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KR102813911B1 - 가변 속도 수술 기기용 시스템 및 방법 - Google Patents

가변 속도 수술 기기용 시스템 및 방법 Download PDF

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KR102813911B1
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매튜 에이. 윅시
가브리엘 에프. 브리슨
윌리엄 에이. 버뱅크
패트릭 플라나간
푸시카르 힝웨
데이비드 더블유. 위어
주니어 도날드 에프. 윌슨
Original Assignee
인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 수술 기기의 원위 단부에 위치되는 엔드 이펙터, 액추에이터, 및 액추에이터로부터 엔드 이펙터로 힘 또는 토크를 연결시키는 구동 기구를 포함하는 컴퓨터 보조 의료 장치 내의 수술 기기의 가변 속도 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다. 수술 기기로 작업을 수행하기 위해, 컴퓨터 보조 의료 장치는 액추에이터의 속도 설정점을 초기 속도로 설정하고, 액추에이터에 의해 적용되는 힘 또는 토크를 모니터링하고, 적용되는 힘 또는 토크가 제1 임계값을 초과하면, 속도 설정점을 감소시키고, 적용되는 힘 또는 토크가 제2 임계값 미만이면, 속도 설정점을 증가시키고, 적용되는 힘 또는 토크가 최대 임계값을 초과하면, 속도 설정점을 0으로 감소시키고, 속도 설정점에 기초하여 액추에이터를 구동시킨다. 제1 및 제2 임계값은 최대 임계값보다 낮다.

Description

가변 속도 수술 기기용 시스템 및 방법
관련 출원
본 출원은 그 전체 내용이 여기에 참조로 포함되는 2016년 1월 29일자로 출원된 "가변 속도 수술 기기용 시스템 및 방법(System and Method for Variable Velocity Surgical Instrument)"이라는 명칭의 미국 가출원 제62/288,784호 및 2016년 10월 14일자로 출원된 "I-빔 스테이플러 제어 보조구(I-Beam Stapler Controls Supplement)"라는 명칭의 미국 가출원 제62/408,283호"의 우선권을 주장한다.
발명의 기술분야
본 발명은 일반적으로 관절형 암(articulated arm) 및 엔드 이펙터(end effector)를 갖는 장치의 작동에 관한 것이며, 특히 가변 속도 제어를 갖는 최소 침습 수술 기기의 작동에 관한 것이다.
점점 더 많은 장치가 자율 및 반자율 전자 장치로 대체되고 있다. 이는 특히 수술실, 중재실, 집중 치료실, 응급실 등에서 대형 어레이(array)의 자율 및 반자율 전자 장치(autonomous and semiautonomous electronic device)를 갖는 오늘날의 대형 병원에서 그러하다. 예를 들어, 전통적인 수동식 수술 기기는 컴퓨터 보조 의료 장치로 대체되고 있다.
컴퓨터 보조 의료 장치를 사용하는 최소 침습 수술 기법은 일반적으로 건강한 조직에 대한 손상을 최소화하면서 수술 및/또는 다른 절차를 수행하려고 시도한다. 일부 최소 침습적 절차는 컴퓨터 보조 의료 장치의 사용을 통해 수술 기기에 의해 원격적으로 수행될 수 있다. 많은 컴퓨터 보조 의료 장치를 가지고, 외과의 및/또는 다른 의료 요원은 일반적으로 오퍼레이터 콘솔 상의 하나 이상의 제어부를 사용하여 입력 장치를 조작할 수 있다. 외과의 및/또는 다른 의료 요원이 오퍼레이터 콘솔에 위치한 다양한 제어부를 조작함에 따라, 명령은 오퍼레이터 콘솔로부터 하나 이상의 엔드 이펙터 및/또는 수술 기기가 장착된 환자측 장치로 중계된다. 이러한 방식으로, 외과의 및/또는 다른 의료 요원은 엔드 이펙터 및/또는 수술 기기를 사용하여 환자에 대해 하나 이상의 절차를 수행할 수 있다. 원하는 절차 및/또는 사용 중인 수술 기기에 따라, 원하는 절차는 부분적으로 또는 전체적으로 원격조작을 이용한 외과의 및/또는 다른 의료 요원의 제어하에 그리고/또는 수술 기기가 외과의 및/또는 다른 의료 요원에 의한 하나 이상의 활성화 동작에 기초하여 일련의 작업을 수행하게 되는 반자율 제어하에 수행될 수 있다.
수동식으로, 원격조작으로 및/또는 반자율식으로 작동되는 최소 침습 수술 기기는 다양한 작업 및/또는 절차에 사용될 수 있으며, 다양한 구성을 가질 수 있다. 많은 이러한 기기는 관절형 암의 원위 단부에 장착될 수 있는 샤프트의 원위 단부에 장착되는 엔드 이펙터를 포함한다. 많은 수술 시나리오에서, 샤프트는 원격 수술 부위에 도달하기 위해 개구(예를 들어, 체벽 절개부, 자연적 체공 및/또는 이와 유사한 것)를 통해 삽입되도록 구성된다(예를 들어 복강경식으로, 흉강경식으로 및/또는 이와 유사한 방식으로).
다양한 디자인 및/또는 구성의 엔드 이펙터가 외과의 및/또는 다른 의료 요원이 다양한 수술 절차를 수행하는 것을 가능하게 해주도록 다양한 작업, 절차 및 기능을 수행하는데 사용될 수 있다. 그 예로는 이에 한정되지 않는 그래스핑(grasping), 작(cauterizing), 절제(ablating), 봉합(suturing), 절단(cutting), 스테이플링(stapling), 융합(fusing), 밀봉(sealing) 및/또는 이들의 조합을 포함한다. 따라서, 엔드 이펙터는 이러한 수술 절차를 수행하기 위해 다양한 구성요소 및/또는 구성요소들의 조합을 포함할 수 있다.
최소 침습적 절차의 목표에 따라, 엔드 이펙터의 크기는 일반적으로 작게 유지된다. 엔드 이펙터의 크기를 작게 유지시키는 한 가지 접근법은 수술 기기의 근위 단부에 위치한 하나 이상의 입력부를 사용하여 엔드 이펙터의 작동을 달성하기 위한 것이며, 여기서 근위 단부은 일반적으로 환자의 외부에 위치한다. 기어, 레버, 풀리, 케이블, 로드, 벨트, 밴드 및/또는 이와 유사한 것과 같은 다양한 전달 구성요소가 작동을 하나 이상의 입력부로부터 수술 기기의 샤프트를 따라 전달하여 엔드 이펙터를 작동시키는 데 사용될 수 있다. 적합한 수술 기기를 갖는 컴퓨터 보조식 원격조작 의료 장치의 경우, 기구의 근위 단부에 위치한 전달 기구는 다른 전달 구성요소를 통해 환자측 장치 또는 환자측 카트의 관절형 암 상에 제공되는 다양한 모터, 솔레노이드, 또는 서보 기구(servo), 능동형 액추에이터, 유압 장치, 공압 장치 등과 같은 하나 이상의 액추에이터와 직접 또는 간접적으로 인터페이싱(interfacing)한다. 액추에이터는 마스터 제어기를 통해 제공된 사용자 명령에 응답하여 생성된 제어 신호를 수신하고, 전달 기구의 근위 단부에서 힘 및/또는 토크를 포함하는 입력을 기기에 제공하며; 다양한 전달 요소가 최종적으로 전달 기구의 원위 단부에서 엔드 이펙터를 작동시키도록 전달한다.
엔드 이펙터의 크기가 일반적으로 작기 때문에, 일부의 그래스핑(grasping), 클램핑(clamping) 및/또는 스테이플링(stapling) 작업 시에 휨(flexing) 및/또는 벌어짐(splaying)이 발생하기 쉽게 만들 수 있는 제한된 강성(limited stiffness)을 가질 수 있다. 전달 기구에 적용되는 토크 및/또는 적용되는 힘의 크기에 관한 단순한 제한의 지배를 받는 목표 속도로 기기를 작동시키는 것은 흔히 공간 또는 시간에 따른 조직 변화(tissue variation)로 인한 불량한 작동 또는 불균일한 속도 프로파일(ragged velocity profile)을 갖는 그래스핑, 클램핑 및/또는 스테이플링을 초래할 수 있고, 또한 스테이플링 작업 중에 스테이플이 조직을 통해 가압되는 다른 국면과 같은 다른 작업의 단계를 초래할 수 있다.
따라서, 그래스핑, 클램핑 및/또는 스테이플링 기기와 같은 수술 기기의 조작을 위한 개선된 방법 및 시스템이 희망된다. 일부 예에서, 기기의 사용을 수용불가능하게 느리게 하지 않으면서 기기의 휨 및/또는 벌어짐의 크기를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 컴퓨터 보조 의료 장치와 함께 사용하기 위한 수술 기기는 기기의 원위 단부에 위치되는 엔드 이펙터, 액추에이터, 및 액추에이터로부터의 힘 또는 토크를 엔드 이펙터로 연결시키기 위한 하나 이상의 구동 기구를 포함한다. 기기로 일정 작업을 수행하기 위해, 컴퓨터 보조 의료 장치는 액추에이터의 속도 설정점을 초기 속도로 설정하고, 액추에이터에 의해 적용되는 힘 또는 토크를 모니터링하고, 적용되는 힘 또는 토크가 제1 임계값을 초과하면 속도 설정점을 감소시키고, 적용되는 힘 또는 토크가 제2 임계값 미만이면 속도 설정점을 증가시키고, 적용되는 힘 또는 토크가 최대 임계값을 초과할 때 속도 설정점을 0으로 감소시키고, 속도 설정점에 기초하여 액추에이터를 구동시키도록 구성된다. 제1 및 제2 임계값은 최대 임계값보다 낮다.
일부 실시예에 따라, 컴퓨터 보조 의료 장치와 함께 사용하기 위한 수술 기기는 기기의 원위 단부에 위치되는 엔드 이펙터, 액추에이터, 및 액추에이터로부터의 힘 또는 토크를 엔드 이펙터로 연결시키기 위한 하나 이상의 구동 기구를 포함한다. 기기로 일정 작업을 수행하기 위해, 컴퓨터 보조 의료 장치는 속도 설정점에 따라 액추에이터를 구동시킴으로써 상태 기계(state machine)에 따라 엔드 이펙터를 작동시키도록 구성된다. 상태 기계는 제1 클램핑 상태, 제2 클램핑 상태 및 대기 상태를 포함한다. 제1 클램핑 상태에서, 액추에이터의 속도 설정점은 제1 속도로 설정된다. 제2 클램핑 상태에서, 액추에이터의 속도 설정점은 제1 속도보다 낮은 제2 속도로 설정된다. 대기 상태에서, 속도 설정점은 0으로 설정된다. 상태 기계는 액추에이터에 의해 적용되는 힘 또는 토크가 제1 임계값을 초과하면 제1 클램핑 상태로부터 제2 클램핑 상태로 전이한다. 상태 기계는 액추에이터에 의해 적용되는 힘 또는 토크가 제1 임계값보다 높은 최대 임계값을 초과하면 제2 클램핑 상태로부터 대기 상태로 전이한다. 상태 기계는 액추에이터에 의해 적용되는 힘 또는 토크가 제2 임계값 미만이면 제2 클램핑 상태로부터 제1 클램핑 상태로 전이한다.
일부 실시예에 따라, 컴퓨터 보조 의료 장치와 함께 사용하기 위한 수술 기기를 작동시키는 방법은 하나 이상의 프로세서를 사용하여 작동을 수행하는 과정을 포함한다. 작동은 액추에이터의 속도 설정점을 초기 속도로 설정하는 것, 액추에이터에 의해 적용되는 힘 또는 토크를 측정하는 것, 적용되는 힘 또는 토크가 제1 임계값을 초과하면 속도 설정점을 감소시키는 것, 적용되는 힘 또는 토크가 제2 임계값 미만이면 속도 설정점을 증가시키는 것, 적용되는 힘 또는 토크가 최대 임계값을 초과할 때 속도 설정점을 0으로 감소시키는 것, 및 액추에이터를 사용하여 수술 기기의 하나 이상의 자유도의 엔드 이펙터를 구동시키는 것을 포함한다. 제1 및 제2 임계값은 최대 임계값보다 낮다.
일부 실시예에 따라, 비일시적 기계 판독 가능 매체는 컴퓨터 보조 의료 장치와 관련된 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 하나 이상의 프로세서가 방법을 수행하게 만들도록 되어 있는 복수의 기계 판독 가능 명령어를 포함한다. 상기 방법은 액추에이터의 속도 설정점을 초기 속도로 설정하고, 액추에이터에 의해 적용되는 힘 또는 토크를 측정하는 과정을 포함한다. 적용되는 힘 또는 토크가 제1 임계값을 초과하면, 상기 방법은 속도 설정점을 감소시키는 과정을 더 포함한다. 적용되는 힘 또는 토크가 제2 임계값 미만이면, 상기 방법은 속도 설정점을 증가시키는 과정을 더 포함한다. 적용되는 힘 또는 토크가 최대 임계값을 초과하면, 상기 방법은 속도 설정점을 0으로 감소시키는 과정을 더 포함한다. 또한, 상기 방법은 액추에이터를 사용하여 수술 기기의 하나 이상의 자유도의 엔드 이펙터를 구동시키는 과정을 더 포함한다. 제1 및 제2 임계값은 최대 임계값보다 낮다.
도 1은 일부 실시예에 따른 컴퓨터 보조 시스템의 개략도이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 최소 침습 수술 기기를 도시한 개략도이다.
도 3a-3d는 일부 실시예에 따른 도 2의 엔드 이펙터의 개략도이다.
도 4는 일부 실시예에 따라 엔드 이펙터를 작동시키기 위한 상태 기계의 개략도이다.
도 5는 일부 실시예에 따른 엔드 이펙터의 속도-토크 프로파일의 개략도이다.
도 6은 일부 실시예에 따른 스테이플링 및 절단 작업을 수행하기 위한 방법의 개략도이다.
도면에서, 동일한 지정 번호를 갖는 요소는 동일하거나 유사한 기능을 갖는다.
이하의 설명에서, 특정 세부 사항들은 본 개시에 따른 일부 실시예를 기술한다. 하지만, 일부 실시예는 이들 특정 세부 사항들 중의 일부 또는 전부 없이 실시될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 여기에 개시되는 특정 실시예들은 예시적인 것으로 제한하려는 것은 아니다. 당업자는 여기에 특정적으로 기술되지는 않지만 본 개시의 범위 및 사상 내에 있는 다른 요소들을 실현할 수 있다. 또한, 불필요한 반복을 피하기 위해, 하나의 실시예와 관련하여 도시되고 설명된 하나 이상의 피처(feaure)는 특별히 달리 설명되지 않는 한 또는 그 하나 이상의 피처가 실시예를 비기능적으로 만들지 않는 한 다른 실시예들에 편입될 수 있다.
이하의 설명은 복합형인 그래스핑, 스테이플링 및 절단 수술 기기의 실시예에 주로 초점을 맞추지만, 당업자는 본 개시의 가변 속도 방법 및 메카니즘이 수술 및 비수술 기기를 포함하는 다른 의료 기기에 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 이하의 설명은 종종 의료 기기를 유지시키고 작동시키기 위한 로봇식 관절형 암(또한 "매니퓰레이터")을 갖는 의료 장치를 기술하지만, 당업자는 본 개시의 방법 및 메카니즘이 핸드헬드(handheld)용으로 또는 비관절형 고정부에 부착되도록 디자인된 의료 기기를 포함하여 로봇식 암 또는 관절형 암과는 별개인 컴퓨터 보조 의료 장치와 함께 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 일부 실시예에 따른 컴퓨터 보조 시스템(100)의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 컴퓨터 보조 시스템(100)은 하나 이상의 가동형 또는 관절형 암(120)을 갖는 컴퓨터 보조 장치(110)를 포함한다. 하나 이상의 관절형 암(120)의 각각은 하나 이상의 기기(130)를 지지할 수 있다. 일부 예에서, 컴퓨터 보조 장치(110)는 컴퓨터 보조 수술 장치와 일치할 수 있다. 하나 이상의 관절형 암(120)은 각각 수술 기기, 영상 장치 등과 같은 의료 기기(130)에 대한 지지를 제공할 수 있다. 의료 기기(130)의 예는 조직(tissue)과 상호작용하는 수술 기기, 영상 장치 또는 감지 장치 등을 포함한다. 일부 예에서, 기기(130)는 이에 한정되지 않는 그리핑(gripping), 퇴축(retracting), 소작(cauterizing), 절제(ablating), 봉합(suturing), 절단(cutting), 스테이플링(stapling), 융합(fusing), 밀봉(sealing) 및/또는 이들의 조합을 수행할 수 있는 엔드 이펙터를 포함할 수 있다.
컴퓨터 보조 장치(110)는 또한 컴퓨터 보조 장치(110), 하나 이상의 관절형 암(120) 및/또는 기기(130)를 작동시키기 위한 하나 이상의 마스터 제어부(master control)를 포함할 수 있는 오퍼레이터 워크스테이션(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 일부 예에서, 하나 이상의 마스터 제어부는 마스터 매니퓰레이터, 레버, 페달, 스위치, 키, 노브, 트리거 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 컴퓨터 보조 장치(110) 및 오퍼레이터 워크스테이션은 미국 캘리포니아 서니베일에 소재한 인튜어티브 서지컬 인코포레이티드(Intuitive Surgical, Inc.)에 의해 상용화된 다빈치 수술 시스템(da Vinci® Surgical System)에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, 다른 구성, 더 적거나 더 많은 관절형 암 등을 갖는 컴퓨터 보조 수술 장치가 컴퓨터 보조 시스템(100)과 함께 사용될 수 있다.
컴퓨터 보조 장치(110)는 인터페이스를 통해 제어 유닛(140)에 연결된다. 인터페이스는 유선 및/또는 무선일 수 있으며, 하나 이상의 케이블, 섬유, 커넥터 및/또는 버스를 포함할 수 있으며, 또한 하나 이상의 네트워크 스위칭 및/또는 라우팅 장치를 갖는 하나 이상의 네트워크를 포함할 수 있다. 제어 유닛(140)의 작동은 프로세서(150)에 의해 제어된다. 제어 유닛(140)이 단지 하나의 프로세서(150)를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 프로세서(150)는 제어 유닛(140) 내의 하나 이상의 중앙 처리 유닛, 멀티 코어 프로세서, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 프로세서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 주문형 집적 회로(ASIC) 등을 대표할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 제어 유닛(140)은 컴퓨터 장치에 부가되는 독립형 서브시스템 및/또는 보드로서 또는 가상 기계(virtual machine)로서 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 유닛(140)은 오퍼레이터 워크스테이션의 일부로서 포함될 수 있으며 그리고/또는 오퍼레이터 워크스테이션과 별도로 하지만 오퍼레이터 워크스테이션과 협조하여 작동될 수 있다.
메모리(160)는 제어 유닛(140)에 의해 실행되는 소프트웨어 및/또는 제어 유닛(140)의 작동 중에 사용되는 하나 이상의 데이터 구조를 저장하는데 사용될 수 있다. 메모리(160)는 하나 이상의 유형의 기계 판독 가능 매체를 포함할 수 있다. 기계 판독 가능 매체의 일부 일반적인 형태는 플로피 디스크, 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 임의의 다른 자기 매체, CD-ROM, 임의의 다른 광학 매체, 펀치 카드, 종이 테이프, 홀 패턴을 갖는 임의의 다른 물리적 매체, RAM, PROM, EPROM, FLASH-EPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지 및/또는 프로세서 또는 컴퓨터가 판독하도록 적응된 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 메모리(160)는 컴퓨터 보조 장치(110)의 자율, 반자율 및/또는 원격조작 제어를 지원하는데 사용될 수 있는 제어 애플리케이션(170)을 포함한다. 제어 애플리케이션(170)은 컴퓨터 보조 장치(110), 관절형 암(120) 및/또는 기기(130)로부터 위치, 모션, 힘, 토크 및/또는 다른 센서 정보를 수신하고, 다른 장치와 관련한 다른 제어 유닛과 위치, 모션, 힘, 토크 및/또는 충돌 회피 정보를 교환하며, 그리고/또는 컴퓨터 보조 장치(110), 관절형 암(120) 및/또는 기기(130)에 대한 모션 계획을 계획 및/또는 보조하기 위한 하나 이상의 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(APIs)를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 제어 애플리케이션(170)은 또한 수술 절차 중에 기기(130)의 자율, 반자율 및/또는 원격조작 제어를 지원한다. 그리고, 제어 애플리케이션(170)이 소프트웨어 애플리케이션으로서 묘사되지만, 제어 애플리케이션(170)은 선택적으로 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합을 사용하여 구현될 수 있다.
일부 실시예에서, 컴퓨터 보조 시스템(100)은 수술실 및/또는 중재실(interventional suite)에서 발견될 수 있다. 그리고, 컴퓨터 보조 시스템(100)은 2개의 관절형 암(120) 및 대응하는 기기(130)를 갖는 단지 하나의 컴퓨터 보조 장치(110)를 포함하고 있지만, 당업자는 컴퓨터 보조 시스템(100)이 디자인에 있어 컴퓨터 보조 장치(110)와 유사하거나 다른 관절형 암을 및/또는 기기룰 갖는 임의의 개수의 컴퓨터 보조 장치를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예에서, 컴퓨터 보조 장치의 각각은 더 적거나 더 많은 관절형 암 및/또는 기기를 포함할 수 있다.
도 2는 일부 실시예에 따른 최소 침습 수술 기기(200)를 도시한 개략도이다. 일부 실시예에서, 수술 기기(200)는 도 1의 기기(130)와 일치할 수 있다. 도 2에 도시되고 여기에서 사용되는 "근위" 및 "원위" 방향은 수술 기기(200)의 구성요소들의 상대 방위(orientation) 및 위치(location)의 설명을 돕는다. 원위(distal)는 일반적으로 기구학적 체인(kinematic chain)을 따라 기기(200)를 유지시키는 사용자 또는 기계, 컴퓨터 보조 장치(110)와 같은 기기(200)를 유지시키는 컴퓨터 보조 장치의 베이스로부터 더 먼 방향의 그리고/또는 수술 기기(200)의 의도한 작업 용도의 수술 작업 부위에 최근접한 요소들을 의미한다. 근위(proximal)는 일반적으로 일반적으로 기구학적 체인(kinematic chain)을 따라 컴퓨터 보조 장치의 베이스, 기기(200)를 유지시키는 사용자 또는 기계 및/또는 기기(200)를 유지시키는 컴퓨터 보조 장치의 관절형 암들 중의 하나 쪽으로 더 가까운 방향의 요소들을 의미한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 수술 기기(200)는 샤프트(210)의 원위 단부에 위치된 엔드 이펙터(220)를 연결시키는 긴 샤프트(210)를 포함하며, 수술 기기(200)가 샤프트(210)의 근위 단부에서 관절형 암 및/또는 컴퓨터 보조 장치에 장착된다. 수술 기기(200)가 사용되는 특정 절차에 따라, 샤프트(210)는 환자의 해부학적 구조부 내에 위치한 원격 수술 부위에 근접하게 엔드 이펙터(220)를 위치시키기 위해 환자의 개구(예를 들어, 체벽 절개부, 자연적 체공 및/또는 이와 유사한 것)를 통해 삽입될 수 있다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이, 엔드 이펙터(220)는 일반적으로 2 조 그리퍼형 엔드 이펙터(two-jawed gripper-style end effector)와 일치하며, 일부 실시예에서는 도 3a-3d와 관련하여 이하에서 보다 상세히 설명되는 바와 같은 절단 및/또는 스테이플링 기구를 또한 포함할 수 있다. 하지만, 당업자는 스테이플 대신 파스너(fastener)를 갖는 엔드 이펙터와 같은 다른 엔드 이펙터(220)를 갖는 다른 수술 기기(200)가 가능하고, 본 명세서의 다른 곳에서 설명되는 바와 같은 수술 기기(200)의 실시예와 일치할 수 있음을 이해할 것이다.
엔드 이펙터(220)를 갖는 수술 기기(200)와 같은 수술 기기는 일반적으로 그것의 작동 중에 다 자유도(DOF)를 사용한다. 수술 기기(200) 및 그것이 장착되는 관절형 암 및/또는 컴퓨터 보조 장치의 구성에 따라, 엔드 이펙터(220)의 위치결정, 방위설정 및/또는 작동시키는 데 사용될 수 있는 다양한 DOF가 가능하다. 일부 예에서, 샤프트(210)는 엔드 이펙터(220)가 환자의 해부학적 구조부 내에 얼마나 깊이 배치될지를 제어하는 데 사용될 수 있는 삽입 DOF를 제공하기 위해 원위 방향으로 삽입될 수 있고 및/또는 근위 방향으로 후퇴될 수 있다. 일부 실시예에서, 샤프트(210)는 엔드 이펙터(220)를 회전시키는 데 사용될 수 있는 롤 DOF를 제공하기 위해 길이방향 축을 중심으로 회전할 수 있다. 일부 실시예에서, 엔드 이펙터(220)의 위치 및/또는 방위의 추가적인 유연성이 샤프트(210) 및 수술 기기(200)의 근위측에 위치되는 관절형 암(120)의 조인트 및 링크와 같은 하나 이상의 조인트 및/또는 링크에 의해 제공될 수 있다. 일부 예에서, 선택적인 관절형 리스트(230)가 엔드 이펙터(220)를 샤프트(210)의 원위 단부에 연결시키는 데 사용될 수 있다. 일부 예에서, 관절형 리스트(230)는 선택적으로 샤프트(210)에 대한 엔드 이펙터(220)의 배향을 제어하는 데 사용될 수 있는 하나 이상의 "롤(roll)", "피치(pitch)" 및 "요(yaw)" DOF를 제공할 수 있는 하나 이상의 롤, 피치 또는 요 조인트와 같은 하나 이상의 회전 조인트를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 하나 이상의 회전 조인트는 피치 및 요 조인트; 롤, 피치 및 요 조인트, 롤, 피치 및 롤 조인트 등을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 엔드 이펙터(220)는 또한 엔드 이펙터(220)의 조의 개폐를 제어하는 데 사용되는 그립 DOF(grip DOF) 및/또는 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같은 스테이플링 및 절단 기구의 신장(extension), 퇴축(retraction) 및/또는 작동을 제어하는데 사용되는 활성화 DOF(activation DOF)를 포함한다.
수술 기기(200)는 또한 샤프트(210)의 근위 단부에 위치한 구동 시스템(240)을 포함한다. 구동 시스템(240)은 수술 기기(200)에 의해 지원되는 다양한 DOF를 조작하는 데 사용될 수 있는 힘 및/또는 토크를 수술 기기(200)에 도입하기 위한 하나 이상의 구성요소를 포함한다. 일부 예에서, 구동 시스템(240)은 선택적으로 도 1의 제어 유닛(140)과 같은 제어 유닛으로부터 수신된 신호에 기초하여 작동되는 하나 이상의 모터, 솔레노이드, 서보 기구(servo), 능동형 액추에이터, 유압 장치, 공압 장치 등을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 신호는 하나 이상의 전류, 전압, 펄스 폭 변조 파형 및 등을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 구동 시스템(240)은 선택적으로, 수술 기기(200)가 장착되는 관절형 암(120)의 임의의 부분과 같은 관절형 암의 부분인 대응하는 모터, 솔레노이드, 서보 기구, 능동형 액추에이터, 유압 장치, 공압 장치 등에 연결될 수 있는 하나 이상의 샤프트, 기어, 풀리, 로드, 밴드 등을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 샤프트, 기어, 풀리, 로드, 밴드 등과 같은 하나 이상의 구동 입력부는 모터, 솔레노이드, 서보 기구, 능동형 액추에이터, 유압 장치, 공압 장치로부터 힘 및/또는 토크를 수취하는데 사용된다. 이 설명에서, "힘" 및 "토크"는 모두 때때로 선형 힘, 회전 토크를 개별적으로 나타내는 데 사용되며, 그리고/또는 해당되는 경우 양자 모두를 나타내는 데 사용된다.
일부 실시예에서, 구동 시스템(240)에 의해 생성 및/또는 수취되는 힘 및/또는 토크는 하나 이상의 구동 기구(250)를 사용하여 구동 시스템(240)으로부터 샤프트(210)를 따라 구동 시스템(240)의 원위측에 위치한 수술 기기(200)의 다양한 조인트 및/또는 요소에 전달된다. 일부 예에서, 하나 이상의 구동 기구(250)는 선택적으로 하나 이상의 기어, 레버, 풀리, 케이블, 로드, 밴드 등을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 샤프트(210)는 중공형이고, 구동 기구(250)는 샤프트(210)의 내부를 따라 구동 시스템(240)으로부터 엔드 이펙터(220) 및/또는 관절형 리스트(230)의 대응하는 DOF로 전달된다. 일부 예에서, 각각의 구동 기구(250)는 선택적으로 보던 케이블(Bowden cable) 형상의 중공형 외피 또는 도관 내부에 배치되는 케이블 일 수 있다. 일부 예에서, 케이블 및/또는 도관의 내부는 선택적으로 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 등과 같은 저 마찰 코팅으로 코팅될 수 있다. 일부 예에서, 각각의 케이블의 근위 단부가 캡스턴(capstan) 또는 샤프트 둘레에 케이블을 권취(wrapping) 및/또는 권출(unwrapping)하는 등에 의해 구동 시스템(240) 내부에서 당겨지며 그리고/또는 밀어질 때, 그에 따라 케이블의 원위 단부가 이동하여 엔드 이펙터(220), 관절형 리스트(230) 및/또는 수술 기기(200)의 하나 이상의 DOF를 조정하기 위한 적절한 힘 및/또는 토크를 적용시킨다.
도 3a-3d는 일부 실시예에 따른 엔드 이펙터(220)의 개략도이다. 도 3a-3d에 도시된 바와 같이, 수술 기기(200) 또는 엔드 이펙터(220)의 원위 단부는 조 폐쇄, 조직 스테이플링 및 조직 절단을 위한 기구를 포함한다. 그리고, 엔드 이펙터(220)는 하나의 고정된 조 및 하나의 가동 조를 가지고서 도시되어 설명되지만, 당업자는 수술 기기(200)의 원위 단부가 2개의 가동 조를 사용하도록 변경될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이하의 설명이 동시에 조직을 그래스핑하고, 스테이플링하고, 절단하는 하나의 그래스핑, 스테이플링 및 절단 기구의 맥락으로 이루어지지만, 이렇게 기술되는 양태는 절단 피처(cutting feature)를 구비하거나 구비하지 않은 기기, 스테이플링 대신 융합(fusing)을 지원하는 기기 등에 적용될 수 있다.
도 3a는 작동 전의 엔드 이펙터(220)의 절결 측면도이고, 따라서 엔드 이펙터(220)의 조들이 개방 위치로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 엔드 이펙터는 일반적으로 고정된 제1 조(310)를 포함한다. 조(310)는 복수의 스테이플(330)과 복수의 스테이플 푸셔(335)를 유지시키는 교체가능한 스테이플 카트리지(320)를 수용하도록 디자인되어 있다. 스테이플 카트리지(320)는 교체가능하도록 디자인되어, 엔드 이펙터(220)는 하나 이상의 스테이플(330)이 사용된 후의 제1 스테이플 카트리지(320)를 제거하고, 수술 절차를 추가적으로 수행하기 위해 사용될 수 있는 새로운 세트의 스테이플(330)을 갖는 제2 스테이플 카트리지(320)로 교체함으로써 재사용가능하다. 도 3b는 스테이플 카트리지(320)의 상면도를 도시하고 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 스테이플 카트리지는 6 열의 스테이플 슬롯(340)을 포함하며, 이 스테이플 슬롯(340)을 통해 스테이플(330)이 엔드 이펙터(220)의 작동 시 그래스핑되는 조직에 적용될 수 있다. 스테이플 슬롯(340)의 열은 절단 슬롯(350)의 양측에 3개의 열을 포함하며, 이는 이하에서 보다 상세히 설명된다. 스테이플(330)을 절단 슬롯(350)의 양측에 배치하는 것은 절단 라인의 양측에서 조직을 폐쇄시키도록 소정의 절단 라인의 양측에 스테이플(330)을 적용시키는 것을 가능하게 해준다. 또한, 스테이플 슬롯(340)의 열은 절단 라인의 양측을 따라 보다 완전한 조직 폐쇄를 제공하도록 서로에 대해 오프셋(offset)된다. 또한, 스테이플 카트리지(320)는 각각이 균일한 크기의 6개의 스테이플 슬롯(340)을 갖는 6 열의 오프셋된 스테이플 슬롯(340)을 가지고서 도시되어 있지만, 당업자는 더 적거나 더 많은 스테이플, 다양한 크기의 스테이플 슬롯 및 다양한 패턴의 스테이플 슬롯을 갖는 더 많거나 더 적은 열의 스테이플 슬롯의이 가능하다는 것을 이해할 것이다.
또한 도 3a에 도시된 바와 같이, 엔드 이펙터(220)는 또한 그것의 근위 단부 근방의 피벗 점(도시되지 않음)을 중심으로 운동가능한 제2 조(360)를 포함한다. 스테이플링 기기의 맥락에서, 제2 조(360)는 선택적으로 앤빌(envil)(360)이라 지칭될 수 있다. 도 3a에 도시된 실시예에서, 앤빌(360)은 엔드 이펙터(220)의 초기 작동 시 조직이 앤빌(360)과 조(310) 사이에 그래스핑될 때까지 앤빌(360)과 조(310) 사이의 갭이 급속하게 감소되도록 구성된 전이 에지(transitional edge)(370)를 포함한다. 엔드 이펙터(220)의 작동은 엔드 이펙터(220)의 근위 단부로부터 엔드 이펙터(220)의 원위 단부로의 왕복운동 요소(380)의 이동에 의해 달성된다. 왕복운동 요소(380)는 하나 이상의 구동 기구(250)의 원위 단부에 연결된다.
왕복운동 요소(380)는 슬레드(382) 및 플랜지(384)를 포함하며, 절단 블레이드(386)가 슬레드(382)와 플랜지(384) 사이에 연결된다. 왕복운동 요소(380)는 도 3d에 도시된 엔드 이펙터(220)의 절결 끝면도에 도시된 바와 같이 대체로 I 빔형 단면 형상을 가진다. 엔드 이펙터(220)가 스테이플링을 위해 작동될 때, 슬레드(382)는 왕복운동 요소(380)가 구동 기구(250)에 의해 밀어질 때 조(310) 및 스테이플 카트리지(320) 내를 따라 추진된다. 슬레드(382)는 웨지형 선단 또는 원위 단부를 포함하여, 선단 단부가 스테이플 푸셔(355)와 조우할 때, 선단 단부가 스테이플(330)에 대항하여 대응하는 스테이플 푸셔(355)를 민다. 이러한 동작은 스테이플 슬롯(340)의 각각을 통한 스테이플(330) 각각의 발사(firing)를 유발한다. 슬레드(382)가 그것의 선단 에지에 단일의 웨지를 가진 것으로 도시되어 있지만, 슬레드(382)는 선택적으로 스테이플 카트리지(320) 내의 스테이플(330) 및 스테이플 푸셔(355)의 각각의 열마다 개별 웨지를 포함할 수 있다. 또한, 개별 웨지의 각각은 선택적으로 슬레드(382) 이동의 방향으로 서로에 대해 엇갈림 배열(staggering)된다. 일부 실시예에서, 스테이플 푸셔(335)는 선택적이며, 슬레드(382)의 선단 에지가 스테이플(330)을 직접 민다. 슬레드(382)가 조(310) 및 스테이플 카트리지(320) 내를 따라 추진됨에 따라, 플랜지(384)가 앤빌(360) 내를 따라 추진된다. 플랜지(384)의 선단 원위 단부가 전이 에지(370)를 만날 때, 플랜지(384)는 앤빌 (360)과 조(310) 사이의 갭의 초기 급속 폐쇄를 일으킨다. 절단 블레이드(386)는 다소 슬레드(382) 및 플랜지(384)의 원위 단부에 대해 다소 근위측에 위치되어, 임의의 그래스핑된 조직의 절단이 절단 라인의 양측을 따른 스테이플(330)의 발사에 후행한다. 왕복운동 요소(380)가 작동됨에 따라, 절단 블레이드(386)는 절단 슬롯(350)과 더불어 앤빌(360) 내에 위치한 대응하는 절단 슬롯(355)을 따라 이동한다.
도 3c 및 3d는 엔드 이펙터(220)가 완전히 작동된 후의 엔드 이펙터의 각각의 절결 측면도 및 절결 끝면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 왕복운동 요소(380)는 슬레드(382), 플랜지(384) 및 절단 블레이드(386)와 함께 엔드 이펙터(220)의 원위 단부에 위치된다. 슬레드(382)의 선단 에지가 각각의 스테이플 푸셔(335)와 조우할 때, 슬레드(382)의 선단 에지는 스테이플 푸셔(355)를 밀고, 스테이플 푸셔(355)는 결과적으로 스테이플(330)을 각각의 스테이플 슬롯(340)을 통해 밀어 올리고, 여기서 스테이플(330)은 그래스핑되는 조직을 통해 앤빌(360)의 면 내로 가압되고, 여기서 스테이플(330)은 도 3c에 도시된 바와 같이 최종 형상으로 구부러진다. 앤빌(360)과 조(310) 사이의 갭은 앤빌(360) 내의 플랜지(384)의 존재에 의해 유지된다. 이런 식으로, 왕복운동 요소(380), 슬레드(382), 플랜지(384) 및 절단 블레이드(386)는 액추에이터에 의해 제공되는 적용되는 힘 또는 토크에 응답하여 이동하여 왕복운동 요소(380)의 이동을 제어하는 엔드 이펙터(220)의 모든 구성요소들이다.
엔드 이펙터(220)의 작동은 그것이 작동될 때 여러 가지 실제적인 고려 사항들의 지배를 받는다. 초기에, 왕복운동 요소(380)는 왕복운동 요소(380)를 추진시키는데 사용되는 구동 기구(250)에 적용되어야 하는 매우 작은 힘 또는 토크로 높은 수준의 속도로 원위측으로 이동될 수 있다. 하지만, 플랜지(384)가 선단 에지(370)와 조우하기 시작하고, 앤빌(360)과 조(310) 사이의 갭이 급속하게 폐쇄되기 시작할 때, 앤빌(360)과 조(310) 사이에 그래스핑된 임의의 조직은 왕복운동 요소(380)의 추가 이동에 저항하기 시작한다. 이를 보상하기 위해, 구동 시스템(240)은 왕복운동 요소(380)의 속도를 유지시키기 위해 구동 기구(250)에 추가적인 힘 및/또는 토크를 적용시킨다. 힘 및/또는 토크의 모니터링이 조(310) 및/또는 앤빌(360)의 수용불가능한 휨(flexing) 및/또는 벌어짐(splaying); 엔드 이펙터(220), 구동 시스템(240) 및/또는 구동 기구(250)에 대한 손상; 및/또는 그래스핑되는 조직의 손상을 회피하기 위해 적용되는 힘 및/또는 토크에 대해 적정한 상한이 유지되는 것을 확실히 하기 위해 발생한다. 둘째로, 조직이 앤빌(360)과 조(310) 사이에서 그래스핑될 때, 조직은 일반적으로 그래스핑의 압력으로 인해 유체가 조직으로부터 밀려나면서 건조되기 시작한다. 왕복운동 요소(380)의 속도가 적절하게 제어되는 한, 왕복운동 요소(380)를 계속 전진시키는 힘 및/또는 토크의 크기는 일반적으로 순응성 조직에 대한 적정한 한계 내에서 관리될 수 있다. 셋째로, 일반적으로 슬레드(382)가 스테이플(330)에 대항하여 스테이플 푸셔(335)의 각각을 밀 수 있어, 스테이플(330)이 밀려 그래스핑되는 조직을 통과하며 그리고/또는 절단 블레이드(386)가 그래스핑되는 조직을 절단할 수 있는 동시에 왕복운동 요소(380)의 소정의 속도를 유지시키도록 추가적인 힘 및/또는 토크가 요구된다. 이러한 추가적인 힘 및/또는 토크는 스테이플링되는 조직의 특성이 바뀌고, 이전에 적용된 스테이플 라인들이 교차되는 등으로 인해 크게 변동될 수 있다.
엔드 이펙터(220)의 원활한 작동을 달성하기 위해, 일반적으로 조직과의 초기 접촉, 스테이플(330)의 발사, 및 그래스핑되고 스테이플링된 조직의 절단에 걸쳐 일정 속도로 왕복운동 요소(380)를 작동시키는 것이 바람직하다. 일부 실시예에서, 이는 조(310) 및/또는 앤빌(360)의 수용불가능한 휨 및/또는 벌어짐; 엔드 이펙터(220), 구동 시스템(240) 및/또는 구동 기구(250)에 대한 손상; 및/또는 그래스핑되는 조직의 손상을 감소 및/또는 회피시키도록 적용되는 힘 및/또는 토크를 모니터링 및/또는 제한하는 것으로 발생한다. 하나의 접근법은 구동 시스템(240)에 대한 최대 힘 및/또는 토크 한계의 지배를 받는 일정 속도 설정점을 사용하여 엔드 이펙터(220)를 작동시키는 것이다. 일정 속도 설정점은 작동의 속도와 힘 및/또는 토크 한계와 조우할 위험성 사이의 균형을 제공하도록 선택될 수 있다. 일부 예에서, 일정 속도 설정점은 그래스핑, 스테이플링 및 클램핑되는 조직의 유형에 기초하여 오퍼레이터 등에 의해 선택적으로 조정될 수 있다. 일부 실시예 및/또는 특정 작동 조건하에서는, 특정 속도 설정점 및/또는 속도 설정점의 범위는 너무 낮은 일정 속도 설정점으로 인한 엔드 이펙터(220)의 최적이 아닌 작동, 힘 및/또는 토크 한계와의 일정한 조우로 인한 불균일한 작동(ragged operation)을 초래할 수 있으며, 이는 왕복운동 요소(380)가 불규칙한 패턴(erratic pattern) 등으로 속도 감소되고 속도 상승되게 만든다.
엔드 이펙터(220)의 개선된 성능 및 더 원활한 작동은 구동 시스템(240) 및 구동 기구(250)에 의해 적용되는 힘 및/또는 토크에 기초하여 적응되는 왕복운동 요소(380)의 속도 프로파일(velocity profile)을 사용하여 가능하다. 예를 들어, 힘 및/또는 토크가 증가하기 시작할 때, 왕복운동 요소(380)의 속도는 제어된 방식으로 감소되고, 힘 및/또는 토크가 감소하기 시작할 때, 왕복운동 요소(380)의 속도는 제어된 방식으로 증가된다. 이러한 방식으로, 단일의 힘 및/또는 토크 한계에 의존하여 왕복운동 요소(380)의 속도를 간접적으로 감소시키는 것에 비해 엔드 이펙터(220)의 더 원활한 작동이 얻어진다. 예를 들어, 힘 및/또는 토크 임계값이 최대 힘 및/또는 토크 한계보다 낮을 때의 속도 감소는 왕복운동 요소(380)가 최대 힘 및/또는 토크 한계에서 멈추기 때문에 더 적은 시작 및 중지를 갖는 작동을 유발할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 다른 기술이 속도를 조정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 힘 및/또는 토크가 임계값 크기를 통과할 때, 왕복운동 요소(380)의 속도는 왕복운동 요소(380)의 현재 검출 속도 및/또는 현재 검출 속도보다 약간 낮은 속도 설정점으로 설정될 수 있다.
도 3a를 다시 참조하면, 예시적인 스테이플링 과정의 작동 중의 왕복운동 요소(380)의 이동 방향을 나타내는 화살표(390)가 또한 도시되어 있다. 한 세트의 점선(392, 394, 396, 398)은 스테이플링 작업 중에 슬레드(382)의 원위 팁이 도달하는 특정 위치들을 나타낸다. 슬레드(382)의 원위 팁이 점선(392 및 394)으로 표시된 위치들 사이에 위치될 때, 스테이플러는 제1 조(310)와 제2 조(360)가 대략 평행한 자세로 근접하고 환자 조직을 가볍게 그리핑(gripping)하고 있을 수 있는 "그리핑" 상태(또한 "그리핑 단계")에 있다. 슬레드(382)의 원위 팁이 점선(394)으로 표시된 위치에 도달할 때, 스테이플러는 그리핑 상태로부터 제1 조(310)와 제2 조(360)가 환자 조직 상에 실질적인 클램핑력(claimping force)을 가하할 정도로 충분히 근접하게 유지되는 "클램핑-미발사(clamping-not-yet-firing)"상태(또한 "클램핑-미발사 단계")로 전이한다. 이 클램핑-미발사 상태는 환자 조직의 약간의 예비 스테이플링 압박(pre-stapling compression)을 제공할 수 있으며, 조직을 평평하게 하여 성공적인 스테이플링 작업의 가능성을 향상시킨다.
슬레드(382)의 원위 팁이 점선(396)으로 표시된 위치에 도달할 때, 스테이플러는 클램핑-미발사 상태로부터 슬레드(382)가 대응하는 스테이플(330)에 대항하여 여러 스테이플 푸셔(355)를 하나씩 밀어 스테이플 슬롯(340)을 통해 이들 스테이플(330)을 발사하게 되는 "발사(firing)" 상태(또한 "발사 단계")로 전이한다. 스테이플링 과정은 슬레드(382)의 원위 팁이 점선(398)으로 표시된 위치의 목적지에 도달할 때 종료된다. 이 발사 상태는 또한 클램핑-미발사 상태와 별개인 "클램핑(claimping)" 상태라고도 지칭된다.
일부 실시예에 따라, 적용되는 힘 또는 토크는 발사 상태, 클램핑-미발사 상태, 그리핑 상태, 및/또는 이들 상태 중 임의의 2개 또는 3개의 조합 중에 모니터링될 수 있다. 일부 예에서, 발사 상태 중에 적용되는 힘 또는 토크가 모니터링되고, 본 명세서에 기술되는 바와 같은 과정들이 수행될 수 있다. 일부 예에서, 발사 상태 및 클램핑-미발사 상태의 전부 또는 일부 중에 적용되는 힘 또는 토크가 모니터링되고, 본 명세서에 기술되는 바와 같은 과정들이 수행될 수 있다. 일부 예에서, 다른 힘 또는 토크 한계 임계값 및/또는 다른 파라미터들이 발사 상태 및 클램핑-미발사 상태 중에 사용될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 스테이플링 작업 중에 피드백이 외과의 및/또는 다른 의료 요원에게 제공될 수 있다. 일부 예에서, 컴퓨터 보조 시스템(예를 들어, 컴퓨터 보조 시스템(100))의 제어 유닛이 클램핑-미발사 상태 중에 성공적인 스테이플링 과정의 가능성을 추정할 수 있고, 이러한 추정을 시각적 디스플레이, 청각 피드백 등을 통한 것을 포함하는 임의의 적당한 방법을 통해 사용자에게 제공할 수 있다. 일부 예에서, 이러한 피드백은 스테이플링 과정이 쉽게 역전(reverse)될 수 있는 동안에 제공될 수 있어, 스테이플이 소비되지 않고 절차 중에 다른 곳에서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 컴퓨터 보조 시스템은 성공적인 스테이플링의 가능성이 충분히 높게 평가될 때까지 발사 상태의 시작을 억제할 것이다.
일부 실시예에서, 수술 기기(200) 및/또는 연관된 컴퓨터 보조 시스템(예를 들어, 컴퓨터 보조 시스템(100))은 이들 3가지 상태를 오퍼레이터에게 구별시키는 사용자 인터페이스를 가지고서 구성된다. 예를 들어, 일부 실시예는 노브, 버튼, 스위치, 페달 및 다른 입력 장치의 다양한 조합을 통해 상태를 변경시키기 위한 여러 가지 제어를 제공한다. 일부 예에서, 원격조작 컴퓨터 보조 시스템의 경우, 이 컴퓨터 보조 시스템은 다음을 행하도록 구성될 수 있다. (1) 능동형 스테이플러 기기와 연관된 마스터 매니퓰레이터 입력 장치 상에서의 핀칭(pinching) 입력을 감지하는 것에 응답하여, 슬레드(382)가 그피핑 속도로 점선(392)에 대응하는 위치로 이동하도록 명령하는 등에 의한, 그리핑 상태로의 명령 입력; (2) 제1 페달의 답입(depression)에 응답하여, 슬레드(382)가 클램핑-미발사 속도로 점선(394)에 대응하는 위치로 이동하도록 명령하는 등에 의한, 클램핑-미발사 상태로의 명령 입력; (3) 슬레드(382)가 발사 속도로 점선(396)을 통과한 위치로 그리고 엔드 이펙터(220)의 원위 단부에 위치한 점선(398)의 위치로 이동하도록 명령하는 등에 의한, 발사 상태로의 그리고 계속된 발사 상태로의 명령 입력. 일부 실시예는 또한핀칭 모션, 제1 페달 답입, 및/또는 제2 페달 답입과 연관된 소정의 기간이 경과한 후에 핀칭 모션, 제1 페달 답입, 및/또는 제2 페달 답입이 연관된 상태에 대한 명령을 유발하도록 타임아웃(timeout)을 가지고서 구성된다. 일부 실시예에서, 수술 기기(200) 또는 연관된 컴퓨터 보조 시스템(예를 들어, 컴퓨터 보조 시스템(100))은 사용자 제어 관점에서 "그리핑" 상태와 "클램핑-미발사" 상태를 또는 "클램핑-미발사" 상태와 "발사" 상태를 조합하는 사용자 인터페이스를 가지고서 구성된다. 일부 실시예에서, 오퍼레이터가 그리핑 상태로의 진입과 클램핑-미발사 상태로의 전이를 지시하기 위한 단일의 스위치 또는 페달이 제공된다. 일부 실시예에서, 오퍼레이터가 클램핑-미발사 상태로의 진입과 발사 상태로의 전이를 지시하기 위한 단일의 스위치 또는 페달이 제공된다.
도 4는 일부 실시예에 따라 엔드 이펙터를 작동시키기 위한 상태 기계(state machine)(400)의 개략도이다. 상태 기계(400)의 상태(410-490) 중의 하나 이상은 적어도 부분적으로, 하나 이상의 프로세서(예를 들어, 제어 유닛(140) 내의 프로세서(150))에 의해 실행될 때 하나 이상의 프로세서가 상태(410-490) 중의 하나 이상을 구현하게 만들 수 있는 비일시적 유형의 기계 판독 가능 매체(non-transient tangible machine readable media)에 저장된 실행가능 코드의 형태로 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 상태 기계(400)는 제어 애플리케이션(170)과 같은 애플리케이션에 의해 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 상태 기계(400)는 액추에이터에 의해 적용되는 토크에 기초하여 왕복운동 요소(380)의 이동을 제어하는 액추에이터와 같은 액추에이터의 속도 설정점을 규제 및/또는 제한하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 상태 기계(400)가 작동하고 있는 동안, 액추에이터의 토크가 모니터링된다. 일부 실시예에서, 상태(410-490) 사이의 상태 전이는 표시된 상태 전이가 발생할 때 발생할 수 있으며, 또는 선택적으로 상태 기계(400)를 구현하는 제어 루프의 실행에 기초하여 주기적인 간격을 두고 발생할 수 있다.
상태 기계(400)는 시작 상태(410)에서 시작한다. 하나 이상의 제어부, 입력부 등의 활성화를 통한 외과의와 같은 오퍼레이터의 지시 및/또는 명령 시, 엔드 이펙터의 작동은 예비 클램핑 상태(420)로 전이한다. 예비 클램핑 상태(420)에서, 왕복운동 요소를 추진시키는 액추에이터와 같은 액추에이터의 속도 설정점은 초기 속도(v0)로 설정된다. 일부 예에서, 속도 v0는 선택적으로 액추에이터에 대한 최대 허용 속도와 일치할 수 있다. 일부 실시예에서, 엔드 이펙터의 작동은 액추에이터가 최소 거리를 이동하거나 초기 위치(예를 들어, 점선(394)에 대응하는 위치)에 도달할 때까지 예비 클램핑 상태(420)로 유지된다. 일부 예에서, 최소 거리는 플랜지(384)의 원위 단부가 전이 에지(370)와 조우하고 앤빌(360)과 조(310) 사이의 갭이 폐쇄되기 시작하기 약간 전 및/또는 후와 같이 조직의 초기 그래스핑이 발생하는 위치에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, 이 조직의 초기 그래스핑(initial grasping)은 도 3a와 관련하여 기술된 "그리핑(gripping)" 상태 및/또는 그리핑 상태 직전에 적용가능한 그리핑 전(before-gripping) 상태와 관련된다. 일부 실시예에서, 이 조직의 초기 그래스핑은 도 3a와 관련하여 기술된 "그리핑" 상태 및 "클램핑-미발사" 상태의 일부 또는 전부와 관련된다. 액추에이터의 토크가 최소 거리에 도달하기 전에 최대 토크(τmax)를 초과하면, 상태 기계(400)는 실패 상태(490)로 전이한다. 상태 기계(400)는 시각적으로, 청각적으로, 또는 다른 피드백 방법을 통해 인간 오퍼레이터에게 실패 상태(490)를 표시할 수 있다. 액추에이터의 토크가 최대 토크를 초과하지 않으면, 상태 기계(400)는 초기 클램핑 상태(initial clamp state)(430)로 전이한다.
초기 클램핑 상태(430)에서, 액추에이터의 속도 설정점은 초기 클램핑 속도(v1)로 설정된다. 그런 다음, 액추에이터의 제어는 왕복운동 요소(380)가 엔드 이펙터(220)의 원위 단부까지 추진되거나 토크 임계값(τ1)에 도달될 때까지 속도 v1에서 계속된다. 토크 τ1은 최대 토크 τmax보다 낮다. 일부 예에서, 속도 v1은 선택적으로 초기 속도 v0와 동일한 속도일 수 있다. 상태 기계(400)는 시각적으로, 청각적으로 및/또는 다른 피드백 방법을 통해 인간 오퍼레이터에게 성공 상태(480)를 표시할 수 있다. 목표 위치에 도달되면, 상태 기계(400)는 성공 상태(480)로 전이한다. 목표 위치에 도달되기 전에 액추에이터의 토크가 토크 τ1을 초과하면, 상태 기계(400)는 제1 저속 클램핑 상태(440)로 전이한다.
제1 저속 클램핑 상태(440)에서, 액추에이터의 속도 설정점은 속도 v1보다 낮은 속도 v2로 설정된다. 그런 다음, 액추에이터의 제어는 속도 v2에서 계속된다. 제1 저속 클램핑 상태(440)에 있는 동안, 액추에이터의 토크는 그것이 증가하는지 또는 감소하는지를 보기 위해 추가로 모니터링된다. 액추에이터의 토크가 토크 τ1보다 낮은(예를 들어, τ1보다 5-20 % 더 낮으며 및/또는 τ1보다 1-3 Nm 미만 범위와 같이) 토크 τ2로 감소하면, 상태 기계(400)는 다시 초기 클램핑 상태(430)로 전이하고, 여기서 액추에이터의 속도 설정점은 다시 속도 v1으로 증가된다. 토크 τ2가 토크 τ1보다 낮은 양은 액추에이터에 대한 속도 설정점의 과도한 스래싱(thrashing)을 회피하기 위해 액추에이터의 속도 제어에 히스테리시스(hysteresis)를 도입하도록 설정될 수 있다. 액추에이터의 토크가 토크 τ3로 증가하면, 상태 기계(400)는 제2 저속 클램핑 상태(450)로 전이한다. 토크 τ3은 최대 토크 τmax보다 낮지만 일반적으로 토크 τ1보다 높아서, 증가하는 토크가 계속해서 액추에이터에 대한 더 낮은 속도 설정점을 유발한다. 목표 위치에 도달되면, 상태 기계(400)는 성공 상태(480)로 전이한다.
제2 저속 클램핑 상태(450)에서, 액추에이터의 속도 설정점은 속도 v2보다 낮은 속도 v3로 설정된다. 그런 다음, 액추에이터의 제어는 속도 v3에서 계속된다. 제2 저속 클램핑 상태(450)에 있는 동안, 액추에이터의 토크는 그것이 증가하는지 또는 감소하는지를 보기 위해 추가로 모니터링된다. 액추에이터의 토크가 토크 τ3보다 낮은 토크 τ4로 감소하면, 상태 기계(400)는 다시 제1 저속 클램핑 상태(440)로 전이하고, 여기서 속도는 다시 증가된다. 토크 τ4가 토크 τ3보다 낮은 양은 액추에이터에 대한 속도 설정점의 과도한 스래싱을 회피하기 위해 액추에이터의 속도 제어에 히스테리시스를 도입하도록 설정될 수 있다. 액추에이터의 토크가 토크 τ5로 증가하면, 상태 기계(400)는 대기 상태(460)로 전이한다. 토크 τ5는 선택적으로 최대 토크 τmax와 동일하거나 더 낮을 수 있지만 일반적으로 토크 τ3보다 높아서, 증가하는 토크가 계속해서 액추에이터에 대한 더 낮은 속도 설정점을 유발한다. 목표 위치에 도달되면, 상태 기계(400)는 성공 상태(480)로 전이한다.
대기 상태(460)에서, 상태 기계(400)는 소정의 기간( "일시 정지 기간(pause period)"이라고도 함) 동안 작동을 일시 정지시킨다. 대기 상태(460)에서 작동을 일시 정지시키기 위해, 상태 기계(400)는 액추에이터의 속도 설정점을 0으로 설정하여 액추에이터의 가동을 중지시킴으로써 액추에이터를 일시 정지시킬 수 있다. 일부 예에서, 액추에이터의 속도 설정점을 0으로 설정하는 것은 그래스핑되는 조직이 더 건조될 수 있는 추가 시간을 허용한다. 일부 실시예에서, 상태 기계(400)는 스테이플러 작동으로부터의 일시 정지를 제공하기 위해 소정의 기간 동안 대기 상태로 유지된다. 일부 예에서, 소정의 기간은 선택적으로 하드웨어 및/또는 소프트웨어 타이머를 사용하여 구현될 수 있다. 소정의 기간이 만료된 후에, 상태 기계(400)는 자동적으로 시도 상태(470)로 전이한다.
시도 상태(470)에서, 액추에이터를 가동시키려는 시도가 이루어진다. 시도가 시도될 때마다, 시도 계수기(try counter)가 증가된다. 일부 예에서, 시도는 선택적으로 액추에이터의 속도 설정점을 다시 속도 v3 또는 다른 속도값으로 설정하는 것을 포함할 수 있다. 액추에이터의 가동이 가능하고, 액추에이터의 토크가 토크 τ5보다 낮은 토크 τ6 미만으로 유지되면, 시도 계수기는 0으로 재설정되고, 상태 기계(400)는 다시 제2 저속 클램핑 상태(450)로 전이하며, 여기서 속도 액추에이터의 설정점은 다시 속도 v3으로 증가한다. 토크 τ6가 토크 τ5보다 낮은 양은 액추에이터에 대한 속도 설정점의 과도한 스래싱을 회피하기 위해 액추에이터의 속도 제어에 히스테리시스를 도입하도록 설정될 수 있다. 시도 상태(470) 동안 액추에이터의 토크가 토크 τ6를 초과하여 유지되면, 상태 기계(400)는 추가적인 양의 시간을 대기하기 위해 대기 상태(460)로 복귀한다. 상태 기계(400)는 시도 기간이 경과하거나, 최소 시도 거리가 달성되거나, 양자 모두가 충족된 후에만 대기 상태(460)로 전이할 수 있도록 구성될 수 있다. 시도 계수기가 최대 시도 횟수를 초과하면, 상태 기계(400)는 실패 상태(490)로 전이한다.
성공 상태(480)에서, 성공적인 스테이플링 및 절단이 검출되고, 액추에이터의 제어는 선택적으로 엔드 이펙터의 조들이 그래스핑된 조직의 대응하는 해제와 함께 개방되도록 역전된다. 도 3a-3d의 일부 예에서, 액추에이터를 역전시키는 것은 슬레드(382)가 조(310) 및 스테이플 카트리지(320)로부터 인출되고, 플랜지(384)가 앤빌(360)로부터 인출되어 앤빌(360)이 피벗운동하여 개방되는 것을 허용하고, 절단 블레이드(386)가 입고 위치(garaged position)와 같은 안전 위치로 당겨져 후퇴되도록, 왕복운동 요소(380)를 근위 방향으로 당기는 것을 포함한다. 일부 예에서, 스테이플링 및 절단 작업의 성공은 선택적으로 청각 및/또는 시각적 알림을 사용하여 오퍼레이터에게 보고될 수 있다.
실패 상태(490)에서, 액추에이터가 목표 위치에 도달할 수 없기 때문에 스테이플링 및 절단 작업을 완료하는 데 실패한 것이 검출된다. 도 3a-3d의 예에서, 이는 왕복운동 요소(380)가 조(310) 및 앤빌(360)의 원위 단부로 추진될 수 없을 때 발생한다. 실패 상태(490)에 있는 동안, 청각적 및/또는 시각적 알림이 오퍼레이터에게 보고되어 스테이플링 및 절단 작업의 실패를 표시한다. 일부 예에서, 액추에이터의 역전은 선택적으로 상태 기계에 의해 자동으로 또는 오퍼레이터의 고속 명령에 의해 시도될 수 있다.
전술되었고 여기에서 더욱 강조되는 바와 같이, 도 4는 단지 청구항의 범위를 부당하게 제한해서는 안되는 예일 뿐이다. 당업자는 많은 변형, 대안 및 수정을 인지할 것이다. 일부 실시예에서, 토크 이외의 엔드 이펙터 및 액추에이터의 특성이 대안적으로 모니터링될 수 있고 전술한 상태 전이를 유발할 수 있다. 일부 예에서, 액추에이터에 의해 적용되는 힘이 토크 대신에 모니터링될 수 있다. 일부 실시예에서, 초기 클램핑 상태(430) 및 예비 클램핑 상태(420)는 선택적으로 단일의 상태로 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 액추에이터의 토크가 토크 τ3보다 높을 때 상태 기계(400)가 제1 저속 클램핑 상태(440)로부터 대기 상태(460)로 전이하도록, 제2 저속 클램핑 상태(450)가 제외될 수 있다. 일부 실시예에서, 액추에이터의 토크가 토크 τ1보다 높을 때 프로세스가 초기 클램핑 상태(430)로부터 대기 상태(460)로 전이하도록, 제1 저속 클램핑 상태(440) 및 제2 저속 클램핑 상태(450)가 제외된다. 일부 실시예에서, 엔드 이펙터에 대한 속도-토크 프로파일에서 얼마나 많은 단계가 바람직한지에 따라, 추가적인 저속 클램핑 상태가 제2 저속 클램핑 상태(450)와 대기 상태(460) 사이에 선택적으로 추가될 수 있다.
일부 실시예에서, 토크 임계값의 적용에 있어서의 일시적 과도 현상의 영향을 감소시키기 위한 하나 이상의 기술이 선택적으로 사용될 수 있다. 일부 예에서, 상태 기계(400)의 상태 전이는 적용되는 토크가 소정의 기간 동안 대응하는 토크 임계값을 초과하여 또는 그 미만으로 유지될 때 발생한다. 일부 예에서, 소정의 기간은 선택적으로 속도 설정점을 감소시키는 토크 임계값과 속도 설정점을 증가시키는 토크 임계값에 대해 상이할 수 있다. 일부 예에서, 상태 기계(400)의 상태 전이는 적용되는 토크의 평균값이 대응하는 토크 임계값을 초과하거나 그 미만일 때 발생한다. 일부 예에서, 평균은 지수 평활법(exponential smoothing)을 사용하여 계산된다. 일부 예에서, 적용되는 토크는 저역 통과 필터링(low-pass filtering)된다.
도 5는 일부 실시예에 따른 도 3의 엔드 이펙터에 대한 속도-토크 프로파일(velocity-torque profile)(500)의 개략도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 속도-토크 프로파일(500)은 모니터링되는 토크에 기초하여 변동하는 다수의 속도 설정을 포함한다. 일부 예에서, 속도-토크 프로파일(500)은 상태 기계(400)에 의해 구현되는 속도 설정점과 일치한다. 속도-토크 프로파일(500)에서, 엔드 이펙터(220) 용 액추에이터와 같은 액추에이터의 속도 설정점은 액추에이터에 의해 가해지는 토크가 토크 τ1을 초과할 때까지 속도 v1으로 설정된다. 일단 토크 τ1이 초과되면, 속도 설정점은 속도 v2로 감소된다. 그런 다음, 액추에이터의 속도는 액추에이터에 의해 적용되는 토크가 토크 τ3를 초과할 때까지 속도 v2에서 제어된다. 일단 토크 τ3가 초과되면, 속도 설정점은 속도 v3로 감소한다. 그런 다음, 액추에이터의 속도는 액추에이터에 의해 적용되는 토크가 토크 τ5를 초과할 때까지 속도 v3에서 제어된다. 일단 토크 τ5가 초과되면, 속도 설정점은 0으로 감소된다. 속도-토크 프로파일(500)은 액추에이터의 토크가 각각 토크 τ6, τ4 및 τ2 미만으로 떨어질 때까지 액추에이터의 속도 설정점이 다시 속도 v3, v2 및 v1으로 증가되지 않도록 히스테리시스를 사용하여 구현된다. 여기서, 토크 τ6, τ4 및 τ2는 각각 토크 τ5, τ3 및 τ1 미만으로 설정된다.
전술되고 여기에서 더 강조되는 바와 같이, 도 5는 단지 청구항의 범위를 부당하게 제한해서는 안되는 예일 뿐이다. 당업자는 많은 변형, 대안 및 수정을 인지할 것이다. 일부 실시예에서, 토크 이외의 엔드 이펙터 및 액추에이터의 특성이 속도 프로파일에서 사용될 수 있다. 일부 예에서, 액추에이터에 의해 적용되는 힘이 토크 대신 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 3 단계보다 더 적거나 더 많은 단계가 선택적으로 속도-토크 프로파일에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 속도-토크 프로파일(500)은 선택적으로 τ2를 τ1과 동일하게 설정하고, τ4를 τ3와 동일하게 설정하고, τ6를 τ5와 동일하게 설정함으로써 히스테리시스 없이 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 히스테리시스를 갖거나 갖지 않는 완만한 속도-토크 프로파일이 선택적으로 도 5의 단계 프로파일 대신 사용될 수 있다. 일부 예에서, 속도-토크 프로파일은 선택적으로 선형일 수 있고, 일련의 S 형상 완만한 단계 및/또는 속도 설정점이 토크의 함수로서 계산되는 다른 단조(monotonic) 프로파일일 수 있다. 일부 실시예에서, 속도 설정점을 결정하는 데 사용되는 토크는 선택적으로 평균 토크, 저역 통과 필터링된 토크 등일 수 있다.
도 6은 일부 실시예에 따른 스테이플링 및 절단 작업을 수행하기 위한 방법(600)의 개략도이다. 방법(600)의 과정(605-650) 중의 하나 이상은 적어도 부분적으로 비일시적 유형의 기계 판독 가능 매체에 저장된 실행가능 코드의 형태로 구현될 수 있다. 이 실행가능 코드는 하나 이상의 프로세서(예를 들어, 제어 유닛(140)의 프로세서(150))에 의해 실행될 때, 하나 이상의 프로세서가 과정(605-650) 중의 하 이상을 수행하게 만들 수 있다. 일부 실시예에서, 방법(600)은 제어 애플리케이션(170)과 같은 애플리케이션에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 방법(600)은 왕복운동 요소(380)와 같은 왕복운동 요소를 작동시키는데 사용되는 액추에이터의 속도를 액추에이터에 의해 적용되는 토크에 기초하여 제한하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 방법(600)의 스테이플링 및 절단 작업은 상태 기계(400) 및/또는 속도-토크 프로파일(500)에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 과정(615, 620 및 630)의 테스트는 동시에 및/모든 임의의 순서로 발생할 수 있다.
과정(605)에서, 엔드 이펙터가 작동된다(또한 "발사"된다). 엔드 이펙터(220)와 같은 엔드 이펙터는 구동 시스템(240) 내의 액추에이터와 같은 액추에이터가 엔드 이펙터의 적어도 하나의 DOF를 제어하는 데 사용되는 토크를 적용시키게 만듦으로써 발사된다. 일부 예에서, 액추에이터는 전류, 전압, 펄스 폭 변조 신호 등과 같은 하나 이상의 신호를 액추에이터에 전송함으로써 제어된다. 엔드 이펙터의 실제 발사 실행은 엔드 이펙터의 디자인, 용법 및 목적에 달려 있다. 일부 실시예에서, 엔드 이펙터의 발사는 예비 클램핑 상태(420) 중에 속도 설정점을 속도 v0로 설정하는 것과 같이, 액추에이터의 속도 설정점을 설정함으로써 시작된다. 도 2 및 도 3a-3d의 예를 이용하여, 액추에이터는 왕복운동 요소(380)가 엔드 이펙터(220)의 원위 단부를 향해 이동하게 만드는 구동 기구(250)에 힘을 적용시킨다. 이는 다시 앤빌(360)과 조(310) 사이의 갭의 감소를 유발하여, 조직이 그래스핑되고, 스테이플(330)이 스테이플 푸셔(335)에 작용하는 슬레드(382)에 의해 그래스핑된 조직을 통해 가압되고, 절단 블레이드(386)가 그래스핑된 조직을 절단한다. 엔드 이펙터의 발사는 발사의 성공 또는 실패가 결정될 때까지 그리고/또는 발사가 오퍼레이터에 의해 중단될 때까지 계속된다.
과정(610)에서, 적용되는 토크가 모니터링된다. 엔드 이펙터가 발사될 때 하나 이상의 센서 및/또는 제어 알고리즘을 사용하여 액추에이터에 의해 적용되는 토크가 모니터링된다. 예를 들어, 액추에이터가 모터일 때, 모터에 적용되는 전류가 모니터링되어 모터에 의해 적용되는 토크를 결정하는 데 사용될 수 있다.
과정(615)에서, 엔드 이펙터가 목표 위치에 있는지가 결정된다. 하나 이상의 센서를 사용하여, 액추에이터의 위치 및/또는 엔드 이펙터 상의 검출가능한 장소의 위치가 모니터링된다. 일부 예에서, 센서는 액추에이터의 구동 샤프트의 회전 각도를 측정할 수 있다. 일부 예에서, 하나 이상의 센서는 샤프트 인코더, 홀 효과 센서 등을 포함할 수 있다. 도 3a-3d의 예에서, 목표 위치는 엔드 이펙터(220)의 원위 단부로의 왕복운동 요소(380)의 이동에 대응하여, 모든 스테이플(330)이 그래스핑된 조직을 통해 발사되고, 절단 블레이드(386)가 그래스핑된 조직을 절단한다. 목표 위치에 도달되면, 엔드 이펙터의 작동은 성공한 것으로 간주되고, 속도 설정점은 0으로 설정된다. 일부 예에서, 시스템의 오퍼레이터는 청각적 및/또는 시각적 알림을 통해 통지를 받는다. 일부 예에서, 성공은 성공 상태(480)와 일치한다. 목표 위치에 아직 도달되지 않았다면, 모니터링되는 토크는 다시 하나 이상의 토크 임계값과 비교되어 과정(620)을 시작한다.
과정(620)에서, 적용되는 토크가 제1 토크 임계값을 초과하는지가 결정된다. 과정(610) 중에 모니터링된 적용 토크가 제1 토크 임계값과 비교되어 액추에이터가 원하는 것보다 더 높은 토크를 엔드 이펙터에 적용시키고 있는지를 결정한다. 일부 예에서, 제1 토크 임계값은 선택적으로 현재의 속도 설정점에 따라 변동한다. 도 4 및 5의 실시예에서, 제1 토크 임계값은 토크 τ1, τ3 및/또는 τ5 중의 하나 이상에 대응한다. 적용되는 토크가 제1 토크 임계값을 초과하면, 속도 설정점은 과정(625)를 사용하여 감소된다. 적용되는 토크가 제1 임계값을 초과하지 않으면, 토크는 과정(630)를 사용하여 제2 토크 임계값과 비교된다.
과정(625)에서, 속도 설정점은 감소된다. 적용되는 토크가 제1 임계값을 초과하면, 액추에이터의 속도 설정점이 감소되어 그래스핑된 조직이 추가로 건조되는 것을 허용하고, 하나 이상의 스테이플의 발사를 느리게 한다. 일부 예에서, 속도 설정점은 속도-토크 프로파일 등에 따라 정해진 양, 퍼센트 양만큼 감소될 수 있다. 도 4 및 5의 예에서, 속도 설정점은 과정(620) 중에 사용된 이전 속도 설정점 및/또는 제1 토크 임계값에 따라 v2, v3 또는 0으로 감소된다. 일부 예에서, 속도 설정점의 감소는 초기 클램핑 상태(430)로부터 제1 저속 클램핑 상태(440)로의, 제1 저속 클램핑 상태(440)로부터 제2 저속 클램핑 상태(450)로의 및/또는 제2 저속 클램핑 상태(450)로부터 대기 상태(460)로의 상태 전이와 일치한다. 속도 설정점이 감소된 후, 속도 설정점이 과정(640)을 사용하여 0으로 감소되었는지를 결정하도록 테스트된다.
과정(630)에서, 적용되는 토크가 제2 임계값 미만인지가 결정된다. 과정(610) 중에 모니터링된 적용 토크가 제2 토크 임계값과 비교되어 액추에이터가 속도 상승될 수 있는지를 결정한다. 일부 예에서, 제2 토크 임계값은 속도 설정점에 히스테리시스를 제공하기 위해 제1 토크 임계값보다 낮게 설정된다. 일부 예에서, 제2 토크 임계값은 선택적으로 현재의 속도 설정점에 따라 선택적으로 변동한다. 도 4 및 5의 실시예에서, 제2 토크 임계값은 토크 τ2 τ4 및/또는 τ6 중의 하나 이상에 대응한다. 적용되는 토크가 제2 토크 임계값 미만이면, 과정(635)을 사용하여 속도 설정점이 증가된다. 적용되는 토크가 제2 임계값 미만이 아니면, 토크는 다시 과정(610)을 사용하여 모니터링된다.
과정(635)에서, 속도 설정점이 증가된다. 적용되는 토크가 제2 토크 임계값 미만이면, 액추에이터의 속도 설정점이 증가되어 엔드 이펙터의 더 빠른 작동을 허용한다. 일부 예에서, 속도 설정점은 속도-토크 프로파일 등에 따라 정해진 양(예를 들어, 0.1 내지 2 mm/sec), 퍼센트 양(예를 들어, 5 내지 25 퍼센트)만큼 증가될 수 있다. 일부 예에서, 속도가 최대 설정점에 있을 때, 속도 설정점은 과정(635) 중에 더 이상 증가되지 않는다. 도 4 및 5의 예에서, 속도 설정점은 과정(630) 중에 사용된 이전 속도 설정점 및 제2 토크 임계값에 따라 v1, v2 또는 v3로 증가된다. 일부 실시예에서, 속도 설정점의 증가는 시도 상태(470)로부터 제2 저속 클램핑 상태(450)로의, 제2 저속 클램핑 상태(450)로부터 제1 저속 클램핑 상태(440)로의 및/또는 제1 저속 클램핑 상태(440)로부터 초기 클램핑 상태(430)로의 상태 전이와 일치한다. 속도 설정점이 증가된 후에, 토크는 다시 과정(610)을 사용하여 모니터링된다.
과정(640)에서, 속도 설정점이 0인지가 결정된다. 속도 설정점이 0에 도달하면, 과정(645)을 사용하여 지연(delay)이 도입된다. 속도 설정점이 아직 0이 아니면, 토크는 다시 과정(610)를 사용하여 모니터링된다.
과정(645)에서, 대기(또한 "일시 정지")가 발생한다. 속도 설정점이 0에 도달하면, 엔드 이펙터의 발사가 소정의 기간 동안(예를 들어, 1-10 초) 지연된다. 일부 예에서, 소정의 기간은 하드웨어 및/또는 소프트웨어 타이머를 사용하여 추적된다. 도 4의 예에서, 과정(645)은 대기 상태(460)에 대응한다. 지연 시간이 경과된 후, 엔드 이펙터의 작동은 과정(650)을 사용하여 테스트된다.
과정(650)에서, 엔드 이펙터의 작동이 계속될 수 있는지가 결정된다. 속도 설정점은 과정(625)이 마지막으로 수행되기 전의 속도 설정점 값과 같은 0이 아닌 값으로 설정되고, 액추에이터에 의해 적용되는 토크가 모니터링된다. 도 4의 예에서, 과정(650)은 시도 상태(470)에 대응한다. 액추에이터에 의해 적용되는 토크가 과정(620)이 마지막으로 수행되었을 때 사용된 제1 토크 임계값과 같은 최대 토크 임계값을 계속해서 초과하면, 엔드 이펙터의 발사는 실패한 것으로 간주되고, 속도 설정점은 0으로 설정된다. 일부 예에서, 엔드 이펙터의 발사는 선택적으로 역전될 수 있으며 그리고/또는 하나 이상의 청각적 및/또는 시각적 알림이 선택적으로 오퍼레이터에게 제공될 수 있다. 과도한 적용 토크가 검출되지 않으면서 0이 아닌 속도 설정점에서의 이동이 발생하면, 속도 설정점은 유지되고 토크의 모니터링이 과정(610)으로 계속된다.
전술되고 여기에서 더 강조되는 바와 같이, 도 6은 단지 청구항의 범위를 부당하게 제한해서는 안되는 예일 뿐이다. 당업자는 많은 변형, 대안 및 수정을 인지할 것이다. 일부 실시예에서, 토크 이외의 엔드 이펙터 및 액추에이터의 특성이 과정(610) 중에 모니터링되고, 과정(620 및 630) 중에 테스트될 수 있다. 일부 실시예에서, 과정(645)의 대기 및/또는 과정(645)의 테스트는 실패로 결론지어지기 전에 1번, 2번 또는 그 이상 반복될 수 있다. 이러한 방식으로, 방법(600)은 액추에이터를 여러 번 일시 정지시킬 수 있고, 액추에이터의 소정 횟수의 일시 정지가 발생한 후에 실패를 표시할 수 있다. 일부 예에서, 반복의 횟수는 하드웨어 또는 소프트웨어 계수기를 사용하여 추적될 수 있다.
일부 실시예에서, 토크 임계값의 적용에 있어서의 일시적 과도 현상의 영향을 감소시키기 위한 하나 이상의 기술이 선택적으로 사용될 수 있다. 일부 예에서, 적용되는 토크의 각각의 과정(620 및 630)에서의 제1 및 제2 토크 임계값에 대한 비교는 적용되는 토크가 소정의 기간 동안 제1 및 제2 토크 임계값을 초과하여 또는 그 미만으로 유지되는지를 결정한다. 일부 예에서, 소정의 기간은 선택적으로 제1 및 제2 토크 임계값에 대해 상이할 수 있다. 일부 예에서, 과정(610)에서의 적용되는 토크의 모니터링은 적용되는 토크를 평균화하는 것을 포함한다. 일부 예에서, 평균화는 지수 평활법을 포함한다. 일부 예에서, 과정(610)에서의 적용되는 토크의 모니터링은 적용되는 토크를 저역 통과 필터링하는 것을 포함한다.
제어 유닛(140)과 같은 제어 유닛의 일부 예는 하나 이상의 프로세서(예를 들어, 프로세서(150))에 의해 실행될 때 하나 이상의 프로세서가 상태 기계(400)의 상태들을 구현하고, 속도-토크 프로파일(500)을 구현하며 그리고/또는 방법(600)의 과정들을 수행하게 만들 수 있는 실행가능 코드를 포함하는 비일시적 유형의 기계 판독 가능 매체를 포함할 수 있다. 상태 기계(400)의 구현, 속도-토크 프로파일(500)의 구현, 및/또는 방법(600)의 과정들의 수행을 포함할 수 있는 기계 판독 가능 매체의 일부 공통된 형태는 예를 들어 플로피 디스크, 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 임의의 다른 자기 매체, CD-ROM, 임의의 다른 광학 매체, 펀치 카드, 종이 테이프, 홀 패턴을 갖는 임의의 다른 물리적 매체, RAM, PROM, EPROM, FLASH-EPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지 및/또는 프로세서 또는 컴퓨터가 판독하도록 적응된 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 광범위한 수정, 변경 및 대체가 전술한 설명에 고려되고, 경우에 따라, 실시예들의 몇몇 특징들은 다른 특징들의 대응하는 사용없이 채용될 수 있다. 당업자는 수많은 변형, 대안 및 수정을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 의해서만 한정되어야 하며, 청구범위는 광의적으로 또한 여기에 개시된 실시예들의 범위와 일치하는 방식으로 해석되는 것이 적합하다.

Claims (44)

  1. 액추에이터 및 하나 이상의 프로세서를 포함하는 컴퓨터 보조 장치, 및
    상기 컴퓨터 보조 장치와 함께 사용하기 위한 기기를 포함하는 시스템으로서, 상기 기기는:
    상기 기기의 원위 단부에 위치되는 엔드 이펙터, 및
    상기 액추에이터로부터의 힘 또는 토크를 상기 엔드 이펙터로 연결시키기 위한 하나 이상의 구동 기구를 포함하고,
    상기 기기로 작업을 수행하기 위해, 상기 하나 이상의 프로세서는:
    상기 액추에이터의 속도 설정점을 초기 속도로 설정하고,
    상기 액추에이터에 의해 적용되는 힘 또는 토크를 모니터링하고,
    상기 적용되는 힘 또는 토크가 제1 임계값을 초과하면, 상기 속도 설정점을 감소시키고,
    상기 적용되는 힘 또는 토크가 제2 임계값 미만이면, 상기 속도 설정점을 증가시키고,
    상기 적용되는 힘 또는 토크가 최대 임계값을 초과하면, 상기 속도 설정점을 0으로 감소시키고,
    상기 속도 설정점에 기초하여 상기 액추에이터를 구동시키도록 구성되고,
    상기 제1 및 제2 임계값은 상기 최대 임계값보다 낮고,
    상기 속도 설정점을 0으로 감소시킨 후, 상기 하나 이상의 프로세서는:
    소정의 기간 동안 대기하고,
    소정의 기간이 경과한 후:
    상기 속도 설정점을 0이 아닌 값으로 설정하고,
    상기 속도 설정점이 0이 아닌 값으로 설정되어 있는 동안 상기 적용되는 힘 또는 토크가 계속해서 상기 최대 임계값을 초과하는지를 결정하고,
    상기 적용되는 힘 또는 토크가 계속해서 상기 최대 임계값을 초과하면, 상기 속도 설정점을 다시 0으로 설정하고 다시 대기하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 작업은 그래스핑, 스테이플링 또는 절단 중의 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 속도 설정점은 속도 프로파일에 따라 감소되고 증가되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 속도 설정점은 상기 적용되는 힘 또는 토크에 기초하여 계산된 속도값으로 감소되고 증가되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 임계값은 상기 적용되는 힘 또는 토크에 기초하여 변동하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 대기 후, 상기 하나 이상의 프로세서는 또한 상기 적용되는 힘 또는 토크가 계속해서 상기 최대 임계값을 초과하면, 소정 횟수의 대기 사이클 후 실패를 표시하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 소정 횟수의 대기 사이클은 1회인 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서는 또한 상기 액추에이터가 목표 위치에 도달하면 성공을 표시하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 속도 설정점은 상기 적용되는 힘 또는 토크가 소정의 기간 동안 상기 제1 임계값을 초과하여 유지되면 감소되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적용되는 힘 또는 토크를 모니터링하기 위해, 상기 하나 이상의 프로세서는 또한 상기 적용되는 힘 또는 토크를 평균화하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 컴퓨터 보조 장치와 관련된 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 상기 하나 이상의 프로세서로 하여금 컴퓨터 보조 장치와 함께 사용하기 위한 기기를 작동시키는 방법을 수행하게 하도록 적응되는 복수의 기계 판독 가능 명령어를 포함하는 비일시적 기계 판독 가능 매체로서, 상기 방법은:
    액추에이터의 속도 설정점을 초기 속도로 설정하는 과정,
    상기 액추에이터에 의해 적용되는 힘 또는 토크를 측정하는 과정,
    상기 적용되는 힘 또는 토크가 제1 임계값을 초과하면, 상기 하나 이상의 프로세서에 의해 상기 속도 설정점을 감소시키는 과정,
    상기 적용되는 힘 또는 토크가 제2 임계값 미만이면, 상기 속도 설정점을 증가시키는 과정,
    상기 적용되는 힘 또는 토크가 최대 임계값을 초과하면, 상기 속도 설정점을 0으로 감소시키는 과정, 및
    상기 액추에이터를 사용하여 상기 기기의 하나 이상의 자유도의 엔드 이펙터를 구동시키는 과정을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 임계값은 상기 최대 임계값보다 낮고,
    상기 속도 설정점을 0으로 감소시킨 후,
    소정의 기간 동안 대기하고,
    소정의 기간이 경과한 후,
    상기 속도 설정점을 0이 아닌 값으로 설정하고,
    상기 속도 설정점이 0이 아닌 값으로 설정되어 있는 동안 상기 적용되는 힘 또는 토크가 계속해서 상기 최대 임계값을 초과하는지를 결정하고,
    상기 적용되는 힘 또는 토크가 계속해서 상기 최대 임계값을 초과하면, 상기 속도 설정점을 다시 0으로 설정하고 다시 대기하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 비일시적 기계 판독 가능 매체.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 방법은 그래스핑, 스테이플링 및 절단 중의 하나 이상을 수행하도록 상기 액추에이터를 사용하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비일시적 기계 판독 가능 매체.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 속도 설정점은 속도 프로파일에 따라 감소되고 증가되는 것을 특징으로 하는 비일시적 기계 판독 가능 매체.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 속도 설정점은 상기 적용되는 힘 또는 토크에 기초하여 계산된 속도값으로 감소되고 증가되는 것을 특징으로 하는 비일시적 기계 판독 가능 매체.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 방법은 액추에이터가 목표 위치에 도달하면 성공을 표시하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비일시적 기계 판독 가능 매체.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 방법은 대기 후, 상기 적용되는 힘 또는 토크가 계속해서 상기 최대 임계값을 초과하면, 소정 횟수의 대기 사이클 후 실패를 표시하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비일시적 기계 판독 가능 매체.
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