KR100695468B1

KR100695468B1 - 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇

Info

Publication number: KR100695468B1
Application number: KR1020050094333A
Authority: KR
Inventors: 이병주; 김영수; 박종일; 김성민; 오세민
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2007-03-16

Abstract

본 발명은 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동 및 수동 동작이 가능한 로봇을 이용하여 수술도구를 환자의 시술부위에 용이하게 정위치시킬 수 있으며, 관절축으로 상호 연결된 다수의 로봇 암을 균형적으로 지지함과 아울러, 로봇암의 유동되는 변위의 폭을 줄여 충분한 시술공간을 확보할 수 있어 수술의 정밀성과 안정성을 높일 수 있는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇에 관한 것이다.

본 발명에 따른 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇은, 지지체(100)와; 상기 지지체(100)의 상부에 결합되며 관절축(P)에 의해 상호 회전가능하게 연결된 다수개의 로봇암(200)과; 상기 로봇암(200) 중 종단부의 가이드암(450)에 결합되어 수술도구가 장착되는 수술도구 지지대(300)와; 상기 로봇암(200)을 각각 회전시키는 로봇암 회전수단(400)이 포함되되, 상기 로봇암(200) 중에 적어도 하나는 일정 각도로 절곡 형성된 것을 특징으로 한다.

외과, 수술 도구, 로봇, 척추, 로봇암, 관절

Description

수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇{ROBOT OF THE MULTI-FREEDOM DEGREE FOR POSITIONING SURGICAL TOOL}

도 1은 종래의 수술도구 위치 설정용 로봇의 종단면도,

도 2는 본 발명에 따른 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇의 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 승강수단의 피니언과 랙기어의 치합상태를 보인 부분사시도,

도 4는 본 발명에 따른 지지체의 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 로봇암의 평면도,

도 6은 본 발명에 따른 로봇암 회전수단의 실시예를 보인 종단면도,

도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 로봇암의 동작과정을 보인 구성도,

도 9는 본 발명에 따른 로봇암 회전수단의 제어블럭도,

도 10은 본 발명에 따른 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇의 사진,

도 11은 본 발명에 따른 수술 부위의 위치를 설정하는 영상 사진,

도 12는 본 발명에 따른 시술 부위에 케이-와이어가 위치된 영상 사진,

도 13은 본 발명에 따른 스크류가 고정된 시술부위의 영상 사진.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 지지체 110 : 외부관체

120 : 내부승강체 130 : 무게추

140 : 정/역회전모터 141 : 랙기어

142 : 피니언 143 : 와이어

150 : 완충부재 151 : 지지판

152 : 스프링 160 : 베이스판

170 : 바퀴 200 : 로봇암

210 : 제1로봇암 220 : 제2로봇암

230 : 제로봇암 240 : 제4로봇암

250 : 가이드암 300 : 수술도구 지지대

310 : 통공 400 : 로봇암 회전수단

410 : 구동모터 420 : 구동기어

421 : 벨트 430 : 변속기어

440 : 종동기어 450 : 관절

460 : 제어부 461 : 영상표시부

470 : 영상촬영부 480 : 모터구동부

490 : 센서 600 : 케이-와이어(K-wire)

601 : 스크류(screw) 700 : 수술대

H : 안내홈 P : 관절축

R : 롤러

일반적으로, 외과용 수술에는 의사를 보조하기 위하여 각종 의료용 기구를 장착할 수 있는 의료용 로봇이 사용되어 왔는데, 최근에는 그 응용 분야가 척추 수술에까지 적용되고 있으며, 그 실시예로서 국내 공개특허 제2003-0018008호(공개일 : 2003.03.04)의 외과용 기구를 정위치시키는데 사용되는 장치가 도 1에 개시되어 있다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 종래의 외과용 기구를 장착할 수 있는 장치(2)는, 컴퓨터(5) 및 상기 컴퓨터(5)에 의해 생성된 기구 이동지시를 수신하는 로봇 제어시스템(6)으로 구성된 것이다.

또한 상기 로봇 제어시스템(6)은, 기구(4)가 장착되는 플레이트(10)가 단부에 구비되고, 고정 베이스(9)에 고정되는 로봇암(8)으로 구성된다.

상기 외과용 기구(4) 이동 지시는 상기 로봇 제어시스템(6)에 의해 해석되며, 상기 로봇암(8)을 상기 기구(4)와 함께 고정 베이스(9)에 대해 상대적으로 이 동시킨다.

한편, 상기 로봇암(8)은 플레이트(10)의 충분한 자유도가 가능하도록 3 이상의 조인트로 구성되고, 상기 플레이트(10)에는 상기 기구(4)의 위치를 나타내는 기구센서(12)가 구비되어 있다.

상기 장치(2)에는 광학적 탐지기(14)가 구비되어 있는데, 상기 광학적 탐지기(14)는 상기 기구센서(12)에 의해 발생된 신호를 수신하여 센서의 위치를 모니터링 하도록 둘 이상의 독립된 수신 소자들을 가지고 있으며, 또한 외과 시술이 시행되는 환자 내의 뼈에 고정될 수 있는 기준센서(16)가 포함되어 있다.

또한 상기 장치(2)는, 상기 탐지기(14)와 관련하여 규정된 좌표시스템 내의 환자 뼈의 위치를 등록하는데 사용되는 프로브(probe, 18)가 포함되어 있다. 뼈의 위치 등록은 뼈의 영상 생성을 위한 스캐닝 작업(특히, X-레이 또는 CT스캔)에 앞서서 뼈 내부에 이식된 표준 마커(marker)에 상기 프로브(18)를 접촉시킴으로써 이루어진다.

상기 마커는 외과적인 시술에 사용되는 기준 센서로서, 좌표시스템 내의 환자 뼈의 위치를 이전에 생성된 뼈의 영상과 연관시켜줄 수 있는 기준이 될 수 있고, 상기 컴퓨터(5)를 통해 상기 마커들의 위치를 확인할 수 있도록 각 마커들과 차례로 접촉할 수 있으며, 상기 프로브(18)를 조인트의 이동이 측정될 수 있는 암상에 부착함으로써, 수학적인 모니터링이 가능해진다.

한편, 상기 좌표시스템 내에서 상기 로봇 제어시스템(6)의 진정한 위치를 나타내는 로봇 제어시스템 센서(20)를 고정식 베이스(9)에 설치할 수 있는데, 상기 로봇 제어시스템 센서(20) 또한 상기 기구센서(12)와 같이 다수의 발광 다이오드가 배치된 플레이트가 포함된다.

상기 로봇 제어시스템 센서(20)에 의해 상기 로봇 제어시스템(6)의 위치 변화가 감지되어 상기 컴퓨터(5)로 송신되고, 상기 컴퓨터(5)는 수신된 감지 신호에 의해 상기 기구(4)를 적절하게 위치되도록 동작시킬 수 있는 것이다.

그러나, 상기와 같이 이루어진 장치(2)는 다수의 센서(12,20), 마커, 프로브(18) 등을 통해 시술하고자 하는 위치로 상기 외과용 기구(4)를 이동시킬 수 있으나, 다수의 센서(12,20), 마커, 프로브(18)를 통해 상기 컴퓨터(5)에서 처리해야 하는 매개변수의 값이 많아 상기 외과용 기구(4)를 정밀하게 제어하는데 어려움이 있었으며, 상기 외과용 기구(4)를 정확하게 위치시키기 위한 재교정 시간이 장시간 소요되는 문제점이 있었다.

그리고 상기 로봇암(8)은 조인트로 연결된 것이어서 상기 고정 베이스(9)에 편심되게 고정될 수밖에 없는데, 상기 로봇암(8)을 균형적으로 지지할 수 있는 별도의 무게 보상장치가 없어 상기 로봇암(8)의 작동시 편심 하중이 일측으로 집중되어 균형적인 동작을 기대할 수가 없거나, 상기 로봇암(8)이 쉽게 손상될 수 있는 우려가 있었다.

또한 척추경은 적게는 5∼8mm이고, 이에 고정되는 스크류는 3∼5mm의 직경을 갖게 되는 것이며, 척추는 통상적으로 일정 각도로 경사진 형태를 갖는 것으로, 척추경 나사못 시술은 고도의 정밀성을 요하게 되는데, 상기 로봇암(8)의 경우 상기 고정 베이스(9)에 고정되는 구조이어서 상기 외과용 기구(4)를 압박하여 뼈에 나사 공을 형성하는 과정 중에 상기 로봇암(8)에 전달되는 가압력을 원활하게 지지할 수 없었고, 이로 인하여 상기 조인트 부분에서 미세한 유동이 발생되어 시술의 정밀성을 저하시키는 요인이 되었다.

아울러, 지금까지 제안된 기술들은 단순히 조인트로 연결된 로봇의 형태를 갖는 구조에 불과한 것이어서, 수술과정 중에 조인트의 회전에 의해 상기 로봇암(8)이 다른 수술장치들에 간섭되는 것을 방지하기 위해서는 상대적으로 많은 공간을 확보해야 할 필요성이 있었던 반면, 의사의 경우 상대적으로 협소한 공간에서 시술을 해야하는 어려움이 있었다.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 다수의 관절로 연결된 로봇암의 유동되는 변위의 폭을 감소시킴으로써, 상대적으로 의사가 넓은 시술공간을 확보함과 동시에, 다른 수술장치에 간섭되지 않도록 로봇암을 동작시킬 수 있으며, 특히 로봇암을 지지하는 지지체에 무게를 보상할 수 있는 무게추를 구비하여 로봇암의 하중과 회전동작을 원활하게 지지할 수 있는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 수술기구가 장착되는 수술도구 지지대를 회전 가능하게 로봇암에 결합하여, 척추의 경사진 방향과 일치되게 수술도구를 정확하게 위치시킬 수 있으며, 특히 척추에 나사공을 형성과정과, 수술시 환자의 호흡운동을 통해 발생되는 상,하 방향의 유동에 상응하도록 동작되게 함으로써, 수술부위에 정위치된 로봇암이 외력에 의해 위치가 변화되는 것을 미연에 방지하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 로봇암이 자동 구동과 수동 동작이 선택적으로 이루어질 수 있어 불가피한 사고로 인하여 로봇암의 구동장치가 작동되지 않더라도 수동으로 로봇암을 동작시켜 시술을 수행할 수 있는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 다자유도 로봇의 구성은, 지지체와; 상기 지지체의 상부에 결합되며 관절축에 의해 상호 회전가능하게 연결된 다수개의 로봇암과; 상기 로봇암 중 종단부의 가이드암에 결합되어 수술도구가 장착되는 수술도구 지지대와; 상기 로봇암을 각각 회전시키는 로봇암 회전수단이 포함되되, 상기 로봇암 중에 적어도 하나는 일정 각도로 절곡 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 지지체는, 내부가 비어 있는 외부관체와; 상기 외부관체의 내부에 삽입되어 승강수단에 의해 승, 하강되는 내부승강체로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 내부승강체를 승, 하강시키는 승강수단은, 상기 외부관체의 외측을 따라 승, 하강되며, 상기 로봇암의 회전운동을 지지하고 중량의 평형을 유지해주는 무게추와; 상기 무게추의 상부에 장착되어 상기 외부관체의 수직방향으로 형성된 랙기어에 치합되는 피니언이 구비된 정/역회전모터와; 상기 무게추와 상기 내부승강체에 상호 연결된 와이어로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 무게추와 상기 내부승강체의 하강시 충격을 흡수하도록 상기 외부관체의 하부에 완충부재가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

바림직하게는, 상기 절곡 형성된 로봇암의 절곡 각도는 70∼140°인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 절곡 형성된 로봇암의 절곡 각도는 90°인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 절곡 형성된 로봇암은, 상기 로봇암 중 일측으로부터 2번째에 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수술도구 지지대에는 수술도구가 삽입될 수 있도록 통공이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 완충부재는, 상기 지지체의 하부에 구비된 베이스판에 일측이 탄지된 다수개의 스프링과; 상기 스프링의 타측에 구비된 지지판으로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 베이스판의 저부에 다수개의 이동용 바퀴가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 외부관체의 내측에 다수개의 롤러가 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 롤러의 일측이 삽입되도록 상기 내부승강체의 내측에 안내홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지지체의 저부에 다수개의 이동용 바퀴가 구비된 베이스판이 더 포함된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 로봇암 회전수단은, 상기 로봇암 중 일측의 로봇암 내부에 구비된 구동모터와; 상기 구동모터의 축상에 구비된 구동기어와 일측이 치합되며 회전 력을 변속하도록 적어도 하나 이상의 기어 조합으로 이루어진 변속기어와; 상기 변속기어의 타측과 치합되되록 상기 관절축에 구비된 종동기어와; 상기 관절축의 양측과 상기 일측의 로봇암에 인접되는 타측의 로봇암 양측에 각각 연결된 한 쌍의 관절이 포함된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 변속기어의 일측 회전축과 상기 관절축에 각각 풀리가 구비되고, 상기 풀리에 벨트가 연결된 것을 특징으로 한다.

한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 다자유도 로봇의 구성은, 지지체와; 상기 지지체의 상부에 결합되며 관절축에 의해 상호 회전가능하게 연결된 다수개의 로봇암과; 상기 로봇암 중 종단부의 가이드암에 결합수단에 의해 결합되어 수술도구가 장착되는 수술도구 지지대와; 상기 로봇암을 각각 회전시키는 로봇암 회전수단 및; 상기 로봇암 회전수단을 제어하는 제어수단이 포함되되, 상기 로봇암 중에 적어도 하나는 일정 각도로 절곡 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어수단은, 레이저 발생부 및 레이저 수신부로 구성되어 시술과정을 실시간으로 촬영하여 영상데이터를 얻는 영상촬영부와; 상기 영상촬영부에서 얻은 영상 데이터를 전송받아 저장된 알고리즘을 통해 수술부위의 위치좌표를 설정하는 제어부와; 상기 제어부의 제어신호에 의해 상기 지지체와 상기 로봇암에 구비된 각각의 모터에 구동전원을 공급하는 모터구동부가 포함된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 모터의 회전범위를 검출하여 상기 제어부로 검출된 신호를 송신 하는 센서가 더 포함된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 센서는 상기 모터의 회전량을 검출하는 엔코더 센서인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇의 사시도이다. 상기 도2를 참조하면, 본 발명의 다자유도 로봇은, 지지체(100)와, 상기 지지체의 상부에 장착된 다수개의 로봇암(200)과, 상기 로봇암(200) 종단부의 가이드암(250)에 결합수단에 의해 장착된 수술도구 지지대(300)와, 상기 로봇암(200)을 회전시키는 로봇암 회전수단(400)으로 구성된다.

상기 지지체(100)는, 상기 로봇암(200)의 안정된 동작을 유지하기 위하여 바닥에 고정한 고정형으로 구비될 수 있으나, 바람직하게는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 내부가 비어있는 외부관체(110)와, 상기 외부관체(110)의 내부에 삽입되어 상기 외부관체(110)의 내벽을 따라 승강수단에 의해 승, 하강되는 내부승강체(120)를 포함하여 상기 로봇암(200)의 높이를 조절하거나 충격 및 진동을 흡수할 수 있는 가변형으로 구비될 수 있다.

상기 승강수단은, 상기 외부관체(110)의 외측을 따라 승, 하강되며, 상기 로 봇암(200)의 각 부의 회전운동을 지지하고 중량의 평형을 유지해주는 무게추(130)와, 상기 무게추(130)의 상부에 장착되어 상기 외부관체(110)의 수직방향으로 형성된 랙기어(141)에 치합되는 피니언(142)이 구비된 정/역회전모터(140)와, 상기 무게추(130)의 상부와 상기 내부승강체(120)에 상호 연결된 와이어(143)로 구성된다.

상기 와이어(143)는, 상기 외부관체(110)를 통해 상기 내부승강체(120)에 연결될 수 있도록 상기 외부관체(110)의 상부에는 와이어 삽입공(미도시)이 형성되어 있으며, 상기 와이어 삽입공에 인접되는 부분에 상기 와이어(143)가 원활하게 이동될 수 있도록 안내하는 롤러(R)가 설치된다.

즉, 상기 정/역회전모터(140)가 상기 랙기어(141)를 따라 정방향으로 회전되면, 상기 무게추(130)가 하강되면서 상기 와이어(143)로 연결된 상기 내부승강체(120)가 승강되고, 상기 정/역회전모터(140)가 역방향으로 회전되면, 상기 무게추(130)와 상기 내부승강체(120)가 다시 처음 상태로 복귀되도록 동작되는 것이다.

여기서, 상기 내부승강체(120)의, 승, 하강시 편심되지 않고 직선되게 동작될 수 있도록 상기 외부관체(110)의 내벽에 다수개의 롤러(R)가 장착되고, 상기 롤러(R)가 이동되도록 상기 내부승강체(120)의 외벽에 다수개의 안내홈(H)이 길이방향으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 무게추(130)의 하강시 상기 외부관체(110)에 전달되는 충격을 흡수함과 동시에, 상기 지지체(100) 상부의 상기 로봇암(200)에 진동이 전달되는 것을 미연에 방지할 수 있도록 상기 외부관체(110)의 하부에 완충부재(150)를 더 구비하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 완충부재(150)는, 상기 지지체(100)의 하부에 구비된 베이스판(160)에 일측이 탄지된 다수개의 스프링(152)과, 상기 스프링(152)의 타측에 구비된 지지판(151)으로 구성된다.

상기 베이스판(160)의 저부에 다수개의 이동용 바퀴(170)를 더 구비함으로써 상기 다자유도 로봇을 지면을 따라 용이하게 유동시킬 수 있다.

한편, 상기와 같이 지지체(100)를 가변형이 아닌 고정형의 지지체(110)를 채택한 경우에도 상기 지지체(100)의 저부에 다수개의 이동용 바퀴(170)가 구비된 베이스판(160)을 마련하여 상기 다자유도 로봇을 유동시킬 수도 있을 것이다.

상기 로봇암(200)은, 시술하고자 하는 인체의 특정 부분에 수술도구가 정확하게 위치되도록 안내함과 동시에, 수술실의 주위 환경과 의사의 시술에 방해하지 않도록 다수개의 암이 회전가능하게 연결된 형태이며, 본 발명에서는 충분한 자유도가 가능하도록 5자유도 로봇암 형태로 구비된다.

즉, 도 5에 도시된 로봇암의 평면도를 참조하여 보면, 상기 로봇암(200)은 상기 지지체(100)의 상부에 장착된 제1로봇암(210)과, 상기 제1로봇암(210)으로부터 순차적으로 관절축(P)에 의해 각각 회전 가능하게 연결된 제2,3,4로봇암(220,230,240) 및, 상기 수술도구 지지대(300)가 장착된 가이드암(250)으로 구성된 것이다.

상기 관절축(P)과 상기 제2로봇암(220)을 연결하는 관절(450)에 의해 상기 제1,2로봇암(210,220)이 상호 연결되며, 상기 제3,4로봇암(230,240)로 동일한 방식 으로 연결된다.

여기서, 상기 로봇암(200) 중에 적어도 하나는 일정 각도로 절곡 형성되는데, 바람직하게는 상기 제2로봇암(220)이 "

" 형상으로 구비된다.

또한, 상기 절곡 형성된 제2로봇암(200)의 절곡 각도는 70∼140°이거나, 상기 수술대(700)의 길이방향과 평행하도록 90°로 형성되는 것이 바람직하며, 여기서 상기 절곡각도는 상기 제2로봇암(220)의 절곡지점의 내각을 의미한다.

상기 로봇암 회전수단(400)은, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 로봇암(200) 중 제1로봇암(210) 내부에 구비된 구동모터(410)와, 상기 구동모터(410)의 축상에 구비된 구동기어(420)와 일측이 치합되며 회전력을 변속하도록 적어도 하나 이상의 기어 조합으로 이루어진 변속기어(430)와, 상기 변속기어(430)의 타측과 치합되되록 상기 관절축(P)에 구비된 종동기어(440)와, 상기 관절축(P)의 양측과 상기 제1로봇암(210)에 인접되는 제2로봇암(220)의 양측에 각각 연결된 한 쌍의 관절(450)로 구성된다.

여기서, 상기 제1로봇암(210)과 상기 제2로봇암(220)의 일측에 설치된 상기 회전수단(400)은, 상기 제2로봇암(220)의 타측과 상기 제3로봇암(230)의 일측 및, 상기 제3로봇암(230)의 타측과 상기 제4로봇암(240)의 일측 사이에도 각각 동일하게 구비된다.

또한 상기 변속기어는 각각의 기어의 설계 방식에 따라 다양한 변속된 회전력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 기어의 종류에 따라 축방향의 회전력과 종방향과 횡방향의 회전력을 발생시킬 수 있는 것으로, 본 발명 상기한 실시예에 한정되지 않음은 물론이며, 이와 균등적으로 치환 가능한 회전수단 중 당업자가 필요에 따라 선택적으로 상기 로봇암 회전수단(400)을 구현할 수 있음은 당연하다.

한편, 상기 구동기어(420)와 치합된 변속기어의 일측 회전축과 상기 관절축(P)에 각각 풀리를 구비하고, 이를 벨트(460)로 상호 연결하여 상기 구동모터(410)의 회전력을 상기 벨트(460)에 의해서도 상기 관절축(P)으로 전달할 수도 있다.

상기 제2로봇암(220)의 구조적인 특징과, 상기 로봇암 회전수단(400)에 의하여, 도 7 및 도 8과 같이, 상기 제2로봇암(220)에 의해 수술 로봇을 수술대(700)의 우측에 위치시킨 상태에서, 상기 제2로봇암(220)이 상기 제1로봇암(210)과 연결된 관절축(P)을 중심으로 회전되면, 상기 제3,4로봇암(230,240) 및 상기 가이드암(250)을 상기 수술대(700)의 상부를 통해 길이방향으로 전진시킬 수 있게 된다.

본 발명에서는 도 9와 같이 상기 로봇암(410)을 구동시키는 제어수단이 더 포함될 수 있다.

상기 도면에 도시된 바와 같이 상기 제어수단은, 레이저(x-ray) 발생부 및 레이저(x-ray) 수신부로 구성되어 시술과정을 실시간으로 촬영하여 영상데이터를 얻는 영상촬영부(470)와, 상기 영상촬영부(470)에서 얻은 영상 데이터를 전송받아 저장된 알고리즘을 통해 수술부위의 위치좌표를 설정하는 제어부(460)와, 상기 제어부(460)의 제어신호에 의해 상기 로봇암(200)에 구비된 각각의 모터(140,410)들에 구동전원을 공급하는 모터구동부(480)로 구성된다.

상기 제어부(460)의 제어신호에 의해 상기 모터구동부(480)를 통해 외부의 구동전원이 공급되어 상기 모터(140, 410)들이 구동되면, 그 회전력은 상기 내부승강체(120)를 승강시키거나 상기 로봇암 회전수단을 통해 상기 로봇암(200)을 각각 일정 각도로 회전되면서, 상기 제어부(460)로부터 입력 받은 수술 부위의 위치좌표로 상기 수술도구 지지대(300)가 위치될 수 있도록 동작되는 것이다.

상기 수술도구 지지대(300)가 수술부위의 위치로 동작이 되었는지의 여부 및 수술도구가 수술부위에 정확하게 위치되었는지의 여부 등은 상기 영상촬영부(470)로부터 전송된 영상데이터가 영상표시부(461)에 의해 표시됨으로써, 의사가 육안으로 확인할 수 있게 된다.

한편, 상기 모터(140,410)의 회전량을 검출하여 상기 제어부(460)로 검출된 신호를 송신하는 센서(490)가 더 구비되는데, 상기 센서(490)에 감지된 상기 로봇암(200)의 회전각도는 상기 제어부(460)에 저장된 소정의 알고리즘에 의해 해석되는 피드백(feedback)을 통해 다시 상기 각 모터(140,410)들의 회전범위가 제어됨으로써, 시술하고자 하는 위치에 상기 수술도구 지지대(300)를 정확하게 위치시킬 수 있게 된다.

여기서, 상기 센서(490)는, 상기 각 모터(140,410)들의 회전량을 검출할 수 있는 엔코더 센서(encoder sensor)로 구비되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 척추경 나사못 시술에 따른 수술 로봇의 동작과정에 의거하여 설명하기로 한다.

먼저, 환자를 수술대(700)에 위치시키고, 다자유도 로봇을 수술대의 길이방향에 평행하게 측면에 위치시킨다.

이어서, 척추의 손상된 부분을 시술하기 위해 레이저(x-ray) 발생장치 및 수신장치로 구성된 영상촬영부(470)를 통해 수직, 수평 방향으로 시술부위의 2차원 영상을 각각 추출하고(도 11의 영상 사진 참조), 이 영상을 바탕으로 제어부(460)에 저장된 알고리즘을 통해 시술부위의 위치좌표를 설정하여 상기 로봇에 제어신호를 전송하게 되고, 이 제어신호에 의해 상기 로봇을 구성하는 로봇암(200)이 입력된 좌표를 기준으로 시술부위에 근접되도록 동작된다.

이를 더욱 구체적으로 설명하면, 상기 제어부(460)로부터 제어신호가 모터구동부(480)에 전달되면 구동전원이 정/역회전모터(140)와 구동모터(410)에 인가되어 지지체(100)와 상기 로봇암(200)이 동시에 작동하게 된다.

즉, 상기 제어부(460)의 제어신호에 의해 상기 수술 로봇의 높이를 조절하기 위해 정/역회전모터(140)가 구동되어 피니언(142)이 외부관체(110)의 외측에 형성된 랙기어(141)를 따라 회전되고, 이로 인하여 상기 정/역회전모터(140)가 상부에 설치된 무게추(130)가 상기 외부관체(110)를 따라 하강하게 된다.

상기 무게추(130)가 하강하게 되면, 와이어(143)로 연결되고 상부에 로봇암(200)이 구비된 내부승강체(120)가 상기 외부관체(110)의 상부로 승강되어 수술 로봇의 높이를 조절하게 된다.

이때, 상기 무게추(130)가 하강되어 상기 외부관체(110)의 저부에 접촉될 경우에 발생되는 충격 및 진동은 완충부재(150)에 의해 흡수되어진다.

이와 동시에, 상기 로봇암(200)을 회전시키는 구동모터(410)가 구동되어 기어열(460)을 통해 관절축(P)을 회전시킴으로써, 상기 관절축(P)과 일체형으로 연결된 관절(450)이 일정 각도로 좌측 또는 우측으로 회전하게 된다.

이러한 동작은 제1로봇암(200)을 기준으로 제2,3,4로봇암(200,230,240)에 동시, 또는 순차적으로, 또는 역순으로 이루어지게 된다.

한편, 상기 제2로봇암(220)은 "

" 형상으로 구비되어 상기 제2로봇암(220)이 관절축(P)을 중심으로 회전되면, 상기 제3,4로봇암(230,240) 및 상기 가이드암(250)을 동시에 상기 수술대(700) 상부를 통해 길이방향으로 전진시킬 수 있게 된다.

상기 제2로봇암(220)의 구조적인 특징에 의해 좌/우로 회전되는 상기 로봇암(200)의 전체 변위의 폭을 효과적으로 줄일 수 있는데, 이로 인하여 상기 로봇암(200)이 주위의 다른 수술용 기구와 시술하는 의사에게 방해되지 않으면서 환자의 시술부위에 근접되도록 동작될 수 있을 뿐만 아니라, 의사에게는 상대적으로 넓은 공간을 제공할 수 있게 된다.

이때, 상기 로봇암(200)의 회전 각도는 센서(490)에 의해 감지되고, 감지된 출력값은 상기 제어부(460)에 저장된 알고리즘에 의해 해석되어 환자의 척추에 대한 시술 위치 및, 상기 수술도구 지지대(300)의 실제 위치가 상이한 경우에는, 피드백(feedback)을 통해 다시 상기 모터들을 구동시켜 시술 위치와 상기 수술도구 지지대(300)의 위치를 정확하게 일치시키는 보상 과정을 반복적으로 수행하게 된다.

상기와 같은 일련의 과정으로 상기 수술도구 지지대(300)의 위치가 상기 좌표시스템에 입력된 좌표값에 일치되면, 의사는 환자의 피부를 소폭으로 절개하고, 상기 수술도구 지지대(300)의 통공(310)을 통해 케이-와이어(K-wire, 600)를 삽입하여 척추에 밀착시킨 후, 내경이 서로 다른 소/중/대직경의 확장관(미도시)을 순차적으로 삽입하고 소/중직경의 확장관을 대직경 확장관으로부터 인출시키는 방법으로 절개된 부분을 확개시켜 공간을 확보하게 된다.

이어서, 스크류 드라이버(screw driver)를 상기 대직경 확장관 내부로 삽입하여 척추에 나사공을 형성한 다음, 스크류(screw, 601)를 나사공에 체결하여 고정한다. 상기 수술도구 지지대(300)의 위치와 상기 케이-와이어(600) 및 상기 스크류(601)의 고정하는 영상은 도 11 및 도 12와 같이 영상표시부(461)를 통해 모니터링되어 의사가 수시로 확인할 수 있다.

여기서, 상기 시술 과정에서 상기 케이-와이어(600), 확장관, 스크류 가이드 등과 같은 수술 도구들은 상기 수술도구 지지대(300)에 의해 시술하고자 하는 척추 부분에 정확하게 위치시킬 수 있어 환자의 피부를 소폭으로 절개하여도 시술이 가능하게 된다.

또한 스크류 가이드로 척추에 나사공을 형성할 때 발생되는 가압력에도 상기 수술도구 지지대(300)가 횡방향으로 유동되지 않으며, 상기 가이드암(250), 상기 무게추(130)에 의해 상, 하 방향 즉, 종방향의 회동을 원활하게 지지될 수 있다.

여기서, 척추경은 적게는 5∼8mm이고, 이에 고정되는 스크류는 3∼5mm의 직경을 갖게 되는 것으로, 상기 스크류 드라이버로 척추경의 경사도에 맞춰 나사공을 형성하는 과정은 척추경 시술에 있어서 고도의 정밀성이 요구될 수 밖에 없는바, 본 발명에 따른 로봇의 구조를 통해 척추경 수술의 안정성과 정밀성을 확보할 수 있는 것이다.

상기 척추경 나사못 시술이 완료되면 의사는 절개된 부위를 봉합하고, 조작버튼(미도시)을 눌러 상기 수술 로봇을 최초의 상태로 복귀시키는 데, 이때 상기 정/역회전모터(140)가 역방향으로 회전됨에 따라 상기 무게추(130)가 상기 외부관체(110)를 따라 승강됨과 동시에, 상기 내부승강체(120)는 하강되며, 상기 제4로봇암(240)과 상기 가이드암(250)은 제1, 2로봇암(210,220) 측으로 밀착되게 회전되어 상기 로봇암(200)이 차지하는 공간을 효과적으로 줄이게 된다.

한편, 본 발명에서는 상기 로봇암(200)이 상기와 같은 구동장치들에 의해 자동으로 동작되는 것과는 별개로, 구동장치에 공급되는 구동전원을 차단하여 의사가 손으로 상기 로봇암(200)을 직접 수술부위에 위치시키는 수동 동작도 가능하다.

또한 상기 수술도구 지지대(300)와 각종 수술도구가 시술하고자 하는 부위에 정확하게 위치되어 있는지 여부 등 일련의 수술과정은 영상표시부(461)를 통해 육안으로 확인할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 다자유도 로봇은, 상기 제2로봇암(220)의 구조적인 특징에 의해 전체 로봇암(200)의 유동되는 변위의 폭을 줄여 다른 수술기구나 시술하는 의사에게 간섭되지 않고 시술하고자 하는 신체 부위에 정확하게 위치시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 수술도구 지지대(300)를 척추의 경사진 방향과 일치되 게 위치시킬 수 있으며, 특히 척추에 나사공을 형성할 때 발생되는 상, 하 방향의 유동을 효과적으로 지지할 수 있어, 환자에게는 수술에 대한 부담감을 줄여줄 수 있고, 시술하는 의사 또한 수술의 정밀성과 안전성을 도모할 수 있는 것으로, 의료용 로봇 장치에 있어서 매우 유용한 발명이라 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 로봇암의 동작 구조 및 절곡된 형상을 갖는 제2로봇암에 의해 종래의 수술로봇에 비하여 보다 좁은 영역에서 작동이 가능하여 로봇암이 다른 수술도구에 간섭되어 의료사고가 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있고, 시술하는 의사에게 보다 넓은 시술공간을 제공할 수 있어 수술에 대한 안정성을 높일 수 있는 효과가 있다.

그리고, 로봇암을 지지하는 지지체에 무게를 보상할 수 있는 무게추를 구비하여 로봇암의 하중과 회전동작을 원활하게 지지함과 동시에, 수술 도구로 척추에 나사공을 형성과정과, 환자의 호흡운동을 통해 로봇암에 전달되는 진동을 효과적으로 흡수할 수 있어 로봇의 동작신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한 수술도구가 삽입되는 수술도구 지지대를 척추에 일치되게 동작시킬 수 있어 수술에 대한 정밀성을 높여줄 수 있고, 로봇이 자동구동 및 의사의 손에 의해 동작시키는 수동구동이 가능함에 따라, 불가피한 사고로 인하여 로봇암의 구동장치가 작동되지 않더라도 적절하게 수동으로 동작시켜 시술을 수행할 수 있어 로봇의 오작동에 의한 의료 사고를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

지지체와;

상기 지지체의 상부에 결합되며 관절축에 의해 상호 회전가능하게 연결된 다수개의 로봇암과;

상기 로봇암 중 종단부의 가이드암에 결합되어 수술도구가 장착되는 수술도구 지지대와;

상기 로봇암을 각각 회전시키는 로봇암 회전수단이 포함되되,

상기 지지체는,

내부가 비어 있는 외부관체와, 상기 외부관체의 내부에 삽입되어 승강수단에 의해 승, 하강되는 내부승강체로 구성되고,

상기 내부승강체를 승, 하강시키는 승강수단은,

상기 외부관체의 외측을 따라 승, 하강되며, 상기 로봇암의 회전운동을 지지하고 중량의 평형을 유지해주는 무게추와, 상기 무게추의 상부에 장착되어 상기 외부관체의 수직방향으로 형성된 랙기어에 치합되는 피니언이 구비된 정/역회전모터와, 상기 무게추와 상기 내부승강체에 상호 연결된 와이어로 구성되며,

상기 로봇암 중에 적어도 하나는 일정 각도로 절곡 형성된 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
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제 1항에 있어서,

상기 무게추와 상기 내부승강체의 하강시 충격을 흡수하도록 상기 외부관체의 하부에 완충부재가 더 구비된 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
제 1항 또는 제 4항에 있어서,

상기 절곡 형성된 로봇암의 절곡 각도는 70∼140°인 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
제 1항 또는 제 4항에 있어서,

상기 절곡 형성된 로봇암의 절곡 각도는 90°인 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
제 1항 또는 제 4항에 있어서,

상기 절곡 형성된 로봇암은, 상기 로봇암 중 일측으로부터 2번째에 연결된 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
제 1항 또는 제 4항에 있어서,

상기 수술도구 지지대에는 수술도구가 삽입될 수 있도록 통공이 형성된 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
제4항에 있어서, 상기 완충부재는,

상기 지지체의 하부에 구비된 베이스판에 일측이 탄지된 다수개의 스프링과;

상기 스프링의 타측에 구비된 지지판으로 구성된 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
제 9항에 있어서,

상기 베이스판의 저부에 다수개의 이동용 바퀴가 더 구비된 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
제 4항에 있어서,

상기 외부관체의 내벽에 다수개의 롤러가 구비된 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
제 11항에 있어서,

상기 롤러의 일측이 삽입되도록 상기 내부승강체의 외벽에 안내홈이 형성된 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
제 1항에 있어서,

상기 지지체의 저부에 다수개의 이동용 바퀴가 구비된 베이스판이 더 포함된 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 로봇암 회전수단은,

상기 로봇암 중 일측의 로봇암 내부에 구비된 구동모터와;

상기 구동모터의 축상에 구비된 구동기어와 일측이 치합되며 회전력을 변속하도록 적어도 하나 이상의 기어 조합으로 이루어진 변속기어와;

상기 변속기어의 타측과 치합되되록 상기 관절축에 구비된 종동기어와;

상기 관절축의 양측과 상기 일측의 로봇암에 인접되는 타측의 로봇암 양측에 각각 연결된 한 쌍의 관절이 포함된 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
제 14항에 있어서,

상기 변속기어의 일측 회전축과 상기 관절축에 각각 풀리가 구비되고, 상기 풀리에 벨트가 연결된 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
지지체와;

상기 지지체의 상부에 결합되며 관절축에 의해 상호 회전가능하게 연결된 다수개의 로봇암과;

상기 로봇암 중 종단부의 가이드암에 결합수단에 의해 결합되어 수술도구가 장착되는 수술도구 지지대와;

상기 로봇암을 각각 회전시키는 로봇암 회전수단 및; 상기 로봇암 회전수단을 제어하는 제어수단이 포함되되,

상기 로봇암 중에 적어도 하나는 일정 각도로 절곡 형성된 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
제 16항에 있어서, 상기 제어수단은,

레이저 발생부 및 레이저 수신부로 구성되어 시술과정을 실시간으로 촬영하여 영상데이터를 얻는 영상촬영부와;

상기 영상촬영부에서 얻은 영상 데이터를 전송받아 저장된 알고리즘을 통해 수술부위의 위치좌표를 설정하는 제어부와;

상기 제어부의 제어신호에 의해 상기 지지체와 상기 로봇암에 구비된 각각의 모터에 구동전원을 공급하는 모터구동부가 포함된 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
제 16항 또는 제 17항에 있어서,

상기 모터의 회전범위를 검출하여 상기 제어부로 검출된 신호를 송신하는 센 서가 더 포함된 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.
제 18항에 있어서, 상기 센서는,

상기 모터의 회전량을 검출하는 엔코더 센서인 것을 특징으로 하는 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇.