KR100925102B1

KR100925102B1 - 원격 수술 로봇

Info

Publication number: KR100925102B1
Application number: KR1020070127903A
Authority: KR
Inventors: 박신석; 문진기; 강병덕; 김병찬; 손영완; 박장우
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2009-11-05
Also published as: KR20090060909A

Abstract

본 발명에 의한 원격 수술 로봇은 시술자의 조작에 의해 동작신호를 발생시키는 마스터조립체와, 상기 마스터조립체로부터 동작신호를 전달받아 수술을 수행하는 슬레이브로 구성되는 원격 수술 로봇에 있어서, 상기 마스터조립체는, 베이스부와, 요우(Yaw) 운동이 가능하도록 상기 베이스부에 결합되는 요우부와, 피치(Pitch) 운동이 가능하도록 상기 요우부에 결합되는 피치부와, 상기 피치부의 내외부로 인입 및 인출 가능하도록 구성되는 슬라이드바와, 사용자가 손으로 움켜 쥘 수 있는 형상으로 형성되어 상기 슬라이드바에 결합되는 손잡이를 포함하고, 상기 슬레이브조립체는, 상기 요우부 및 피치부의 동작에 따라 요우 및 피치 동작이 가능하고 상기 슬라이드바의 동작에 따라 전진 및 후진되는 침습봉을 포함하여 구성된다.

본 발명에 의한 수술로봇은, 시술자가 손잡이를 손으로 움켜쥐고 마스터조립체를 조작하므로 장시간 동안 조작하더라도 피로감을 크게 느끼지 아니하고, 시술자의 동작과 동일하게 슬레이브가 움직이므로 보다 정교한 수술을 수행할 수 있다는 장점이 있다.

원격 수술 로봇, 마스터, 슬레이브, 피치, 요우, 롤링, 회동, 파지

Description

원격 수술 로봇{Remote-controllable surgical robot}

본 발명은 시술자가 원격으로 수술을 할 수 있도록 마스터와 슬레이브로 구성된 원격 수술 로봇에 관한 것으로, 더 상세하게는 시술자의 팔이나 손의 움직임과 동일하게 슬레이브가 움직일 수 있도록 구성된 원격 수술 로봇에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 원격 수술 로봇은 외과의사에 의해 시행되던 수술 행위를 대신 할 수 있는 기능을 가지는 로봇을 말한다. 이러한 원격 수술 로봇은 사람에 비하여 정확하고 정밀한 동작을 할 수 있으며 원격 수술이 가능하다는 장점을 가진다.

현재 전 세계적으로 개발되고 있는 원격 수술 로봇은 뼈 원격 수술 로봇, 복강경 원격 수술 로봇, 정위 원격 수술 로봇 등이 있는데, 복강경 원격 수술 로봇은 복강경과 소형 수술도구를 이용하여 최소 침습적 수술을 시행하는 로봇이다. 해외에서 개발되고 있는 복강경 원격 수술 로봇으로는 'Alignment of master and slave in a minimally invasive surgical apparatus' 라는 명칭으로 미국 특허 제 6,364,888 호에 개시된 바 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 원격 수술 로봇에 관하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 원격 수술 로봇의 사시도이고, 도 2는 종래의 원격 수술 로봇에 포함되는 마스터 콘트롤러의 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 원격 수술 로봇은, 시술자가 조작을 하는 마스터(200)와, 마스터(200)로 입력된 신호에 따라 동작하여 수술을 수행하는 슬레이브(300)로 구성된다.

마스터(200)에는, 시술자가 수술부위를 볼 수 있도록 뷰어창(202)이 구비되고, 시술자가 손으로 잡고 조작함으로써 수술에 필요한 동작을 구현하기 위한 마스터 콘트롤러(700)(도 2 참조)가 조작공간(206) 내부에 구비된다.

상기 마스터 콘트롤러(700)는, 여러 종류의 자유도를 갖도록 회전 가능한 구조로 상호 결합되는 다수의 링크부재(704)와, 가장 끝단에 위치하는 링크부재(704)에 결합되는 핀처(pincher)(706)를 포함하여 구성된다. 상기 핀처(706)는 시술자가 손가락으로 잡고 집는 동작이 가능하도록 구성되어 있어, 시술자는 상기 핀처(706)를 손가락으로 잡고 오므리거나 회전시킴으로써 수술기구(14)의 다양한 동작을 구현시킬 수 있게 된다.

또한 슬레이브(300)는, 수직부재(93)를 따라 승하강되는 이송부(97)와, 상기 이송부(97)에 결합되는 아암조립체(10) 및 내시경아암(302)을 포함하여 구성된다. 상기 아암조립체(10)의 끝단에는 수술기구(14)가 장착되고, 내시경아암(302)의 끝단에는 마스터(200)의 뷰어창(202)으로 수술부위 영상을 전송하는 내시경(304)이 구비된다. 상기 아암조립체(10)는 시술자에 의한 마스터 콘트롤러(700) 동작에 의해 각종 시술 동작을 구현할 수 있도록 구성되어 있다. 이때, 상기 아암조립체(10)는 다수개의 자유도를 갖도록 구성되어 있어, 시술자가 직접 수술을 하는 경우와 거의 동일하게 여러 종류의 수술 동작 구현이 가능하다는 장점이 있다.

따라서 시술자는 조작공간(206) 입구측에 구비된 지지대(204)에 팔을 거치시킨 후 뷰어창(202)을 보면서 마스터 콘트롤러(700)를 조작함으로써, 환자에게 직접 손을 대지 아니하고서도 수술을 수행할 수 있게 된다.

그러나 상기와 같이 구성되는 종래의 원격 수술 로봇을 조작하기 위해서는 시술자가 핀처를 손가락으로 잡고 오므리거나 회전시키는 동작, 핀처를 손가락으로 잡고 밀거나 당김으로써 다수의 링크부재(704)를 회전시키는 동작 등을 구현해야 하므로, 장시간 조작 시 피로감이 크게 누적되어 손가락에 힘이 빠지거나 손가락에 경련이 발생하는 등 정상적인 조작이 어려워진다는 단점이 있다.

또한 종래의 원격 수술 로봇은 시술자가 핀처를 잡고 움직일 때 각 링크부재가 유기적으로 회전하게 되므로, 가로방향 이동이나 세로방향 이동과 같은 직선이동을 정밀하게 하는데 많은 어려움이 있고, 시술자가 핀처를 움직일 때 각 링크부재가 어느 방향으로 어느 정도 회전 및 이동하게 될지 명확하게 예측할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 시술자가 장시간 동안 조작하더라도 피로감을 크게 느끼지 아니하고, 시술자의 동작과 동일하게 슬레이브가 움직일 수 있도록 구성되는 원격 수술 로봇을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 원격 수술 로봇은,

시술자의 조작에 의해 동작신호를 발생시키는 마스터조립체와, 상기 마스터조립체로부터 동작신호를 전달받아 수술을 수행하는 슬레이브로 구성되는 원격 수술 로봇에 있어서,

상기 마스터조립체는,

베이스부와, 요우(Yaw) 운동이 가능하도록 상기 베이스부에 결합되는 요우부와, 피치(Pitch) 운동이 가능하도록 상기 요우부에 결합되는 피치부와, 상기 피치부의 내외부로 인입 및 인출 가능하도록 구성되는 슬라이드바와, 사용자가 손으로 움켜 쥘 수 있는 형상으로 형성되어 상기 슬라이드바에 결합되는 손잡이를 포함하고,

상기 슬레이브조립체는,

상기 요우부 및 피치부의 동작에 따라 요우 및 피치 동작이 가능하고 상기 슬라이드바의 동작에 따라 전진 및 후진되는 침습봉을 포함하여 구성된다.

상기 슬레이브조립체는,

상기 침습봉의 일단에 결합되어 시술 동작을 구현하는 시술구를 더 포함한다.

상기 시술구는 상기 침습봉의 길이방향 중심축을 회전축으로 하여 회전하는 롤링이 가능하도록 구성되고,

상기 손잡이에는 상기 시술구의 롤링 신호를 발생시키는 롤링조작부가 구비된다.

상기 롤링조작부는 시술자가 상기 손잡이를 움켜쥐었을 때 엄지손가락과 대응되는 부위에 마련된다.

상기 시술구는 상기 침습봉의 일단을 중심으로 좌우로 회동 가능하도록 구성되고,

상기 손잡이에는 상기 시술구의 회동 신호를 발생시키는 회동조작부가 구비된다.

상기 회동조작부는 상기 시술구의 회동 방향으로 힘이 인가되었을 때 상기 시술구의 회동 신호를 발생시키도록 구성된다.

상기 시술구는 물체를 파지할 수 있는 집게 구조로 구성되고,

상기 손잡이에는 상기 시술구의 파지 신호를 발생시키는 파지조작부가 구비된다.

상기 파지조작부는 시술자가 상기 손잡이를 움켜쥐었을 때 검지 또는 중지와 대응되는 부위에 마련된다.

본 발명에 의한 수술로봇은 마스터조립체의 조작이 용이하고 마스터조립체가 슬레이브조립체의 구조와 매우 유사하므로 조작이 간편해진다는 점에 가장 큰 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 수술로봇의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 수술로봇에 포함되는 마스터조립체의 사시도이고, 도 4는 본 발명에 의한 수술로봇에 포함되는 손잡이의 사시도이며, 도 5는 본 발명에 의한 수술로봇에 포함되는 슬레이브조립체의 사시도이다.

본 발명에 의한 수술로봇은 시술자의 조작에 의해 동작신호를 발생시키는 마스터조립체(M)(도 3 참조)와, 상기 마스터조립체(M)로부터 동작신호를 전달받아 수술을 수행하는 슬레이브(도 5 참조)로 구성된다. 따라서 시술자가 마스터조립체(M)를 조작하면 마스터조립체(M)의 움직임에 따라 동작신호가 슬레이브조립체(S)로 전달되고, 동작신호를 전달받은 슬레이브조립체(S)는 시술을 하게 된다. 이때, 마스터조립체(M)의 움직임에 따라 슬레이브조립체(S)가 움직이는 신호전달 및 동력 구조는 종래에 수술로봇과 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1 및 도 2에 도시된 종래의 수술로봇에 포함되는 마스터(200)는 시술자가 손가락으로 핀처(706)를 잡고 다수의 링크부재(704)를 회전 및 이동시키도록 구성되므로 즉, 마스터(200)의 거의 모든 조작이 시술자의 손가락 및 손아귀 힘으로 이루어지므로, 장시간 조작 시 피로도가 매우 커지게 된다는 문제점이 있다.

그러나 본 발명에 의한 수술로봇에 포함되는 마스터조립체(M)는 시술자가 팔힘을 전체적으로 이용하여 조작하도록 구성되어 있는바, 장시간 조작을 하더라도 종래의 수술로봇을 조작하는 경우에 비해 피로도가 급격하게 누적되지 아니한다는 장점이 있다.

이와 같은 조작이 가능하도록, 본 발명에 포함되는 상기 마스터조립체(M)는, 베이스부(100)와, 요우(Yaw) 운동이 가능하도록 상기 베이스부(100)에 결합되는 요우부(200)와, 피치(Pitch) 운동이 가능하도록 상기 요우부(200)에 결합되는 피치부(300)와, 상기 피치부(300)의 내외부로 인입 및 인출 가능하도록 구성되는 슬라이드바(400)와, 사용자가 손으로 움켜 쥘 수 있는 형상으로 형성되어 상기 슬라이드바(400)에 결합되는 손잡이(500)를 포함하여 구성된다.

또한 상기 슬레이브조립체(S)는, 환부 주변에 밀착 또는 고정되는 장착판(600)과, 일단이 상기 장착판(600)을 관통하도록 결합되어 환자의 신체 내부로 인입되는 침습봉(700)과, 상기 침습봉(700)의 일단에 결합되어 시술 동작을 구현하는 시술구(800)를 포함하여 구성된다. 이때 상기 침습봉(700)은 상기 장착판(600)과의 결합부위를 중심으로 요우 및 피치 동작이 가능하도록 구성되고, 상기 장착판(600)과 결합된 상태를 유지하며 길이방향으로 이동이 가능하도록 구성된다.

따라서 시술자가 손잡이(500)를 손으로 잡고 요우부(200)를 요우운동 시키면 즉, 손잡이(500)를 좌우로 이동시키면 상기 침습봉(700)은 장착판(600)과의 결합부위를 중심으로 좌우로 회동되고, 손잡이(500)를 손으로 잡고 피치부(300)를 피치운동 시키면 즉, 손잡이(500)를 상하로 이동시키면 상기 침습봉(700)은 장착판(600)과의 결합부위를 중심으로 상하로 회동된다. 또한 시술자가 손잡이(500)를 손으로 잡고 피치부(300)의 길이방향으로 슬라이드바(400)를 슬라이딩시키면 상기 침습봉(700)은 선단 즉, 시술구(800)가 장착된 부위가 환자의 신체 내부로 인입되거나 인출되도록 전진 및 후진된다.

이와 같이 본 발명에 의한 수술로봇은 손잡이(500) 부위를 상하 및 좌우 회동, 전진 및 후진시켰을 때, 시술구(800) 부위가 손잡이(500) 부위와 동일하게 상하 및 좌우회동, 전진 및 후진되므로, 시술자는 자신이 직접 수술을 하는 것과 거의 유사한 느낌으로 마스터조립체(M)를 조정할 수 있게 된다는 장점이 있다. 즉, 종래 수술로봇의 마스터를 조작하는 방법은 실제로 수술을 하기 위한 동작과 차이가 있으므로 현직 의사들이 수술로봇을 이용하기 위해서는 마스터 조작법을 따로 익혀야한다는 불편함이 있지만, 본 발명에 의한 수술로봇은 마스터조립체(M)를 조작하는 방법이 실제로 수술을 하기 위한 동작과 거의 유사하므로 마스터조립체(M) 조작법을 따로 익힐 필요가 없다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의한 수술로봇을 이용하는 경우, 시술자는 피치부(300) 및 슬라이드바(400) 위에 팔을 안착시키고 손잡이(500)를 움켜쥔 상태에서 손가락힘이나 손아귀힘이 아닌 팔 전체의 힘으로 피치부(300)를 좌우 및 상하 회동시키고 슬라이드바(400)를 전후진시킴으로써 슬레이브조립체(S)를 동작시킬 수 있으므로, 종래의 수술로봇을 이용하는 경우에 비해 피로도가 현저히 저감된다는 장점이 있다.

또한, 침습봉(700)의 선단에 장착된 시술구(800)는 회동 및 전후진 뿐만 아니라 롤링 즉, 침습봉(700)의 중심축을 회전축으로 회전하는 동작이나 손목 회동동작(Wrist motion) 즉, 상기 침습봉(700)의 일단을 중심으로 좌우로 회동하는 동작도 필요한 경우가 발생될 수 있다. 따라서 상기 시술구(800)는 상기 침습봉(700)의 길이방향 중심축을 회전축으로 하여 회전하는 롤링과, 상기 침습봉(700)의 일단을 중심으로 좌우로 회동하는 동작이 가능하도록 구성되고, 상기 손잡이(500)에는 상기 시술구(800)의 롤링 신호를 발생시키는 롤링조작부(510)와 상기 시술구(800)의 회동 신호를 발생시키는 회동조작부(520)가 구비됨이 바람직하다.

이때 상기 회동조작부(520)의 조작방향과 상기 시술구(800)의 회동방향이 일치하여야 시술자가 보다 용이하게 시술구(800)의 회동을 조절할 수 있으므로, 상기 회동조작부(520)는 상기 시술구(800)의 회동방향과 동일한 방향으로 조작되도록 구성됨이 바람직하다. 본 실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 회동조작부(520)가 하측 끝단을 중심으로 상단이 좌우로 회동 가능한 레버 형상으로 구성되어 있으나, 상기 회동조작부(520)는 도 2에 도시된 구조에 한정되지 아니하고 시술자가 좌우로 힘을 가함으로써 수술구의 동작신호를 발생시킬 수 있는 구조라면 어떠한 구조로도 구성될 수 있다. 또한 상기 회동조작부(520)는 좌우 방향으로의 조작이 원활하게 이루어지도록 손잡이(500)의 측면이 아닌 상측 끝단에 구비됨이 바람직하다.

또한, 시술자가 손잡이(500)를 손으로 움켜쥐었을 때 엄지손가락이 다른 손가락에 비해 사용이 용이하므로, 상기 롤링조작부(510)는 시술자가 상기 손잡이(500)를 움켜쥐었을 때 엄지손가락과 대응되는 부위에 마련됨이 바람직하다. 이때 상기 롤링조작부(510)는 본 실시예에 도시된 바와 같이 단순 버튼 형식으로 구성될 수도 있고, 상기 시술구(800)의 롤링 방향을 정방향 또는 역방향으로 선택할 수 있도록 구성될 수도 있다. 이와 같이 롤링 방향을 정방향 또는 역방향으로 선택 할 수 있는 조작부 구조는 여러 분야에 널리 사용되고 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

또한, 수술을 수행하는 과정에 있어서 봉합실과 같은 물체를 잡는 작업이 요구되는 경우가 발생되는바, 상기 시술구(800)는 물체를 파지할 수 있는 집게 구조로 구성되고, 상기 손잡이(500)에는 상기 시술구(800)의 파지 신호를 발생시키는 파지조작부(530)가 구비됨이 바람직하다. 이때 집게가 물체를 파지하는 동작구조는 사람이 손을 움켜쥐는 동작과 유사하므로, 상기 파지조작부(530)는 시술자가 상기 손잡이(500)를 움켜쥐었을 때 동작신호를 발생시킬 수 있는 버튼 구조로 검지 또는 중지와 대응되는 부위에 마련됨이 바람직하다.

도 6은 도 3에 도시된 마스터조립체(M)가 수술콘솔(900)에 결합된 형상을 도시하는 사시도이다.

본 발명에 포함되는 마스터조립체(M)는, 도 6에 도시된 바와 같이 시술자가 앉을 수 있도록 의자 형상의 수술콘솔(900)에 결합될 수 있다. 이와 같이 상기 마스터조립체(M)가 수술콘솔(900)에 결합되면, 시술자는 수술콘솔(900)에 앉아서 편안하게 마스터조립체(M)를 조작할 수 있게 된다.

또한 도 6에서는 수술콘솔(900)에 마스터조립체(M)가 하나만 장착된 경우를 도시하고 있으나, 하나의 수술콘솔(900) 좌우측에 각각 별도의 마스터조립체(M)가 장착될 수 있다. 하나의 수술콘솔(900) 좌우측에 각각 별도의 마스터조립체(M)가 장착되면, 시술자는 양 손을 사용하여 수술을 수행하는 것과 거의 유사한 감각으로 마스터조립체(M)를 조작함으로써, 2개의 슬레이브조립체(S)를 동작시킬 수 있게 된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

도 1은 종래의 원격 수술 로봇의 사시도이다.

도 2는 종래의 원격 수술 로봇에 포함되는 마스터 콘트롤러의 사시도이다.

도 3은 본 발명에 의한 수술로봇에 포함되는 마스터조립체의 사시도이다.

도 4는 본 발명에 의한 수술로봇에 포함되는 손잡이의 사시도이다.

도 5는 본 발명에 의한 수술로봇에 포함되는 슬레이브조립체의 사시도이다.

도 6은 도 3에 도시된 마스터조립체가 수술콘솔에 결합된 형상을 도시하는 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

M : 마스터조립체 S : 슬레이브조립체

100 : 베이스부 200 : 요우부

300 : 피치부 400 : 슬라이드바

500 : 손잡이 510 : 롤링조작부

520 : 회동조작부 530 : 파지조작부

600 : 장착판 700 : 침습봉

800 : 시술구 900 : 수술콘솔

Claims

시술자의 조작에 의해 동작신호를 발생시키는 마스터조립체(M)와, 상기 마스터조립체(M)로부터 동작신호를 전달받아 수술을 수행하는 슬레이브로 구성되는 원격 수술 로봇에 있어서,

상기 마스터조립체(M)는,

베이스부(100)와, 요우(Yaw) 운동이 가능하도록 상기 베이스부(100)에 결합되는 요우부(200)와, 피치(Pitch) 운동이 가능하도록 상기 요우부(200)에 결합되는 피치부(300)와, 상기 피치부(300)의 내외부로 인입 및 인출 가능하도록 구성되는 슬라이드바(400)와, 사용자가 손으로 움켜 쥘 수 있는 형상으로 형성되어 상기 슬라이드바(400)에 결합되는 손잡이(500)를 포함하고,

상기 슬레이브조립체(S)는,

상기 요우부(200) 및 피치부(300)의 동작에 따라 요우 및 피치 동작이 가능하고 상기 슬라이드바(400)의 동작에 따라 전진 및 후진되는 침습봉(700)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원격 수술 로봇.
제1항에 있어서,

상기 슬레이브조립체(S)는,

상기 침습봉(700)의 일단에 결합되어 시술 동작을 구현하는 시술구(800)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술로봇.
제2항에 있어서,

상기 시술구(800)는 상기 침습봉(700)의 길이방향 중심축을 회전축으로 하여 회전하는 롤링이 가능하도록 구성되고,

상기 손잡이(500)에는 상기 시술구(800)의 롤링 신호를 발생시키는 롤링조작부(510)가 구비되는 것을 특징으로 하는 수술로봇.
제3항에 있어서,

상기 롤링조작부(510)는 시술자가 상기 손잡이(500)를 움켜쥐었을 때 엄지손가락과 대응되는 부위에 마련되는 것을 특징으로 하는 수술로봇.
제2항에 있어서,

상기 시술구(800)는 상기 침습봉(700)의 일단을 중심으로 좌우로 회동 가능하도록 구성되고,

상기 손잡이(500)에는 상기 시술구(800)의 회동 신호를 발생시키는 회동조작부(520)가 구비되는 것을 특징으로 하는 수술로봇.
제5항에 있어서,

상기 회동조작부(520)는 상기 시술구(800)의 회동 방향으로 힘이 인가되었을 때 상기 시술구(800)의 회동 신호를 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수술로봇.
제2항에 있어서,

상기 시술구(800)는 물체를 파지할 수 있는 집게 구조로 구성되고,

상기 손잡이(500)에는 상기 시술구(800)의 파지 신호를 발생시키는 파지조작부(530)가 구비되는 것을 특징으로 하는 수술로봇.
제7항에 있어서,

상기 파지조작부(530)는 시술자가 상기 손잡이(500)를 움켜쥐었을 때 검지 또는 중지와 대응되는 부위에 마련되는 것을 특징으로 하는 수술로봇.