KR20140129702A - 수술 로봇 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

수술 로봇 시스템 및 그 제어방법이 개시된다.
수술 로봇 시스템의 일 실시 예는 슬레이브 장치 및 상기 슬레이브 장치의 동작을 제어하는 마스터 장치를 포함하는 수술 로봇 시스템에 있어서, 상기 시스템 내에서 송수신되는 신호를 실시간으로 검사하고 비정상 신호가 검출되면 상기 슬레이브 장치의 동작을 정지시키는 모니터링 장치를 포함한다.

Description

수술 로봇 시스템 및 그 제어방법{Surgical robot system and method for controlling the same}
수술 로봇 시스템 및 그 제어방법이 개시된다. 더욱 상세하게는, 시스템 내에서 송수신되는 신호를 감시하여 슬레이브 장치의 오동작을 방지하는 수술 로봇 시스템 및 그 제어방법이 개시된다.
최소 침습 수술(Minimal Invasive Surgery)이란 환부의 크기를 최소화하는 수술을 통칭한다. 최소 침습 수술은 인체의 일부(예: 복부)에 큰 절개창을 열고 시행하는 개복 수술과는 달리, 인체에 0.5㎝∼1.5㎝ 크기의 적어도 하나의 절개공(또는 침습구)을 형성하고, 이 절개공을 통해 내시경과 각종 수술도구들을 넣은 후 영상을 보면서 시행하는 수술 방법이다.
이러한 최소 침습 수술은 개복 수술과는 달리 수술 후 통증이 적고, 장운동의 조기 회복 및 음식물의 조기 섭취가 가능하며 입원 기간이 짧고 정상 상태로의 복귀가 빠르며 절개 범위가 좁아 미용 효과가 우수하다는 장점을 갖는다. 이와 같은 장점으로 인하여 최소 침습 수술은 담낭 절제술, 전립선암 수술, 탈장 교정술 등에 사용되고 있고 그 분야를 점점 더 넓혀가고 있는 추세이다.
일반적으로 최소 침습 수술에 이용되는 수술 로봇 시스템은 마스터 장치 및 슬레이브 장치를 포함한다. 마스터 장치는 의사의 조작에 따른 제어신호를 생성하여 슬레이브 장치로 전송하고, 슬레이브 장치는 마스터 장치로부터 제어신호를 수신하여 수술에 필요한 조작을 환자에게 가하게 되며, 마스터 장치와 슬레이브 장치를 통합하여 구성하거나, 각각 별도의 장치로 구성하여 수술실에 배치한 상태에서 수술을 진행하고 있다.
슬레이브 장치는 적어도 하나 이상의 로봇 암을 구비하며, 각 로봇 암의 단부에는 수술 도구(surgical instruments)가 장착되어 있다. 이때, 각 로봇 암 및 각 수술 도구는 마스터 장치로부터 전송되는 제어신호에 따라 동작하게 되는데, 마스터 장치로부터 전송되는 제어신호에 문제가 있을 경우 로봇 암 및 수술 도구가 오동작을 하여 환자에게 심각한 손상을 입힐 수 있는 문제가 있다.
수술 도중 안전성 확보가 용이한 수술 로봇 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
수술 로봇 시스템의 일 실시 예는 슬레이브 장치 및 상기 슬레이브 장치의 동작을 제어하는 마스터 장치를 포함하는 수술 로봇 시스템에 있어서, 상기 시스템 내에서 송수신되는 신호를 실시간으로 검사하고 비정상 신호가 검출되면 상기 슬레이브 장치의 동작을 정지시키는 모니터링 장치를 포함한다.
또한, 슬레이브 장치 및 상기 슬레이브 장치의 동작을 제어하는 마스터 장치를 포함하는 수술 로봇 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 시스템 내에서 송수신되는 신호를 수집하는 단계, 수집된 상기 신호를 분석하여 정상 여부를 판단하는 단계 및 판단 결과, 비정상인 경우 상기 슬레이브 장치의 동작을 정지시키는 단계를 포함한다.
도 1은 수술 로봇 시스템의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 수술 로봇 시스템 구성의 일 예를 도시한 블럭도이다.
도 3은 모니터링 장치가 마스터 장치 내부에 위치하는 수술 로봇 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 4는 모니터링 장치가 슬레이브 장치 내부에 위치하는 수술 로봇 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 5는 수술 로봇 시스템 구성의 다른 예를 도시한 블럭도이다.
도 6은 수술 로봇 시스템의 제어방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 7은 도 6의 단계 S620에 대한 세부 단계를 도시한 흐름도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 수술 로봇 시스템의 외관을 도시한 도면이고, 도 2는 수술 로봇 시스템 구성의 일 예를 도시한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 수술 로봇 시스템은 크게 수술대에 누워있는 환자(P)에게 수술을 행하는 슬레이브 장치(200)와 조작자(예로써, 의사)(S)의 조작을 통해 슬레이브 장치(200)를 원격 제어하는 마스터 장치(100)를 포함할 수 있다. 이때, 조작자(S)를 보조할 보조자(A)가 환자(P) 측에 한 명 이상 위치할 수 있다.
여기에서, 조작자(S)를 보조한다는 것은 수술이 진행되는 동안 수술 작업을 보조하는 것으로, 예를 들어, 사용되는 수술 도구의 교체 등을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 수술 작업 종류에 따라 다양한 수술 도구가 사용될 수 있는데, 슬레이브 장치(200)의 로봇 암(210)의 개수는 제한적이므로, 한 번에 장착될 수 있는 수술 도구(220)의 개수 역시 제한적이다. 이에 따라, 수술 도중 수술 도구(220)를 교체할 필요가 있는 경우, 조작자(S)는 환자(P) 측에 위치한 보조자(A)에게 수술 도구(220)를 교체하도록 지시하고, 보조자(A)는 지시에 따라 슬레이브 시스템(200)의 로봇 암(210)으로부터 사용하지 않는 수술 도구(220)를 제거하고, 트레이(T)에 놓인 다른 수술 도구(220′)를 해당 로봇 암(210)에 장착할 수 있다.
마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200)는 물리적으로 독립된 별도의 장치로 분리 구성될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 예로써 하나로 통합된 일체형 장치로 구성되는 것 역시 가능할 것이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 마스터 장치(100)는 입력부(110) 및 표시부(120)를 포함할 수 있다.
입력부(110)는 수술 로봇 시스템의 동작 모드를 선택하는 명령 또는 슬레이브 장치(200)의 동작을 원격으로 제어하기 위한 명령 등을 조작자로부터 입력받을 수 있는 구성을 의미하며, 본 실시 예에서 입력부(110)로 햅틱 디바이스, 클러치 페달, 스위치 및 버튼 등을 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 예로써 음성 인식 디바이스 등과 같은 구성도 사용될 수 있다. 이하 설명에서는 입력부(110)로, 햅틱 디바이스가 사용된 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
도 1에서는 입력부(110)가 두 개의 핸들을 포함하는 것으로 도시하고 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과할 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 하나의 핸들을 포함할 수도 있고 또는, 세 개 이상의 핸들을 포함하는 것 역시 가능할 것이다.
조작자는 양손으로 두 개의 핸들을 각각 조작하여 슬레이브 장치(200)의 로봇 암(210) 동작 및 수술 도구(220) 동작을 제어할 수 있다. 도면에 도시되지는 않았으나, 각각의 핸들은 접촉부, 복수의 링크 및 복수의 관절을 포함할 수 있다.
여기에서, 접촉부는 조작자의 손이 직접적으로 접촉되는 부분으로, 펜슬 형상 혹은 스틱 형상을 가질 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 관절은 링크와 링크의 연결 부위를 말하며, 1 자유도 이상을 가질 수 있다. 자유도(Degree Of Freedom: DOF)란 기구학(Kinematics) 또는 역기구학(Inverse Kinematics)에서의 자유도를 말한다. 기구의 자유도란 기구의 독립적인 운동의 수, 또는 각 링크 간의 상대 위치의 독립된 운동을 결정하는 변수의 수를 말한다. 예를 들어, x축, y축, z축으로 이루어진 3차원 공간상의 물체는, 물체의 공간적인 위치를 결정하기 위한 3 자유도(각 축에서의 위치)와, 물체의 공간적인 자세를 결정하기 위한 3 자유도(각 축에 대한 회전 각도) 중에서 하나 이상의 자유도를 갖는다. 구체적으로, 물체가 각각의 축을 따라 이동 가능하고, 각각의 축을 기준으로 회전 가능하다고 한다면, 이 물체는 6 자유도를 갖는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 관절에는 관절의 상태를 나타내는 상태 정보 예로써, 관절에 가해진 힘/토크 정보, 관절의 위치 정보 및 이동 속도 정보 등을 검출할 수 있는 검출부(미도시)가 마련될 수 있다. 이에 따라, 조작자가 입력부(110)를 조작하면, 검출부를 통해 조작된 입력부(110)의 상태 정보가 검출될 수 있고, 검출부는 도 2에 도시한 제어부(130)로 검출된 입력부(110)의 상태 정보를 전달할 수 있다.
또한, 제어부(130)의 제어 신호 생성부(140)는 검출부로부터 전달된 입력부(110)의 상태 정보에 대응되는 제어 신호를 생성할 수 있고, 생성된 제어 신호는 통신부(150)를 통해 슬레이브 장치(200)로 전송될 수 있다.
즉, 마스터 장치(100)의 제어부(130)는 제어 신호 생성부(140)를 이용하여 조작자의 입력부(110) 조작에 따라 검출된 상태 정보에 대응되는 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어 신호를 통신부(150)를 이용하여 슬레이브 장치(200)로 전송할 수 있다.
마스터 장치(100)의 표시부(120)에는 슬레이브 장치(200)의 내시경(230)을 통해 수집된 실제 영상, 환자의 수술 전 의료 영상을 3차원 영상으로 변환한 가상 영상, 가상 영상을 내시경(230)을 통해 수집된 실제 영상에 투영시켜 생성한 증강현실 영상 등이 화상 이미지로 표시될 수 있다. 이를 위해, 마스터 장치(100)의 제어부(130)는 슬레이브 장치(200)로부터 전송되는 영상 데이터를 입력받아 표시부(120)로 출력하기 위한 영상 처리부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 여기에서, "영상 데이터"는 전술한 실제 영상, 가상 영상, 증강현실 영상 등일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
표시부(120)는 하나 이상의 모니터로 구성될 수 있으며, 각 모니터에 수술 시 필요한 정보들이 개별적으로 표시되도록 구현할 수 있다. 예를 들어, 표시부(120)가 세 개의 모니터로 구성된 경우, 이중 하나의 모니터에는 슬레이브 장치(200)로부터 전송된 영상 데이터 즉, 전술한 실제 영상, 가상 영상, 증강현실 영상 등이 표시되고, 다른 두 개의 모니터에는 각각 슬레이브 장치(200)의 동작 상태에 관한 정보 및 환자 정보가 표시되도록 구현할 수 있다. 이때, 모니터의 수량은 표시를 요하는 정보의 유형이나 종류 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다.
여기에서, "환자 정보"는 환자의 상태를 나타내는 정보일 수 있으며, 예를 들어, 체온, 맥박, 호흡 및 혈압 등과 같은 생체 정보일 수 있다. 이러한, 생체 정보를 마스터 장치(100)로 제공하기 위해 후술할 슬레이브 장치(200)는 체온 측정 모듈, 맥박 측정 모듈, 호흡 측정 모듈, 혈압 측정 모듈 등을 포함하는 생체 정보 측정 유닛(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이를 위해, 마스터 장치(100)의 제어부(130)는 슬레이브 장치(200)로부터 전송되는 생체 정보를 입력받아 처리하여 표시부(120)로 출력하기 위한 별도의 신호 처리부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
슬레이브 장치(200)는 도 1에 도시한 바와 같이, 복수의 로봇 암(210), 각각의 로봇 암(210) 단부에 장착된 수술 도구(surgical instrument)(220)를 포함할 수 있다. 복수의 로봇 암(210)은 도 1에 도시한 바와 같이, 몸체(201)에 결합되어 고정 및 지지될 수 있다. 이때, 한 번에 사용되는 수술 도구(220)의 개수와 로봇 암(210)의 개수는 여러 가지 요인 중 진단법, 수술법 및 수술실 내의 공간적인 제약에 따라 좌우될 수 있다.
또한, 도 1에 자세하게 도시하지는 않았으나, 복수의 로봇 암(210)은 각각 복수의 링크(211) 및 복수의 관절(213)을 포함할 수 있으며, 각 관절(213)은 링크(211)와 링크(211)를 연결하고, 1 자유도(Degree Of Freedom:DOF) 이상을 가질 수 있다.
또한, 로봇 암(210)의 각 관절에는 도 2에 도시한 바와 같이, 마스터 장치(100)로부터 전송되는 제어 신호에 따라 로봇 암(210)의 움직임을 제어하기 위한 제1구동부(215)가 마련될 수 있다. 예를 들어, 조작자(S)가 마스터 장치(100)의 입력부(110)를 조작하면, 마스터 장치(100)는 조작되는 입력부(110)의 상태 정보에 대응되는 제어 신호를 생성하여 슬레이브 장치(200)로 전송하고, 슬레이브 장치(200)의 제어부(240)는 마스터 장치(100)로부터 전송된 제어 신호에 대응되는 구동 신호를 제1구동부(215)로 전송함으로써, 로봇 암(210)의 각 관절 움직임을 제어할 수 있다. 이때, 조작자(S)가 입력부(110)를 조작함에 따라 로봇 암(210)이 상응하는 방향으로 회전 및 이동하는 등에 대한 실질적인 제어 과정은 본 발명의 요지와 다소 거리감이 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 슬레이브 장치(200)의 로봇 암(210)의 각 관절은 상술한 바와 같이, 마스터 장치(100)로부터 전송되는 제어 신호에 의해 움직이도록 구현할 수 있으나, 외력에 의해 움직이도록 구현하는 것도 가능하다. 즉, 수술대 근처에 위치한 보조자(A)가 수동으로 로봇 암(210)의 각 관절을 움직여 로봇 암(210)의 위치 등을 제어하도록 구현할 수 있다.
수술 도구(surgical instrument)(220)는 도 1에 자세하게 도시하지는 않았으나, 로봇 암(210)의 단부에 장착되는 하우징, 하우징으로부터 일정 길이로 연장되는 샤프트 및 샤프트 끝단에 장착된 엔드 이펙터를 포함할 수 있다.
일반적으로 수술 도구(220)는 크게 주 수술 도구 및 보조 수술 도구로 분류할 수 있다. 여기에서, "주 수술 도구"란 수술 부위에 대하 절개, 봉합, 응고, 세척 등과 같은 직접적인 수술 동작을 수행하는 엔드 이펙터(예: 메스, 수술용 바늘 등)를 포함하는 도구를 의미할 수 있고, "보조 수술 도구"란 수술 부위에 대해 직접적인 수술 동작을 수행하는 것이 아닌 주 수술 도구의 동작을 보조하기 위한 엔드 이펙터(예: 스킨 홀더 등)를 포함하는 도구를 의미할 수 있다.
또한, 샤프트에는 다수의 관절이 마련될 수 있으며, 상기 관절을 움직임에 따라 수술 도구(220)를 구부림으로써, 실제 사람의 팔로 수술하는 것과 같은 유연한 작업이 가능하다. 이를 위해, 슬레이브 장치(200)는 상기 관절의 움직임을 제어하기 위한 제2구동부(225)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조작자(S)가 마스터 장치(100)의 입력부(110)를 조작하면, 마스터 장치(100)는 조작되는 입력부(110)의 상태 정보에 대응되는 제어 신호를 생성하여 슬레이브 장치(200)로 전송하고, 슬레이브 장치(200)의 제어부(240)는 마스터 장치(100)로부터 전송된 제어 신호에 대응되는 구동 신호를 제2구동부(215)로 전송함으로써, 수술 도구(210)의 각 관절 움직임을 제어할 수 있다.
또한, 엔드 이펙터는 수술 도구(220)에서 환자(P)의 환부에 실제로 작용하는 부분을 의미하는 것으로, 예로써, 스킨 홀더, 석션(suction) 라인, 메스, 가위, 그래스퍼, 수술용 바늘, 바늘 홀더, 스테이플 어플라이어(staple applier), 절단 블레이드, 소작기 등을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 수술에 필요한 공지된 도구라면 어떤 것이든 사용 가능할 것이다.
내시경(230) 역시 수술 부위에 직접적인 수술 동작을 행하는 것이 아닌 주 수술 도구의 동작을 보조하기 위해 사용되는 도구이므로 넓은 의미에서 내시경(230)도 보조 수술 도구에 해당하는 것으로 볼 수 있을 것이다. 내시경(230)으로는 로봇 수술에서 주로 사용되는 복강경뿐 아니라 흉강경, 관절경, 비경, 방광경, 직장경, 십이지장경, 심장경 등 다양한 수술용 내시경이 사용될 수 있다. 또한, 슬레이브 장치(200)는 내시경(230)을 촬영 부위로 이동시키고 영상을 촬영하도록 구동시키는 구동부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
또한, 슬레이브 장치(200)는 내시경(230)을 통해 수집된 실제 영상, 환자의 수술 전 의료 영상을 3차원 영상으로 변환한 가상 영상을 표시하기 위한 표시부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200)는 네트워크를 형성할 수 있다. 이때, 네트워크는 유선 네트워크, 무선 네트워크 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 이와 같은 네트워크를 통해 마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200)는 서로 신호를 주고 받을 수 있다.
예를 들어, 마스터 장치(100)는 네트워크를 통해 슬레이브 장치(200)로 제어 신호를 전송할 수 있다. 여기에서, "제어 신호"는 슬레이브 장치(200)의 수술 도구(220)의 위치 조정 및 동작을 위한 제어 신호 및 내시경(230)의 위치 조정 및 동작을 위한 제어 신호 등을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 각각의 제어 신호들이 동시에 또는 유사한 시점에서 전송될 필요가 있는 경우, 각 제어 신호는 상호 독립적으로 전송될 수 있다.
여기에서, 각 제어 신호가 "독립적으로" 전송된다는 것은 제어 신호 간에 서로 간섭을 주지 않으며, 어느 하나의 제어 신호가 다른 하나의 제어 신호에 영향을 미치지 않음을 의미할 수 있다. 이처럼, 복수의 제어 신호가 서로 독립적으로 전송되도록 하기 위해서는, 각 제어 신호의 생성 단계에서 각 제어 신호마다 헤더 정보를 부가하여 전송시키거나, 각 제어 신호를 그 생성 순서에 따라 전송되도록 하거나, 또는 각 제어 신호의 전송 순서에 대한 우선 순위를 미리 정해놓고 그에 따라 전송되도록 하는 등 다양한 방식이 사용될 수 있다.
슬레이브 장치(200)는 마스터 장치(100)로부터 전송된 제어 신호에 따른 구동 상태를 나타내는 피드백 신호를 네트워크를 통해 마스터 장치(100)로 전송할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 환자의 상태 정보 예로써, 체온, 맥박, 호흡 및 혈압 등과 같은 생체 정보 신호를 네트워크를 통해 마스터 장치(100)로 전송할 수 있다. 이와 같이, 마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200) 사이에서는 영상, 음성, 제어 신호 및 피드백 신호와 같은 수많은 신호가 송수신되며, 각 장치는 수신되는 신호에 따라 동작하고, 수신되는 신호를 출력할 수 있다.
또한, 제어 신호 및 피드백 신호를 포함하는 수많은 신호들은 네트워크상에서 패킷 형태로 전송될 수 있다. 여기에서, "패킷"은 네트워크를 통해 전송이 용이하도록 분할한 데이터 단위를 의미하며, 헤더부와 데이터부를 포함한다. 헤더부에는 패킷의 수신지에 관한 정보, 데이터에 관한 식별 정보 등이 포함될 수 있다.
상술한 바와 같이, 일반적인 수술 로봇 시스템에서 슬레이브 장치(200)는 조작자(S)에 의해 조작되는 마스터 장치(100)로부터 전송되는 제어 신호에 따라 동작하게 되는데, 마스터 장치(100)로부터 전송된 제어 신호에 오류가 있거나 또는, 슬레이브 장치(200) 내의 제어부(240)로부터 로봇 암(210) 및 수술 도구(220)를 동작시키는 각 구동부 즉, 제1구동부(215) 및 제2구동부(225)로 전송되는 구동 신호에 오류가 있는 경우, 슬레이브 장치(200)의 로봇 암(210) 및 수술 도구(220)는 오동작을 하게 되어, 환자(P)에게 심각한 상해를 입힐 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 실시 예에서는 수술 작업의 안전성을 확보하기 위해 도 1에 도시한 바와 같이, 수술 로봇 시스템 내에서 송수신되는 신호를 실시간으로 검사하여 오류가 있는 비정상 신호를 검출하고, 비정상 신호가 검출되면 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시키는 모니터링 장치(300)를 구비할 수 있다. 이러한, 본 실시 예에 따른 모니터링 장치(300)는 마스터 장치(100) 및 슬레이브 장치(200)와 동일한 네트워크상에 존재할 수 있다.
구체적으로, 본 실시 예에 따른 모니터링 장치(300)는 도 2에 도시한 바와 같이, 크게 시스템 내에서 송수신되는 신호를 실시간으로 수집하는 신호 수집부(310), 수집된 신호를 분석하는 신호 분석부(320) 및 신호 수집부(310)를 이용하여 신호를 수집하고, 수집된 신호를 신호 분석부(320)를 통해 분석하여 비정상 신호가 검출되면 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시키는 제어부(330)를 포함할 수 있다.
여기에서, "신호"는 주로 슬레이브 장치(200) 동작에 관한 신호로서 예를 들어, 마스터 장치(100)로부터 슬레이브 장치(200)로 전송되는 동작 제어 신호, 슬레이브 장치(200)로부터 마스터 장치(100)로 전송되는 피드백 신호 및 슬레이브 장치(200)의 제어부(240)로부터 제1구동부(215) 및 제2구동부(225)로 전송되는 구동 신호를 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시 예는 모니터링 장치(300)가 마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200) 사이에 전송되는 동작 제어 신호 및 피드백 신호를 검사하고, 비정상 신호가 검출되면 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시키도록 구현한 제1실시 예와, 모니터링 장치(300)가 슬레이브 장치(200)의 제어부(240)로부터 각 구동부(215, 225)로 전송되는 구동 신호를 검사하고, 비정상 신호가 검출되면 각 구동부(215, 225)로 인가되는 전원을 차단함으로써 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시키도록 구현한 제2실시 예를 포함할 수 있다.
각 실시 예에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
우선, 제1실시 예에 따른 수술 로봇 시스템은 도 2에 도시한 바와 같이, 마스터 장치(100) 및 슬레이브 장치(200)와는 분리되어 외부에 위치한 모니터링 장치(300)를 구비할 수 있다. 본 실시 예에서, 모니터링 장치(300)는 마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200) 사이에 송수신되는 신호를 실시간으로 검사하여 비정상 신호를 검출하고, 비정상 신호가 검출되면 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시킬 수 있다. 이때, 모니터링 장치(300)가 검사하는 신호는 전술한 동작 제어 신호 및 피드백 신호일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로 설명하면, 본 실시 예에 따른 모니터링 장치(300)의 제어부(330)는 신호 수집부(310)를 이용하여 마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200) 사이에 송수신되는 동작 제어 신호 및 피드백 신호를 실시간으로 수집하고, 수집된 동작 제어 신호 및 피드백 신호를 신호 분석부(320)를 통해 분석하여 수집된 동작 제어 신호 및 피드백 신호가 정상 신호인지 또는 비정상 신호인지를 판단한 다음, 비정상 신호이면 슬레이브 장치(200)가 비정상 신호에 대응하여 잘못된 동작을 하는 것을 방지하기 위해 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시킬 수 있다.
또한, 모니터링 장치(300)의 제어부(330)는 마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200)가 주기적으로 통신하는지를 감시하고, 주기적으로 통신하지 않으면 슬레이브 장치(200) 또는 마스터 장치(100)에 문제가 발생한 것으로 간주하여 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시킬 수 있다.
이때, 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시키는 방법으로 슬레이브 장치(200)로 제동 신호를 전송하는 방법과 슬레이브 장치(200)의 각 구동부(215, 225)에 인가되는 전원을 직접 차단하는 방법이 사용될 수 있다.
이중, 슬레이브 장치(200)로 제동 신호를 전송하여 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시키기 위해, 모니터링 장치(300)는 도 2에 도시한 바와 같이, 제동 신호를 생성하는 제동 신호 생성부(340) 및 통신부(350)를 포함할 수 있다. 여기에서, "제동 신호"는 슬레이브 장치(200)의 비상 제동부(245)를 제어하여 각 구동부(215, 225)로 인가되는 전원을 차단하도록 하는 신호일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 설명하면, 모니터링 장치(300)의 제어부(330)가 제동 신호 생성부(340)를 통해 생성된 제동 신호를 통신부(350)를 통해 슬레이브 장치(200)로 전송하고, 슬레이브 장치(200)의 제어부(240)는 전송받은 제동 신호에 따라 비상 제동부(245)를 제어하여 각 구동부(215, 225)로 인가되는 전원을 차단함으로써 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시킬 수 있다.
또한, 모니터링 장치(300)가 슬레이브 장치(200)의 각 구동부(215, 225)에 인가되는 전원을 직접 차단하는 것은 슬레이브 장치(200)의 제어부(240)에 문제가 발생할 경우를 대비한 것으로, 모니터링 장치(300)의 제어부(330)가 직접 슬레이브 장치(200)의 비상 제동부(245)를 제어하여 각 구동부(215, 225)로 인가되는 전원을 차단하도록 할 수 있다.
모니터링 장치(300)의 제어부(330)는 상술한 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시키는 방법 중 상황에 따라 가능한 방법을 적용할 수 있다. 예로써, 마스터 장치(100)로부터 슬레이브 장치(200)로 전송되는 동작 제어 신호에서 비정상 신호가 검출되는 경우에는 마스터 장치(100) 쪽에 문제가 있는 것으로 간주하여 슬레이브 장치(200)로 제동 신호를 전송하여 동작을 정지시킬 수 있고, 반대로 슬레이브 장치(200)로부터 마스터 장치(100)로 전송되는 피드백 신호에서 비정상 신호가 검출되는 경우에는 슬레이브 장치(200) 쪽에 문제가 있어 슬레이브 장치(200)의 제어부(240)가 정상적으로 동작하지 못할 것으로 간주하여 슬레이브 장치(200)의 비상 제동부(245)를 직접 제어하여 각 구동부(215, 225)로 인가되는 전원을 차단하여 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시킬 수 있다.
한편, 본 실시 예에 따른 수술 로봇 시스템은 전술한 구성과는 달리, 모니터링 장치(300)를 도 3과 같이 마스터 장치(100)의 내부에 위치시킬 수도 있고, 또는, 도 4와 같이 슬레이브 장치(200) 내부에 위치시킬 수도 있다.
이러한 구성으로 구현하는 경우, 본 실시 예에 따른 수술 로봇 시스템은 모니터링 장치(300)와 연결된 별도의 전원부(360)를 더 포함할 수 있다. 이는, 마스터 장치(100) 내부에 위치한 모니터링 장치(300)가 마스터 장치(100)와 동일한 전원부에 연결되거나, 또는, 슬레이브 장치(200) 내부에 위치한 모니터링 장치(300)가 슬레이브 장치(200)와 동일한 전원부에 연결되는 경우, 마스터 장치(100) 및 슬레이브 장치(200)가 다운되는 등의 문제가 발생하게 되면 모니터링 장치(300)에도 영향을 미치게 되므로, 비상 상황에서 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시킬 수 없을 수 있기 때문이다. 그러나, 이와 같이 별도의 전원부(360)를 구비함에 따라, 마스터 장치(100) 또는 슬레이브 장치(200)에 문제가 발생한 경우에도 모니터링 장치(300)는 문제없이 동작할 수 있다.
이와 같이, 제1실시 예에 따른 수술 로봇 시스템에서 모니터링 장치(300)는 마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200) 사이에 송수신되는 신호를 실시간으로 검사하고, 비정상 신호가 검출되는 즉시 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시킬 수 있다.
다음, 제2실시 예에 따른 수술 로봇 시스템은 도 5에 도시한 바와 같이, 슬레이브 장치(200)의 제어부(240)로부터 각 구동부(215, 225)로 전송되는 구동 신호를 실시간으로 검사하고, 비정상 신호가 검출되면 슬레이브 장치(200)의 비상 제동부(245)를 직접 제어하여 각 구동부(215, 225)로 인가되는 전원을 차단하여 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시키는 모니터링 장치(300)를 포함할 수 있다.
슬레이브 장치(200)는 전술한 바와 같이, 복수의 로봇 암(210) 및 각각의 로봇 암(210) 단부에 장착된 수술 도구(220)를 포함할 수 있다. 또한, 각각의 로봇 암(210) 및 각각의 수술 도구(220)는 복수의 관절을 구비할 수 있으며, 로봇 암(210)의 관절을 구동시키기 위한 제1구동부(215) 및 수술 도구(220)의 관절을 구동시키기 위한 제2구동부(225)를 포함할 수 있다.
이때, 도 5에 도시한 바와 같이, 제1구동부(215) 및 제2구동부(225)는 각각 복수 개 마련될 수 있다. 예를 들어, 로봇 암(210)이 제1관절부터 제n관절을 포함하는 복수의 관절을 갖는 경우, 제1구동부(215)는 도 5와 같이, 제1관절을 구동시키는 제1-1구동부(215a), 제2관절을 구동시키는 제1-2구동부(215b), 제3관절을 구동시키는 제1-3구동부(215c) 및 제n관절을 구동시키는 제1-n구동부(215n)을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 수술 도구(220)가 제1관절부터 제n관절을 포함하는 복수의 관절을 갖는 경우, 제2구동부(225)는 도 5와 같이, 제1관절을 구동시키는 제2-1구동부(225a), 제2관절을 구동시키는 제2-2구동부(225b), 제3관절을 구동시키는 제2-3구동부(225c) 및 제n관절을 구동시키는 제2-n구동부(225n)을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 5에서는 모니터링 장치(300)가 슬레이브 장치(200)의 외부에 위치하는 것으로 도시하고 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 도 4와 같이 슬레이브 장치(200) 내부에 위치하는 것 역시 가능하다. 이와 같이, 슬레이브 장치(200) 내부에 위치하는 경우, 전술한 바와 같이, 모니터링 장치(300)와 연결된 별도의 전원부(360)를 더 포함할 수 있다.
본 실시 예에서 모니터링 장치(300)는 전술한 바와 같이, 제어부(240)로부터 각 구동부(215, 225)로 전송되는 구동 신호를 실시간으로 검사하고, 비정상인 구동 신호가 검출되면 제어부(240)가 정상적으로 작동하지 않는 것으로 간주하고, 즉시 비상 제동부(245)를 제어하여 각 구동부(215, 225)로 인가되는 전원을 차단함으로써, 로봇 암(210) 및 수술 도구(220)가 동작하지 않도록 할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 예에 따른 수술 로봇 시스템의 모니터링 장치(300)는 마스터 장치(100) 및 슬레이브 장치(200)와 동일한 네트워크 상에만 존재하면 되고, 외부에 위치하여 마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200) 사이에 송수신되는 신호를 감시하고 분석하는 방식이기 때문에 구현이 용이하고, 마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200)의 구성은 가급적 수정하지 않아도 되고 이에 따라, 마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200)의 모듈의 수가 증가하지 않고 구성이 단순해질 수 있기 때문에 장치의 안전성이 향상될 수 있다.
도 6은 수술 로봇 시스템의 제어 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 우선, 시스템 내에서 송수신되는 신호를 수집하고(S610), 수집된 신호를 분석하여 정상 여부를 판단한 다음(S620), 판단 결과 비정상이면(S630), 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시킨다(S640).
이때, 단계 S610을 통해 수집된 신호는 마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200) 사이에 송수신되는 신호 또는, 슬레이브 장치(200)의 제어부(240)로부터 각 구동부(215, 225)로 전송되는 신호일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 실시 예는 마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200) 사이에 송수신되는 신호를 실시간으로 감시하고, 비정상인 경우가 발생하면 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시키는 제1실시 예와, 슬레이브 장치(200)의 제어부(240)로부터 각 구동부(215, 225)로 전송되는 신호를 실시간으로 감시하고, 비정상인 경우가 발생하면 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시키는 제2실시 예를 포함할 수 있다.
이때, 슬레이브 장치(200)의 동작을 정지시키는 단계는, 슬레이브 장치(200)의 로봇 암(210) 및 수술 도구(220) 각각의 관절을 구동시키는 각 구동부(215, 225)로 인가되는 전원을 차단함으로써 수행될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 수집된 신호를 분석하여 정상 여부를 판단하는 단계(S620)는, 구체적으로, 도 7에 도시한 바와 같이, 수집된 신호가 정상 신호인지 또는 비정상 신호인지를 판단하는 단계(S621)와 각 장치 즉, 마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200)가 주기적으로 통신하는지 또는 통신하지 않는지를 판단하는 단계(S623)를 포함할 수 있다. 이후, 수집된 신호가 비정상 신호이면 슬레이브 장치(200)가 비정상 신호를 수신하여 오동작을 하지 않도록 슬레이브 장치(200)를 정지시키고, 또한, 마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200)가 주기적으로 통신하지 않으면, 마스터 장치(100) 또는 슬레이브 장치(200)에 문제가 발생한 것으로 간주하여 비정상적인 상태로 인식하고 슬레이브 장치(200)를 정지시킴으로써, 수술 도중 발생할 수 있는 돌발적인 사고를 방지하여 작업 안전성을 확보할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 마스터 장치
110 : 입력부
111, 113 : 핸들
120 : 표시부
130 : 제어부
140 : 제어 신호 생성부
150 : 통신부
200 : 슬레이브 장치
210 : 로봇 암
211 : 링크
213 : 관절
215 : 제1구동부
220 : 수술 도구
225 : 제2구동부
230 : 내시경
240 : 제어부
245 : 비상 제동부
250 : 통신부
300 : 모니터링 장치
310 : 신호 수집부
320 : 신호 분석부
330 : 제어부
340 : 제동 신호 생성부
350 : 통신부
360 : 전원부

Claims (15)

  1. 슬레이브 장치 및 상기 슬레이브 장치의 동작을 제어하는 마스터 장치를 포함하는 수술 로봇 시스템에 있어서,
    상기 시스템은,
    상기 시스템 내에서 송수신되는 신호를 실시간으로 검사하고 비정상 신호가 검출되면 상기 슬레이브 장치의 동작을 정지시키는 모니터링 장치
    를 포함하는 수술 로봇 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모니터링 장치는,
    상기 시스템 내에서 송수신되는 신호를 실시간으로 수집하는 신호 수집부;
    상기 수집된 신호를 분석하는 신호 분석부; 및
    상기 신호 수집부를 이용하여 상기 시스템 내에서 송수신되는 신호를 실시간으로 수집하고, 수집된 상기 신호를 상기 신호 분석부를 통해 분석하여 비정상 신호가 검출되면 상기 슬레이브 장치의 동작을 정지시키는 제어부
    를 포함하는 수술 로봇 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모니터링 장치는 상기 마스터 장치와 상기 슬레이브 장치 사이에 송수신되는 신호를 실시간으로 검사하는 수술 로봇 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모니터링 장치는 상기 마스터 장치 및 상기 슬레이브 장치와 별도로 분리되는 수술 로봇 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 모니터링 장치는 상기 마스터 장치 내부 또는 상기 슬레이브 장치 내부에 위치하는 수술 로봇 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 모니터링 장치와 연결된 별도의 전원부를 더 포함하는 수술 로봇 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 마스터 장치와 상기 슬레이브 장치가 주기적으로 통신하는지를 감시하고, 주기적으로 통신하지 않으면 상기 슬레이브 장치의 동작을 정지시키는 수술 로봇 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 슬레이브 장치는,
    로봇 암의 각 관절 및 수술 도구의 각 관절을 구동시키는 복수의 구동부; 및
    상기 복수의 구동부로 인가되는 전원을 차단하는 비상 제동부
    를 포함하며, 상기 제어부는 상기 비상 제동부를 통해 상기 복수의 구동부로 인가되는 전원을 차단하여 상기 슬레이브 장치의 동작을 정지시키는 수술 로봇 시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 모니터링 장치는,
    통신부; 및
    상기 슬레이브 장치의 동작을 정지시키는 제동 신호를 생성하는 제동 신호 생성부
    를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 통신부를 통해 상기 제동 신호를 상기 슬레이브 장치로 전송하여 상기 슬레이브 장치의 동작을 정지시키는 수술 로봇 시스템.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 슬레이브 장치는,
    로봇 암의 각 관절 및 수술 도구의 각 관절을 구동시키는 복수의 구동부;
    상기 복수의 구동부로 인가되는 전원을 차단하는 비상 제동부; 및
    상기 로봇 암 및 상기 수술 도구를 동작시키는 구동 신호를 상기 복수의 구동부로 전송하는 제어부
    를 포함하며,
    상기 모니터링 장치의 제어부는 상기 구동 신호를 실시간으로 검사하여 비정상적인 구동 신호가 검출되면 상기 비상 제동부를 통해 상기 복수의 구동부로 인가되는 전원을 차단하여 상기 슬레이브 장치의 동작을 정지시키는 수술 로봇 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 모니터링 장치는 상기 슬레이브 장치 내부 또는 외부에 위치하는 수술 로봇 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 모니터링 장치가 상기 슬레이브 장치 내부에 위치하는 경우, 상기 모니터링 장치와 연결된 별도의 전원부를 더 포함하는 수술 로봇 시스템.
  13. 슬레이브 장치 및 상기 슬레이브 장치의 동작을 제어하는 마스터 장치를 포함하는 수술 로봇 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 시스템 내에서 송수신되는 신호를 수집하는 단계;
    수집된 상기 신호를 분석하여 정상 여부를 판단하는 단계; 및
    판단 결과, 비정상인 경우 상기 슬레이브 장치의 동작을 정지시키는 단계
    를 포함하는 수술 로봇 시스템의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 신호를 분석하여 정상 여부를 판단하는 단계는,
    상기 신호가 정상 신호인지 또는 비정상 신호인지를 판단하는 단계; 및
    상기 마스터 장치와 상기 슬레이브 장치가 주기적으로 통신하는지를 판단하는 단계
    를 포함하는 수술 로봇 시스템의 제어 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 슬레이브 장치의 동작을 정지시키는 단계는,
    상기 슬레이브 장치의 각 관절을 구동시키는 구동부로 인가되는 전원을 차단함으로써 수행되는 수술 로봇 시스템의 제어 방법.
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