 및 선형 확률 과정(linear stochastic procedure)을 위한 2 변종의 이산 칼만 필터(discret Kalman filter)의 적용이 제안된다.

포스-피드백을 가지는 로봇 원격 조정을 사용하여 최소 침습 의료 응용에서, 신호 노이즈를 만족스러울 정도로 제거하는 것과는 별개로, 사용된 필터링 프로세스가 2개의 부가적인 요건과 일치하는 것이 매우 바람직한데, 첫째, 필터링된 신호의 진폭 크기가 포스 피드백 충실도를 보장하기 위해 (시스템 대역폭에서) 1에 가 까워야만 하고, 둘째, 필터에 의해 생기는 부가적인 시간 지연은 가능한 짧아야만 한다. 바람직하게, 신호 필터링 지연을 포함하는, 전체 원격 조정 사이클 지연은, 예를 들어, 조직 접촉에 대한 도구의 경우, 외과 의사가 시각적으로 지연을 인지하지 못하도록 하기 위해 100 밀리초 미만이어야 한다. 불안정을 피하기 위해, 예를 들어 뼈와 같은 딱딱한 표면을 도구 팁(20)으로 만질 때, 전체 원격 조정 사이클 지연은 20 밀리초 미만이어야 하는 것이 바람직하다.

기본적인 (디지털) 선형 칼만 필터는 간단하고 효과적인 솔루션이다는 것이 실험적으로 알려져 있다. 무엇보다도, 몇몇 다른 필터 유형보다도, 특히 상업적인 힘/토크 센서의 훰웨어에서 흔히 구현되는 종래의 체비세프(Tchebyscheff) 디지털 필터에 비해, 더 우수한 노이즈 거절 및 동적 행동을 제공한다. 힘 및 토크 데이터 처리를 위한 확장형 칼만 필터 유형과는 반대로, 본 발명의 방식은 실시간으로 적용 가능하며, 더욱 쉽게 동조되며, 정교하게 식별하는 것이 어려운 로봇 조작기(10)의 선형 동적 모델에 대한 지식을 필요로 하지 않는다.

필터의 목적은 별도로 측정되고 상호상관되지 않는 노이지 디지털 신호를 추정하는 것이기 때문에, 이하의 신호 성분 각각에 필터의 예가 개별적으로 적용된다:

- 힘 측정을 위한 Fx, Fy 및 Fz;

- 모멘트 측정을 위한 Mx, My 및 Mz;

- 선형 가속도 측정을 위한 Ax, Ay 및 Az;

- 각도 가속도 측정을 위한 Rx, Ry 및 Rz.

기본적인 칼만 필터에 따르면, 모든 신호는 선형 차이 식에 의해 적용되는 프로세스인 것으로 가정될 수 있다;

측정

이고, 즉

이다.

본 시스템에서, 상태가 측정을 직접적으로 고려하고 u=0이기 때문에, 그리고 제어 입력이 존재하기 않기 때문에, 모든 신호에 대해 H=1인 것으로 가정할 수 있다. 또한, 모든 신호에 대해, 상태가 모든 단계마다 불변으로 되도록 근사시키기 때문에 A=1이다. 그렇지만, 힘 및 모멘트의 경우, 상태는 중력 및 가속도 부하에 따라 변하며, 모든 다른 신호에 있어서, 상태는 오퍼레이터 모션 명령, 즉 로봇 조작기(10)의 행동의 함수이다. 그러므로 이 후자의 근사(approximation)는 상태 불변의 소스를 동화하여 노이즈를 처리한다.

이해되는 바와 같이, 제안된 필터 식은 선형 확률 과정에 적용되는 기본적인 이산 칼만 필터 구현의 식이다. 관련 시간 갱신 및 이 필터 구현의 측정 갱신 식은 예를 들어 "An introduction to the Kalman filter"; Greg Welch, Gary Bishop; UNC-Chapel Hill; 2002에서 다음과 같이 찾아볼 수 있다:

초기화와 관련해서, 이하의 초기화 파라미터가 모든 신호에 대해 사용될 수 있다:

- 측정 노이즈의 공분산 R = 10: 센서 교정 단계에서 얻어질 수 있는 실제의 측정 노이즈 분산이 최선의 값이지만, 측정이 신뢰 되지 못하다는 것을 의미하는, 임의의 엄밀하게 양의 값(R

0)이 사용될 수 있다. 사실, 필터 동조 단계 동안 결정되는 시스템/프로세스 노이즈 공분산 파라미터 Q는 초기의 측정 노이즈 공분산 값 R을 보상한다;

- 초기의 상태 값 X_K-1 = 최초 관측;

- 초기의 칼만 이득 값 K_K = 1.0

- 필터 동조에 의해 결정된 초기의 시스템 프로세스/시스템 노이즈 공분산 Q_0.

칼만 게인 K_K는 통상적으로 50 사이클의 순환 반복 후, 주어진 파라미터 프로세스/시스템 노이즈 공분산 Q 및 측정 노이즈 공분산 R과는 독립적으로 동일한 상수값으로 수렴하는 것으로 알려져 있다. 본 시스템에 있어서는, 150msec(50 사 이클) 후, 칼만 게인 K_K는 상수값으로 수렴하고, 4.5초(1500 사이클) 후 일정하게 유지되며 2.1초(700 사이클) 후 그 상수값의 99% 윈도에 도달하는 것으로 실험적으로 알려져 있다. 칼만 게인 K_K는 힘 및 토크 측정에 영향을 주는 동적 하중 및 접촉 하중에 관계없이 일정하게 유지되는 것으로 또한 알려져 있으며, 이것은 기본적인 선형 필터 식의 방식을 입증한다.

필터(파라미터) 동조와 관련해서, 시스템/프로세스 노이즈 공분산 Q의 서로 다른 값에 대한 동일한 실시간 플롯에서 실시간 원격 조정 조건으로, 필터링되지 않은 신호와 필터링된 신호를 비교하는 것에 기초하는 방식이 (예를 들어, 1:1 모션 스케일로, 로봇 조작기(10)의 가속된 움직임은 있지만 도구(14)에 가해지는 접촉력은 없이) 사용될 수 있다.

동조의 일반적인 목적은 스파이크나 고주파 리플 없는 필터링된 신호를 얻기 위한 것이며, 이는 신호 변환에서의 작은 응답 지연(타임-래그(time-lag))을 갖는 필터링되지 않은 신호를 평균화한다.

이러한 관계에 있어서, 응답 지연은 필터링된 신호와 신호 변화 동안 관찰된 "진정한" 필터링되지 않은 신호 사이의 필터 고유의 타임-래그를 의미한다. 보상 프로세스에서 사용되는 힘, 토크 및 가속도 신호("오프셋 및 센서 데이터에서의 중력 하중 및 동적 하중의 보상" 장을 참조)에 있어서, 모든 신호는 특히 신호 변환과 관련해서, 각각의 신호에 대한 동일한 시간-지연 행동을 유지하기 위해, 동일한 공분산 파라미터 R, Q로 필터링되어야만 한다. 경험적으로, 이 방식은 일관적 인 것으로 판명되며, 동일한 물리적 현상, 예를 들어 로봇 조작기(10)의 모션 가속도가 그 측정된 신호의 동적 행동을 거의 배타적으로 결정한다는 사실에 의해 정당화될 수 있다.

질적 분석에 관해서, 노이즈의 영향을 받은 정적 신호의 경우, 칼만 필터는 1:1 이득을 갖는 최적의 추정기와 같다는 것을 나타내어 왔다. 동적 신호에 있어서, 본 시스템에서와 같이, 노이즈가 거의 전체적으로 제거되어 있기 때문에, 칼만 필터링된 신호는 노이즈로 스파이크를 갖지 않으며, 그 필터링된 신호는 변환 평활화(transitions smoothness)가 그 선택된 프로세스 노이즈 공분산 파라미터 Q에 의존하는 평균화된 신호와 유사성을 갖는다.

더 작은 프로세스 노이즈 공분산 Q에 의해, 측정이 덜 신뢰할 수 있기 때문에 그 필터링된 신호는 더 평활화되고, 그 반대로 성립한다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 더 낮은 값들의 프로세스/시스템 노이즈 공분산 Q가 칼만 필터에 설정되어 있으므로, 필터링된 신호의 평활화뿐만 아니라 필터링 프로세스에 의해 야기되는 응답 지연도 주어진 측정 노이즈 공분산 Q에 있어서 증가한다. 그렇지만, 예를 들어 원격 조정 커맨드 콘솔에 대한 피드백을 위해, 즉각적이고 평활화게 가변하는 힘 추정을 가지도록 하는 것이 바람직하다. 표 1은 (예를 들어, SRF의 X축 상에서의) 힘 신호의 상이한 프로세스 노이즈 공분산 파라미터 Q에 대한 통상적인 응답 지연을 나타낸다.

[표 1]

원격 조정 동안 칼만으로 필터링되는 X축 힘 신호
프로세스 공분산 파라미터 Q	구간에서의 응답 지연	ms에서의 응답 지연
1	0.4	1.172
0.1	3	8.79
0.01	11	32.23
0.001	25	73.25
0.0001	40	117.2

표 1에 표시된 응답 지연은, 기본적인 선형 칼만 필터에 의해 얻어진 필터링된 신호 및 평행 후방 회귀(RTS) 형태의 칼만 알고리즘을 사용하여 얻어진 신호 사이의 타임-래그를 측정함으로써, 측정 노이즈 공분산 R=1.0으로, 오프-라인으로 평가된 것이고, 이에 대해서는, 응답 지연을 일으킴이 없이 본래의 "진정한(true)" 신호에 최적으로 따르는 "Maximum likelihood estimates of linear dynamic systems"; H. Rauch, F. Tung, 및 C. Striebel; American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal; 3(8), 1965에 개시되어 있다.

필터 고유의 응답 지연을 감소하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같은 직렬의 필터 구현(40)이 제안된다. 필터 직렬(40)은 제1 필터 스테이지(42) 및 제2 필터 스테이지(44)를 포함하며, 각각의 스테이지(42, 44)는 전술한 바와 같이 기본적인 선형 칼만 필터의 개별적인 구현이다. 제1 필터 스테이지(42)는 공분산을 낮추도록, 예를 들어 필터링되지 않은 신호에 영향을 주는 노이즈의 피크(노이즈 스파이크)를 감소시키되 상대적으로 짧은 응답 지연(예를 들어, 2-3ms)만을 일으키도록 구성되어 있다. 제2 필터 스테이지(44)는 실질적으로 평활한 출력 신호를 제공하고 이에 따라 제1 필터 스테이지(42)보다 더 긴 응답 시간(예를 들어, 15ms)를 일으키도록 구성되어 있다.

주어진 전체 응답 지연에 있어서, 2개의 직렬 필터는 동일한 응답 지연을 일 으키는 단일의 필터와 관련해서 그 필터링된 신호의 평활화를 향상시키는 것으로 알려져 있다. 이것을 달성하기 위해, 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같은 2개의 필터 직렬에서, 제1 필터 스테이지(42)는 주어진 동일한 측정 에러 공분산 R을 가지는 제2 필터 스테이지(44)(Q₂)의 시스템/프로세스 에러 공분산보다 상당히 큰 시스템/프로세스 에러 공분산(Q₁)을 가지도록 구성되어 있다. 이에 의해, 단일 스테이지 칼만 필터와 비교해 볼 때 더 낮은 전체 응답 지연에서 동일한 필터링 성능이 달성될 수 있다. 환언하면, 주어진 전체 응답 지연을 갖는 칼만 필터 직렬은 동일한 응답 지연을 갖는 단일 스테이지 칼만 필터보다 더 우수한 필터링 성능을 제공한다. 실험에 의하면, 예를 들어, 2개의 직렬 칼만 필터에서, 동일한 측정 노이즈 공분산 R=1 및 각각의 상이한 시스템/프로세스 에러 공분산 파라미터 Q₁=0.7 및 Q₂=0.012로 구성되어 있는 제1 및 제2 필터 스테이지(42, 44)는 Q=0.01로 구성된 단일 스테이지 필터와 관련해서 최종의 필터링된 신호의 평활화를 향상시키고, 동일한 관측 응답 지연(

32ms)을 생성하는 것으로 알려져 있다. 제1 및 제2 필터 스테이지(42, 44)의 노이즈 공분산 Q1 및 Q2에 대한 양호한 파라미터 범위는 각각 0.1≤Q₁≤1 및 0.001≤Q₂≤0.1이다. 바람직하게, 전체 응답 지연은 단단한 표면 접촉에 대한 불안정의 위험을 감소시키기 위해 40ms를 넘지 않아야 한다.

그러므로 동일한 필터링 성능(신호 평활화)을 제공하는 단일-통과(하나의 스테이지) 필터와 관련해서 응답 지연이 덜 발생하므로 적어도 2개의 칼만 필터가 바 람직하다. 각각의 필터링되지 않은 신호((Fx,Fy,Fz);(Mx,My,Mz);(Ax,Ay,Az))에 대한 각각의 필터 구현은, 모든 신호에 대한 동일한 응답 지연 및 그에 따라 동기화된 신호를 보장하기 위해, 일반적으로 동일한 필터 파라미터(Q_i, R_i, 등)를 가지도록 구성될 것임을 이해해야 한다.

오프셋 드리프트의 검사

이해되는 바와 같이, F/T 센서 및 F/TAS(30)의 가속도계로부터 얻어진 모든 성분 측정(신호)은 통상적으로 시변(time-varying) 및 온도 종속인 전기적 바이어스 또는 오프셋에 의해 영향을 받는다. 실험실 연구에서는, (내장형 온도 보상을 가지는) 6-DOF 포일 기반의(foil-based) F/T 센서로부터의 측정 신호들은 약 3시간의 워밍-업 주기 후 안정화되고 그 후 약 1.5%의 완전한 측정 스케일 범위 내에서 유지되는 것으로 알려져 있다. 그렇지만, 각각의 신호에 대한 오프셋 값은 시간에 따라 변하며, 의료의 경우, 특히 외과 수술을 경우, 전술한 바와 같이 힘을 추정하기 위한 계산 결과를 변화시키기 때문에 이러한 변동은 받아들일 수 없다.

그러므로 이러한 오프셋이 수용 가능한 범위 내에 있는지를 검사하기 위한 과정을 포함하는 것이 제안되어 있다. 이것은 F/TAS(30)에 부착된 페이로드에 외부 부하가 가해지지 않을 때, 보상된 힘 및 토크 벡터

,

성분이 제로 근처에 있는지를 검사함으로써 간단하게 달성될 수 있다.

제안된 기능은 커맨드 요구 하의 검사를 수행하는 소프트웨어 구현 과정에 포함될 수 있다. 과도한 오프셋 드리프트의 경우, 이 과정은 로봇 조작기 제어기 에 경고를 보내고, 이것은 예를 들어 외과 의사에게 재교정 프로세스(re-calibration process)를 초기화할 것을 요구해야만 하는 것이다. 또한, 이 기능은, 예를 들어 효과기 유닛(12) 상의 의료 도구 존재-검출기(presence-detector)의 신호에 기초하여, HMI 상에 주어진 커맨드 하에 또는 자동적으로, 의료 도구를 바꾸는 동안에도 수행될 수 있다.

소프트웨어 모듈 아키텍처

초기에, 이하에 서술되는 소프트웨어 아키텍처는, 그 목적이 데이터 프로세싱 및 도구 팁(20)의 레벨 및 받침점(23)의 레벨에서의 접촉력의 추정을 위한 계산에 제한되는 소프트웨어 모듈을 일컫는다는 것에 유의해야 한다. 로봇 조작기(10), 효과기 유닛(12) 또는 시스템의 그외 다른 성분의 제어에 대한 기능 및 메커니즘은 고려하지 않는다. 이 모듈은 그렇지만 당업자에 의해 조작기 제어기의 소프트웨어 프로그램에 통합될 수 있다.

소프트웨어 모듈의 일반적인 아키텍처가 도 5에 도시되어 있다. 코어 프로세스인 FSS(힘 감지 시스템) 작업을 포함하며, 이 작업은 이하의 상태 변환 다이어그램에 의해 지배되고, 작업 배경 또는 인터럽트 서비스 루틴 레벨에서 운용되는 주요 기능에서 구현될 수 있다. 간략화를 위해, 소프트웨어 모듈은 도 5에 도시된 바와 같은 세마포어(semaphore)를 통해 실시간 클록에 의해 동기화된 주기적인 작업으로 운용되는 것으로 가정한다. FSS 작업은 실시간 운용 체제로 주어진 우선권으로 그리고 주어진 스택 사이즈로 운용된다. 소프트웨어 모듈은 새로운 메시지에 대한 각각의 클록 사이클에서 폴(poll)되는 메시지 큐(message queue)를 갖는다. 일반적으로 2가지 유형의 메시지가 있다: 기능을 실행하기 위한 커맨드 메시지 또는 상태 변환 다이어그램에서의 변환을 생성하기 위한 이벤트 메시지(아래를 참조). 커맨드 메시지는 예를 들어 조작기 제어기에 속하는 외부 모듈에 의해 생성되며, 반면 이벤트 메시지는 소프트웨어 모듈 자체에 의해 내부적으로 발생된다. 예를 들어 실패 이벤트(failure events), 커맨드 응답(command reply) 또는 정지_모션 커맨드(stip_motion command)를 발생하기 위해, 모듈은 다른 모듈 예를 들어 조작기 제어기 모듈에 보내지는 이벤트 모듈 및 커맨드 모듈을 발생할 수 있다.

소프트웨어 모듈에서, FSS 작업의 메인 인터페이스는 도 5에 도시된 바와 같다:

- 매 클록 사이클마다 판독되는 메시지 큐;

- 필터링되지 않은 힘, 토크 및 가속도 데이터가 판독되는 하드웨어 보드에 대한 인터페이스;

- 모듈들의 기능에 의해 획득되는 정보를 판독하고 결과를 기록하기 위한 실시간 데이터베이스에 대한 인터페이스;

- 외부 모듈에 대한 커맨드 및 이벤트 메시지를 위한 인터페이스.

상태 변환 다이어그램(FSS 작업)

도 6은 유한 상태 머신에서 구현되는 힘 감지 시스템(FSS) 작업의 주요한 다섯 가지 상태를 나타낸다. 이하에서, 도 5에 도시된 상태에 대해 간략하게 서술한다:

상태 1: 하드웨어 및 소프트웨어 초기화: 이 상태는 최소 침습 의료 시스템 의 소프트웨어 및 하드웨어 부분에 대한 초기화 과정에 관한 것이다. 이 초기화 과정은 조작기(10)의 제어기의 전원 투입 시(power-up) 및 부팅시(boot time)에 수행된다. 하드웨어 초기화 작업은 무엇보다도 예를 들어 F/TAS(30)의 F/T 센서 및 가속도계의 셋업 및 관련 인터페이스 보드(들)에 관한 것이다. 소프트웨어 초기화 작업은 어플리케이션의 데이터 구조를 위한 메모리와 같은 리소스, 및 그외 운용-체제 항목(예를 들어, 작업, 세마포어, 메시지 큐, 클록 등)을 할당하는 단계를 포함한다. 하드웨어 및 소프트웨어 초기화가 성공적이면, 시스템은 IDLE 상태로 진행되고, 교정 커맨드를 대기한다. 그렇지 않으면, 시스템은 도 6에 도시된 바와 같이 FAILED 상태로 진행한다. 초기화 동작의 결과는 소프트웨어 이벤트를 통해 또는 기능 호출 반환 파라미터를 통해 조작기(10)의 제어기와 통신할 수 있다.

상태 2: 시스템은 교정 프로세스를 시작하기 위한 커맨드를 대기하며, 이것에 대해서는 "교정 과정" 장에 서술되어 있다.

상태 3: FAULT 상태: 이 상태는 임의의 시스템/소프트웨어 조작의 경우 또는 검출된 안전 위험의 경우에 진행되고, 시스템은 재시작을 커맨드를 대기한다. FAULT 상태로 진행되면, 이 조건의 경고를 위해 비동기 메시지 또는 이벤트가 조작기 제어기에 송신된다.

상태 4: F/T & ACCELEROMETER_CALIBRATION 상태: 이 상태에서, 조작기(10)는 다른 위치 및 방향으로 미리 결정된 일련의 자세를 통해 명령이 내려진다("교정 과정" 장을 참조). 각각의 자세에서, F/T 센서 및 가속도계 데이터는 '기록' 커맨드의 수신하에 기록된다. 일련의 자세의 완료 후, '계산' 커맨드를 수신하면, 전술 한 최소 자승 맞춤 기법, 또는 임의의 다른 적절한 근사 기법을 적용하여 부착된 부하의 중력의 중심의 좌표와 함께 F/T 센서 및 가속도계 오프셋(

,

,

및

)을 계산한다. 만일 일관적이지 않은 결과 때문에 또는 일련의 자세 이동의 사용자가 내린 중지 커맨드 때문에 계산이 실패하는 경우에는, 시스템은 IDLE 상태로 되돌아가서 조작기 제어기에 이 이벤트를 경고한다. 그렇지 않으면, 교정 단계의 끝에서, 시스템은 APPLICATION_LOADS_EVALUATION 상태로 통과한다. 소프트웨어 또는 하드웨어 실패 검출의 경우, 시스템은 FAULT 상태로 통과한다.

상태 5: APPLICATION_LOADS_EVALUATION 상태: 이 상태에서는 주기적인 프로세스가 이하의 동작을 순차적으로 실행하지만, 반드시 주어진 순서로 실행할 필요는 없다:

- 선형 확률 프로세스를 위한, 예를 들어 이산 칼만 필터 직렬에 의한 데이터 필터링("센서 데이터 필터링" 장을 참조);

- F/T 센서 데이터의 중력 효과 및 동적 하중에 대한 보상("중력의 오프셋 및 동적 하중의 오프셋의 보상" 장을 참조)

- 받침점(23)과 관련해서 도구(14)의 위치의 결정, 즉 조작기(10) 모션에 기초한 연속적인 갱신("받침점과 관련해서 도구 위치를 결정하기" 장을 참조);

- 도구 팁(20)에서 그리고 받침점에서 각각 힘의 추정을 계산("도구 팁에서 그리고 받침점 레벨에서 힘을 계산하기" 장을 참조);

선택적으로 이하의 추가의 동작도 또한 주기적인 프로세스에 의해 수행된다:

- 예를 들어 실시간 데이터베이스에 저장되어 있는 미리 결정된 최대 임계값들에 대한 보상된 부하에 대한 모니터링. 임계값들을 초과하는 경우, 기능은 경고 메시지 또는 중지 모션 커맨드를 발생하고, 이 조건을 실시간 데이터베이스에 기록한다: 이 프로세스는 또한 F/TAS(30)의 불안전한 조건 또는 실패를 검출하기 위해 도구 팁(20)에서 그리고 받침점 레벨(투관침(22))에서 그 추정된 힘에 인가될 수 있다.

- 센서 오프셋의 드리프트를 검사("오프셋 드리프트의 검사" 장을 참조)

- 복부내 흡입 압력의 모니터링. 압력 저하의 경우, 기능은 경로 메시지를 발생하여 적절한 행동이 취해지는데, 예를 들어 받침점(23)의 위치가 다시 정해진다.

도 7은 흐름도에서 위의 동작들의 가능한 시퀀스를 나타낸다. 도 7에 보여지는 바와 같이, 예를 들어 도 4와 관련해서 서술된 바와 같이, 직렬 구조의 1차 선형 칼만 필터는 "기생 부하"의 보상 이전에 센서 데이터를 필터링한다. 보상 후, 2차 선형 칼만 필터가 힘 및 토크 값에 대해 적용되어, 힘 추정치(들)를 계산(

및

를 계산)하는 동작의 입력에서 신호의 평활화 질을 더 향상시킨다. 힘 추정치를 계산하는 단계 이전에 실행되는 것과 같이 도 7에 도시되었지만, 도구 위치의 결정을 위한 동작은 흐름 내의 다른 포인트에서 주기적으로 수행될 수 있다. 마찬가지로, 힘 추정치를 계산하는 것에 이어서 하나 이상의 상기 선택적 동작들(도 7 및 도 8에 블록 "..."으로 표시됨)이 반드시 수행될 필요는 없다.

도 8은 흐름도에서 상기 동작들에 대한 대안의 시퀀스를 나타낸다. 도 8에 도시된 바와 같이, 힘 추정치(들)를 계산(

및

를 계산)하는 것에 이어서 단일의 필터링 동작이 적용된다. 필터링 동작은 도 4와 관련해서 설명된 바와 같이 직렬 칼만 필터 구조에 기초할 수 있다.

도 8의 대안은 힘 추정치(들)의 계산 이전에, 필터링으로 인한 (과소의/과대의 부하) 정보의 손실을 감소하여, 정확성이 추가로 높아질 수 있다. 도 7의 실시예는 시스템이 예를 들어 도구(14)의 삽입 동안 조작기(10)의 보조 위치선정을 위해 제어 디바이스("조이스틱")와 같이 효과기 유닛(12)을 사용하여 구성되는 경우에 바람직하다.

재교정의 요구가 접수되는 경우, 시스템의 상태는 F/T_&_ACCELEROMETER_CALIBRATION으로 변화며 그 주기적인 프로세스는 중지된다. 소프트웨어 또는 하드웨어 실패 검출의 경우, 시스템은 FAULT 상태로 변화며 경고가 발생된다.

주기적인 프로세스의 실행 속도는 어플리케이션 요건에 따라 구성된다. 예를 들어, 로봇 원격 조정을 위해 보상된 데이터를 사용할 때, 이 프로세스는 바람직하게 조작기(10)를 위한 셋-포인트 발생의 속도와 동일한 속도, 예를 들어 300Hz 내지 1000Hz로 운용될 것이다.

결론

제안된 방법/시스템은 도구 팁에서 그리고 선택적으로 투관침 레벨에서 접촉력을 추정하는 정확하고 저렴한 방식을 제공함으로써 로봇 및/또는 컴퓨터를 이용한 최소 침습 수술에 기여한다.

원형의 시스템(prototype system)의 실험실 연구에서는, 0.25N의 평균 추정 에러 및 0.65N의 최대 추정 에러가 결정되어 왔다. 개발 중인 원형을 이용하여 이러한 값들이 달성되어도, 0.25N은 사람의 손의 감도 임계값 아래이기 때문에 추정 에러 레벨은 대부분의 외과 복강경 검사 작업에서 만족스럽다는 것에 유의해야 한다. 또한, 원형으로 달성된 50ms의 전체 신호 지연에 따라, 시스템이 원격 조정에 쉽게 적합하게 된다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (26)

1. 조작기(10)를 포함하는 최소 침습 수술 시스템을 위한 힘 추정의 방법에 있어서,

   상기 조작기(10)는 6 자유도(6 DOF) 힘/토크 센서(30)를 구비하는 효과기 유닛(12), 및 상기 효과기 유닛에 장착된 제1 단부(16) 및 도구의 모션을 제한하는 외부 받침점(23)을 넘어 위치하는 제2 단부(20)를 가지는 최소 침습 도구(14)를 가지며,

   상기 방법은,

   상기 받침점과 관련하여 상기 도구의 위치를 결정하는 단계;

   상기 6 DOF 힘/토크 센서를 이용하여 상기 도구의 상기 제1 단부에 의해 상기 효과기 유닛에 가해지는 힘 및 토크를 측정하는 단계; 및

   중첩의 원리를 이용하여 상기 결정된 위치, 상기 측정된 힘 및 상기 측정된 토크에 기초하여 상기 도구의 상기 제2 단부에 가해지는 힘의 추정치를 계산하는 단계

   를 포함하는 힘 추정의 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 받침점과 관련해서 상기 도구의 초기 기준 위치를 결정하는 단계를 더 포함하며,

   상기 받침점과 관련해서 상기 도구의 위치를 결정하는 단계는 상기 결정된 초기 기준 위치 및 조작기 모션 정보를 사용하는 연속적인 갱신에 기초하는, 힘 추정의 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 결정된 위치, 상기 측정된 힘 및 상기 측정된 토크에 기초하여, 상기 중첩의 원리를 이용하여 상기 도구에 의한 상기 받침점에서 가해지는 힘의 추정치를 계산하는 단계를 더 포함하는, 힘 추정의 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 효과기 유닛은 6-DOF 가속도계를 포함하며,

   상기 방법은,

   상기 6-DOF 가속도계를 이용하여 상기 6-DOF 힘/토크 센서에 가해지는 중력 하중 및/또는 동적 하중을 측정하는 단계; 및

   상기 측정된 힘 및 상기 측정된 토크에서 상기 중력 하중 및/또는 동적 하중을 보상하는 단계

   를 더 포함하는 힘 추정의 방법.
5. 제4항에 있어서,

   교정 과정을 더 포함하며,

   상기 교정 과정은,

   상기 조작기의 작업공간에 걸쳐 분포된 일련의 자세를 통해 상기 효과기 유닛을 통과시키는 단계;

   각각의 자세에 측정된 힘 및 측정된 토크를 기록하는 단계; 및

   상기 기록된 힘 측정치 및 토크 측정치에 기초하여 힘 측정 오프셋 및 토크 측정 오프셋을 결정하는 단계

   를 포함하는, 힘 추정의 방법.
6. 제5항에 있어서,

   각각의 자세에 측정된 선형 가속도 및 측정된 각도 가속도를 기록하는 단계; 및

   상기 기록된 선형 가속도 측정치 및 각도 가속도 측정치에 기초하여 선형 가속도 측정치 오프셋 및 각도 가속도 측정치 오프셋을 결정하는 단계

   를 더 포함하는 힘 추정의 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 추정된 힘을 계산하기 전에 상기 6-DOF 힘/토크 센서에 의해 측정된 힘 및 토크 데이터에 선형 칼만 필터를 적용하는 단계를 더 포함하는 힘 추정의 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 계산된 힘 추정치에 선형 칼만 필터를 적용하는 단계를 더 포함하는 힘 추정의 방법.
9. 제4항에 있어서,

   상기 6-DOF 힘/토크 센서에 의해 측정된 힘 및 토크 데이터에 대해 그리고 상기 6-DOF 가속도계에 의해 측정된 선형 및 각도 가속도 데이터에 대해 1차 선형 칼만 필터를 적용하는 단계;

   상기 1차 선형 칼만 필터의 적용 후 중력 하중 및 동적 하중으로 인한 교란을 보상하는 단계; 및

   상기 보상된 힘 및 토크 데이터에 2차 선형 칼만 필터를 적용하는 단계

   를 더 포함하는 힘 추정의 방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 칼만 필터, 각각의 상기 1차 칼만 필터 및/또는 상기 2차 칼만 필터는 직렬이며, 프로세스 노이즈 공분산 파라미터가 0.1 내지 1의 범위의 높은 값에 설정되어 있는 제1 선형 칼만 필터 스테이지, 및 프로세스 노이즈 공분산 파라미터가 0.001 내지 0.1의 범위의 낮은 값에 설정되어 있는 제2 선형 칼만 필터 스테이지를 가지는, 힘 추정의 방법.
11. 조작기(10)를 포함하는 최소 침습 수술 시스템에 있어서,

    상기 조작기(10)는 6 자유도(6 DOF) 힘/토크 센서(30)를 구비하는 효과기 유닛(12)을 가지며, 상기 효과기 유닛에 장착된 제1 단부(16) 및 도구의 모션을 제한하는 외부 받침점(23)을 넘어 위치하는 제2 단부(20)를 가지는 최소 침습 도구(14)를 유지하도록 구성되어 있으며,

    상기 시스템은,

    상기 받침점과 관련하여 상기 도구의 위치를 결정하고;

    상기 도구의 상기 제1 단부에 의해 상기 효과기 유닛에 가해지는 힘 및 토크에 대해 상기 6 DOF 힘/토크 센서를 이용하여 이루어지는 측정을 처리하고; 그리고

    중첩의 원리를 이용하여 상기 결정된 위치, 상기 측정된 힘 및 상기 측정된 토크에 기초하여 상기 도구의 상기 제2 단부에 가해지는 힘의 추정치를 계산하도록 프로그램된 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스를 포함하는, 최소 침습 의료 시스템.
12. 제11항에 있어서,

    상기 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스는

    상기 받침점과 관련해서 상기 도구의 초기 기준 위치를 결정하고; 그리고

    상기 결정된 초기 기준 위치 및 조작기 모션 정보를 이용하여 연속적인 갱신에 기초하여 상기 받침점과 관련하여 상기 도구의 위치를 결정하도록 추가로 프로그램되어 있는, 최소 침습 의료 시스템.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서,

    상기 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스는,

    상기 결정된 위치, 상기 측정된 힘 및 상기 측정된 토크에 기초하여, 상기 중첩의 원리를 이용하여 상기 도구에 의한 상기 받침점에서 가해지는 힘의 추정치를 계산하도록 추가로 프로그램되어 있는, 최소 침습 의료 시스템.
14. 제11항 또는 제12항에 있어서,

    상기 효과기 유닛은 6-DOF 가속도계를 포함하며,

    상기 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스는,

    상기 6-DOF 힘/토크 센서에 가해지는 중력 하중 및/또는 동적 하중에 대해 상기 6-DOF 가속도계를 이용하여 이루어지는 측정을 처리하고; 및

    상기 측정된 힘 및 상기 측정된 토크에서 상기 중력 하중 및/또는 동적 하중을 보상하도록 추가로 프로그램되어 있는, 최소 침습 의료 시스템.
15. 제14항에 있어서,

    상기 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스는 교정 과정을 수행하며,

    상기 교정 과정은,

    상기 조작기의 작업공간에 걸쳐 분포된 일련의 자세를 통해 상기 효과기 유닛을 통과시키고;

    각각의 자세에 측정된 힘 및 측정된 토크를 기록하고; 그리고

    상기 기록된 힘 측정치 및 토크 측정치에 기초하여 힘 측정 오프셋 및 토크 측정 오프셋을 결정하도록 프로그램되어 있는, 최소 침습 의료 시스템.
16. 제15항에 있어서,

    상기 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스는,

    각각의 자세에 측정된 선형 가속도 및 측정된 각도 가속도를 기록하고; 그리고

    상기 기록된 선형 가속도 측정치 및 각도 가속도 측정치에 기초하여 선형 가속도 측정치 오프셋 및 각도 가속도 측정치 오프셋을 결정하도록 추가로 프로그램되어 있는, 최소 침습 의료 시스템.
17. 제11항 또는 제12항에 있어서,

    상기 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스는 상기 추정된 힘을 계산하기 전에 상기 6-DOF 힘/토크 센서에 의해 측정된 힘 및 토크 데이터에 선형 칼만 필터를 적용하도록 추가로 프로그램되어 있는, 최소 침습 의료 시스템.
18. 제11항 또는 제12항에 있어서,

    상기 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스는 상기 계산된 힘 추정치에 선형 칼만 필터를 적용하도록 추가로 프로그램되어 있는, 최소 침습 의료 시스템.
19. 제14항에 있어서,

    상기 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스는,

    상기 6-DOF 힘/토크 센서에 의해 측정된 힘 및 토크 데이터에 대해 그리고 상기 6-DOF 가속도계에 의해 측정된 선형 및 각도 가속도 데이터에 대해 1차 선형 칼만 필터를 적용하고;

    상기 1차 선형 칼만 필터의 적용 후 중력 하중 및 동적 하중으로 인한 교란을 보상하고; 그리고

    상기 보상된 힘 및 토크 데이터에 2차 선형 칼만 필터를 적용하도록 추가로 프로그램되어 있는, 최소 침습 의료 시스템.
20. 제19항에 있어서,

    상기 칼만 필터, 각각의 상기 1차 칼만 필터 및/또는 상기 2차 칼만 필터는 직렬이며, 프로세스 노이즈 공분산 파라미터가 0.1 내지 1의 범위인 높은 값에 설정되어 있는 제1 선형 칼만 필터 스테이지, 및 프로세스 노이즈 공분산 파라미터가 0.001 내지 0.1의 범위인 낮은 값에 설정되어 있는 제2 선형 칼만 필터 스테이지를 가지는, 최소 침습 의료 시스템.
21. 제11항 또는 제12항에 있어서,

    센서 없는 최소 침습 도구를 더 포함하는 최소 침습 의료 시스템.
22. 제21항에 있어서,

    센서 없는 투관침을 더 포함하는 최소 침습 의료 시스템.
23. 제22항에 있어서,

    상기 센서 없는 투관침은 자기-기반의 에어 밸브를 갖는 것인, 최소 침습 의료 시스템.
24. 제22항에 있어서,

    상기 센서 없는 투관침은 가스 탭을 갖지 않는 투관침인, 최소 침습 의료 시스템.
25. 제24항에 있어서,

    상기 센서 없는 투관침은 실질적으로 플라스틱 재료로 만들어진 가스 탭을 갖지 않는 투관침인, 최소 침습 의료 시스템.
26. 최소 침습 의료 시스템의 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스를 동작시키는 프로그램 코드를 내부에 저장하는 기계-판독가능 저장 매체로서,

    상기 최소 침습 수술 시스템은 조작기(10)를 포함하며, 상기 조작기(10)는 6 자유도(6 DOF) 힘/토크 센서(30)를 구비하는 효과기 유닛(12)을 가지며, 상기 효과기 유닛에 장착된 제1 단부(16) 및 도구의 모션을 제한하는 외부 받침점(23)을 넘어 위치하는 제2 단부(20)를 가지는 최소 침습 도구(14)를 유지하도록 구성되어 있고,

    상기 프로그램 코드는 상기 최소 침습 의료 시스템의 프로그래머블 컴퓨팅 디바이스로 하여금,

    상기 받침점과 관련하여 상기 도구의 위치를 결정하고;

    상기 도구의 상기 제1 단부에 의해 상기 효과기 유닛에 가해지는 힘 및 토크에 대해 상기 6 DOF 힘/토크 센서를 이용하여 이루어지는 측정을 처리하고; 그리고

    중첩의 원리를 이용하여 상기 결정된 위치, 상기 측정된 힘 및 상기 측정된 토크에 기초하여 상기 도구의 상기 제2 단부에 가해지는 힘의 추정치를 계산하게 하는, 기계-판독가능 저장 매체.

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