KR100944409B1 - 수술 로봇 시스템 및 그 반력 측정 방법 - Google Patents

Abstract

수술 로봇 시스템 및 그 반력 측정 방법이 개시된다. 구동 모터부에 걸리는 반력을 측정하여 반력 측정값을 생성하는 하중 감지부와, 반력 측정값을 이용하여 인스트루먼트의 작동력을 측정하는 컨트롤러부를 포함하는 수술용 로봇 시스템은 하중 감지부를 이용하여 간접적 방법으로 인스트루먼트의 작동력에 대한 정보를 획득하여 제공함으로써 실감 장치 기술을 구현할 수 있도록 한다.

수술 로봇 시스템, 인스트루먼트, 반력

Description

수술 로봇 시스템 및 그 반력 측정 방법{Surgical robot system and force-feedback measuring method thereof}

본 발명은 수술 로봇 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수술 로봇 및 그 반력 측정 방법에 관한 것이다.

수술 로봇 시스템은 의사에 의해 시행되던 수술 행위를 대신할 수 있는 기능을 가지는 로봇 시스템을 말한다. 이러한 수술 로봇은 사람에 비하여 정확하고 정밀한 동작을 할 수 있으며 원격 수술이 가능하다는 장점을 가진다.

수술 로봇 시스템을 이용한 수술시, 일반적으로 의사는 마스터 로봇(master robot)을 작동시켜 환자로부터 떨어진 위치의 수술 장소(예를 들어, 환자가 있는 곳과 다른 방)에서 수술용 인스트루먼트의 움직임을 제어한다. 마스터 로봇은 일반적으로 소형 손목 김벌(handheld wrist gimbal), 조이스틱, 외골격식 글러브(exoskeletal glove), 핸드피스(handpiece) 등과 같은 하나 이상의 수동 입력 장치를 포함한다. 수동 입력 장치를 이용한 의사의 조작에 의해 컨트롤러부에 결합된 구동 모터부의 동작이 제어되고, 이에 의해 인스트루먼트의 위치, 방향 및 동작 형태에 대한 제어가 수행된다. 즉, 구동 모터부는 개방된 수술 부위에 직접 삽입되는 인스트루먼트가 수술 과정상의 다양한 동작 형태(예를 들어, 조직을 절개하거나, 혈관을 움켜잡는 동작 등)를 가지도록 제어한다.

전술한 바와 같이 수술 로봇 시스템이 일반적으로 원격지에서 이루어지는 의사의 조작에 의해 환자에 대한 수술이 이루어지기 때문에, 인스트루먼트에 의한 작동력에 대한 정보가 의사에게 제공될 필요가 있다. 또한, 인스트루먼트의 작동력 측정을 통해 수술중 내부 장기의 파지(즉, 잡는 동작) 동작에 따른 장기 훼손을 방지할 필요도 있다.

인스트루먼트의 작동력에 대한 정보는 인스트루먼트의 끝부분에 가해진 힘과 토크에 관한 것이라 할 수 있지만, 환자의 신체 내부에 삽입되어 수술을 진행하는 인스트루먼트의 특성상 작동력을 측정하기 위한 센서가 부착될 수 없는 문제점이 있다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

본 발명은, 인스트루먼트의 작동력에 대한 정보를 간접적인 방법으로 측정할 수 있도록 하는 수술 로봇 시스템 및 그 반력 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 간접적 방법으로 인스트루먼트의 작동력에 대한 정보를 획득하여 제공함으로써 실감 장치 기술을 구현할 수 있도록 하는 수술 로봇 시스템 및 그 반력 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 실감 장치 기술의 구현을 통해 보다 안전한 수술의 수행이 가능하도록 하는 수술 로봇 시스템 및 그 반력 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 인스트루먼트의 작동력 측정을 통한 강도 조절에 의해 수술중 환자의 내부 장기에 대한 파지시 장기의 훼손을 방지할 수 있고 안전한 수술이 가능하도록 하는 수술 로봇 시스템 및 그 반력 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 구동 모터부 및 인스트루먼트를 포함하는 수술용 로봇 시스템으로서, 구동 모터부에 걸리는 반력을 측정하여 반력 측정값을 생성하는 하중 감지부와, 반력 측정값을 이용하여 인스트루먼트의 작동력을 측정하는 컨트롤러부를 포함하는 수술용 로봇 시스템이 제공된다.

반력을 하중 감지부로 전달하기 위해 구동 모터부는 유동부에 결합될 수 있다. 여기서, 유동부는 슬라이딩 베어링(sliding bearing), 휠(wheel) 및 회전 힌지 중 하나 이상일 수 있다.

하중 감지부는 로드 셀 및 하중 측정 센서 중 하나 이상일 수 있다.

작동력의 측정을 위해, 작동력과 반력 측정값이 가지는 비례 관계 특성이 이용될 수 있다.

상기 구동 모터부는 모터를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 구동 모터부 및 인스트루먼트를 포함하는 수술용 로봇 시스템의 이펙터 작동력 측정 방법으로서, 구동 모터부에 걸리는 반력을 측정하여 생성한 반력 측정값을 입력받는 단계와, 반력 측정값을 이용하여 이펙터의 작동력을 연산하는 단계를 포함하는 이펙터 작동력 측정 방법이 제공된다.

반력 측정값은 로드 셀 및 하중 측정 센서 중 하나 이상을 포함하는 하중 감지부에 의해 생성될 수 있다.

구동 모터부는 반력을 하중 감지부로 전달하기 위해 유동부에 결합될 수 있다. 여기서, 유동부는 슬라이딩 베어링(sliding bearing), 휠(wheel) 및 회전 힌지 중 하나 이상일 수 있다.

작동력의 연산을 위해 작동력과 반력 측정값이 가지는 비례 관계 특성이 이용될 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 하중 감지 센서(예를 들어, 로드 셀)를 이용하여 인스트루먼트의 작동력에 대한 정보를 간접적으로 측정할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 간접적 방법으로 인스트루먼트의 작동력에 대한 정보를 획득하여 제 공함으로써 실감 장치 기술을 구현할 수 있도록 하는 효과도 있다.

또한, 실감 장치 기술의 구현을 통해 보다 안전한 수술의 수행이 가능하도록 하는 효과도 있다.

또한, 인스트루먼트의 작동력 측정을 통한 강도 조절에 의해 수술중 환자의 내부 장기에 대한 파지시 장기의 훼손을 방지할 수 있고 안전한 수술이 가능하도록 하는 효과도 있다.

또한, 일반적인 모터의 경우 위치 제어를 하지만, 모터의 구동력을 조절, 제어하기 위해 토크 제어 기법을 적용할 때에는 작동력을 입력신호로 사용하게 되며, 본 실시예에 따라 얻어지는 작동력을 모터의 토크 제어(힘제어)시 입력 신호로 사용할 수 있다는 효과가 있다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템의 구조를 간략히 나타낸 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템의 개념도이다.

도 1을 참조하면, 수술용 로봇 시스템은 컨트롤러부(110), 구동 모터부(120), 인스트루먼트(130) 및 하중 감지부(140)를 포함한다.

컨트롤러부(110)는 마스터 로봇에 구비된 수동 입력 장치를 이용한 의사의 조작 정보에 상응하도록 구동 모터부(120)가 동작되도록 제어한다. 수동 입력 장치 는 예를 들어 소형 손목 김벌(handheld wrist gimbal), 조이스틱, 외골격식 글러브(exoskeletal glove), 핸드피스(handpiece) 등일 수 있다.

구동 모터부(120)는 컨트롤러부(110)로부터 입력되는 제어 신호에 따라 상응하는 방향 및/또는 회전수로 회전하는 모터와, 모터의 회전수 및/또는 각속도에 대한 정보를 연산하여 컨트롤러부(110)로 제공하는 엔코더(encoder)를 포함한다. 모터는 예를 들어 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식으로 제어되는 서보 모터(servomotor)일 수 있다. 구동 모터부(120)는 컨트롤러부(110)로부터 입력되는 제어 신호에 따라 모터가 상응하는 방향 및/또는 회전수로 회전하도록 하기 위한 모터 구동 회로를 더 포함할 수도 있다.

구동 모터부(120)는 인스트루먼트(130)에 포함되거나 전선관(cable conduit)를 통해 인스트루먼트에 연결되는 풀리(pulley)(210)에 결합되고, 와이어(220)에 의해 풀리(210)와 연결된 이펙터(effector)(230)가 모터의 회전 방향 및 회전수에 상응하여 조작되도록 할 수 있다.

하중 감지부(140)는 와이어(220)의 장력을 통해 전달되는 반력을 측정하여 컨트롤러부(110)로 제공하며, 컨트롤러부(140)는 제공받은 반력값을 이용하여 인스트루먼트(130)의 작동력을 연산한다. 즉, 인스트루먼트(130)의 동작시 발생되는 작동력은 뉴턴의 작용 반작용 법칙에 따라 구동 모터부(120)에 반력으로 작용되며, 작용되는 반력은 하중 감지부(140)에 의해 측정될 수 있다.

이하, 하중 감지부(140)가 반력을 측정하는 방법을 간략히 설명한다.

인스트루먼트(130)는 환자의 신체 내부에 최소 침습 등의 방법으로 삽입되 는 장치로서, 일반적으로 와이어 연결 구조로 구현되어 인스트루먼트(130)의 이펙터의 대상 물체 파지시 와이어(220)에 걸리는 장력을 참조하여 인스트루먼트(130)의 작동력을 측정할 수 있다.

따라서, 구동 모터부(120)의 하부에 유동부(240)를 구비하는 경우, 와이어(220)에 장력이 걸리게 되면 구동 모터부(120)는 유동부(240)의 구조에 따라 수평 운동 또는/및 회전 운동하게 되어 고정 플랫폼(250)에 설치된 하중 감지부(140)에 압력(하중)을 가하게 된다. 이와 같이, 하중 감지부(140)에 가해지는 압력값이 와이어(220)의 장력에 따라 구동 모터부(120)에 가해지는 반력이라 할 수 있다. 이러한 반력을 이용하여 컨트롤러부(110)는 간접적으로 인스트루먼트(130)의 작동력을 연산할 수 있다.

여기서, 유동부(240)는 예를 들어 마찰이 없거나 지정된 마찰을 가지며 수평 운동하도록 하는 슬라이딩 베어링(sliding bearing) 또는 휠(wheel)이거나, 임의의 방향으로 회전하도록 하는 회전 힌지 등일 수 있다. 또한, 하중 감지부(140)는 예를 들어 로드 셀(load cell), 하중 측정 센서 등일 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반력 측정 메커니즘을 구현하기 위한 실험 시스템 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반력 측정 메커니즘을 구현하기 위한 실험 장치의 외형도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반력 측정 결과 그래프를 예시한 도면이다.

도 3에는 앞서 설명한 도 2와 같은 반력 측정 메커니즘을 통해 인스트루먼 트(130)의 말단에 구비된 이펙터(또는 팁(tip))의 작동 토크를 측정하기 위한 실험 시스템 구성도가 도시되어 있다. 도 4는 오른쪽에 위치하는 이펙터의 토크를 측정하기 위해 제작된 실험 장치를 나타낸다.

도 3 및 도 4의 구성을 이용하여 실험이 수행되었으며, 실험은 토크가 없이 약간의 각도 변위가 일어 날 수 있도록 도 4의 실험 장치(즉, 토크 측정 장치)의 내부에 토크 측정용 로드셀과 이펙터의 로드 사이에 약간의 간격을 두고 개시한다.

이후, 토크 입력을 선형적으로 증가시키면 초기에는 실험 개시시 부여된 약간의 공간을 무부하로 회전하지만, 로드 셀에 접촉된 이후에는 입력 토크가 증가함에 따라 로드 셀에 걸리는 하중도 점차 증가되도록 실험이 수행되었다.

전술한 과정에 따른 실험 결과가 도 5에 그래프로 도시되어 있다.

도 5에서 붉은 선(510)은 오른쪽에 위치된 토크 측정 장치의 로드 셀에 의해 측정된 하중 입력값을 나타낸다. 이는, 인스트루먼트(130)의 이펙터의 구동 토크로서 대상 물체 파지시 나타나는 파지력을 대변한다.

이에 비해, 검은 선(510)은 왼쪽에 위치된 로드 셀(즉, 구동 모터부(120)에 관련된 하중 감지부(140))에 의해 측정된 하중 입력값을 나타낸다.

도 5에 도시된 바와 같이, 프리텐션(pretension) 이상의 구동 토크에서는 이펙터에서의 구동 토크와 동일한 그래프 형태로 하중 감지부(140)에서 반력이 측정될 수 있고, 이펙터에서의 구동 토크와 하중 감지부(140)에서 측정된 반력간에 비례 관계가 성립됨을 알 수 있다. 또한, 이러한 비례 관계는 도 5에 도시된 바와 같이 반력이 측정되는 단위 구간별 또는/및 전체 구간에서 성립될 수 있다.

상술한 반력 측정 방법은 소프트웨어 프로그램 등으로 구현될 수도 있다. 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 상기 방법을 구현한다. 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템의 구조를 간략히 나타낸 블록 구성도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템의 개념도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반력 측정 메커니즘을 구현하기 위한 실험 시스템 구성도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반력 측정 메커니즘을 구현하기 위한 실험 장치의 외형도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반력 측정 결과 그래프를 예시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110: 컨트롤러부 120: 구동 모터부

130: 인스트루먼트 140: 하중 감지부

210: 풀리 220: 와이어

230: 이펙터 240: 유동부

Claims (12)

1. 구동 모터부 및 인스트루먼트를 포함하는 수술용 로봇 시스템으로서,

   이펙터(effector)의 대상 물체 파지시 와이어에 걸리는 장력에 상응하여 수평 이동 및 회전 이동 중 하나 이상으로 상기 구동 모터부가 운동되도록 상기 구동 모터부의 하부에 구비되는 유동부;

   상기 구동 모터부의 운동에 의해 가해지는 압력을 측정한 반력 측정값을 생성하는 하중 감지부; 및

   상기 반력 측정값과 상기 이펙터의 작동력간의 비례 관계 특성에 의해, 상기 반력 측정값을 이용한 상기 이펙터의 작동력을 연산하는 컨트롤러부를 포함하는 수술용 로봇 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 유동부는 슬라이딩 베어링(sliding bearing), 휠(wheel) 및 회전 힌지 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 하중 감지부는 로드 셀 및 하중 측정 센서 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 시스템.
5. 제1항에 있어서,

   상기 비례 관계 특성은 압력을 측정하여 반력 측정값이 생성되는 단위 구간별로 성립되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 시스템.
6. 제1항에 있어서,

   상기 구동 모터부는 모터(motor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 시스템.
7. 구동 모터부 및 인스트루먼트를 포함하는 수술용 로봇 시스템의 이펙터 작동력 측정 방법으로서,

   하중 감지부로부터 상기 구동 모터부의 수평 이동 및 회전 이동 중 하나 이상인 운동에 의해 가해지는 압력을 측정한 반력 측정값을 입력받는 단계; 및

   상기 반력 측정값과 상기 이펙터의 작동력간의 비례 관계 특성에 의해, 상기 반력 측정값을 이용한 상기 이펙터의 작동력을 연산하는 단계를 포함하되,

   상기 구동 모터부는 하부에 구비되는 유동부에 의해, 이펙터(effector)의 대상 물체 파지시 와이어에 걸리는 장력에 상응하여 수평 이동 및 회전 이동 중 하나 이상으로 운동되는 것을 특징으로 하는 이펙터 작동력 측정 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 반력 측정값은 로드 셀 및 하중 측정 센서 중 하나 이상을 포함하는 상기 하중 감지부에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 이펙터 작동력 측정 방법.
9. 제7항에 있어서,

   상기 비례 관계 특성은 압력을 측정하여 반력 측정값이 생성되는 단위 구간별로 성립되는 것을 특징으로 하는 이펙터 작동력 측정 방법.
10. 제7항에 있어서,

    상기 유동부는 슬라이딩 베어링(sliding bearing), 휠(wheel) 및 회전 힌지 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이펙터 작동력 측정 방법.
11. 삭제
12. 제7항 내지 제10항 중 어느 하나에 기재된 이펙터 작동력 측정 방법을 수행하기 위하여 디지털 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있으며 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 프로그램을 기록한 기록매체.

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