KR100978222B1 - 하이브리드 수술용 로봇 시스템 및 수술용 로봇 제어방법 - Google Patents

Abstract

하이브리드 수술용 로봇 시스템 및 수술용 로봇 제어방법이 개시된다. 로봇 암과, 로봇 암에 장착되며, 로봇 암으로부터 구동력을 전달받아 작동되는 인스트루먼트와, 사용자 조작에 의해 인스트루먼트에 구동력을 인가하는 핸들을 포함하되, 인스트루먼트는 로봇 암으로부터 전달된 구동력 및 핸들로부터 전달된 구동력 중 하나 이상에 의해 수술에 필요한 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 수술용 로봇 시스템은, 인스트루먼트가 장착된 수술용 로봇에 수동조작용 핸들을 더 부가함으로써, 사람과 로봇이 함께 효율적으로 수술을 수행할 수 있고, 수술용 로봇을 이용한 원격 수술 과정에서 응급 상황이 발생할 경우 환자 옆에 있는 의사가 직접 수동으로 핸들을 조작하여 수술을 수행할 수 있다.

수술용 로봇, 수동조작, 핸들

Description

하이브리드 수술용 로봇 시스템 및 수술용 로봇 제어방법{Hybrid surgical robot system and control method thereof}

본 발명은 하이브리드 수술용 로봇 시스템 및 수술용 로봇 제어방법에 관한 것이다.

의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기계를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다. 특히, 수술부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제로 인하여 최근에는 로봇(robot)을 사용한 수술이 대안으로서 각광받고 있다.

이러한 수술용 로봇은 수술을 위한 조작을 위해 로봇 암을 구비하게 되며, 로봇 암의 선단부에는 인스트루먼트(instrument)가 장착되어, 로봇으로부터 생성, 전달되는 구동력에 의해 인스트루먼트가 수술에 필요한 동작을 수행하게 된다.

그러나, 종래의 로봇 수술은 수술용 로봇을 구동시켜 수행하는 도중에 사람이 직접 수동으로 수행하는 수술을 필요로 한다는 문제가 있으며, 대개의 경우 수술의 전체 과정을 처음부터 끝까지 로봇으로만 수행하지 못한다는 한계가 있다. 즉, 종래의 로봇 수술은, 수술 기구를 사용하여 수동으로 일부 수술 과정을 수행하고, 수술용 로봇을 구동시켜 로봇 수술을 수행한 후, 다시 수술 기구를 사용하여 수동으로 나머지 수술 과정을 수행하는 방식으로 진행되어 왔다.

보다 구체적으로 설명하면, 수동으로 조작하는 수술 기구와 수술용 로봇에 장착되는 수술 기구(인스트루먼트)는 서로 호환되지 않으므로, 수술 기구를 사용하여 수동으로 수술을 진행하다가, 로봇 수술을 수행하기 위해 사용된 수술 기구를 모두 철거한 후, 수술용 로봇에 인스트루먼트를 장착하여 로봇 수술을 수행하다가, 수동 수술이 필요한 경우 다시 인스트루먼트를 모두 철거한 후 수동으로 수술 기구를 사용하여 수술을 수행하는 과정을 거쳐야 한다는 번거로움이 있었다.

종래의 로봇 수술은, 수동으로 조작되는 수술 기구를 환부에 삽입하거나 환부로부터 철거하는, 매우 번거로운 작업을 수행해야 하며, 수술 과정에서 수동조작용 수술기구와 로봇에 장착되는 인스트루먼트가 모두 사용되어야 하기 때문에, 수술에 소요되는 시간, 노력 및 비용이 증가하게 된다는 문제가 있었다.

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, 필요에 따라 사람과 로봇이 함께 수술을 수행할 수 있고, 로봇 수술 과정에서 응급 상황이 발생할 경우 사람이 직접 수동으로 수술을 수행할 수 있으며, 이에 따라 원격 수술이나 수술 교육 등에도 적용할 수 있는 하이브리드 수술용 로봇 시스템 및 수술용 로봇 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 수술용 로봇에 구비된 로봇 암(arm)에 장착되는 인스트루먼트(instrument)로서, 인스트루먼트에는 수동조작용 핸들(handle)이 결합되며, 인스트루먼트는 핸들에 대한 사용자 조작에 의해 수술에 필요한 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드(hybrid) 수술용 인스트루먼트가 제공된다.

하이브리드 수술용 인스트루먼트는, 로봇 암의 선단부에 장착되며, 로봇 암으로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구동부와, 구동부에 결합되며, 그 내부에 구동부에 연결되는 동력전달수단을 수용하는 샤프트(shaft)와, 샤프트의 말단부에 결합되며, 동력전달수단에 연결되어 로봇 암 및 핸들 중 어느 하나 이상으로부터 전달되는 구동력에 의해 작동되는 이펙터(effector)를 포함하되, 핸들은 구동부에 결합되며, 사용자 조작에 의해 동력전달수단에 구동력을 인가할 수 있다.

로봇 암의 선단부에는 액츄에이터(actuator)가 형성되고, 구동부에는 액츄에이터에 정합되는 구동자가 설치되며, 동력전달수단은 구동자에 결합되는 와이어(wire)를 포함하되, 핸들은 사용자 조작에 의해 구동자에 구동력을 전달할 수 있다. 핸들은 이펙터의 작동 자유도에 상응하는 자유도로 조작될 수 있다.

수술용 로봇은, 핸들에 대한 사용자 조작을 감지하여 센싱 신호를 출력하는 센서부와, 센싱 신호에 상응하여 제어 신호를 생성하는 컨트롤러를 더 포함하되, 컨트롤러는, 사용자 조작에 대한 부스트업(boost-up) 기능을 수행할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 수술용 로봇에 구비된 로봇 암의 선단부에 장착되며, 로봇 암으로부터 구동력을 전달받아 작동되는 제1 구동부와, 제1 구동부에 결합되며 그 내부에 제1 구동부에 연결되는 동력전달수단을 수용하는 샤프트와, 샤프트의 말단부에 결합되며 동력전달수단에 연결되어 제1 구동부 작동에 따라 수술에 필요한 동작을 수행하는 이펙터를 포함하는, 로봇 수술용 인스트루먼트에 결합되어 인스트루먼트를 수동으로 조작하기 위한 핸들부재로서, 제1 구동부에 장착되며 제1 구동부에 구동력을 전달하여 제1 구동부가 작동되도록 하는 제2 구동부와, 제2 구동부에 결합되며, 사용자 조작에 의해 제2 구동부에 구동력을 인가하는 핸들을 포함하는 수술용 인스트루먼트의 수동조작용 핸들부재가 제공된다.

제1 구동부에는 로봇 암의 선단부에 형성되는 액츄에이터에 정합되는 제1 구동자가 설치되고, 동력전달수단은 제1 구동자에 결합되는 와이어를 포함하되, 제2 구동부에는 제1 구동자와 정합되는 제2 구동자가 설치되며, 핸들은 사용자 조작에 의해 제2 구동자에 구동력을 전달할 수 있다.

제1 구동부의 일면은 로봇 암의 선단부에 장착되고, 제1 구동부의 타면에는 제2 구동부가 장착될 수 있다. 이 경우, 제2 구동부는 제1 구동부에 탈착가능하도록 장착되며, 제2 구동부가 제1 구동부로부터 분리된 경우 제1 구동부의 타면에는 별도의 커버 부재가 결합될 수 있다.

수술용 로봇은, 핸들에 대한 사용자 조작을 감지하여 센싱 신호를 출력하는 센서부와, 센싱 신호에 상응하여 제어 신호를 생성하는 컨트롤러를 더 포함하되, 컨트롤러는, 사용자 조작에 대한 부스트업(boost-up) 기능을 수행할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 수술용 로봇에 구비된 로봇 암에 인스트루먼트를 장착하기 위해 개재되는 어댑터(adapter)로서, 로봇 암의 선단부에 장착되며, 로봇 암으로부터 구동력을 전달받아 작동되는 제1 구동부와, 제1 구동부에 결합되며, 사용자 조작에 의해 제1 구동부에 구동력을 인가하는 핸들을 포함하는 하이브리드 수술 로봇용 어댑터가 제공된다.

인스트루먼트는, 제1 구동부에 장착되며, 제1 구동부로부터 구동력을 전달받아 작동되는 제2 구동부와, 제2 구동부에 결합되며, 그 내부에 제2 구동부에 연결되는 동력전달수단을 수용하는 샤프트와, 샤프트의 말단부에 결합되며, 동력전달수단에 연결되어 제2 구동부의 작동에 따라 수술에 필요한 동작을 수행하는 이펙터를 포함할 수 있다.

로봇 암의 선단부에는 액츄에이터가 형성되고, 제1 구동부에는 액츄에이터에 정합되는 제1 구동자가 설치되며, 제2 구동부에는 제1 구동자에 정합되는 제2 구동자가 설치되고, 동력전달수단은 제2 구동자에 결합되는 와이어를 포함하며, 핸들은 사용자 조작에 의해 제1 구동자에 구동력을 전달할 수 있다.

제1 구동부의 일면은 로봇 암의 선단부에 장착되고, 제1 구동부의 타면에는 제2 구동부가 장착될 수 있으며, 어댑터는 수술용 로봇에 장착되는 멸균 어댑터(sterile adapter)로 사용될 수 있다. 수술용 로봇은, 핸들에 대한 사용자 조작 을 감지하여 센싱 신호를 출력하는 센서부와, 센싱 신호에 상응하여 제어 신호를 생성하는 컨트롤러를 더 포함하되, 컨트롤러는, 사용자 조작에 대한 부스트업(boost-up) 기능을 수행할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 로봇 암에 인스트루먼트를 장착하여 수술을 수행하기 위한 로봇으로서, 로봇 암의 선단부에 형성되며, 로봇으로부터 생성되는 제어 신호에 상응하여 구동되는 액츄에이터와, 로봇 암에 결합되며, 사용자 조작에 의해 액츄에이터에 구동력을 인가하는 핸들을 포함하는 하이브리드 수술용 로봇이 제공된다.

인스트루먼트는, 로봇 암의 선단부에 장착되며, 로봇 암으로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구동부와, 구동부에 결합되며, 그 내부에 구동부에 연결되는 동력전달수단을 수용하는 샤프트와, 샤프트의 말단부에 결합되며, 동력전달수단에 연결되어 구동부의 작동에 따라 수술에 필요한 동작을 수행하는 이펙터를 포함할 수 있다.

핸들에 대한 사용자 조작을 감지하여 센싱 신호를 출력하는 센서부와, 센싱 신호에 상응하여 제어 신호를 생성하는 컨트롤러를 더 포함하되, 컨트롤러는, 사용자 조작에 대한 부스트업(boost-up) 기능을 수행할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 로봇 암과, 로봇 암에 장착되며, 로봇 암으로부터 구동력을 전달받아 작동되는 인스트루먼트와, 사용자 조작에 의해 인스트루먼트에 구동력을 인가하는 핸들을 포함하되, 인스트루먼트는 로봇 암으로부터 전달된 구동력 및 핸들로부터 전달된 구동력 중 하나 이상에 의해 수술에 필 요한 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 수술용 로봇 시스템이 제공된다.

핸들은 로봇 암과 인스트루먼트 중 어느 하나 이상에 결합될 수 있으며, 핸들은 별도의 부재로 제작되어 인스트루먼트에 결합되거나, 로봇 암과 인스트루먼트 사이에 개재되는 멸균 어댑터에 결합될 수 있다.

핸들에 대한 사용자 조작을 감지하여 센싱 신호를 출력하는 센서부와, 센싱 신호에 상응하여 로봇 암에 구동력을 인가하는 컨트롤러를 더 포함하되, 컨트롤러는, 사용자 조작에 대한 부스트업(boost-up) 기능을 수행할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 로봇 암과, 로봇 암에 장착되며 로봇 암으로부터 구동력을 전달받아 작동되는 인스트루먼트와, 사용자 조작에 의해 인스트루먼트에 구동력을 인가하는 수동조작용 핸들을 포함하는 수술용 로봇을 제어하는 방법으로서, (a) 소정의 사용자 조작을 감지하여 센서로부터 출력되는 센싱 신호를 입력받는 단계, 및 (b) 센싱 신호에 상응하여 로봇 암으로부터 전달되는 구동력을 조절하는 단계를 포함하는 수술용 로봇 제어방법이 제공된다.

단계 (a)는, 핸들 및/또는 수술용 로봇에 구비된 스위치에 대한 사용자 조작을 감지하는 단계를 포함할 수 있으며, 이 경우, 단계 (b)는, 로봇 암으로부터 인스트루먼트에 전달되는 구동력 또는 핸들로부터 인스트루먼트에 전달되는 구동력이 차단되도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 단계 (b)는, 사용자 조작이 부스트업(boost-up)되도록 로봇 암으로부터 전달되는 구동력을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 로봇 암과, 로봇 암에 장착되며 로봇 암으로부터 구동력을 전달받아 작동되는 인스트루먼트와, 사용자 조작에 의해 인스트루먼트에 구동력을 인가하는 수동조작용 핸들을 포함하는 수술용 로봇을 제어하는 방법으로서, 소정의 사용자 조작에 의해 생성되는 센싱 신호를 입력받는 단계, 핸들에 대한 사용자 조작에 따라 인스트루먼트가 구동된 이력이 히스토리(history) 데이터로 저장되도록 하는 단계, 및 저장된 히스토리 데이터에 상응하여 인스트루먼트가 구동되도록, 로봇 암으로부터 전달되는 구동력이 생성되도록 하는 단계를 포함하는 수술용 로봇 제어방법이 제공된다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 수술용 로봇 제어방법을 수행하기 위하여 디지털 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있으며 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 프로그램을 기록한 기록매체가 제공된다.

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

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 인스트루먼트가 장착된 수술용 로봇에 수동조작용 핸들을 더 부가함으로써, 사람과 로봇이 함께 효율적으로 수술을 수행할 수 있고, 수술용 로봇을 이용한 원격 수술 과정에서 응급 상황이 발생할 경우 환자 옆에 있는 의사가 직접 수동으로 핸들을 조작하여 수술을 수행할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 수술용 로봇을 사용하는 수술 교육 과정에서, 필요한 경우 또는 응급 상황의 경우에 피교육자의 로봇 조작을 무시하고 교육자가 직접 수동으로 핸들을 조작하거나, 그 반대로 피교육자의 수동 조작을 무시하고 교육자가 로봇을 조작할 수 있도록 함으로써 보다 인터랙티브(interactive)한 수술 교육이 이루어지도록 할 수 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 다르 게 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 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 수술용 인스트루먼트를 나타낸 개념도이고, 도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 수술용 인스트루먼트를 나타낸 개념도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핸들의 구조 및 그에 따른 인스트루먼트의 작동 상태를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핸들의 구조 및 그에 따른 인스트루먼트의 작동 상태를 나타낸 도면이다. 도 1a 내지 도 3을 참조하면, 로봇 암(3), 액츄에이터(5), 핸들(10), 인스트루먼트(20), 구동부(22), 구동자(23), 와이어(24), 샤프트(26), 이펙터(28)가 도시되어 있다.

본 실시예는 수술용 로봇에 장착되는 인스트루먼트에 수동조작을 위한 핸들(handle)을 장착함으로써, 로봇에 장착된 인스트루먼트를 수작업 수술 및 로봇 수술 겸용으로 활용할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다. 이하, 본 실시예에서와 같이 수작업 수술 및 로봇 수술에 겸용으로 사용되는 인스트루먼트를 '하이브리드 수술용 인스트루먼트(hybrid surgical instrument)'로 명명하여 설명한다.

하이브리드 수술용 인스트루먼트(20)는, 일반 수작업 수술에서처럼 의사가 직접 손으로 잡고 수술을 수행할 수도 있고, 로봇 암(3)에 장착하여 로봇으로 하여금 수술에 필요한 동작을 하도록 함으로써 로봇 수술을 수행하도록 할 수도 있다. 이하, 후술하는 실시예에서 사람이 핸들을 잡고 인스트루먼트(20)를 조작하는 것을 핸드헬드 컨트롤(handheld control), 로봇이 인스트루먼트(20)를 작동시키도록 하는 것을 로보틱 컨트롤(robotic control)이라 명명하여 설명한다.

본 실시예에 따른 하이브리드 수술용 인스트루먼트(20)는, 본래 수술용 로봇에 장착되는 인스트루먼트에 수동조작용 핸들(10)을 추가적으로 설치하여, 로봇으로부터 생성, 전달되는 구동력에 의해서뿐만 아니라, 핸들(10)에 대한 사용자 조작에 의해서도 인스트루먼트(20)가 작동되도록 한 것을 특징으로 한다.

인스트루먼트(20)는 로봇 암(3)에 장착되는 구동부(22), 구동부(22)에 연결되는 샤프트(26), 및 샤프트(26)의 말단에 결합되는 이펙터(effector)(28)로 이루어지며, 도 1a 및 도 1b에 도시된 것처럼, 구동부(22)에 수동조작용 핸들(10)이 더 결합되어 있다.

로봇 암(3)에 장착된 구동부(22)는 로봇 암(3)으로부터 구동력을 전달받아 작동되는데, 구체적으로는 로봇 암(3)에 형성된 액츄에이터(5)와 구동부(22)에 설치된 구동자(23)가 서로 연결되도록 구동부(22)가 로봇 암(3)에 장착되며, 이 상태에서 액츄에이터(5)가 작동(회전, 왕복운동 등)되면 그에 맞물린 구동자(23)가 작 동됨으로써 로봇에서 생성된 구동력이 인스트루먼트(20)로 전달된다. 구동자(23)가 액츄에이터(5)에 연결되는 방식은 기어 결합, 끼움 결합, 클러치 결합 등 구동자(23) 및 액츄에이터(5)의 형상 및 구조에 따라 다양한 방식으로 구현할 수 있다.

구동부(22)에는 일 방향으로 연장된 샤프트(26)가 결합되는데, 샤프트(26)는 그 말단에 이펙터(28)를 장착하여 이펙터(28)가 수술 부위까지 삽입되도록 하는 가이드 막대의 역할을 한다. 또한, 샤프트(26)의 내부에는 구동자(23)와 이펙터(28)를 서로 연결하는 복수의 와이어(24)가 수용되며, 따라서 샤프트(26)는 구동부(22)와 이펙터(28) 간의 동력전달 통로의 역할을 한다. 도 1a 및 도 1b에는 원통 막대 형상의 샤프트(26)가 도시되어 있으나, 전술한 역할을 수행할 수 있는 범위 내에서 다양한 형상 및 구조의 샤프트(26)가 사용될 수 있음은 물론이다.

예를 들어 구동자(23)와 이펙터(28)가 풀리 결합되는 경우, 샤프트(26) 내에는 풀리 와이어(24)가 수용된다. 이 경우, 이펙터(28)가 4 자유도로 움직인다고 할 때, 이펙터(28)의 4 부분에 각각 연결되는 4벌의 풀리 와이어(24)가 샤프트(26)를 거쳐 4개의 풀리 구조의 구동자(23)와 각각 연결된다. 따라서, 인스트루먼트(20)가 로봇 암(3)에 장착되면 액츄에이터(5)의 작동에 의해 구동자(23)가 작동되고, 이에 따라 구동자(23)에 풀리 결합된 와이어(24)에 의해 이펙터(28)의 각 부분이 움직임으로써 이펙터(28)가 수술에 필요한 동작을 하도록 할 수 있다.

도 1a 및 도 1b과 같이 구동부(22)에 핸들(10)을 결합하고, 사용자가 핸들(10)을 조작함에 따라 구동부(22) 내에 설치된 구동자(23)가 작동되도록 할 경우, 구동자(23)는 액츄에이터(5)의 작동에 따라 작동되기도 하지만, 핸들(10)의 조 작에 따라서도 작동될 수 있으며, 어느 경우든 구동자(23)의 작동에 따라 와이어(24)를 통해 구동력이 전달됨으로써 샤프트(26)의 말단에 결합된 이펙터(28)가 움직이게 된다. 즉, 와이어(24)에 의해 구동자(23)와 연결된 이펙터(28)는 로봇의 구동에 의해 또는 핸들(10)의 조작에 의해 작동될 수 있다.

인스트루먼트(20)가 로봇 암(3)에 장착된 상태에서도, 로봇 암(3)으로부터 인스트루먼트(20)로 전달되는 구동력을 차단해 놓으면 로봇 암(3)의 모터가 자유롭게 움직일 수 있게 되므로, 사람이 직접 핸들(10)을 조작하여 인스트루먼트(20)를 작동시켜 수동으로 수술을 수행할 수 있다. 이하, 인스트루먼트(20)가 로봇에 장착된 상태에서 수동으로 인스트루먼트(20)를 조작하는 것을 로컬 컨트롤(local control)로 명명하여 설명한다.

로봇 암(3)으로부터 인스트루먼트(20)로 전달되는 구동력을 차단하는 것은 다양한 방식으로 구현할 수 있는데, 예를 들어 수술용 로봇에 별도의 버튼을 설치하거나 핸들(10)의 특정 움직임을 미리 설정해 놓고, 버튼을 누르거나 핸들(10)이 설정된 대로 움직일 경우, 로봇의 메인 컨트롤러가 이를 감지하여 구동력을 생성하지 않도록 하거나 생성된 구동력이 로봇 암(3)으로 전달되지 않도록 할 수 있다. 이로써, 로봇 암(3)이 외력에 의해 자유롭게 움직이는 상태(free move)가 되도록 할 수 있다.

한편, 수술용 로봇 암(3)은 소정의 회동 중심점, 예를 들면 인스트루먼트(20)는 말단부의 소정 위치에 해당하는 점을 중심으로 회동하도록 설계, 제어되는데, 이러한 가상의 중심점을 '원격중심' 또는 'RCM(remote center of motion)'이 라 한다. 환자의 피부를 천공하고 이펙터(28)를 삽입하여 수행되는 로봇 수술의 경우 로봇 암(3)이 RCM 포인트를 중심으로 회동하도록 함으로써, 환자의 피부가 손상되지 않도록 하고 피부의 천공 부위를 최소화할 수 있다.

본 실시예에 따른 인스트루먼트(20)를 로컬 컨트롤에 의해 조작할 때, 로봇 암(3) 및 그에 장착된 인스트루먼트(20)는 RCM 포인트를 중심으로 회동하므로, 사람이 직접 조작을 하더라도 인스트루먼트(20)가 RCM 포인트로부터 이탈하지 않고 안정적으로 움직이도록 할 수 있다. 즉, 핸들(10)을 상, 하, 좌, 우 방향으로 움직이면 RCM 포인트를 중심으로 인스트루먼트(20)의 단부(이펙터(28))가 하, 상, 우, 좌 방향으로 움직이게된다.

한편, 본 실시예에 따른 인스트루먼트(20)를 로봇 암(3)으로부터 분리하여 핸드헬드 컨트롤에 의해 조작할 때에는 종래의 수술 기구와 마찬가지로 작동되도록 할 수 있음은 물론이다.

본 실시예에 따른 핸들(10)은 이펙터(28)의 작동 자유도에 상응하는 자유도로 조작되도록 할 수 있다. 예를 들어 수동 조작용 수술 기구는 5자유도로, 수술용 로봇에 장착되는 인스트루먼트(20)는 7자유도로 움직이도록 설계, 제작될 수 있으며, 인스트루먼트(20)의 종류에 따라 단순히 그립(grip) 동작만이 가능하도록 할 수도 있고, 마치 손목처럼 상, 하, 좌, 우로 회동되도록 할 수도 있다.

따라서, 본 실시예에 따른 핸들(10)은, 이펙터(28)가 그립(grip) 동작을 하도록 핸들(10)에 그립퍼(gripper)를 설치하여, 그립퍼를 잡아당기거나 밀면 그에 따라 이펙터(28)가 그립 동작을 하도록 할 수 있다. 또한, 도 1a에 도시된 것처럼, 핸들(10)과 샤프트(26)가 동일한 회전축을 중심으로 비틀리도록 구성함으로써, 핸들(10)의 비틀림 조작에 상응하여 샤프트(26)가 비틀리도록 할 수 있다. 나아가, 도 1b에 도시된 것처럼, 핸들(10)과 샤프트(26)의 비틀림 축이 서로 다른 경우(도 1b의 Z1축 및 Z2축 참조)에도 핸들(10)의 비틀림 조작(도 1b의 Z1축 중심의 회전)에 상응하여 샤프트(26)가 비틀리도록(도 1b의 Z2축 중심의 회전) 구성할 수도 있다. 이처럼, 핸들과 샤프트의 비틀림 조작에 관한 기술적 사상은 후술하는 실시예에도 적용될 수 있다.

또한, 핸들(10)을 상, 하, 좌, 우 방향으로 꺾으면 그에 따라 이펙터(28)도 하, 상, 우, 좌 방향으로 꺾이는 구조로 구현할 수 있다.

이 외에도 핸들(10)에 대한 사용자 조작 방식 및 그에 따른 인스트루먼트(20)의 작동 방식은 다양하게 구현할 수 있는데, 예를 들어 손목 동작(wrist articulation)을 구현하기 위해, 도 2에 도시된 것처럼 핸들(10)을 회동가능한 구조로 제작하고 핸들(10) 자체를 회동시키는 방식, 도 3에 도시된 것처럼 핸들(10)에 조이스틱(도 3의 'J')과 같은 조작자를 형성하고, 엄지손가락 등으로 상, 하, 좌, 우 방향으로 밀어서 조작하는 방식 등에 의해 인스트루먼트(20) 및/또는 이펙터(28)의 손목 동작을 구현할 수 있다.

한편, 로봇에 장착되는 인스트루먼트(20)에 수동조작용 핸들(10)을 설치하여 핸드헬드 컨트롤 또는 로컬 컨트롤에 의해 조작하더라도, 수술을 수행하는 도중에 사람이 수행하기 어려운 동작이 필요한 경우가 있을 수 있다. 이 경우에는 다시 원래대로 로봇이 인스트루먼트(20)를 동작시키게 함으로써 사람의 능력을 보완하도 록 할 수 있다. 이처럼, 사람에 의한 수동조작을 차단하고 로봇이 인스트루먼트(20)를 작동하도록 하는 것을, 이하, 리모트 컨트롤(remote control)이라 명명하여 설명한다.

또한, 경우에 따라서는 사람에 의한 수동조작만으로는 구동력이 부족한 경우가 있을 수 있으며, 이때에는 로봇 암(3)으로부터 전달되는 구동력의 도움으로 사람의 구동력을 증폭(power boost)시킬 수 있다. 예를 들어, 사람이 핸들(10)을 좌측으로 움직여 이펙터(28)가 RCM 포인트를 중심으로 회동하여 우측으로 움직이도록 의도할 경우, 센서가 핸들(10)의 좌측으로의 움직임을 감지하여 로봇의 메인 컨트롤러로 센싱 신호를 전송하고, 컨트롤러(9)는 센싱 신호를 받아 구동력을 생성하여, 이펙터(28)가 우측으로 회동하도록 로봇 암(3)을 통해 구동력을 전달하도록 할 수 있다.

이처럼, 사용자의 조작 의도를 센싱하여 그 의도대로 인스트루먼트(20)가 작동되도록 로봇에서 구동력을 생성, 전달하는 것을, 사용자 조작에 대한 '부스트업(boost-up) 기능'이라 한다. 부스트업 기능을 수행하기 위해서는 로봇의 메인 컨트롤러에 컴플라이언스 컨트롤(compliance control) 기법 등 당업자에게 자명한 다양한 제어 기법에 기반한 동작 제어 기능이 탑재되어야 하며, 여기에서는 그러한 제어 기법에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 전술한 부스트업 기능과 같이 사람에 의한 수동조작 중에 로봇이 개입하여 인스트루먼트(20)가 작동되도록 하도록 하는 것을, 하이브리드 컨트롤(hybrid control)이라 명명하여 설명한다.

이상으로, 수술용 로봇에 장착되는 인스트루먼트(20)에 수동조작용 핸들(10)을 설치하여 다양한 방식의 작동시키는 경우에 대하여 설명하였다. 다만, 수동조작용 핸들(10)이 반드시 인스트루먼트(20)에만 설치되어야 하는 것은 아니며, 다른 실시예에 대하여는 이하 도 4 및 도 5를 참조하며 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 수동조작용 핸들부재를 나타낸 개념도이다. 도 4를 참조하면, 로봇 암(3), 액츄에이터(5), 핸들(10), 핸들부재(12), 제2 구동부(14), 제2 구동자(15), 인스트루먼트(20), 제1 구동부(22), 제1 구동자(23), 와이어(24), 샤프트(26), 이펙터(28)가 도시되어 있다.

본 실시예는 수동조작용 핸들(10)을 별도의 부재, 즉 핸들부재(12)의 형태로 제작하고, 이를 인스트루먼트(20)에 장착하여 인스트루먼트(20)가 수동으로도 조작되도록 한 것이다. 즉, 도 4에 도시된 것처럼, 별도의 핸들부재(12)를 제작하여 로봇 암(3)에 장착되는 인스트루먼트(20)의 구동부(제1 구동부(22))의 반대면에 결합시켜 사용할 수 있다.

이와 같이 인스트루먼트(20)에 별도의 핸들부재(12)를 결합하고 핸들(10)을 수동으로 조작함으로써, 전술한 핸드헬드 컨트롤에 의해 인스트루먼트(20)를 조작할 수 있으며, 또한, 인스트루먼트(20)가 로봇 암(3)에 장착된 상태에서도 인스트루먼트(20)에 핸들부재(12)를 결합하고 핸들(10)을 수동으로 조작함으로써, 전술한 로컬 컨트롤 및/또는 하이브리드 컨트롤에 의해 인스트루먼트(20)를 조작할 수 있 다.

한편, 사람에 의한 수동조작을 차단하고 로봇이 인스트루먼트(20)를 작동하도록 하는 리모트 컨트롤 상태일 때에는, 수동조작용 핸들(10)이 필요 없으므로 핸들부재(12)를 분리해 놓을 수도 있다.

이처럼, 수동조작용 핸들(10)을 별도의 부재로 제작하여 인스트루먼트(20)에 탈착가능하도록 결합하여 사용함으로써, 로봇에 장착되는 인스트루먼트(20)는 핸들부재(12)와의 커플링(coupling) 구조만 추가하여 종래와 동일하게 제작할 수 있어, 인스트루먼트(20) 제작비용이 크게 증가하지 않고, 외관상 로봇 전용 인스트루먼트(20)와 별 차이 없이 인스트루먼트(20)를 제작할 수 있다.

도 4를 참조하여 본 실시예에 따른 핸들부재(12) 및 인스트루먼트(20)의 작동에 관하여 설명하면, 핸들부재(12)는 제2 구동부(14)와, 그에 결합되는 핸들(10)로 이루어지는데, 제2 구동부(14)를 제1 구동부(22)에 결합함으로써, 핸들부재(12)가 인스트루먼트(20)에 장착된다.

핸들부재(12)는, 사용자가 핸들(10)을 조작함에 따라 제2 구동부(14), 보다 구체적으로는 제2 구동부(14)에 설치된 제2 구동자(15)가 작동되는 구조로 구성되는데, 제1 구동부(22)에 제2 구동부(14)를 장착하고 핸들(10)을 조작하여 제2 구동부(14)를 작동시킴으로써, 제1 구동부(22)에 구동력이 전달되어 인스트루먼트(20)가 작동되게 된다.

인스트루먼트(20)의 구조는 전술한 실시예와 동일하며, 다만 구동부에 핸들부재(12)를 장착하여 작동하기 위한 구조가 형성되어 있다. 즉, 도 4에 도시된 것 처럼, 제1 구동부(22)의 일면이 로봇 암(3)에 장착된다고 할 때, 제1 구동부(22)의 타면에는 핸들부재(12)를 장착하기 위한 결합 기구(機構)가 형성되고, 여기에 제2 구동부(14)를 장착함으로써 인스트루먼트(20)를 수동으로 조작할 수 있게 되는 것이다.

다만, 제1 구동부(22)의 '타면'은 반드시 로봇 암(3)에 장착되는 면의 반대측 면을 의미하는 것은 아니며, 로봇 암(3)에 장착되는 면 이외의 면을 모두 포함하는 것으로서, 본 실시예에 따른 핸들부재(12)는 제1 구동부(22)의 어느 쪽 면에도 결합될 수 있음은 물론이다.

제1 구동부(22)에는 로봇 암(3)의 액츄에이터(5)에 맞물려 작동되는 제1 구동자(23)가 설치되는데, 도 4에 도시된 것처럼 제1 구동자(23)는 핸들부재(12)가 결합되는 면으로도 노출되어 있다. 따라서, 제1 구동부(22)에 제2 구동부(14)를 결합하여 제2 구동부(14)에 설치된 제2 구동자(15)가 제1 구동자(23)에 맞물리도록 함으로써, 제1 구동자(23)는 액츄에이터(5)뿐만 아니라, 핸들(10)에 대한 사용자 조작에 의해서도 작동되게 된다. 제1 구동자(23)와 제2 구동자(15) 간의 연결 방식은, 액츄에이터(5)와 제1 구동자(23) 간의 연결 방식과 마찬가지로 다양한 방식으로 구현될 수 있음은 물론이다.

한편, 제2 구동부(14)가 제1 구동부(22)에 장착된 상태에서, 전술한 바와 같이 리모트 컨트롤 상태 등의 경우에는 핸들부재(12)를 분리해 놓을 수도 있는데, 이처럼 핸들부재(12)가 분리될 경우 제1 구동부(22)의 내부 구조(예를 들면, 제1 구동자(23))가 노출될 우려가 있으며, 이때에는 제1 구동부(22)의 타면, 즉 핸들부 재(12)가 결합되어 있던 면에 별도의 커버 부재를 결합시켜 제1 구동부(22)를 보호할 수 있다.

이상과 같이, 별도의 핸들부재(12)를 제작하여 사용할 경우, 수동조작용 핸들(10)이 필요한 경우에만 핸들부재(12)를 인스트루먼트(20)에 장착해서 사용할 수 있으므로, 인스트루먼트(20)의 전체 부피가 늘어나지 않으며, 수술 과정에서의 필요, 사용자의 취향, 가격대 등 다양한 수요를 충족하도록 여러 종류의 수동조작용 핸들부재(12)를 제작하여 사용할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 수술 로봇용 어댑터를 나타낸 개념도이다. 도 5를 참조하면, 로봇 암(3), 액츄에이터(5), 핸들(10), 어댑터(16), 제1 구동부(18), 제1 구동자(19), 인스트루먼트(20), 제2 구동부(22), 제2 구동자(23), 와이어(24), 샤프트(26), 이펙터(28)가 도시되어 있다.

본 실시예는 인스트루먼트(20)를 로봇 암(3)에 장착하기 위해 그 사이에 개재되는 멸균 어댑터(sterile adapter)에 핸들(10)을 설치함으로써 하이브리드 수술 로봇용 어댑터(16)로서 사용한 사례이다.

즉, 인스트루먼트(20)에 직접 핸들(10)을 장착하거나, 별도의 핸들부재(12)를 제작하는 대신 인스트루먼트(20)와 로봇 암(3)을 연결하는 부위에 사용되는 멸균 어댑터(16)에 수동조작용 핸들 기능을 포함시킨 것이다. 이처럼, 멸균 어댑터(16)에 핸들(10)을 장착하여 사용하면 각 인스트루먼트(20)마다 직접 핸들(10)을 장착하지 않아도 되므로 비용을 절감할 수 있다.

본 실시예에 따른 하이브리드 수술 로봇용 어댑터(16)는, 로봇 암(3)에 인스트루먼트(20)를 장착하는 과정에서 그 사이에 개재되는 어댑터(16)로서, 구동부(제1 구동부(18))와 제1 구동부(18)에 결합되는 핸들(10)로 이루어지는데, 제1 구동부(18)를 로봇 암(3)에 장착하고, 인스트루먼트(20)의 구동부(제2 구동부(22))를 제1 구동부(18)에 결합함으로써, 어댑터(16)가 인스트루먼트(20)와 로봇 암(3) 사이에 개재된다.

기본적으로, 제1 구동부(18)는 로봇 암(3)의 액츄에이터(5)에 결합되어 액츄에이터(5)의 작동에 따라 제1 구동자(19)가 작동되는 방식으로 로봇 암(3)으로부터 구동력을 전달받는다. 또한, 어댑터(16)는 사용자가 핸들(10)을 조작함에 따라 제1 구동부(18), 보다 구체적으로는 제1 구동부(18)에 설치된 제1 구동자(19)가 작동되는 구조로 구성되는데, 제1 구동부(18)에 제2 구동부(22)를 장착하고 핸들(10)을 조작하여 제1 구동자(19)를 작동시킴으로써, 제2 구동부(22)에 설치된 제2 구동자(23)가 작동되어 인스트루먼트(20)가 수동 조작으로도 작동될 수 있게 된다.

본 실시예에서는 로봇 암(3)과 인스트루먼트(20) 사이에 어댑터(16)를 개재시켜 수동조작이 가능하도록 한 것으로, 로봇 암(3)으로부터든 핸들(10)의 조작에 의해서든 구동력을 전달받아 작동되는 인스트루먼트(20)는, 어댑터(16)에 장착될 수 있는 구조인 범위 내에서 종래와 동일한 구조로 제작될 수도 있다.

이처럼 어댑터(16)에 수동 조작 기능을 부가할 경우, 제1 구동부(18)의 한 쪽 면은 로봇 암(3)에 장착되고 제1 구동부(18)의 다른 쪽 면에는 제2 구동부(22)가 장착될 수 있으며, 이로써, 본 실시예에 따른 어댑터(16)는 로봇 암(3)과 인스 트루먼트(20) 사이에 개재되어 인스트루먼트(20)를 수동으로 조작하기 위한 핸들(10)로서 기능하게 된다.

전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 어댑터(16)는 별도로 제작할 수도 있으나, 본래 수술용 로봇에 장착되는 멸균 어댑터에 핸들(10)을 부가하는 방식으로 제작될 수도 있으며, 따라서, 핸들(10)이 장착된 수동조작용 멸균 어댑터(16)를 별도로 제작해 두었다가 일반적인 로봇 수술의 경우에는 기존의 멸균 어댑터를 사용하다가, 수동 조작이 부가된 하이브리드 수술을 수행할 경우에는 기존 멸균 어댑터를 수동조작용 멸균 어댑터(16)로 교체하여 사용할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 수술용 로봇을 나타낸 개념도이다. 도 6을 참조하면, 로봇 암(3) 액츄에이터(5), 핸들(10), 인스트루먼트(20), 구동부(22), 구동자(23), 와이어(24), 샤프트(26), 이펙터(28)가 도시되어 있다.

이상으로, 수술용 로봇에 수동조작용 핸들(10)을 부가하는 방식으로서, 인스트루먼트(20)에 핸들(10)을 부가하는 방식, 별도의 핸들부재(12)를 제작하여 장착하는 방식, 멸균 어댑터(16)에 핸들(10)을 부가하는 방식에 대해 설명하였다. 나아가, 본 실시예에 따른 수동조작용 핸들(10)은, 도 6에 도시된 것처럼, 로봇 암(3)에 직접 부가할 수도 있다.

로봇 암(3) 자체에 수동조작용 핸들(10)을 추가로 설치할 경우, 인스트루먼트(20)나 멸균 어댑터의 구조를 변경할 필요 없이, 기존의 인스트루먼트(20)나 멸 균 어댑터(16)를 장착하고도 하이브리드 수술용 로봇으로서 사용할 수 있다는 장점이 있다.

즉, 본 실시예에 따라 로봇 암(3)에 핸들(10)을 설치할 경우, 핸들(10)은 로봇 암(3)의 선단부, 즉 로봇 암(3)에 인스트루먼트(20)가 장착되는 부위에 형성되는 액츄에이터(5)에 연결되어 핸들(10)을 사용자가 조작함에 따라 액츄에이터(5)가 작동되는 구조로 구성될 수 있다.

이로써, 로봇 암(3)에 형성되는 액츄에이터(5)는 로봇으로부터 생성, 전송되는 제어 신호에 의해 구동되거나, 액츄에이터(5)에 연결된 핸들(10)에 대한 사용자 조작에 의해 작동될 수 있다. 이와 같이 로봇 암(3)에 핸들(10)을 설치할 경우, 로봇 암(3)에 장착되는 멸균 어댑터 및 인스트루먼트는 기존과 동일한 구조로 이루어질 수 있음은 전술한 바와 같다.

한편, 로봇 암(3)에 설치된 핸들(10)에는 전술한 부스트업 기능이 구현될 수 있는데, 즉, 핸들(10)의 초기 조작 내용을 센싱하는 등의 방법으로 사용자가 핸들(10)을 어떤 방식으로 조작할 것인지에 대한 의도를 파악하여 인스트루먼트(20)가 사용자가 의도한대로 움직이도록 구동력을 생성, 전송하여 액츄에이터(5)가 구동되도록 할 수 있다.

전술한, 및/또는 후술하는 수술용 로봇에는 핸들(10)의 초기 조작 내용을 감지하여 센싱 신호를 출력하는 센서부(7)와, 센싱 신호에 따라 구동력을 생성하여 로봇 암(3)을 통해 인스트루먼트(20)에 구동력이 전달되도록 제어하는 컨트롤러(9) 가 설치될 수 있다.

센서부(7)에는 핸들(10)에 설치되는 접촉 센서, 가속도 센서, 적외선 센서 등 다양한 종류의 센서가 포함될 수 있으며, 컨트롤러(9)는 별도의 마이크로프로세서로 구현되거나 수술용 로봇의 메인 컨트롤러의 일부 모듈의 형태로 구현될 수도 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 수술용 로봇 시스템을 나타낸 구성도이다. 도 7을 참조하면, 로봇 암(3), 센서부(7), 컨트롤러(9), 핸들(10), 인스트루먼트(20)가 도시되어 있다.

본 실시예는 수동조작용 핸들(10)을 추가적으로 설치하여 하이브리드 수술을 수행하기 위한 수술용 로봇 시스템에 관한 것으로, 전체 로봇 시스템은 로봇 암(3), 로봇 암(3)에 장착되는 인스트루먼트(20), 그리고 로봇 시스템에 추가된 핸들(10)로 이루어지며, 인스트루먼트(20)는 로봇 암(3)으로부터 구동력을 전달받아 작동되거나, 사용자가 조작하는 핸들(10)로부터 구동력을 전달받아 작동될 수 있다.

핸들(10)의 결합은, 전술한 실시예에서처럼, 인스트루먼트(20)에 결합되거나, 로봇 암(3)에 직접 결합되거나, 별도의 핸들부재(12)로 제작되어 인스트루먼트(20)에 장착되거나, 멸균 어댑터(16)에 결합되는 등 수술용 로봇 시스템을 수동으로 조작할 수 있는 범위 내에서 다양한 위치 및 방식으로 결합될 수 있다. 수술용 로봇 시스템을 구성하는 장치들 중, 핸들(10)이 설치되지 않는 장치는 기존과 동일한 구조로 이루어질 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템은, 사용자에 의한 핸들(10)의 조작을 부스트업하는 기능을 구비할 수 있는데, 이를 위해 사용자가 핸들(10)을 조작한 내용을 센싱하는 센서부(7)가 더 설치될 수 있으며, 시스템을 제어하는 컨트롤러(9)에 의해 센싱된 신호의 입력, 처리 및 그에 따라 부스트업 기능을 수행하기 위한 구동력의 제어가 수행될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇 제어방법을 나타낸 순서도이다. 본 실시예는 전술한 수술용 로봇을 사용하여 수동 조작에 의한 수술 및 로봇에 의한 수술이 함께 이루어지도록 하는 로봇 제어방법이다.

본 실시예에 의한 수술용 로봇의 제어 모드는 크게, 사람이 손으로 핸들(10)을 잡고 인스트루먼트(20)를 조작하는 상태인 핸드헬드 컨트롤 모드(handheld control mode)와, 로봇이 인스트루먼트(20)를 작동시키도록 어떤 형태로든 개입하고 있는 상태인 로보틱 컨트롤 모드(robotic control mode)로 구분할 수 있다.

로보틱 컨트롤 모드에는, 첫째 인스트루먼트(20)가 로봇에 장착된 상태에서 수동으로 인스트루먼트(20)를 조작하는 상태인 로컬 컨트롤 모드(local control mode), 둘째 사람에 의한 수동조작을 차단하고 로봇이 인스트루먼트(20)를 작동하도록 하는 상태인 리모트 컨트롤 모드(remote control mode), 셋째 부스트업 기능과 같이 사람에 의한 수동조작 중에 로봇이 개입하여 인스트루먼트(20)가 작동되도 록 하도록 하는 상태인 하이브리드 컨트롤 모드(hybrid control mode)가 해당될 수 있다.

본 실시예에 따른 수술용 로봇 제어방법은 기본적으로, 핸들(10) 및/또는 별도로 구비된 스위치 등을 사용자가 조작하는 것을 감지함으로써 출력되는 센싱 신호를 입력받고(S10), 그 센싱 신호에 따라 로봇이 다양한 제어 모드에 맞도록 구동되도록 구동력의 생성 및 전달을 제어하는(S20) 프로세스로 구성될 수 있다.

예를 들어, 센싱 신호가 로컬 컨트롤 모드, 즉 로봇에 인스트루먼트(20)가 장착되어 있기는 하지만 구동되지 않고 사람이 수동조작용 핸들(10)을 조작하여 인스트루먼트(20)를 직접 조작하고자 하는 상태로 판단될 경우, 로봇의 메인 컨트롤러는 로봇 암(3)으로부터 인스트루먼트(20)에 전달되는 구동력을 차단하고(S22), 인스트루먼트(20)가 사용자의 조작에 의하여만 움직이도록 할 수 있다. 다만, 이러한 경우에도 로봇 암(3)은 RCM 포인트를 중심으로 회동하게 되는 등, 로봇 자체의 설계적, 기계적 구속이 인스트루먼트(20)의 조작에 반영되도록 할 수 있음은 전술한 바와 같다.

또한, 센싱 신호가 리모트 컨트롤 모드, 즉 로봇에서 인스트루먼트(20)를 작동시키고, 수동조작용 핸들(10)의 조작에 의해서는 인스트루먼트(20)가 조작되지 않는 상태로 판단될 경우, 로봇의 메인 컨트롤러는 핸들(10)로부터 인스트루먼트(20)에 전달되는 구동력을 차단하고(S24), 인스트루먼트(20)가 로봇의 조작에 의하여만 움직이도록 할 수 있다.

로봇 암(3)과 인스트루먼트(20) 간 및/또는 핸들(10)과 인스트루먼트(20) 간의 구동력을 차단하는 메커니즘은 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 여기에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

또한, 센싱 신호가 하이브리드 컨트롤 모드, 즉 사람이 핸들(10)을 수동으로 조작하여 인스트루먼트(20)를 작동시키는 과정에 로봇이 개입하여 핸들(10)을 조작하는 힘을 증폭시키는 등, 인스트루먼트(20)가 로봇 및 핸들(10)에 의해 같이 조작되는 상태로 판단될 경우, 로봇의 메인 컨트롤러는 사용자 조작이 의도대로 구현되도록, 예를 들면 부스트업되도록, 로봇 암(3)으로부터 전달되는 구동력을 제어할 수 있다(S26).

부스트업 기능 외에도, 사람이 조작하기 힘든 정밀한 동작이나 위험한 동작 등을 로봇이 개입하여 수행하도록 하는 기능 등 다양한 방식의 하이브리드 컨트롤이 가능하며, 여기에서는 그 제어 알고리즘에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

이상과 같이 수동조작용 핸들(10)이 추가된 수술용 로봇 시스템을 구현하고 제어함으로써, 사람에 의한 수동 조작과 로봇에 의한 조작이 함께 이루어지는 수술을 수행할 수 있다. 예를 들어, 로봇 암(3)이 4개인 경우, 2개는 로컬 컨트롤에 의해 사람이 직접 수동으로 조작하고, 나머지 2개는 리모트 컨트롤에 의해 로봇이 조작하도록(수술용 로봇의 콘솔에서 의사가 마스터 인터페이스를 조작하도록) 할 수 있으며, 이렇게 함으로써 수술용 로봇 콘솔에서 의사 혼자서 손을 바꾸어 가면서 4개의 로봇 암(3)을 모두 조작하는 것에 비해 수술의 안전성 및 효율성을 제고시킬 수 있다.

또한, 마스터 콘솔(master console)과 슬레이브 로봇(slave robot)이 서로 떨어진 위치에서 서로 신호를 송수신하여 슬레이브 로봇을 구동시킴으로써 수술을 수행하는 이른바 '원격 수술'의 경우, 수술 현장에는 슬레이브 로봇만 위치하기 때문에, 로봇 암(3)에 인스트루먼트(20)가 장착된 상태에서 원격지의 의사가 마스터 콘솔을 조작하여 원격으로 수술을 수행하고, 현장의 의사는 슬레이브 로봇 옆에서 수술을 지켜보게 된다.

본 실시예에 따른 수술용 로봇을 사용하여 원격 수술을 수행하는 중에, 마스터 콘솔을 조작하는 의사가 오동작을 하거나 로봇 시스템이 오작동하는 등의 응급 상황이 발생하면, 즉시 현장의 의사가 스위치를 눌러 로컬 컨트롤 모드로 변경하고, 로봇 암(3)이 자유롭게 움직일 수 있는 상태에서 수동으로 인스트루먼트(20)를 조작하여 직접 수술을 수행함으로써 응급 상황을 타개하도록 할 수 있다.

이와 같이 수동으로 인스트루먼트를 조작하는 것은 기존의 수작업 방식의 수술과 동일하게 진행될 수 있다. 즉, 수술용 로봇에 장착된 인스트루먼트를 기존의 일반 복강경 기구와 유사하게 사용할 수 있다.

종래의 로봇 수술 과정에서 수작업으로 수술을 진행할 필요가 있는 경우에는, 로봇에 장착된 인스트루먼트를 환자로부터 모두 제거한 후 다시 일반 수작업용 수술 기구를 삽입해야 하는 번거로움이 있었는데, 전술한 실시예에 따른 수술용 로봇을 사용하게 되면 로봇에 장착된 인스트루먼트를 직접 수동으로 조작할 수 있으므로, 로봇에 장착된 인스트루먼트를 제거하고 일반 수술 기구를 삽입하는 데에 소요되는 시간을 절약할 수 있어, 훨씬 안전하고 신속하게 응급 상황에 대처할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 실시예에 따른 수술용 로봇을 활용하여 수술 교육을 실시할 수 있는데, 로봇 암(3)에 인스트루먼트(20)가 장착된 상태에서 로봇이 인스트루먼트(20)를 작동시키지 않도록 로컬 컨트롤 모드로 변경하고, 학습자는 수동으로 인스트루먼트(20)를 조작하여 수술을 수행하고, 교육자는 마스터 콘솔에 앉아서 학습자가 수술을 수행하는 상황을 지켜보도록 할 수 있다.

이러한 상태에서 학습자가 오동작을 하거나 위급한 상황이 발생할 경우, 교육자는 즉시 로봇을 리모트 컨트롤 모드로 전환하여 로봇을 조작함으로써 발생한 위급 상황을 타개하도록 할 수 있다.

반대로, 학습자가 마스터 콘솔에 앉아 로봇 수술을 수행하고, 교육자는 인스트루먼트(20)가 조작되는 상황을 지켜보다가, 학습자가 오동작을 하거나 위급한 상황이 발생할 경우 교육자는 즉시 로봇을 로컬 컨트롤 모드로 전환하여 로봇을 조작함으로써 발생한 위급 상황을 타개하도록 할 수도 있다.

본 실시예 따른 수술용 로봇에서 다양한 제어 모드 간의 변환은, 전술한 바와 같이 로봇에 설치된 수동조작용 핸들(10)을 미리 설정된 방식으로 조작하거나, 별도로 구비된 스위치를 누르는 등 다양한 방법으로 구현될 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 로봇 제어방법을 나타낸 순서도이다.

본 실시예에 따른 수술용 로봇은 수동 조작 및 로봇에 의한 조작이 모두 가능하므로, 미리 입력된 수동 조작의 내용을 즉시 또는 나중에 로봇이 추적할 수 있도록 함으로써, 고난이도 수술이나 수술 교육 등에 활용할 수 있다.

즉, 사용자 조작에 의한 센싱 신호를 입력받아(S30), 향후 수동 조작의 내용을 로깅(logging)하는 것으로 판단될 경우, 사용자가 핸들(10)을 조작하여 인스트루먼트(20)가 구동된 이력을 히스토리 데이터 형태로 저장해 둔다(S40).

사용자의 조작 내용대로 인스트루먼트(20)를 다시 구동시키고자 할 때에는, 저장된 히스토리 데이터에 불러와 로봇을 제어함으로써, 사용자가 핸들(10)을 조작하여 구동시킨 것과 동일하게 로봇이 인스트루먼트(20)를 다시 구동시킬 수 있다(S50).

상술한 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇 제어방법은 기록매체에 저장된 후 소정의 장치, 예를 들면, 수술용 로봇 시스템과 결합하여 수행될 수 있다. 여기서, 기록매체는 하드 디스크, 비디오테이프, CD, VCD, DVD와 같은 자기 또는 광 기록매체이거나 또는 오프라인 또는 온라인상에 구축된 클라이언트 또는 서버 컴퓨터의 데이터베이스일 수도 있다.

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 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 수술용 인스트루먼트를 나타낸 개념도.

도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 수술용 인스트루먼트를 나타낸 개념도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핸들의 구조 및 그에 따른 인스트루먼트의 작동 상태를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핸들의 구조 및 그에 따른 인스트루먼트의 작동 상태를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 수동조작용 핸들부재를 나타낸 개념도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 수술 로봇용 어댑터를 나타낸 개념도.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 수술용 로봇을 나타낸 개념도.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 수술용 로봇 시스템을 나타낸 구성도.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇 제어방법을 나타낸 순서도.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 로봇 제어방법을 나타낸 순서 도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 수술용 로봇 3 : 로봇 암

5 : 액츄에이터 7 : 센서부

9 : 컨트롤러 10 : 핸들

12 : 핸들부재 16 : 어댑터

20 : 인스트루먼트 14, 18, 22 : 구동부

15, 19, 23 : 구동자 24 : 와이어

26 : 샤프트 28 : 이펙터

Claims (21)

1. 수술용 로봇에 구비된 로봇 암(arm)에 장착되는 인스트루먼트(instrument)로서,

   상기 로봇 암의 선단부에 장착되며, 상기 로봇 암으로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구동부와;

   상기 구동부에 결합되며, 그 내부에 상기 구동부에 연결되는 동력전달수단을 수용하는 샤프트(shaft)와;

   상기 구동부에 결합되며, 사용자 조작에 의해 상기 동력전달수단에 구동력을 인가하는 핸들(handle)과;

   상기 샤프트의 말단부에 결합되며, 상기 동력전달수단에 연결되어 상기 로봇 암 및 상기 핸들 중 어느 하나 이상으로부터 전달되는 구동력에 의해 작동되어 수술에 필요한 동작을 수행하는 이펙터(effector)를 포함하는 하이브리드(hybrid) 수술용 인스트루먼트.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 로봇 암의 선단부에는 액츄에이터(actuator)가 형성되고, 상기 구동부에는 상기 액츄에이터에 정합되는 구동자가 설치되며, 상기 동력전달수단은 상기 구동자에 결합되는 와이어(wire)를 포함하되, 상기 핸들은 사용자 조작에 의해 상기 구동자에 구동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 수술용 인스트루먼트.
4. 로봇 수술용 인스트루먼트에 결합되어 상기 인스트루먼트를 수동으로 조작하기 위한 핸들부재로서,

   상기 인스트루먼트는,

   수술용 로봇에 구비된 로봇 암의 선단부에 그 일면이 장착되며 상기 로봇 암으로부터 구동력을 전달받아 작동되는 제1 구동부와;

   상기 제1 구동부에 결합되며 그 내부에 상기 제1 구동부에 연결되는 동력전달수단을 수용하는 샤프트와;

   상기 샤프트의 말단부에 결합되며 상기 동력전달수단에 연결되어 상기 제1 구동부 작동에 따라 수술에 필요한 동작을 수행하는 이펙터를 포함하고,

   상기 제1 구동부에 장착되며 상기 제1 구동부에 구동력을 전달하여 제1 구동부가 작동되도록 하는 제2 구동부와;

   상기 제2 구동부에 결합되며, 사용자 조작에 의해 상기 제2 구동부에 구동력을 인가하는 핸들을 포함하는 수술용 인스트루먼트의 수동조작용 핸들부재.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1 구동부에는 로봇 암의 선단부에 형성되는 액츄에이터에 정합되는 제1 구동자가 설치되고, 상기 동력전달수단은 상기 제1 구동자에 결합되는 와이어를 포함하되,

   상기 제2 구동부에는 상기 제1 구동자와 정합되는 제2 구동자가 설치되며, 상기 핸들은 사용자 조작에 의해 상기 제2 구동자에 구동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 수동조작용 핸들부재.
6. 제4항에 있어서,

   상기 제1 구동부의 타면에 상기 제2 구동부가 장착되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 수동조작용 핸들부재.
7. 수술용 로봇에 구비된 로봇 암에 인스트루먼트를 장착하기 위해 개재되는 어댑터(adapter)로서,

   상기 로봇 암의 선단부에 그 일면이 장착되며, 상기 로봇 암으로부터 구동력을 전달받아 작동되는 제1 구동부와;

   상기 제1 구동부에 결합되며, 사용자 조작에 의해 상기 제1 구동부에 구동력을 인가하는 핸들을 포함하되,

   상기 인스트루먼트는,

   상기 제1 구동부에 장착되며, 상기 제1 구동부로부터 구동력을 전달받아 작동되는 제2 구동부와;

   상기 제2 구동부에 결합되며, 그 내부에 상기 제2 구동부에 연결되는 동력전달수단을 수용하는 샤프트와;

   상기 샤프트의 말단부에 결합되며, 상기 동력전달수단에 연결되어 상기 제2 구동부의 작동에 따라 수술에 필요한 동작을 수행하는 이펙터를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 수술 로봇용 어댑터.
8. 삭제
9. 제7항에 있어서,

   상기 로봇 암의 선단부에는 액츄에이터가 형성되고, 상기 제1 구동부에는 상기 액츄에이터에 정합되는 제1 구동자가 설치되며, 상기 제2 구동부에는 상기 제1 구동자에 정합되는 제2 구동자가 설치되고, 상기 동력전달수단은 상기 제2 구동자에 결합되는 와이어를 포함하며, 상기 핸들은 사용자 조작에 의해 상기 제1 구동자에 구동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 수술 로봇용 어댑터.
10. 제7항에 있어서,

    상기 제1 구동부의 타면에 상기 제2 구동부가 장착되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 수술 로봇용 어댑터.
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 로봇 암과, 상기 로봇 암에 장착되며 상기 로봇 암으로부터 구동력을 전달받아 작동되는 인스트루먼트와, 사용자 조작에 의해 상기 인스트루먼트에 구동력을 인가하는 수동조작용 핸들을 포함하는 수술용 로봇을 제어하는 방법으로서,

    소정의 사용자 조작에 의해 생성되는 센싱 신호를 입력받는 단계;

    상기 핸들에 대한 사용자 조작에 따라 상기 인스트루먼트가 구동된 이력 정보를 히스토리(history) 데이터로 저장하는 단계; 및

    저장된 상기 히스토리 데이터에 상응하여 상기 인스트루먼트가 구동되도록, 상기 로봇 암으로부터 전달되는 구동력을 생성하는 단계를 포함하는 수술용 로봇 제어방법.

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