KR20220004994A

KR20220004994A - 로봇 해부학적 조작 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20220004994A
Application number: KR1020217035863A
Authority: KR
Inventors: 리처드 바라카트; 폴 부스; 찰스 킴; 켈시 앤 타카; 조던 앤서니 리베라; 새뮤엘 토마스 프래트
Original assignee: 메모리얼 슬로안 케터링 캔서 센터
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2022-01-12
Also published as: US20220192707A1; WO2020206297A1; IL286943A; CA3135855A1; AU2020256252A1; EP3946844A4; EP3946844A1; JP2022526593A

Abstract

본 발명은, 여러 실시형태로, 수술 중에 자궁과 같은 환자의 해부조직의 로봇 조작을 위한 시스템 및 방법을 제공한다.

Description

로봇에 의한 해부학적 조작 시스템 및 방법

관련출원

본원은 2019년 4월 4일자로 출원된 미국 가출원 제62/829,311호의 이익을 주장하며, 그 전체가 본원에 참조로서 포함된다.

컴퓨터 프로그램 목록 부록

"Kinematics Code.txt"라는 명칭의 단일 ASCII 텍스트 파일을 포함하는 컴퓨터 프로그램 목록을 전자적으로 제출하였고 그 전체가 본원에 참조로서 포함된다.

자궁적출술과 같은 부인과 수술에서, 환자의 자궁은 수술 중에 케이스의 특정 요구 사항에 따라 정확하게 배치되어야 한다. 개선된 자궁 조작 시스템 및 방법이 당업계에서 요구되고 있다.

본 개시 내용은 일반적으로 로봇 해부학적 조작 시스템 및 방법에 과한 것으로, 보다 구체적으로는, 최소 침습 자궁적출술에서 이용하기 위한 로봇 자궁 조작 시스템 및 방법에 관한 것이다.

여러 실시형태에서, 본 발명은, 최소 침습 수술 중에 환자의 해부조직을 배치하고 유지하도록 구성된 엔드 이펙터(end effector)와 함께 사용하기 위한 로봇 해부학적 조작 시스템을 제공하고, 그러한 시스템은, 카트 및 아암을 포함하는 로봇으로서, 아암의 근위 단부가 카트에 연결된, 로봇; 조이스틱 및 사용자 인터페이스를 포함하는 콘솔로서, 조이스틱은 실시간 모션 입력을 아암에 제공하도록 구성되는, 콘솔; 아암의 원위 단부에 연결되고 엔드 이펙터의 근위 단부 핸들을 유지 및 해제하도록 구성된 기계적 인터페이스; 아암의 원위 단부와 기계적 인터페이스 사이에 배치된 센서로서, 엔드 이펙터에 의해서 생성된 힘 및 토크 중 적어도 하나를 측정하도록 구성된, 센서; 및 조이스틱 및 사용자 인터페이스를 통한 사용자 입력에 응답하여 아암을 제어하는 제어 시스템을 위한 컴퓨터 실행 가능 코드가 저장된 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 엔드 이펙터는 실질적으로 곡선형인 본체, 원위 단부 팁, 및 각각의 수술에서 각각의 환자마다 고유한 팁에 대한 거리에 배치되도록 구성된 조정 가능한 받침점(fulcrum)을 갖는다. 제어 시스템은, 엔드 이펙터의 곡률 및 사용자 인터페이스에 입력된 환자-고유의 받침점 위치를 기초로, 팁의 사용자-고유의 모션을 생성하는 데 필요한 아암의 모션을 결정하도록 구성된 운동역학적 유닛을 포함한다. 제어 시스템은 또한, 센서를 모니터링하고, 소정 방향으로 미리 결정된 힘 문턱값 또는 토크 문턱값에 도달될 때, 해당 방향의 모션을 방지하기 위해서 정지 신호를 아암에 전송하도록 구성된 힘 토크 판독 유닛을 포함한다. 일부 실시형태에서, 해부조직은 자궁이고, 최소 침습 수술은 로봇-보조되거나 수동적인 복강경 자궁적출술이다.

카트는 이동식 또는 고정식일 수 있다. 콘솔은 유선 연결 또는 무선 연결을 통해서 원격 기계와 통신한다. 일부 실시형태에서, 콘솔은 수술을 모니터링하기 위해서 이용되는 카메라로부터의 라이브 신호를 디스플레이하도록 구성된 비디오 피드를 더 포함한다.

일부 실시형태에서, 아암은 6개의 조인트: 기부(A), 쇼울더(B), 엘보(C), 및 손목부(wrist)(D, E, F)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 엘보는 기준선 위치에서 손목부 아래에 위치된다. 일부 실시형태에서, 아암은 마킹을 가지는 적어도 하나의 조인트를 포함하고, 마킹은 기준선 위치에 대한 안전 범위를 표시한다.

일부 실시형태에서, 기계적 인터페이스는, 로봇 아암 또는 카트의 이동 없이 5초 이내에 엔드 이펙터를 해제하도록 구성된 신속 해제 메커니즘을 포함한다.

일부 실시형태에서, 센서는 6개의 힘 및 토크의 채널: F_x, F_y, F_z, T_x, T_y, 및 T_z을 획득하도록 구성된 3-축 힘 및 토크 센서이다.

일부 실시형태에서, 힘 문턱값은 경고 힘 문턱값이고, 토크 문턱값은 경고 토크 문턱값이다. 일부 실시형태에서, 경고 힘 문턱값은 10 lbf이고 경고 토크 문턱값은 70 인치-lbs이다.

일부 실시형태에서, 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에는, 엔드 이펙터에 의해서 생성된 힘 및 토크를 계산하는 임베디드 안전 시스템을 위한 컴퓨터 실행 가능 코드가 더 저장되며, 임베디드 안전 시스템은, 미리 결정된 안전 힘 문턱값 또는 안전 토크 문턱값이 초과되는 경우에, 시스템이 수동으로 재-인에이블(re-enable)될 때까지 모든 아암의 제어를 디스에이블시키기 위한 디지털 디스에이블 명령을 생성하도록 구성된다.

일부 실시형태에서, 임베디드 안전 시스템은, 힘 및 토크 데이터를 센서로부터 적어도 초당 100번 획득하도록 구성된 아날로그-대-디지털 변환기(ADC) 유닛을 포함한다.

일부 실시형태에서, 임베디드 안전 시스템은, 센서에 의해서 ADC 유닛에 통신되는 원시 전압(raw voltage)을 수용하고 원시 전압을 힘 및 토크 값으로 변환하도록 구성된 힘 유닛을 더 포함한다.

일부 실시형태에서, 안전 힘 문턱값은 12 lbf이고 안전 토크 문턱값은 90 인치-lbs이다.

일부 실시형태에서, 콘솔은 조이스틱 및 사용자 인터페이스로부터의 아암의 제어를 인에이블/디스에이블시키기 위한 메커니즘을 포함하고, 임베디드 안전 시스템은 인에이블/디스에이블 입력을 캡쳐하고 그에 응답하여 로봇에 대한 명령을 생성하도록 구성된다.

일부 실시형태에서, 사용자 인터페이스는, 미리 결정된 안전 힘 문턱값 또는 안전 토크 문턱값이 초과되는 축에 관한 가시적 표시를 제공하도록 구성된 정지 축 표시부를 포함한다.

일부 실시형태에서, 카트는 그 상부 표면 상에서 셋업 위치 결정 시스템을 포함하고, 아암의 근위 단부가 셋업 위치 결정 시스템에 연결되며, 셋업 위치 결정 시스템은 X, Y, 및 Z 방향으로 정방향 및 역방향 병진운동을 제공하도록 구성된다.

일부 실시형태에서, 콘솔은 아암의 원위 단부의 이동 및 속력 중 적어도 하나의 가청적 표시를 제공하는 알람을 포함한다.

본 발명의 부가적인 특징 및 장점이 이하에서 더 설명된다. 이러한 요지 섹션은 단지 본 발명의 특정 특징을 설명하기 위한 것이며, 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다. 본 발명의 특정 특징 또는 실시형태가 설명되지 않거나 하나 이상의 특징이 이러한 요지 섹션에서 포함되지 않는다고 해서 청구된 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

전술한 요지뿐만 아니라 본원의 여러 실시형태에 관한 이하의 구체적인 설명은, 첨부 도면을 참조하는 경우, 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본원의 시스템 및 방법을 설명하기 위한 목적으로 특정 실시형태가 도면에 도시되어 있다. 그러나, 본원은 도시된 정밀 장치 및 기구에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다.
도 1a는, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 로봇 자궁 조작 시스템의 사시도이다.
도 1b는, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 기준선 위치에서의, 도 1a의 자궁 조작 시스템의 측면도이다.
도 2는, 치수가 mm인, 로봇 아암의 측면도이다.
도 3은, 6개의 조인트가 표시된, 도 2의 아암의 사시도이다.
도 4는 자궁 조작부의 측면도이다.
도 5a 내지 도 5h는 각각, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 기계적 인터페이스의 정면 사시도, 후면 사시도, 정면도, 배면도, 좌측 측면도, 우측 측면도, 상면도 및 저면도이다.
도 6은 센서의 사시도이다.
도 7은 도 6의 센서의 측면도이다.
도 8은, 기계적 인터페이스가 개방 위치이고 자궁 조작기가 그로부터 탈착된, 도 1a의 자궁 조작 시스템의 사시도이다.
도 9는 운동역학을 위한 기준 지점(팁, 받침점, 핸들)을 도시하는, 도 4의 자궁 조작기의 측면도이다.
도 10은, 피치를 도시하는, 기준선 위치에서의, 도 9의 자궁 조작기의 측면도이다.
도 11은, 요(yaw)를 도시하는, 기준선 위치에서의, 도 9의 자궁 조작기의 상면도이다.
도 12는, 기준선 위치로부터 병진운동된 위치로의 병진운동을 도시하는, 도 9의 자궁 조작기의 측면도이다.
도 13은, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 소프트웨어 시스템 아키텍처의 도면이다.
도 14는 각각의 소프트웨어 항목을 위한 개별적인 소프트웨어 유닛의 표이다.
도 15는 최상위 레벨 항목 유한 상태 기계의 도면이다.
도 16은, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 그래픽 사용자 인터페이스의 도면이다.
도 17a 내지 도 17d는 각각, 아암을 위한 예시적인 자유도를 도시하는, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 로봇 자궁 조작 시스템의 개략적 측면도, 정면도, 상면도, 및 사시도이다.
도 18a 내지 도 18c는, 셋업 위치 결정 시스템을 갖는 예시적인 카트를 도시하는, 도 17a 내지 도 17d에 도시된 바와 같은 로봇 자궁 조작 시스템의 정면도 및 측면도이다.
도 19a 및 도 19b는, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 시작 위치에 대한 용인 가능 범위의 예시적인 가시적 표시부를 도시하는 사시도이다.
도 20a 및 도 20b는 각각 본 발명의 여러 실시형태에 따른 로봇 자궁 조작 시스템의 콘솔 상에서의 예시적인 사용자 제어부의 사시도 및 상면도이다.
도 21a 내지 도 21c는 각각 본 발명의 여러 실시형태에 따른 로봇 자궁 조작 시스템의 콘솔 상에서의 예시적인 사용자 제어부의 사시도, 상면도 및 측면도이다.
도 22는, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 로봇 자궁 조작 시스템의 콘솔 상의 이동 가능 사용자 제어부를 도시하는 상면도이다.
도 23은, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 로봇 자궁 조작 시스템의 콘솔의 개략적 사시도이다.
도 24는, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 로봇 자궁 조작 시스템의 운반을 도시하는 개략적 측면도이다.
도 25는, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 로봇 자궁 조작 시스템의 콘솔 및 로봇의 예시적인 유선 연결의 개략적 측면도이다.
도 26은 환자 내로의 대칭적인 삽입을 도시하는, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 로봇 자궁 조작 시스템의 개략적 상면도이다.

자궁적출술과 같은 최소 침습적 (로봇 보조 또는 수동 복강경) 부인과 시술에서, 환자의 자궁은 수술 중에 케이스의 특정 요구 사항에 따라 정확하게 배치될 필요가 있다. 자궁 조작은 성공적인 최소 침습적 자궁적출술의 중요한 구성요소이고, 해부조직은, 예를 들어, 요관, 자궁의 현수 인대 및 자궁 혈액 공급부의 안전한 절개를 위해 자궁을 틸팅 및/또는 변위시키도록 조작된다.

현재의 실무 표준은, 수술 레지던트 또는 펠로우(fellow)가 수술 외과의로부터 위치적 지시를 받아 하나 이상의 핸드헬드 도구를 사용하여 수동으로 자궁을 조작하는 것이다. 수술이 진행되는 동안, 레지던트나 펠로우가 수술 로봇의 큰 풋프린트(footprint)와 같은 수술에서 사용되는 다른 장비 주위에서 그들 스스로 조종해야 하기 때문에, 이러한 실무는 상당한 물리적 문제가 나타날 수 있다. 자궁을 조작하는 개인이 불편한 각도에서 또는 회음부의 측면에 위치될 수 있기 때문에, 이러한 실무는 난제가 될 수 있다. 이는 또한 물리적으로 힘들 수 있다.

본 발명은 그러한 문제를 극복하고, 여러 실시형태에서, 현재의 실무 표준에 비해서 더 정확하고 정밀한 대상 해부조직의 조작 및 위치 결정을 제공할 수 있는, 수술을 위한 로봇 해부학적 조작 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명의 실시형태에 따른 로봇 해부학적 조작 시스템 및 방법을 이용할 때, 외과의는 제어 콘솔로부터의 해부조직의 위치를 수술 테이블로부터 멀리 그리고 임의의 수술 로봇 장비/별도의 수술 로봇 제어 콘솔(존재하는 경우)로부터 멀리 제어할 수 있다. 외과의는 조작 기구 및 환자의 해부조직을 더 정확하게 희망 위치로 더 정밀하게 제어할 수 있고, 더 우수한 수술 결과를 얻을 수 있다.

시스템 하드웨어

본 발명의 실시형태는 로봇 및 콘솔을 포함하는 로봇 해부학적 조작 시스템을 제공한다. 로봇은, 예를 들어, 카트, (예를 들어, 6의 자유도를 갖는) 아암, 그리고 컴퓨터 및 전력 공급부를 포함하는 아암 지원 하드웨어를 포함할 수 있다. 카트는, 아암이 위에 위치되는, 이동식 또는 고정식 유닛이다. 아암은 분리된 엔드 이펙터를 유지하고 배치한다. 기계적 인터페이스는 엔드 이펙터를 아암에 연결한다. 콘솔은, 아암과의 인터페이스를 위해서 이용되는 하나의 유닛 내로 통합될 수 있는, 예를 들어, 조이스틱(또는 다른 입력 장치), 사용자 인터페이스, 인에이블/디스에이블 버튼, 및 비디오 피드를 포함할 수 있다. 조이스틱은 실시간 모션 입력을 아암에 제공하기 위해서 이용된다. 본원에서 사용된 바와 같이, "조이스틱"이라는 용어는, 실질적으로 유사한 제어 기능을 제공하도록 구성된, (선택적으로, 하나 이상의 버튼, 스위치, 트리거, 스크롤 휠, 등을 포함하는) 기부 상에서 피벗되는 제어 컬럼/스틱 또는 현재 알려진 또는 개발될 임의의 다른 입력/제어 장치를 지칭한다. 사용자 인터페이스는 아암의 상태에 관한 피드백을 사용자에게 제공하고, 구성 매개변수를 입력하기 위한 수단을 제공한다. 비디오 피드는 수술을 모니터링하기 위해서 사용되는 카메라로부터의 라이브 신호를 디스플레이한다.

로봇은 수술 테이블 부근에(예를 들어, 부인과 수술을 위한 테이블의 받침부(foot)에) 배치되도록 구성된다. 일부 실시형태에서, 콘솔은 수술실 내에서 로봇 부근에 배치될 수 있고, 유선 또는 무선 연결에 의해서 연결될 수 있다. 다른 실시형태에서, 콘솔은 로봇으로부터 이격되어(예를 들어, 다른 방 또는 다른 지리적 위치에) 위치될 수 있고, 무선 연결로 연결될 수 있다.

도 1a는, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 로봇 자궁 조작 시스템(100)의 사시도이다. 드레이프(drape)(300)에 의해서 전체 또는 부분적으로 덮일 수 있는 로봇 아암(200)은, 환자 인터페이스 엔드 이펙터인, 자궁 조작기(400)를 유지 및 배치한다. 맞춤형 기계적 인터페이스(500)가 자궁 조작기(400)를 아암(200)에 연결하고, 사용 시에 자궁 조작기(400)의 운동역학적 및 다른 사양을 지원한다. 센서(미도시; 도 8 참조)가 기계적 인터페이스(500)와 아암(200) 사이에 배치될 수 있다. 도 1b는 기준선 아암 위치에서의 도 1a의 자궁 조작 시스템의 측면도이고, 일부 실시형태에 따라, 자궁 조작기(400)는, 조작기 핸들이 바닥과 실질적으로 평행하고 조작기 팁이 위쪽을 향하는 상태로, 수직 평면 내에서 유지된다. (예를 들어, 부인과 시술을 위한) 일부 실시형태에서, (수술 테이블 아래의 공간을 이용하기 위해서) 아암(200)의 엘보는 도 1a에 도시된 바와 같이 손목부 아래에 배치될 수 있다. 일부 실시형태에서, 가시적인 마킹(202)(예를 들어, 범위 바(range bar) 및 정렬 화살표; 또한 도 19a, 도 19b 참조)이 아암(200)의 하나 이상의 조인트 상에 제공되어, 사용자 고유의 각도 및/또는 수술을 위한 시작 위치 또는 수술 동작 범위에 대한 안전 범위를 표시할 수 있다. 안전 범위는, 예를 들어, 각각의 조인트 상의 화살표가 조인트의 다른 측면 상의 밴드 내에 있는 경우에, 얻어질 수 있다. 따라서, 외과의 또는 의사의 보조자가, (예를 들어, 콘솔이 근처에 없는 경우에) 마킹(202)을 가시적 안내부로서 이용하여, 로봇 아암을 안전/수용 가능 시작 위치에 수동으로 배치할 수 있다.

일부 실시형태에서, 아암(200)은, Universal Robots의 UR5과 같은, 협력적인 산업용 로봇 아암을 포함한다. UR5는 각각 ± 360°의 작업 범위를 가지는 6개의 회전 조인트를 가지고, 5 kg(11 lbs)의 페이로드(payload)를 지지하고, 850 mm(33.5 인치)의 도달 거리를 갖는다. 예를 들어, 기술적 사양에 대해서 universal-robots.com/media/1801303/eng_199901_ur5_tech_spec_web_a4. pdf를 참조한다. UR5의 측면도가 도 2에 도시되어 있고, 그 치수를 mm로 나타낸다(universal-robots.com/download/ under Mechanical documentation, UR5 documentation, Robot working area, Robot dimensions area PDF로부터 얻은 도면). UR5의 도면이 도 3에 도시되어 있고, 로봇의 조인트: A(기부), B(쇼울더), C(엘보), 및 D, E, F(손목부(1, 2, 3))를 보여준다. 예를 들어, Universal Robots User Manual, UR5/CB3, Euromap67, Version 3.5.3, Original instructions (en), US Version을 참조한다. UR5와 같은 로봇 아암은 조립, 포장 등과 같은 작업을 위해서 다양한 산업에서 이용된다. 그러나, 본 발명 이전에, 이들은 수술에서 인간의 해부조직의 조작용으로는 구성되지 않았다.

일부 실시형태에서, 자궁 조작기(400)는 ConMed^TM Corporation의 VCare® Vaginal-Cervical Ahluwalia's Retractor-Elevator이나, 다른 엔드 이펙터도 사용될 수 있다. VCare®은 수술 및 진단 절차에서 자궁 및 자궁 경관의 조작 및 상승을 위한 일회용의 단일-사용 장치이다. OD는 5 mm(0.2 인치)이고, 길이는 인체공학적 핸들(406)을 포함하여 42 cm(16.4 인치)이다. VCare®의 측면도가 도 4에 도시되어 있다(www.conmed.com/en/customer-service/instructions-for-use/eifu-fmder에서, Instructions for Use for Product Catalog No. 60-6085-200A로 부터 얻은 도면). VCare® 장치(400)에서, 적절한 삽입 깊이를 획득하는 것을 돕기 위한 가시적인 그라데이션 마크(미도시)를 포함하고 환자 단부에서 10-cc 팽창 가능 풍선(401)을 가지는, 절연된 조작기 관(407)이 제공된다. 주사기(미도시)가 파일롯 풍선(408) 상의 팽창 밸브(409)에 부착되어, 공기로 팽창 풍선(401)을 팽창시킬 수 있다. 조작기 관(407)은 환자의 해부조직(예를 들어, 천골 곡선의 각도)에 일치되는 자연적인 곡선형 샤프트를 갖는다. 그라데이션 마크는 그라데이션화된 자궁 사운드(sound)와의 비교를 위한 안내를 제공한다(그리고, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 또한 환자-고유의 거리/받침점 위치를 표시한다). 풍선(401)은 자궁을 고정하고, 자궁 공동 내에서 샤프트를 안정화시킨다. 자궁 경관(원위) 컵(402)은, 환자의 자궁 경관의 크기에 따라 다양한 크기(예를 들어, S, M, L, XL)로 주문된다. 자궁 경관 컵(402)은 질절개 안내를 제공하고, 자궁의 개선된 안정성을 위해서 컵을 제 위치에 봉합하기 위한 홀을 포함한다. 질(근위) 컵(403)이, 손잡이 나사(405)를 갖는 활주 가능 록킹 조립체(404)에 의해서, 전진될 수 있고 자궁 경관 컵(402)의 후방 연부에서 제 위치에 록킹될 수 있으며, 그에 따라 자궁 경관 컵(402)을 고정하고 기복술(pneumoperitoneum)을 유지한다.

다른 실시형태에서, 상업적으로 입수할 수 있거나 맞춤 설계된, 상이한 로봇/아암(200) 및/또는 상이한 자궁 조작기(400)(또는 상이한 해부조직을 조작하도록 구성된 다른 유형의 엔드 이펙터)가 이용될 수 있다. 환자 및 각각의 수술의 필요성을 기초로, 상이한 엔드 이펙터들(400)이 외과의에 의해서 선택될 수 있다. 기계적 인터페이스(500)가 그에 따라 구성될 수 있다.

UR5 로봇 아암(200) 및 VCare® 엔드 이펙터(400)를 이용하는, 전술한 예시적인 실시형태에서, 기계적 인터페이스(500)는, 예를 들어, 폐쇄/록킹 위치를 도시하는 도 5a 내지 도 5h에 도시된 바와 같이, 구성될 수 있다. 도 5a는, 전방 및 좌측 측면을 도시하는, 예시적인 기계적 인터페이스(500)의 전방 사시도이다. 도 5b는, 후방 및 우측 측면을 도시하는, 도 5a의 기계적 인터페이스의 후방 사시도이다. 도 5c 내지 도 5h는 각각 도 5a의 기계적 인터페이스의 정면도, 후면도, 좌측 측면도, 우측 측면도, 상면도, 및 저면도를 도시한다. 기계적 인터페이스(500)의 상단 표면은, 로봇 아암(200)(또는, 후술되는 바와 같이, 로봇 아암(200)에 부착된 센서(600))에 볼트 체결되도록 구성된 연장/연결부 부분(510)을 포함한다. 기계적 인터페이스(500)의 하단부는 개구부(520)를 포함하고, 그러한 개구부를 통해서 자궁 조작기(400)의 핸들(406)이 기계적 인터페이스(500) 내로 삽입된다. 기계적 인터페이스(500)의 좌측 및/또는 우측 측면은 슬롯(530)(예를 들어, 개구부 또는 창)을 내부에 가질 수 있고, 그에 따라 사용자는 핸들(406)이 얼마나 깊게 삽입되었는지를 볼 수 있다. 신속 해제 메커니즘이 바람직하게 제공되며, 그에 의해서, 기계적 인터페이스(500)의 전방 부분(540)이, 예를 들어 돌출부(542)에 대항하여(against) (예를 들어, 전방 부분(540)에 표시된 화살표의 방향으로) 밀고 유지 탭(미도시)이 함몰부(544)와 정렬될 때가지 전방 부분(540)을 활주시킴으로써, 기계적 인터페이스(500)의 나머지로부터 신속하게 탈착될 수 있고, 그에 따라 전방 부분(540)이 조작기의 핸들로부터 이탈되어 해제될 수 있게 한다. 기계적 인터페이스(500)의 후방 표면, 핸들(406)이 기계적 인터페이스(500) 내로 삽입될 때, 자궁 조작기(400)의 핸들(406)을 해제 가능하게 유지하기 위한 래칭 메커니즘(550)을 포함한다(도 1a, 도 1b 참조). 위치(552)에 위치되는 래치(550)를 미는 것은 래치를 폐쇄/록킹 위치로 압박하고 나사(554)를 기계적 인터페이스(500)의 후방 표면 내의 개구부(556)를 통해서 밀고, 그에 따라 나사(554)는 조작기 핸들과 접경/결합될 수 있고 이를 제 위치에서 유지할 수 있다. 고무 또는 다른 탄성중합체 재료로 제조된 정지부(555)(도 8 참조)가 나사(554)의 원위 단부 상에 제공되어, 핸들(406)의 고정을 도울 수 있다. 위치(558)에서 래치(550)를 미는 것은 래치를 해제/언록킹 시킬 수 있고, 나사(554)가 개구부(556)로부터 후퇴될 수 있게 한다(개방/언록킹 위치를 도시하는 도 8 참조).

일부 실시형태에서, ATI Industrial Automation, Inc.의 Mini40과 같은, 힘/토크(F/T) 센서(600)가 아암(200)의 원위 단부에 제공될 수 있다. Mini40은, 큰 항복 강도의 스테인리스 강으로부터 컷팅된 EDM 와이어로, 큰 강도를 갖는다. 이는 또한, 통상적인 호일 게이지보다 75배 더 강한 신호를 제공하는 실리콘 스트레인 게이지로, 큰 신호-대-잡음비를 갖는다. 예를 들어, www.ati-ia.com/Products/ft/ft_models. aspx?id=Mini40를 참조한다. 도 6은, 도구 측면을 보여주는, Mini40-E 트랜스듀서의 사시도이다. 도 7은, 좌측에 장착 측면이 그리고 우측에 도구 측면이 도시된, Mini40-E 트랜스듀서의 구체적인 측면도를 도시하는 도면이다(www.ati-ia.com/app_content/Documents/9230-05-1314.auto.pdf로부터 획득한 도면). Mini40에서, 장착 어뎁터 및 도구 어댑터가 알루미늄 또는 스테인리스 강으로 제조될 수 있고, 트랜스듀서는 경화된 스테인리스 강일 수 있다. 다른 실시형태에서, 상이한 유형의 F/T 센서(600), 또는 개별적인 힘 및/또는 토크 센서들이 이용될 수 있다.

도 8은, 기계적 인터페이스(500)가 언래칭되고 VCare® 자궁 조작기(400)가 그로부터 탈착된, 도 1a의 자궁 조작 시스템의 사시도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, Mini40와 같은 센서(600)가 UR5 아암(200)의 원위 단부에 부착될 수 있고, 이러한 경우에 기계적 인터페이스(500)는, 아암(200)에 직접적으로 볼트 체결되는 대신, 센서(600)에 볼트 체결될 수 있다. 고무 정지부(555)가 기계적 인터페이스 래치(550) 상의 나사(554)의 단부에 부착될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, (환자와 로봇 사이에서 멸균 필드를 유지하기 위해서) 아암(200), 센서(600) 및 기계적 인터페이스(500)의 적어도 일부를 덮을 수 있는, 일회용 멸균 드레이프(300)(예를 들어, 투명 플라스틱 드레이프)가 제공될 수 있다. 자궁 조작기(400)의 핸들(406)은 기계적 인터페이스(500) 상의 개구부(520) 내로 삽입될 수 있고, (예를 들어, 고무 정지부(555)가 핸들(406) 상의 홈 내로 피팅되도록) 기계적 인터페이스 래치(550)가 폐쇄될 수 있다.

도 9 내지 도 12는, 본 발명의 일부 실시형태에 따른, 자궁 조작기(400)의 이동을 도시한다. 도 9는, 도 10 내지 도 12에서 반복된, 운동역학을 위한 기준 지점(핸들, 받침점, 팁)을 도시하는, 도 4의 자궁 조작기의 측면도이다. 받침점으로부터 팁까지의 거리는 개별적인 환자에 따라 다르다. 이러한 환자-고유의 거리는 VCare® 상의 번호가 부여된 마크를 이용하여 측정된다. 록킹 위치에 상응하는 숫자가, VCare® 삽입 후에, 로봇 셋업에 위치되는 제어 콘솔을 통해서 운동역학적 소프트웨어 내로 입력될 수 있다(예를 들어, 도 15의 "받침점 위치(cm)" 참조). 도 10은, 피치를 도시하는, 기준선 위치에서의, 자궁 조작기(400)의 측면도이다. 기준선 위치에서, 자궁 조작기는, 핸들이 바닥에 평행하고 팁이 위쪽을 향하는 상태로, 수직 평면 내에서 유지된다. 기준선/시작 위치(0, 0, 0)가 3-D 공간 내의 지점으로 하드 코딩될(hard coded) 수 있다. 도 11은, 요를 도시하는, 기준선 위치에서의, 자궁 조작기(400)의 상면도이다. 도 12는, 기준선 위치로부터 병진운동된 위치로의 대표적인 병진운동을 도시하는, 자궁 조작기(400)의 측면도이다. 콘솔에서의 조이스틱 이동이 팁의 모션을 결정한다.

아암 모션

도 17a 내지 도 17d는 각각, 이동식 카트(700), 아암(200), 기계적 인터페이스(500)(부착/도시되지 않은 엔드 이펙터(400))를 포함하는, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 로봇 자궁 조작 시스템(100)의 개략적 측면도, 정면도, 상면도, 및 사시도이다. 도시된 바와 같이, 아암(200)은 X, Y, 및 Z 방향을 따른 +/- 병진운동뿐만 아니라 시계방향 및 반시계방향의 회전을 제공하도록 구성된다.

일부 실시형태에서, 아암은, 기준선 위치로부터 +0/-30 도의 시작 피치를 가지고, 자궁 조작기를 수동으로 배치할 수 있다. 아암은 또한 프로그래밍 가능 제어기에 의해서 제어될 수 있다. 일부 실시형태에서, 아암은 자궁 조작기 팁을 앞서 규정된 시작 위치로부터 적어도 +50 도 및 -40 도의 피치로 배치할 수 있다. 자궁 조작기 팁 피치는 받침점으로부터 팁까지 측정된다. 일부 실시형태에서, 아암은 자궁 조작기 팁을 앞서 규정된 시작 위치로부터 적어도 +45 도 및 -45 도의 요로 배치할 수 있다. 일부 실시형태에서, 아암은 자궁 조작기 팁을 앞서 규정된 시작 위치로부터 8 cm 정방향으로 병진운동시킬 수 있다. 병진운동은 받침점과 팁 사이에 형성된 라인을 따른다. 일부 실시형태에서, 아암은 자궁 조작기를 피치, 요 및 병진운동의 극단부에 동시에 배치할 수 있다. 일부 실시형태에서, 아암은 전술한 정방향 병진운동 방향으로 5 파운드의 힘을 인가할 수 있다. 일부 실시형태에서, 자궁 조작기 핸들은, 5 파운드의 힘이 임의의 일차적인 방향으로 자궁 조작기 팁에 인가될 때, 1 cm 이하로 이동할 수 있다. 이는 아암 모션 및 핸들/수용부 인터페이스 기울기를 설명한다.

카트

도 18a는, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 도 17a 내지 도 17d에 도시된 바와 같은 로봇 자궁 조작 시스템(100)의 정면도이고, 도 18b 및 도 18c는 측면도이다. 도 18a 내지 도 18c에 도시된 바와 같이, 일부 실시형태에서, 카트(700)는 (예를 들어, 실질적으로 수평인 이동 가능 플랫폼/기부를 포함하는) 셋업 위치 결정 시스템(710)을 포함할 수 있고, 셋업 위치 결정 시스템에는 아암(200)이 해제 가능하게 또는 영구적으로 고정될 수 있다. 위치 결정 시스템(710)은, 예를 들어, X, Y, 및/또는 Z 방향으로 +/- 병진운동을 제공하도록 구성될 수 있다. 셋업 위치 결정 시스템(710)은, 해부학적 조작을 위한 아암(200)(그리고 기계적 인터페이스(500), 그에 부착된 엔드 이펙터(400))의 정교한 배치에 앞서서, 초기 위치 결정을 위해서 이용될 수 있다.

일부 실시형태에서, 카트는 자궁 조작기를 (예를 들어, 5 백분위수 및 95 백순위수 엘보 높이에 상응하는) 약 39 인치 내지 약 48인치의 높이 범위 내에서 기준선 위치에 배치할 수 있다. 브레이크가 인가되고 22 파운드까지의 힘이 카트의 상단 연부에 인가될 때, 카트는 고정되어 유지될 수 있다. 22 파운드의 힘이 기준선 아암 위치에서 아암에 인가되고 바퀴가 록킹될 때, 카트의 모든 바퀴는 바닥과 완전히 접촉되어 유지될 수 있다. 22 파운드의 힘의 부동화(immobilization)는 자궁 조작 케이스에서 안전한 사용을 위한 충분한 안정성인 것으로 간주되었으나; 카트는 다른 적용예에서 (더 크거나 작은) 다른 힘 한계를 견디도록 구성될 수 있다. 로봇은, 0도 내지 -30도 반전 트렌델부르크 자세(reverse Trendelenburg)의 수술 테이블 기울기를 가지고, 자궁 조작기를 기준선 위치에 배치할 수 있다. 로봇은 범용적인 100 내지 240 VAC 50 내지 60 Hz로부터 전력을 공급받을 수 있다. 로봇은 독립적인 안전 오버라이드 기능(safety override functionality)을 위해서 아암의 힘 및 토크를 모니터링할 수 있다. 안전 모니터링 및 개입은 로봇 위치 결정 시스템과 독립적일 수 있다. 로봇은 비상 정지 능력을 포함할 수 있다.

기계적 인터페이스

도 19a는, 기계적 인터페이스(500)에 연결되는, 아암(200)의 원위 단부에 위치되는 예시적인 마킹(202)의 상세도이다. 마킹(202)은 일반적으로 조인트 위치에 대한 허용 가능한 셋업 범위의 가시적인 표시부를 제공하는 기능을 할 수 있다. 예를 들어, 범위 표시부 스트립(204)이 주어진 조인트의 일 측면 상에 제공될 수 있다. 범위 표시부 스트립(204)의 중앙 부분(205)이 허용 가능한 셋업 범위를 표시할 수 있다. 범위 표시부 스트립(204)의 선택적인 단부 부분(206)이 허용 가능한 셋업 범위의 외부 한계를 표시할 수 있다. 범위 위치 화살표(207)가 조인트의 다른 측면 상에 제공되어, 위치가 허용 가능 범위 이내인지의 여부를 표시할 수 있다. 화살표(207)가 범위 표시부 스트립(204)의 중앙 부분(205) 내에 있을 때, 사용자는 허용 가능한 시작 위치를 확인할 수 있다. 도 19b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 일부 실시형태에서, 가시적 표시부/마킹(202)이 모든 조인트 상에 제공될 수 있다. 다른 실시형태에서, 가시적 표시부/마킹(202)이 조인트의 하위 세트 상에만 제공될 수 있다.

일부 실시형태에서, 아암은, 예를 들어, 약 5 파운드의 힘이 임의의 일차적인 방향으로 자궁 조작기의 팁에 인가될 때, 기계적 인터페이스를 통해서 자궁 조작기와의 연결을 유지할 수 있다. 일부 실시형태에서, 기계적 인터페이스는, 로봇 아암 또는 카트의 이동 없이 자궁 조작기가 예를 들어 5초 이내에 해제될 수 있게 하는, "신속-해제" 메커니즘을 포함할 수 있다.

콘솔

도 20a 및 도 20b는 각각, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 로봇 자궁 조작 시스템(100)의 부품인, 콘솔(800) 상에서의 예시적인 사용자 제어부의 사시도 및 상면도이다. 조이스틱(802)이 X 및 Y 방향의 병진운동 및 시계방향/반시계방향 회전을 제공할 수 있는 한편, 스위치 또는 롤러(804)가 Z 방향의 병진운동을 제공할 수 있다. 다른 실시형태에서, 로봇 자유도를 제어하기 위해서, 다른 사용자 제어부가 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 21a에 도시된 바와 같은 X 및 Y 방향의 병진운동, 도 21b에 도시된 바와 같은 양 방향의 회전, 그리고 도 21c에 도시된 바와 같은 Z 방향의 병진운동을 제공하는, 조이스틱(806)이 제공될 수 있다. 일부 실시형태에서, 사용자 제어부는 이동될 수 있고, 그에 따라 이들은 제어 패널 상에서 좌측 또는 우측 배향을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 22에 도시된 바와 같이, 도 20b에 도시된 바와 같은 사용자 제어부는 받침점(808)을 중심으로 좌측 배향으로부터 우측 배향으로, 그리고 그 반대로 회전될 수 있다. 도 23은, 일부 실시형태에 따른, 제어 콘솔(800)의 개략도이다. 바람직하게, 콘솔은, 하나 이상의 제어 표면/메커니즘, 비디오 능력, 및/또는 터치 스크린 또는 다른 능력을 가지는 사용자 인터페이스를 제공한다. 카트(700) 및 콘솔(800)은 바람직하게 (예를 들어, 한 명의 사람에 의해서 병원의 다른 지역으로) 용이하게 운반되도록 구성된다. 도 24는, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 로봇 자궁 조작 시스템(100)을 위한 예시적인 시스템 운반/전체적 이동 해결책의 개략적인 측면도이다.

일부 실시형태에서, 로봇은 유선 원격 콘솔을 통해서 사용자로부터 제어 입력을 수신할 수 있다. 유선 연결은, 예를 들어, (예를 들어, 외과의 및/또는 수술 로봇을 위한 충분한 공간을 제공하기 위해서) 적어도 15 피트 길이일 수 있으나, 다른 길이도 사용될 수 있다. 도 25는, 본 발명의 여러 실시형태에 따른, 로봇 자궁 조작 시스템(100)을 위한 예시적인 케이블 연결/케이블 관리 해결책의 개략적인 측면도이다. 바람직하게, 케이블은 (예를 들어, 운반/선적, 저장, 서비스 등을 위해서) 연결/분리될 수 있고 사용되지 않을 때 효율적으로 수납될 수 있다. 콘솔은 아암의 위치 제어부일 수 있다. 콘솔은 구성 매개변수(예를 들어, 음측 수심(sounding depth), 경계, 속력)를 입력하기 위해서 사용자에게 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다. 콘솔은, 작동될 때 조이스틱 및 사용자 인터페이스로부터의 아암의 이동 제어를 디스에이블할 수 있는 메커니즘(예를 들어, 버튼)을 포함할 수 있다. 이는, 소작과 같은 중요한 수술 시간 동안 안전을 보장하기 위한 것이다. 이는, 사용자 및 시스템 오류가 심각한 잘못된 아암 이동을 유발할 수 없게 보장한다. 콘솔은, 가시적 피드백(예를 들어, 경고 메시지 및/또는 조명)을 제공할 수 있는 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 콘솔은 또한, 가청적 피드백(예를 들어, 비프 또는 다른 경고 소리)을 제공할 수 있는 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 가청적 피드백은 모션을 나타낼 수 있고, 예를 들어, 이동 알람 및/또는 속력 알람과 같은 기능을 할 수 있다. 알람의 볼륨이 프로그래밍될 수 있고, 피치/톤/패턴이, 예를 들어, 이동 및 속력 모두의 가청적 표시를 제공할 수 있다. 사용자 제어 및 사용자 체험을 바람직하게 맞춤화할 수 있다. 예를 들어, 힘 레벨, 제어부의 물리적 배치, 및/또는 알람 레벨이 외과의(또는 다른 사용자)의 선호에 따라 맞춤화될 수 있다. 일부 실시형태에서, 백 오프 모드(back off mode)가 제공될 수 있고, 그에 의해서 힘 또는 기하형태적 한계에 도달하는 경우에, 사용자는 시스템을 안전 이동 또는 고정으로 수동으로 되돌릴 수 있다. 일부 실시형태에서, 정지 축 표시부가 제공될 수 있고, 그에 의해서 시스템은 록킹된/최대의 축/제어부를 가시적으로 표시할 수 있다. 그러한 가시화는 텍스트 및/또는 도표, 바람직하게 그 둘 모두를 포함할 수 있다.

바람직하게, 본 발명의 실시형태에 따른 로봇 자궁 조작 시스템(100)은 대칭적인 삽입을 위해서 구성되고, 모든 축을 따라서 양 방향(+/-)으로 동일한 모션 범위를 제공할 수 있다. 예를 들어, 개략적인 로봇(카트(700) 및 아암(200)) 및 환자(900)를 도시하는 도 26에 도시된 바와 같이, 일부 실시형태에서, 거리들(D)은 모든 모션 범위 내에서 실질적으로 동일할 수 있다.

멸균성

일부 실시형태에서, 아암은, 멸균 드레이프에 의해서 덮여 있는 동안 전수한 모션 요구 사항을 만족시킬 수 있다. 드레이프는 아암과 자궁 조작기 사이에서 멸균 경계를 제공할 수 있고, 그에 따라 자궁 조작기의 멸균성이 도킹 중에 유지되도록 보장한다. 본원에서 사용된 바와 같이, 도킹은 자궁 조작기를 로봇 아암 기계적 인터페이스 내로 교합시키는(mating) 작용을 지칭한다. 콘솔은 또한, 멸균 드레이프에 의해서 덮여 있는 동안, 그 의도된 기능을 수행할 수 있다. 로봇은 표준 병원 세정제로 세정될 수 있다. 콘솔은 표준 병원 세정제로 세정될 수 있다.

표준 준수

일부 실시형태에서, 시스템은 사용 지침(Instructions for Use)(IFU)을 포함할 수 있다. 모든 라벨링은 21 CFR 801에 설명된 요구 사항을 준수합니다. 시스템 레벨링은 미국 식품의약국의 Unique Device Identification requirements를 준수한다. 시스템은 바람직하게 IEC 60601-1 :2005(Medical Electrical Equipment - Part 1 : General Requirements for Basic Safety and Essential Performance)의 요구 사항을 만족시킨다.

시스템 소프트웨어

본 발명의 실시형태는 또한 로봇 해부학적 조작 시스템의 동작을 위한 소프트웨어를 제공한다. 소프트웨어는, 예를 들어, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 기존 로봇 아암 소프트웨어(예를 들어, UR5 Software), 기존 로봇 아암 소프트웨어 및 맞춤형 시스템 소프트웨어(예를 들어, UR5 Software + Lab VIEW System), 및 임베디드 소프트웨어(예를 들어, Embedded Safety System)를 포함할 수 있다.

배치 및 모션

소프트웨어는 아암을 자유 구동 모드(Freedrive Mode)로 배치할 수 있고, 그러한 모드에서 사용자는 아암의 각각의 조인트를 희망 위치로 수동으로 이동시킬 수 있다. 소프트웨어는 아암을 조작 모드(Manipulation Mode)로 배치할 수 있고, 그러한 모드에서 사용자는 조이스틱을 통해서 아암의 배치를 제어할 수 있다. 자유 구동 모드(UR5 Software)에서, 소프트웨어는 사용자가 아암을 수동으로 움직일 때마다 아암의 새로운 위치를 유지할 수 있다. 자유 구동 모드로부터 조작 모드로의 전이 중에, 소프트웨어는 아암을 그 수동 설정 위치에서 유지할 수 있다. 조작 모드(UR5 Software + Lab VIEW System)에서, 로봇 아암은, 로봇 아암 최대 부하를 초과하지 않는 외부 힘에 응답하지 않는다(즉, 조이스틱 또는 GUI를 통한 사용자 입력에 의해서 명령되지 않는 한, 로봇 아암은 그 위치를 유지할 수 있다). 사용자가 (조이스틱 또는 GUI를 통해서) 입력을 제거할 때, 소프트웨어는 아암 모션을 중단시킬 수 있고 아암의 위치를 유지할 수 있다. 소프트웨어는 아암의 위치를 기록할 수 있고, 조작 모드에 있는 동안, 사용자가, 하나의 입력과 같은 적은 입력으로, 아암이 자동적으로 해당 위치로 복귀하게 할 수 있다. 하나의 그러한 위치는 홈 위치(Home Position)이다. 홈 위치는, 아암을 자궁 조작기에 교합시키기 위해서 자유 구동을 이동한 한의 아암의 초기 위치를 지칭한다(이러한 위치는 일반적으로 0의 요를 가질 것이다). 조작 모드에서의 모션 중에 특정 이동 방향의 힘 및/또는 토크 판독값이 미리 결정된 Lab VIEW 힘 또는 토크 문턱값(Torque Threshold)을 초과할 때, 소프트웨어는 그러한 방향을 따른 아암의 계속적인 모션을 방지할 수 있다. 일부 실시형태에서, 자궁 조작에서의 이용을 위해서, 바람직한 Lab VIEW 힘 문턱값이 10 lbf(파운드-힘) 또는 약 10 lbf였고 바람직한 Lab VIEW 토크 문턱값이 70 인치-lbs(인치-파운드-힘) 또는 약 70 인치-lbs였다는 것이 결정되었다. 다른 실시형태에서, 다른 Lab VIEW 토크 및/또는 힘 문턱값이 설정될 수 있다. 상향 피치 입력이 사용자에 의해서 특정될 때, 소프트웨어는 아암을 이동시켜 상향 피치를 수행한다. 하향 피치 입력이 사용자에 의해서 특정될 때, 소프트웨어는 아암을 이동시켜 하향 피치를 수행한다. 좌측 요 입력이 사용자에 의해서 특정될 때, 소프트웨어는 아암을 이동시켜 좌측 요를 수행한다. 우측 요 입력이 사용자에 의해서 특정될 때, 소프트웨어는 아암을 이동시켜 우측 요를 수행한다. 전방 병진운동 입력이 사용자에 의해서 특정될 때, 소프트웨어는 아암을 이동시켜 정방향 병진운동을 수행한다. 후방 병진운동 입력이 사용자에 의해서 특정될 때, 소프트웨어는 아암을 이동시켜 후방 병진운동을 수행한다.

안전

임베디드 소프트웨어(Embedded Safety System)가: F_x, F_y, F_z, T_x, T_y, 및 T_z에 상응하는 6개의 힘 및 토크의 채널을 획득할 수 있다. 임베디드 소프트웨어는 힘 및 토크 값을 적어도 초당 100번 획득할 수 있다. 임베디드 소프트웨어 제어기는 힘을 모니터링할 수 있고, 힘 판독값이 미리 결정된 임베디드 시스템 힘 문턱값(Embedded System Force Threshold)을 만족시키거나 초과할 때, 아암 모션의 전부 또는 하위 세트를 디스에이블시키기 위한 디지털 신호를 생성할 수 있다. 임베디드 소프트웨어 제어기는 또한 토크를 모니터링할 수 있고, 토크 판독값이 미리 결정된 임베디드 시스템 토크 문턱값을 만족시키거나 초과할 때, 아암 모션의 전부 또는 하위 세트를 디스에이블시키기 위한 디지털 신호를 생성할 수 있다. 토크 계산은, 힘이 자궁 조작기의 가장 먼 팁에서 인가되는 것으로 가정한다. 일부 실시형태에서, 자궁 조작에서의 이용을 위해서, 바람직한 임베디드 시스템 힘 문턱값이 12 lbf 또는 약 12 lbf였고 바람직한 임베디드 시스템 토크 문턱값이 90 인치-lbs 또는 약 90 인치-lbs였다는 것이 결정되었다. 다른 실시형태에서, 다른 임베디드 시스템 힘 및/또는 토크 문턱값이 설정될 수 있다. 임베디드 소프트웨어 제어기는, 로봇 아암의 '안전 정지(Safeguard Stop)' 기능을 활성화함으로써, 사용자가 모션 제어를 디스에이블시킬 수 있게 한다. 임베디드 소프트웨어 제어기에 의한 모션 제어의 디스에이블은 아암의 자유 구동 능력을 방지/취소할 수 있고, 예를 들어, 콘솔 카트 상의 인에이블/디스에이블 버튼을 통해서 제어될 수 있다.

사용자 인터페이스

소프트웨어(Lab VIEW System)는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 생성하여, (예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이) 터치스크린 제어 및 디스플레이 피드백을 제공할 수 있다. GUI는 자유 구동 모드 및 조작 모드 사이에서 토글(toggle)할 수 있는 능력을 사용자에게 제공할 수 있다. GUI는 로봇의 상태(예를 들어, 조작 모드 또는 자유 구동 모드)를 나타내는 피드백을 제공할 수 있다. GUI는, 시작 위치(홈 위치)가 유효한지 또는 유효하지 않은지의 여부를 나타는 피드백을 사용자에게 제공할 수 있다. 유효 홈 위치는, 아암이 해당 위치로부터 완전한 희망 모션 범위를 달성할 수 있다는 것을 의미한다. GUI는 측정된 실시간 힘 및/또는 토크 값을 사용자에게 디스플레이할 수 있고, 그에 따라 힘 또는 토크 문턱값에 접근하는 때를 조작자에게 알릴 수 있다. 이는, 예를 들어, 하나의 결과적인 힘 값 및/또는 하나의 결과적인 토크 값으로서, 사용자 인터페이스 상에서 디스플레이될 수 있다. GUI는, Lab VIEW 힘 또는 토크 문턱값에 접근되거나 도달될 때, 가시적인 피드백을 제공할 수 있다. GUI는, Lab VIEW 힘 또는 토크 문턱값에 접근되거나 도달될 때, 가청적인 피드백을 제공할 수 있다. GUI는 사용자가, 조작 모드에 진입하기에 앞서서, 받침점 위치를 설정하게 할 수 있다.

소프트웨어 시스템 아키텍처

개요

본 발명의 실시형태는 이하의 소프트웨어 구성요소를 제공한다: UR5 로봇 및 제어 시스템; Lab VIEW 제어 시스템; 임베디드 안전 시스템.

UR5 로봇 및 제어 시스템은, 모터화된 아암, 단일 기판 컴퓨터 제어 시스템, 사용자 인터페이스 터치 패널, 및 감독 안전 프로세서를 포함하는, 기성품의 폐쇄-루프 로봇이다. UR5 로봇 및 제어 시스템은 TCP/IP 인터페이스 및 디지털 I/O 라인을 통해서 외부 애플리케이션과 인터페이스한다. UR5 단일 보드 컴퓨터, 안전 프로세서, 및 터치 패널에서 작동하는 소프트웨어는, TCP/IP 및 디지털 I/O 인터페이스를 통해서 나머지 소프트웨어 아키텍처와 인터페이스하는, "SOUP" 유닛(출처를 알 수 없는 소프트웨어)으로 간주된다.

Lab VIEW 제어 시스템은 Windows PC에서 작동하는 맞춤형 Lab VIEW 개발 환경이다. 여러 실시형태에서, Lab VIEW 애플리케이션은 이하의 기능 중 하나 이상을 제공한다: 조이스틱/마우스로부터 조작자 모션 제어를 캡쳐하는 기능; 시스템 제어를 위해서 터치스크린 사용자 인터페이스를 제공하는 기능; 사용자가 자유 구동 모드를 활성화 및 비활성화시킬 수 있게 하는 기능; 로봇 모션을 위한 운동역학을 계산하고 명령을 로봇에 전송하는 기능; 엔드 이펙터로부터의 힘 및/또는 토크 피드백을 모니터링하는 기능; 힘 또는 토크 문턱값에 도달하거나 초과하는 경우에 정지 신호를 로봇에 전송하는 기능.

임베디드 안전 시스템(임베디드 시스템)은 Atmel® XMEGA® C3 플랫폼에서 작동하는 맞춤형 펌웨어이고, 이는, 엔드 이펙터로부터 힘 및 토크 피드백을 수신하기 위해서 그리고 환자에 가해지는 힘 또는 토크가 안전 문턱값에 도달하거나 초과하는 경우에 로봇에 대한 디지털 디스에이블 명령을 생성하기 위해서, 16 비트 메가 마이크로제어기(예를 들어, ATxmega384C3)를 포함한다. 임베디드 시스템은 또한 사용자로부터의 인에이블/디스에이블 입력을 캡쳐하고, 로봇에 대한 명령을 생성한다. 임베디드 시스템은, 소프트웨어 유닛들 사이에서 라운드-로빈(round-robin) 및 스케줄링을 제공하도록 설계된 메인 루프 유닛(Main Loop unit)을 이용한다. ADC 유닛은 아날로그 대 디지털 변환 하드웨어 인터페이스 유닛을 제어한다. 힘 계산 유닛은 ADC 유닛에 의해서 획득된 모든 전압을 힘 및 토크 값으로 변환한다. 로봇 릴레이 제어 유닛(Robot Relay Control unit)은, 환자에 가해지는 힘 또는 토크가 미리 결정된 문턱값에 도달하거나 초과하는 경우에, 로봇을 위한 디스에이블 신호를 생성한다.

일부 실시형태에서, 소프트웨어 시스템 아키텍처의 안전 특징은 이하 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다.

힘 문턱값 정지(Force Threshold Stop): Lab VIEW 제어 시스템 및 임베디드 안전 시스템 모두는 힘 및 토크 신호를 F/T 센서로부터 획득할 수 있고, 설정된 문턱값에 도달하거나 초과하는 경우에 UR5 모션을 제한할 수 있다. Lab VIEW 제어 시스템은 힘을 보수적인(conservative) "경고" 문턱값에 비교할 수 있고, 그에 도달하거나 초과하는 경우에, 시스템은 그 프로세싱을 조정하여 힘-증가 방향(들)을 따른 모션 제어를 중단시키나, 힘-감소 방향(들)을 따른 모션 제어는 허용하며, 그에 따라 의사는 시스템을 분리할 수 있고 힘을 감소시킬 수 있다. 임베디드 안전 시스템은 힘을 "경고" 문턱값보다 큰 안전 문턱값에 비교할 수 있고, 그러한 값에 도달하거나 초과하는 경우에, UR5의 안전 제어기 유닛에 대한 비상 신호가 활성화될 수 있고, 이는, 시스템이 의사에 의해서 수동으로 재-인에이블될 때까지, UR5의 모든 제어를 디스에이블시킬 수 있다.

안전 인에이블/디스에이블: (예를 들어, 컷팅 중에) 임계 지점에서의 의도하지 않은 이동에 대해서 보호하기 위해서, 임베디드 안전 시스템은 인에이블 모드와 디스에이블 모드 사이에서 토글하는 누름 버튼을 포함할 수 있고, 이는 인에이블/디스에이블 LED에 의해서 표시될 수 있다. 적절한 시간에, 의사는, 누름버튼을 토글링하여 이를 디스에이블 모드가 되게 함으로써, 자궁 조작 시스템의 모션 능력을 디스에이블시킬 수 있다. 이러한 모드에서, 출력 신호가 로봇 릴레이 제어부(Robot Relay Control)에 의해서 생성되어, UR5 로봇의 안전 제어기 내의 릴레이를 트리거링하고, 이는 Lab VIEW로부터의 모션 또는 자유 구동 명령이 무시되게 한다.

소프트웨어 시스템 항목 및 유닛

도 13은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 소프트웨어 시스템 아키텍처를 도시한다. 일차적인 맞춤형 소프트웨어 구성요소는 힘 및/또는 토크를 모니터링하고 문턱값을 초과하는 경우에 로봇을 디스에이블 시키는 "임베디드/안전 시스템(Embedded/Safety System)", 및 UR5 로봇 아암의 실기간 제어를 제공하는 "Lab VIEW 시스템"이다. 최상위-레벨의 소프트웨어 항목의 각각이 도 14에 도시된 바와 같이 개별적인 소프트웨어 유닛들로 분해된다. 실시예 1은 임베디드/안전 시스템을 더 설명하고, 실시예 3은 그 지원 유닛의 각각에 관한 추가적인 상세 내용을 제공한다. 실시예 2는 Lab VIEW 시스템을 더 설명하고, 실시예 4는 그 지원 유닛의 각각에 관한 추가적인 상세 내용을 제공한다. 도 13 및 도 14를 참조한다:

"Lab VIEW 시스템"("Lab VIEW 제어부")에서, "제어" 유닛은 Lab VIEW 유닛의 중앙 조정(central coordination)을 제공하고; 이러한 유닛은 디스플레이를 통해서 "운동역학", "힘 토크 판독값" 및 사용자 인터페이스로부터 사용자 입력을 수신하고, 로봇에 대한 명령을 생성한다. "운동역학" 유닛은 조이스틱 입력을 희망 자궁 조작 이동으로 변환한다. "힘 토크 판독값" 윤시은 F/T 센서를 모니터링하고, F/T 센서 값을 기초로 자궁 조작기 이동을 제한한다. "TCP/IP 판독" 유닛은, UR5 실시간 통신 인터페이스를 이용하여, UR5 상태를 판독한다. "TCP/IP 작성(TCP/IP Write)" 유닛은 URScript 프로그래밍 언어를 이용하여 UR5에 대한 명령을 작성한다. "Lab VIEW"는 획득, 계산 및 제어를 위한 실시간 프로세싱 플랫폼이다. "조이스틱 펌웨어"는, 위치를 전기 신호로 변환하는 조이스틱 내의 펌웨어이다. "디스플레이 펌웨어"("터치스크린 펌웨어")는, 제어 및 터치 프로세싱을 제공하는 터치스크린 내의 펌웨어이다. "NI 모듈 펌웨어"는 NI 디지털 출력 모듈 내의 펌웨어이다.

"임베디드/안전 시스템"에서, "주 루프(Main Loop)"는, 다른 유닛들을 위한 시간-기반 기능 및 조정을 제공하는 무한 루프이다. "GPIO"(범용 입/출력) 유닛은 인에이블/디스에이블 스위치로부터 디지털 입력을 획득하고 컨디셔닝한다. "ADC"(아날로그-대-디지털 변환기) 유닛은 F/T 센서에 의해서 생성된 6개의 힘 및 토크의 채널의 각각으로부터 전압 판독값을 획득한다. "힘 계산" 유닛은 F/T 센서로부터의 측정된 전압을 힘 및 토크 측정치로 변환한다. "로봇 릴레이 제어" 유닛은 로봇 전력 릴레이의 제어를 제공하고; 디지털 I/O 출력은, 시스템으로부터의 전력을 연결/제거함으로써 로봇을 인에이블/디스에이블시킬 수 있다.

"UR5 소프트웨어 시스템"에서, "주 제어기"는 UR5 로봇 아암의 조정된 모션 제어를 제공한다. "안전 제어기"는 UR5 주 제어기의 모션 제어 출력에 대한 감독 펌웨어이고; 이러한 펌웨어는 인에이블/디스에이블 입력 및 비상 정지를 수신하고, 로봇 모터 제어기에 대한 전력 출력을 제어한다.

일부 실시형태에서, 예시적인 소프트웨어 시스템 아키텍처에서 이용될 수 있는 "SOUP" 소프트웨어 유닛은 다음과 같다. "Lab VIEW"는, 예를 들어, National Instruments Lab VIEW 2016 vl6.0를 포함할 수 있다. "조이스틱 펌웨어"는 예를 들어 APEM HF46S10U HID 게임 제어기 6.1.7601.1899를 포함할 수 있다. "터치스크린 펌웨어"는 예를 들어 Gechic On-Lap 15031 358B10L5T0309를 포함할 수 있다. "NI 모듈 펌웨어"는 예를 들어 National Instruments NI-9485 MAX 17.0을 포함할 수 있다. UR5 "주 제어기"는 예를 들어 UR5 3.4.1.59를 포함할 수 있다. UR5 "안전 제어기"는 에를 들어 UR5 URSafetyA 504 및 URSafetyB 256을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 선택된 특정 로봇 아암, 조이스틱, 디스플레이, 및 소프트웨어 개발 환경에 따라서, 다른 버전 및/또는 다른 소프트웨어 유닛이 이용될 수 있다.

소프트웨어 계산

힘/토크: 일부 실시형태에서, 조작이 이루어질 때, 시스템은 힘 및 토크 판독값을 계속 모니터링한다. 힘 및 토크의 3개의 성분(F_x, F_y, F_z, T_x, T_y, T_z)이 하나의 힘 크기 및 하나의 토크 크기로 조합된다. 힘 및 토크에 대한 한계(예를 들어, 전술한 Lab VIEW 및 임베디드 안전 힘 및 토크 문턱값)가 소프트웨어 내에서 미리 설정된다(그리고 바람직하게는 서로 독립적이다). 특정 실시형태에서, 다른 힘 및/또는 토크 문턱값이 상이한 이동들을 위해서 설정될 수 있다는 것에 주목하여야 한다. 힘 또는 토크가 그 미리 설정된 한계에 도달하면, "트립(trip)" 스위치가 제어기의 로직 내에서 뒤집히고(flipped), (예를 들어, 상향 피치, 정방향 병진운동 등과 같은, 임의의 방향 또는 조합의) 한계가 초과된 조작 방식이 저장된다. 트립이 인에이블되면, 트립을 유발한 이동 방향에 반대로 이동시키기 위해서, 사용자는 사용자 인터페이스 상의 "홈" 버튼을 이용할 수 있거나, 조이스틱을 이용할 수 있다. 예를 들어, 정방향 병진운동에 의해서 힘 또는 토크 한계가 초과된 경우에, 유일하게 허용되는 이동은 홈 또는 역방향 병진운동일 수 있다. 임의의 다른 조이스틱 입력이 제어기에 의해서 무시될 수 있고 로봇은 이동하지 않을 수 있다. 트립은, 힘 및 토크가 미리 설정된 한계 미만의 약간의 마진까지 감소된 경우에만 디스에이블된다. 예를 들어, 7 lbf의 힘 한계가 초과되고 트립이 인에이블되는 경우에, 트립은, 힘이 5 lbf(2 파운드 마진) 미만으로 감소될 때까지, 디스에이블되지 않을 수 있다. 이러한 데드밴드(deadband)(마진)은 측정에서의 사소한 요동이 트립의 상태에 영향을 미치는 것을 방지하고, 트립을 디스에이블시키기 위해서 사용자가 별도의 작용을 취할 것을 요구한다. 트립이 디스에이블되면, 이동 제약이 해제되고, 트립을 유발한 방향을 포함하여, 정상 동작이 재개된다.

피치/요: 일부 실시형태에서, 피치 및 요 이동이 다음과 같이 계산된다. (바람직하게는 10 Hz로 작동되는) 운동역학적 모듈의 각각의 반복에서, 피치 및 요 입력은 조이스틱으로부터 판독된다(본 실시형태에서, 병진운동 입력이 수신되는 경우에, 피치 및 요 입력은 무시된다). 새로운 조작기 팁 위치를 계산하기 위해서 비교적 작은 피치 및 요가 선택된다. 작은 증분(increment)의 이용은 매끄러운 로봇 아암 모션(곡선에 대한 보다 양호한 접근)을 초래한다. 이어서, 새로운 조작기 핸들 위치 및 배향(즉, 로봇 아암 위치 및 배향)이 계산되고, 이는 팁을 새로운 위치에 배치하고 조작기를 받침점과 정렬되게 유지할 것이다. 새로운 계산된 로봇 아암 위치 및 배향을 현재 위치 및 배향과 비교하여, 이동 속도 벡터를 생성한다. 자궁 조작 시스템 제어기는, 특정 속력으로 특정 벡터를 따라서 이동하도록, 명령을 UR5에 전송한다. 이러한 명령은 초당 10번 업데이트되어, 희망 모션 곡선에 근접하는 일련의 벡터를 초래한다.

병진운동: 일부 실시형태에서, 병진운동 이동은 피치/요 이동과 유사한 방식으로 계산된다. 운동역학적 모듈의 각각의 반복에서, 받침점 및 자궁 조작기의 팁 모두를 통과하는 궤적이 생성된다. 이는, 도 12에 도시된 바와 같이, 병진운동이 따라서 이루어질 라인이다. (예를 들어, 정방향/자궁 내로의 또는 역방향/자궁 외로의) 병진운동 방향이 조이스틱으로부터 판독된다. 이어서, 새로운 핸들/로봇 아암 위치 및 배향이 2개의 단계로 계산된다. 첫 번째로, 조작기 팁을 새로운 위치에 배치하기 위해서 전체 자궁 조작기가 이동된 것으로 가정한다(즉, 배향은 변하지 않는다). 그러나, 이는 조작기가 받침점으로부터 오정렬되게 한다. 두 번째로, 조작기가 받침점과 재정렬되도록, 조작기가 새로운 팁 위치를 중심으로 회전되는 것으로 가정한다. 이어서, 이러한 2개의 단계로부터 새롭게 계산된 로봇 아암 위치 및 배향을 현재 위치 및 배향과 비교하여 속도 벡터를 생성하고, 이를 명령으로서 UR5에 전송하고 초당 10번 업데이트한다.

실시예

실시예 1: 임베디드/안전 시스템

일부 실시형태에서, 임베디드/안전 시스템이 다음과 같이 구성된다.

1.1 - 하드웨어 플랫폼

제어기 기판은 ATMEL XMEGA-C3 개발 기판이다. 제어기 기판은 내부 발진기를 통해서 32 MHz에서 동작하는 Atmel ATxmega384C3 8/16-비트 마이크로제어기를 이용한다. 내부 타이머는 그 기본 주파수로서 32 MHz를 이용하고, 필요에 따라 이를 분할한다. 이러한 마이크로제어기를 위해서 개발된 펌웨어가 이러한 장치에서 필요한 모든 실시간 제어 및 모니터링 기능을 수행한다. 이러한 마이크로제어기에서는 동작 시스템이 사용되지 않는다.

마이크로제어기는, 소프트웨어가 중단되거나 그 실행 시간을 만족시키지 못하는 경우에, 프로세서를 리셋하도록 구성된 워치독 타이머(Watchdog timer)를 포함한다.

IEEE 1149.1 순응 JTAG 인터페이스를 자궁 조작기 장치의 임베디드 기판에서 이용하여, 프로그래밍할 수 있고 마이크로프로세서의 디버깅을 수행할 수 있다. 이러한 JTAG 인터페이스는, 개발자가 마이크로프로세서의 애플리케이션 프로그램 및 부트로더 프로그램을 로딩할 수 있게 하고, 펌웨어 보호, 브라운아웃 검출(brownout detection), 부트로더 플래시 어드레스 범위(bootloader flash address range), JTAG 인에이블, 워치독 인에이블 등을 위해서 Atmel AVR ATxmega384C3 비트를 설정 또는 소거할 수 있게 한다. JTAG 인터페이스는 개발에서만 이용되고, 최종 사용자는 접근할 수 없다.

1.2 - 주 루프

마이크로프로세서 펌웨어 프로그램이 서비스 루프 주위에서 구조화된다. 서비스 루프는, 초당 100번 AVR 프로세서를 중단하는 내부 16-비트 타이머에 의해서 구동된다. 주 루프의 목적은 유닛을 초기화하는 것, 이어서 복합 유닛의 다양한 틱 기능(tick function)을 위한 정확한 타이밍을 제공하는 것이다.

100 Hz 서비스 루프는 그 각각의 실행에서 워치독 타이머를 리셋한다. 소프트웨어의 초기화 중에, 리셋이 워치독 타이머 경과로 인한 것이었는지를 확인하기 위해서, 프로세서 STATUS 레지스터가 체크된다. 그러한 경우에, 로봇은 안전 상태에 진입하고(안전 및 비상 릴레이 개방), 추가적인 코드 실행이 방지되며, 그에 따라 로봇의 사용을 방지한다.

1.3 - 유한 상태 머신(Finite State Machine)

도 14는, 임베디드 안전 시스템 유한 상태 머신(FSM)을 포함하는 상태 및 전이를 설명한다.

전원을 켤 때, 제1 상태는 초기화 상태이다. ADC 소프트웨어 유닛은, 초기화에 필요한 특정 타이밍 시퀀스를 가지는 외부 아날로그-대-디지털 변환 칩과 인터페이스한다. 전체 FSM은, ADC 유닛 초기화가 성공될 때까지, 초기화 상태에 머무른다. UR5 로봇에 대한 인에이블/디스에이블 출력이 인에이블되어, UR5 로봇이 초기화될 수 있게 하고 사용자가 로봇을 설정할 수 있게 한다.

유닛은 장치 동작의 대부분 동안 모니터링 상태에 머무른다. 이러한 상태 중에, 하위-레벨 유닛은 힘 및 토크를 모니터링하고, 사용자가 로봇을 인에이블 및 디스에이블시킬 수 있게 한다.

임의의 시간에서의 오류는 오류 상태로의 전이를 초래할 것이다. 오류를 초래하는 조건은 전체 유한 상태 머신 내의 예상치 못한 상태, 예상치 못한 ADC 유닛 내부 유한 상태 머신, 및 과다한 힘 또는 토크 값을 포함한다.

FSM은 고유 타이밍 고려 사항을 가지지 않고, 이는 단순히 다른 유닛(주로, 버튼 및 다양한 프로세스 데이터 공급원)으로부터의 신호를 모니터링하고 이어서 그에 따라 유닛에 대한 명령을 생성한다. 명령된 유닛이, 시간과 관련하여 그들의 활동들을 이격시킨다. 새로운 사용자 입력 또는 검출된 조건을 가능한 한 신속하게 프로세스하고 그에 응답하기 위해서, FSM은, 무한 루프의 모든 반복마다, 서비스 루프를 벗어나서 그 이후에 실행된다.

1.4 - 지원 유닛

하위 시스템을 관리하고 주 루프 유닛에 의해서 조정되는 각각의 지원 유닛에 관한 상세한 설명을 위해서 실시예 3을 참조한다.

실시예 2: Lab VIEW 시스템

일부 실시형태에서, Lab VIEW 시스템이 다음과 같이 구성된다.

2.1 - 하드웨어 플랫폼

Lab VIEW 하드웨어는 Lab VIEW 컴퓨터 및 Lab VIEW 하드웨어 제어기를 포함한다.

Lab VIEW 컴퓨터는 Lab VIEW 2016의 런 타임 엔진의 상단부에서 맞춤형 Lab VIEW VI(가상 기구)를 동작시키는 Windows 7 컴퓨터(Dell Optiplex 3050)이다. Lab VIEW 컴퓨터는 터치 스크린 패널과의 인터페이스, Lab VIEW 하드웨어 제어기와 통신하기 위한 USB 인터페이스, 및 UR5 로봇과 통신하기 위한 이더넷 포트에 대한 HDMI 출력을 생성한다.

Lab VIEW 하드웨어 제어기(National Instruments cDAQ-9174)는 Lab VIEW 컴퓨터와 하드웨어 모듈(NI-9205 및 NI-9485) 사이의 인터페이스를 제공한다. 하드웨어 모듈 NI-9205는, 엔드 이펙터 상의 ATI-IA F/T 센서로부터의 힘 및 토크 신호를 디지털화하기 위해서 이용되는 아날로그 전압 입력 모듈이다. 유사하게, 하드웨어 모듈 NI-9485는 UR5 로봇의 자유 구동 및 인에이블/디스에이블 입력을 제어하는 솔리드-스테이트 릴레이(Solid-State Relay)를 제공한다.

2.2 - 아키텍처

맞춤형 Lab VIEW VI는, 루프들 사이에서 통신되는 데이터 및 상태를 이용하여 병렬 루프로 실행되는 다수의 유닛을 포함한다. 병렬로 작동되는 최상위 레벨 유닛을 이하에 기재된 계층으로 나열하였다. 제어 및 힘-토크 판독 유닛은, 후속 유닛을 포함하는 루프이다. TCP 작성, 운동역학, 및 TCP 판독값은 더 높은 레벨의 제어 유닛 내에 있는 서브(Sub) VI이다.

●제어

o TCP 작성

^■ 운동역학적

o TCP 판독

●힘-토크 판독값

2.3 - 제어

제어 유닛은 UR5 로봇의 제어를 주로 담당한다. 제어 유닛은 (예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이) GUI를 통해서 사용자 입력을 획득한다. 제어 유닛은 또한 조이스틱을 통해서 사용자 위치 입력을 수신한다. 입력은 10 밀리초에서 실행되는 루프에서 프로세스된다. 받침점 위치(예를 들어, cm)는 자궁 조작기에서 측정되는 환자-고유의 거리를 기초로 입력된다. 이러한 환자-고유의 거리는 기하형태 및 핸들 모션을 변경할 것이다.

입력을 이용하여 UR5 로봇의 상태에 영향을 미친다. 운동역학적 유닛에 사용자 위치 입력이 제공된다. UR5 로봇에 대한 상응하는 변경이 TCP 작성 유닛을 통해서 명령된다. TCP 작성 유닛은 상태 또는 위치를 변경하기 위한 UR5에 대한 명령을 생성한다. 제어 유닛은, 로봇으로부터의 피드백을 분석하는 TCP 판독 유닛을 통해서 UR5 로봇의 상태를 판독한다.

제어 유닛은 또한 UR5 로봇의 위치 및 상태를 포함하는 로그 파일을 생성한다.

Lab VIEW VI는, 그 거동을 통제하는 5개의 상태: Init, Freedrive, Write Data/Manipulation, Not Normal, 및 Close를 갖는다.

Init: 이는 Lab VIEW 소프트웨어의 초기 상태이다. 로그 파일이 생성되고 그 초기 상태에 변수들이 명령된다. 상태는 자유 구동 상태 또는 데이터/조작 작성 상태(Write Data/Manipulation state)로 이동한다.

Freedrive: 이러한 상태는, 초기화 이후에 그리고 사용자가 자유 구동 모드가 되도록 구동 모드를 명령할 때, 입력된다. 제1 호출(call)에서만, 이러한 상태가 조이스틱 펌웨어를 초기화한다. UR5 로봇은 자유 구동 모드로 명령된다. 이러한 상태는, 사용자가 UI에서 조작 모드를 변경할 때까지, UI를 폐쇄할 때까지, 또는 UR5 로봇으로부터의 피드백이 비정상 상태를 나타낼 때까지, 유지된다.

Write Data/Manipulation: 이러한 상태는, 사용자가 조작 모드가 되도록 구동 모드를 설정할 때, 입력된다. 조이스틱 상태가 판독되고, 운동역학적 유닛을 따라서 전달되고, 최종적으로 TCP 작성에 의해서 사용되어 명령을 UR5 로봇에 전송한다. TCP 판독 유닛이 또한 실행되어, 로봇의 상태를 모니터링한다.

Not Normal: 이러한 상태는, TCP 판독 유닛에 의해서 분석된 바와 같은 UR5 로봇 피드백이 예상치 못한 상태로 복귀될 때, 입력된다. 그에 응답하여, 로봇은 안전 상태가 되도록 명령을 받는다. 이러한 상태가 또한 로그된다.

Close: 이러한 상태는, 사용자가 애플리케이션을 닫을 때, 실행된다. 로그 파일을 포함하여, 모든 자원이 적절히 해제된다.

2.4 - 힘 토크 판독값

힘 토크 판독 유닛은, 초당 1000개의 샘플에서 6개의 아날로그 전압의 채널을 획득하도록 NI-9205를 구성한다. 이러한 아나로그 채널은 ATI-IA Mini40 3-축 F/T 센서 출력의 출력에 와이어링된다. 획득된 전압은 힘 및 토크 채널에 대해서 각각 lbf 및 lbf-인치로 변환된다.

2.5 - 지원 유닛

지원 유닛의 각각에 관한 상세한 설명에 대한 실시예 4를 참조한다.

실시예 3: 임베디드/안전 시스템을 위한 지원 유닛

일부 실시형태에서, 임베디드/안전 시스템의 나머지 유닛은 표 1에 도시된 바와 같다.

[표 1]

3.1 - ADC 유닛

개요

ADC 유닛은 직렬 주변 인터페이스(SPI)를 통해서 아날로그 장치 AD7616 아날로그-대-디지털 변환 칩과 통신한다. ADC 칩은 100개 샘플/초의 비율로 데이터를 ATI-IA 3-축 F/T 센서로부터 획득한다.

공용 인터페이스

표 2는, 다른 소프트웨어 유닛에 의해서 사용될 유닛으로부터 전달된 임의의 객체 또는 데이터 항목을 포함하는, ADC 공용 방법을 설명한다.

[표 2]

정상 동작

ADC 유닛은 AD7616 IC를 적절히 초기화하기 위해서 내부 FSM을 갖는다. 상태들을 통한 동작 전이의 시퀀스를 이하에 나열하였다:

STATE WAIT FOR RESET: AD7616 상의 리셋 핀이 이러한 상태의 진입에서 활성화된다. IC를 이용한 추가적인 초기화에 앞서서, 20 밀리초가 경과될 수 있다. 20 ms가 만료되면, 유닛은 STATE SET REGISTERS로 전이된다.

STATE SET REGISTERS: 이러한 상태의 제1 실행 중에, 유닛은 SPI 명령을 전송하여 ADC의 구성 레지스터를 설정한다. 제2 실행 중에, 유닛은 시퀀스 레지스터의 종료를 설정한다.

STATE INITIAL PSEUDO ACQ: ADC의 제1 변환은 의미 없는 것으로 예상된다. FSM의 이러한 상태는 제1 변환을 획득하고 데이터를 버린다.

STATE ACQUISITION: 6개의 전압의 채널에 대해서 전압들이 획득된다.

STATE ADC FAULT: ADC로부터의 예상치 못한 입력은 이러한 상태로의 전이를 초래한다.

3.2 - 힘 유닛

개요

힘 유닛은 ADC 유닛과 통신하고, ATI-IA F/T 센서로부터 수신된 원시 전압을 수신한다. 유닛은, 제조자 제공 보정 정보를 기초로, 원시 전압을 힘 및 토크 값으로 변환한다.

공용 인터페이스

표 3은 힘 유닛 공용 방법을 설명한다.

[표 3]

정상 동작

힘 유닛은 이하의 채널에 대해서 10개의 데이터 지점의 평균을 획득한다(샘플 레이트(sample rate): 100 Hz; 평균 윈도우: 10 ms):

● X-축의 힘

● Y-축의 힘

● Z-축의 힘

● X-축의 토크

● Y-축의 토크

● Z-축의 토크

원시 전압은, 이하의 데이터 섹션에서 특정된 제조자에 의해서 제공되는 값들의 행렬을 이용하여 힘 및 토크로 변환된다.

힘 유닛은 또한 각각의 힘 및 토크 채널(전압)을 모니터링하여, 이들이 특정 해부학적 조작에 대해서 설정된 힘 또는 토크 한계 미만인지를 확인한다.

데이터

ATI-IA Mini40 3-축 F/T 센서는, 6개의 전압 판독값(F_x, F_y, F_z, T_x, T_y, T_z)을 lbf 및 lbf-인치의 힘 및 토크 값으로 각각 보정하기 위한 보정표를 구비한다. 변환표(보정표)를 이하의 표 4에서 제공하였다. 이러한 데이터는 ATI 인증 번호 FT21031-20171219로부터 발췌된다.

[표 4]

보정 변환은, 전압의 벡터([F_x, F_y, F_z, T_x, T_y, T_z])와 표 4에 나열된 보정 행렬 사이의 행렬 곱에 의해서 수행된다.

3.3 - 릴레이 유닛

개관

릴레이 유닛은 UR5 로봇 안전 및 비상 중단 입력(Robot Safeguard and Emergency Break inputs)을 제어하기 위해서 사용된 릴레이를 제거한다.

로봇 안전 입력을 이용하여, 조작자 입력을 기초로 정상 동작 중에 모션이 인에이블/디스에이블되는지를 여부를 제어한다. (enable_safeguard_relay()를 위한) "인에이블" 함수 호출은 상응 IO가 로직 레벨 하이가 되게 하고, 이는 UR5 로봇 내의 모션을 인에이블한다. 대안적으로, (disable_safeguard_relay()를 위한) "디스에이블" 함수 호출은 상응 IO가 로직 레벨 로우가 되게 하고, 이는 UR5 로봇 내의 모션이 제어 정지되게 한다. (toggle_safeguard_relay()를 위한) "토글" 함수 호출은 현재 상태를 디스에이블로부터 인에이블로 또는 그 반대로 변경한다.

로봇 비상 중단 입력을 이용하여, 모든 로봇 모션을 즉각적으로 중지시킨다. (enable_emergency_relay()를 위한) "인에이블" 함수 호출은 상응 IO가 로직 레벨 하이가 되게 하고, 이는 UR5 로봇 내의 모션을 인에이블한다. 대안적으로, (disable_emergency_relay()를 위한) "디스에이블" 함수 호출은 상응 IO가 로직 레벨 로우가 되게 하고, 이는 UR5 로봇 내의 모든 모션을 즉각적으로 디스에이블시킨다.

공용 인터페이스

표 5는 릴레이 유닛 공용 방법을 설명한다.

[표 5]

정상 동작

초기화 시에, 유닛은 안전 릴레이 및 비상 릴레이 모두를 인에이블시킨다.

그 후에, 유닛은 앞서 나열된 공용 방법에 따라 출력을 인에이블 및 디스에이블시킨다.

데이터

표 6은 릴레이 유닛 데이터를 설명한다.

[표 6]

3.4 - GPIO/버튼 유닛

개관

GPIO 유닛은 사용자 누름 버튼("안전 버튼")을 제거한다. 유닛은, 디-바운싱(de-bouncing)을 제공하기 위해서 버튼을 샘플링하기 위해 50 Hz 틱을 이용한다. 유닛은, 누름 버튼이 마지막 체크 후에 눌렸는지의 여부를 나타내기 위해서 하이 레벨 쿼리 기능을 제공한다.

공용 인터페이스

표 7은 GPIO/버튼 유닛 공용 방법을 설명한다.

[표 7]

정상 동작

유닛은 사용자 누름에 대해서 안전 누름버튼 입력을 모니터링한다.

데이터

표 8은 GPIO/버튼 유닛 데이터를 설명한다.

[표 8]

실시예 4: Lab VIEW 시스템을 위한 지원 유닛

이러한 실시예는 Lab VIEW 시스템 "제어" 유닛/하위 시스템을 위한 이하의 지원 유닛을 설명한다: 운동역학적 유닛, TCP 판독, 및 TCP 작성.

4.1 - 운동역학적 유닛

개관

운동역학적 유닛은 이하에 나열된 입력을 수신하고 계산하며 상응 로봇 위치를 명령한다:

● 조이스틱 입력

● 현재 로봇 위치

● 운동역학적 초기화 위치: 로봇의 셋업 또는 홈 위치 및 배향. 조작자가 자유 구동으로부터 조작 모드로 스위칭할 때, 로봇의 셋업/홈 위치가 기록된다.

로직

예시적인 실시형태에 따른 운동역학적 코드가, 컴퓨터 프로그램 목록 첨부물에 제공되어 있고, 이는 그 전체가 본원에서 참조로 포함된다. 본 발명의 실시형태의 운동역학적 코드는 로봇에 의해서 유지/조작되는 특정 엔드 이펙터의 기하형태, 및 개별적인 환자의 해부조직에 대해서 특정적이다(예를 들어, 전술한 바와 같이 팁으로부터 자궁 조작기의 받침점까지의 환자-고유의 거리). 수술 로봇과 함께 사용하기 위한 다양한 기존 도구는 직선형이고, 그에 따라 비교적 직관적인 운동역학을 갖는다. 대조적으로, VCare®과 같은 자궁 조작을 위한 도구는 곡선형이고, 환자-고유의 조정 가능한 받침점을 가지며; 본 발명의 실시형태의 운동역학적 코드는 그러한 도구의 종료 점을 제어하기 위한 그리고 수술 중에 해부학적 조작을 위한 매끄러운 이동을 제공하기 위한 로직을 포함한다. 본 실시형태에서, F/T 센서 두께 및 기계적 인터페이스의 후방부의 깊이(즉, 조작기 핸들의 단부와 로봇 아암의 원위 단부 사이의 거리)를 설명하는 로직 내의 약 몇 인치의 하드코디드 오프셋(hardcoded offset)이 있다. 로직에서, 이러한 추가적인 거리가 조작기 도구의 길이에 부가되어, 도구가 더 길어 지게 하는 효과를 가지고 그에 따라 이동 벡터의 계산에서 그러한 거리를 고려한다.

예시적인 운동역학적 코드 내의 매개변수는 이하를 포함한다: VCare® 핸들 축을 따른 로봇 도구로부터 VCare® 팁 까지의 거리(cm)인, "L"; VCare® 핸들 축에 수직인 로봇 도구(원위 단부)로부터 VCare® 팁까지의 거리인, "tipY"/Tip Elevation(cm); (재-초기화될 수 있는) 실행을 통해서 자궁 경관의 위치를 나타내는, VCare® 상의 그라데이션 마크로부터 측정된 환자-고유 거리인, "ful_pos_pat"/Fulcrum Position(cm); 보정이 얼마나 빨리 이루어질 수 있는 지를 제한하는 최대 속력인, "theta max"/Max Optimization Speed(도/초); 및 VCare® 좌표를 팁으로부터 받침점으로부터의 환자-고유의 거리에 상호 관련시키기 위해서 이용되는 참조 표인 "dist lookup"/Distance Lookup Table(cm). 피치/요 모션을 수행하기 위해서, 부가적인 매개변수는 이하를 포함한다: "dt";"pitch_max"/Max Pitch Speed(도/초); 및 "yaw_max"/Max Yaw Speed(도/초). 거리 이동을 수행하기 위해서, 부가적인 매개변수는 이하를 포함한다: 거리 이동에 대해서 궤적을 플로팅(plot)하기 위해서 이용되는 증분적 거리인, "dD"(cm); 최소 속력 토글에 상응하는 거리 속력인, "minSpeed_dist"/Min Distance Speed(cm/s); 및 최대 속력 토글에 상응하는 거리 속력인, "maxSpeed_dist"/Max Distance Speed(cm/s). 거리(병진운동) 이동은, 받침점으로부터 팁까지 직선을 따라서 VCare® 팁을 위한 새로운 지점을 선택함으로써 수행된다. 앞서 주목한 바와 같이, VCare®의 새로운 병진운동된 위치를 계산하기 위해서, 코드는 먼저 팁이 새로운 위치에 있도록 VCare®을 "병진운동"시키고, 이어서, VCare® 상의 새로운 받침점 위치가 고정된 자궁 경관으로 복귀되도록 새로운 팁 위치를 중심으로 VCare®을 "회전"시킨다. 계산을 기초로 하는 핸들의 최종 위치 및 배향을 이용하여, 로봇 명령을 제공하고, 그에 따라 병진운동 및 회전 모션 모두가 동시에 발생된다.

일부 실시형태에서, 운동역학적 코드는 이하에 설명된 바와 같은 4개의 모듈을 포함한다: KINEMATICS INITIALIZE, PRE KINEMATICS, KINEMATICS - PITCH/YAW, and KINEMATICS - DISTANCE.

KINEMATICS INITIALIZE: 이러한 코드는 조작 모드에 진입할 때마다 1차례만 작동한다. 이는, 각각의 반복에서 운동역학적 모듈에 의해서 사용되는 로봇의 초기 배향을 기초로, 매개변수를 설정한다.

PRE KINEMATICS: 이러한 코드는, 조작 모드 중에, 각각의 반복에서 작동한다(초당 10번). 이는 로봇의 현재 배향을 판독하고, 운동역학적 모듈에 의해서 이용되는 기하형태적 매개변수를 계산한다.

KINEMATICS - PITCH/YAW: 이러한 코드는, 피치/요 명령이 수신된 경우에, 조작 모드에 있는 동안 각각의 반복에서 작동한다(초당 10번). 이는 (힘/토크 입력 및 다른 제어부에 의해서 필터링된) 현재의 조이스틱 명령, Pre Kinematics로부터 출력된 현재 로봇 상태, 및 Kinematics Initialize로부터의 초기화된 매개변수를 판독하고, 로봇에 전송하기 위한 적절한 속력 명령을 계산한다. 이는 또한, VCare®이 삽입 지점(자궁 경관)에서 환자 상으로 너무 많이 당겨지는 것을 방지하도록 설계된, 일부 단순한 폐쇄-루프 제어를 수행한다. 마지막으로, 코드는, VCare® 핸들이 그 초기 위치로부터 측방향으로 너무 멀리 이동하는 것을 방지하도록 설계된 "최적화" 단계를 수행한다. VCare® 핸들이 측방향으로 너무 멀리 이동한 경우에, 로봇은 그 범위의 연부에 도달할 수 있다.

KINEMATICS - DISTANCE: 이러한 코드는, 거리(병진운동) 명령이 수신된 경우에, 조작 모드에 있는 동안 각각의 반복에서 작동한다(초당 10번). 이는 (힘/토크 입력 및 다른 제어부에 의해서 필터링된) 현재의 조이스틱 명령, Pre Kinematics로부터 출력된 현재 로봇 상태, 및 Kinematics Initialize로부터의 초기화된 매개변수를 판독하고, 로봇에 전송하기 위한 적절한 속력 명령을 계산한다.

4.2 - TCP 판독 유닛

TCP 판독 유닛은 UR5 로봇으로부터 수신된 피드백을 분석한다.

4.3 - TCP 작성 유닛

TCP 작성 유닛은 UR5 로봇 명령을 UR5 로봇 제어기에 의해서 예상되는 신텍스(syntax)로 변환한다.

바람직하고 예시적인 실시형태에 적용된 바와 같은 본 발명의 기본적인 신규한 특징을 도시하고 설명하였지만, 개시된 발명의 형태 및 상세 부분의 생략 및 대체 그리고 변경이 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고, 당업자에 의해서 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 아주 명확한 바와 같이, 많은 수정 및 변경이 당업자에 의해서 용이하게 이루어질 수 있다. 예를 들어, 본원에서 설명된 상이한 실시형태들의 여러 특징 및 구조가 조합되거나 상호 교환될 수 있다. 따라서, 도시되고 설명된 정확한 구성 및 동작으로 본 발명을 제한하는 것은 바람직하지 않으며, 그에 따라, 적절히 수정된 모든 등가물은 청구된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 포함될 수 있을 것이다. 따라서, 본원에 첨부된 청구 범위에 의해서 표시된대로만 제한될 것이다.

청구범위

Claims

최소 침습 수술 중에 환자의 해부조직을 배치하고 유지하도록 구성된 엔드 이펙터와 함께 사용하기 위한 로봇 해부학적 조작 시스템으로서,
카트 및 아암을 포함하는 로봇으로서, 상기 아암의 근위 단부가 상기 카트에 연결된, 로봇;
조이스틱 및 사용자 인터페이스를 포함하는 콘솔로서, 상기 조이스틱은 실시간 모션 입력을 상기 아암에 제공하도록 구성되는, 콘솔;
상기 아암의 원위 단부에 연결되고 상기 엔드 이펙터의 근위 단부 핸들을 유지 및 해제하도록 구성된 기계적 인터페이스;
상기 아암의 원위 단부와 상기 기계적 인터페이스 사이에 배치된 센서로서, 상기 엔드 이펙터에 의해서 생성된 힘 및 토크 중 적어도 하나를 측정하도록 구성된, 센서; 및
상기 조이스틱 및 상기 사용자 인터페이스를 통한 사용자 입력에 응답하여 상기 아암을 제어하는 제어 시스템을 위한 컴퓨터 실행 가능 코드가 저장된 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체
를 포함하고,
상기 엔드 이펙터는 실질적으로 곡선형인 본체, 원위 단부 팁, 및 각각의 수술에서 각각의 환자마다 고유한 팁에 대한 거리에 배치되도록 구성된 조정 가능한 받침점을 가지고,
상기 제어 시스템은, 상기 엔드 이펙터의 곡률 및 상기 사용자 인터페이스에 입력된 환자-고유의 받침점 위치를 기초로, 상기 팁의 사용자-고유의 모션을 생성하는 데 필요한 상기 아암의 모션을 결정하도록 구성된 운동역학적 유닛을 포함하고, 그리고
상기 제어 시스템은, 상기 센서를 모니터링하도록, 그리고 소정 방향으로 미리 결정된 힘 문턱값 또는 토크 문턱값에 도달될 때, 해당 방향의 모션을 방지하기 위해서 정지 신호를 상기 아암에 전송하도록 구성된 힘 토크 판독 유닛을 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 해부조직은 자궁이고, 최소 침습 수술은 로봇-보조되거나 수동적인 복강경 자궁적출술인, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 카트는 이동식 또는 고정식인, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 콘솔은 유선 연결 또는 무선 연결을 통해서 상기 원격 기계와 통신하는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 콘솔은 상기 수술을 모니터링하기 위해서 이용되는 카메라로부터의 라이브 신호를 디스플레이하도록 구성된 비디오 피드를 더 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 아암은 6개의 조인트: 기부(A), 쇼울더(B), 엘보(C), 및 손목부(D, E, F)를 포함하는, 시스템.
제6항에 있어서,
상기 엘보는 기준선 위치에서 상기 손목부 아래에 위치되는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 아암은 마킹을 가지는 적어도 하나의 조인트를 포함하고, 상기 마킹은 기준선 위치에 대한 안전 범위를 표시하는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 기계적 인터페이스는, 상기 로봇 아암 또는 카트의 이동 없이 5초 이내에 상기 엔드 이펙터를 해제하도록 구성된 신속 해제 메커니즘을 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 센서는 6개의 힘 및 토크의 채널: F_x, F_y, F_z, T_x, T_y, 및 T_z을 획득하도록 구성된 3-축 힘 및 토크 센서인, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 힘 문턱값은 경고 힘 문턱값이고, 상기 토크 문턱값은 경고 토크 문턱값인, 시스템.
제11항에 있어서,
상기 경고 힘 문턱값은 10 lbf이고 상기 경고 토크 문턱값은 70 인치-lbs인, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에는, 상기 엔드 이펙터에 의해서 생성된 힘 및 토크를 계산하는 임베디드 안전 시스템을 위한 컴퓨터 실행 가능 코드가 더 저장되며, 상기 임베디드 안전 시스템은, 미리 결정된 안전 힘 문턱값 또는 안전 토크 문턱값이 초과되는 경우에, 상기 시스템이 수동으로 재-인에이블될 때까지 모든 아암의 제어를 디스에이블시키기 위한 디지털 디스에이블 명령을 생성하도록 구성되는, 시스템.
제13항에 있어서,
상기 임베디드 안전 시스템은, 힘 및 토크 데이터를 상기 센서로부터 적어도 초당 100번 획득하도록 구성된 아날로그-대-디지털 변환기(ADC) 유닛을 포함하는, 시스템.
제14항에 있어서,
상기 임베디드 안전 시스템은, 상기 센서에 의해서 상기 ADC 유닛에 통신되는 원시 전압을 수용하고 상기 원시 전압을 힘 및 토크 값으로 변환하도록 구성된 힘 유닛을 더 포함하는, 시스템.
제13항에 있어서,
상기 안전 힘 문턱값은 12 lbf이고 상기 안전 토크 문턱값은 90 인치-lbs인, 시스템.
제13항에 있어서,
상기 콘솔은 상기 조이스틱 및 상기 사용자 인터페이스로부터의 상기 아암의 제어를 인에이블/디스에이블시키기 위한 메커니즘을 포함하고, 상기 임베디드 안전 시스템은 인에이블/디스에이블 입력을 캡쳐하고 그에 응답하여 상기 로봇에 대한 명령을 생성하도록 구성되는, 시스템.
제13항에 있어서,
상기 사용자 인터페이스는, 상기 미리 결정된 안전 힘 문턱값 또는 안전 토크 문턱값이 초과되는 축에 관한 가시적 표시를 제공하도록 구성된 정지 축 표시부를 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 카트는 그 상부 표면 상에서 셋업 위치 결정 시스템을 포함하고, 상기 아암의 근위 단부가 상기 셋업 위치 결정 시스템에 연결되며, 상기 셋업 위치 결정 시스템은 X, Y, 및 Z 방향으로 정방향 및 역방향 병진운동을 제공하도록 구성되는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 콘솔은 상기 아암의 원위 단부의 이동 및 속력 중 적어도 하나의 가청적 표시를 제공하는 알람을 포함하는, 시스템.