KR101084724B1 - Haptic device of 5 degree of freedoms that parallel style structure and series style structure for remote robot surgical operation are combined - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱장치에 관한 것으로, 원격 로봇 수술용 매니퓰레이터를 조종하는 의사에게 환부에 대한 반력을 전달해 줄 수 있는 힘 반영 햅틱 장치로 다수의 액츄에이터를 조종 시스템의 베이스에 고정하여 텐던 와이어(tendon wire) 구동 메커니즘으로 구동하여 전체적인 구성이 간단하면서 해석이 용이하고, 역구동성을 향상시킬 수 있는 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱장치를 제공하는 데 있다.The present invention relates to a five degree of freedom haptic device combined with a parallel structure and a serial structure for remote robot surgery, a force reflecting haptic device that can transmit the reaction force to the affected area to the doctor manipulating the remote robot surgical manipulator Multiple actuators are secured to the base of the steering system and driven by a tendon wire drive mechanism to simplify the overall configuration, ease of analysis, and improve parallelism with a parallel structure for remote robotic surgery. It is to provide a five degree of freedom haptic device combined with a mold structure.
의료용 로봇, 햅틱, 5자유도, 병렬, 직렬, 수술, 시술 Medical Robot, Haptic, 5 DOF, Parallel, Serial, Surgery, Procedure
Description
본 발명은 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 다수 관절로 이루어진 자유도 의료용 로봇에서 원격 로봇 수술용 매니퓰레이터의 조종으로 원격으로 로봇 수술을 하기 위해서 실시간 제어할 수 있도록 로봇의 구조가 병렬형 구조와 직렬형 구조로 이루어진 5자유도의 햅틱(haptic) 장치 수술로봇이 전-후진, 좌우 꺾임 회전, 상하 꺾임 회전, 회전, Grip이 가능하도록 구성된 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치에 관한 것이다The present invention relates to a five-degree-of-freedom haptic device combined with a parallel structure and a serial structure for remote robot surgery. More specifically, the robot can be remotely controlled by a remote robot surgery manipulator in a multiple degree of freedom medical robot. 5 degrees of haptic device with a parallel structure and a serial structure to enable real-time control of the surgery. The surgical robot is capable of forward-backward, left-right rotation, up-down rotation, rotation, and grip. And a five degree of freedom haptic device combining a parallel structure and a serial structure for remote robotic surgery.
일반적으로 햅틱 장치란 일종의 로봇 매니퓰레이터와 같은 기계적 장치로, 사람과 가상환경과의 상호 작용을 위해 만들어진 것이다.In general, a haptic device is a kind of mechanical device such as a robot manipulator, which is designed for interaction between a human and a virtual environment.
사람은 햅틱 장치를 통해 가상 환경에 있는 탐침(Probe)에 위치 명령을 내리고, 탐침(Probe)은 가상환경 내에서 움직이면서 가상환경과의 상호작용을 통해 발 생하는 촉감이나 힘을 햅틱 장치에 전달하여 조종하는 사람이 그 촉감이나 힘을 느끼게 된다. The human commands the probe in the virtual environment through the haptic device, and the probe moves in the virtual environment and transmits the touch or force generated by the interaction with the virtual environment to the haptic device. The manipulators feel the touch or power.
이러한, 햅틱기술은 수술 시뮬레이터와 원격수술 의료로봇에 사용되어진다. Such haptic technology is used in surgical simulators and telesurgical medical robots.
우선, 수술 시뮬레이터의 경우에는 가상환경 또는 시뮬레이터의 환경에서 수술도구가 환부를 수술하고, 그 수술도구를 햅틱 장치를 이용하여 의사가 조종하게 된다. First, in the case of a surgical simulator, a surgical tool operates the affected part in a virtual environment or a simulator environment, and the surgical tool is controlled by a doctor using a haptic device.
이때, 가상환경 또는 시뮬레이터환경과 수술도구와의 상호작용을 센싱하여 그 힘이나 촉감을 햅틱 장치를 조종하는 의사에게 전달하게 된다. 이러한 시뮬레이터로부터의 힘이나 촉감은 시술의 정확도나 숙련도를 높이는데 도움을 주게 된다. At this time, the interaction between the virtual environment or the simulator environment and the surgical tool is sensed, and the force or touch is transmitted to the doctor who controls the haptic device. The force or touch from these simulators will help to increase the accuracy or skill of the procedure.
또한, 원격수술 의료로봇의 경우에는 햅틱 마스터 조종기에 의해 의사가 원격의 의료로봇을 조종하게 되고 의료로봇은 하나의 슬레이브 로봇이 되어 수술을 수행하게 된다.In addition, in the case of a telesurgical medical robot, a doctor controls a remote medical robot by a haptic master controller and the medical robot becomes a slave robot to perform surgery.
이와 같이, 종래에 개발되어 있는 햅틱 장치는 크게 직렬형구조와 병렬형구조로 나눌 수 있다. As described above, the haptic device developed in the related art can be largely divided into a serial structure and a parallel structure.
우선, 직렬형 구조의 햅틱장치는 필요한 자유도를 구성하기 위해 링크들이 직렬로 연결된 구조를 말한다. 초기 햅틱 장치들은 주로 이러한 직렬형 형태로 개발됐다. 직렬형 햅틱장치는 기구학적으로 각 관절의 위치로부터 최종적인 조작 장치의 위치를 계산하는 정기구학 (Forward Kinematics) 해석이 용이하고 동역학적 해석이 쉽다. First, a haptic device of a serial structure refers to a structure in which links are connected in series to configure a required degree of freedom. Early haptic devices were primarily developed in this serial form. Serial haptic devices are easy to kinematically forward forward kinematics analysis and dynamic analysis from the position of each joint kinematics.
그러나, 링크들이 직렬로 배치되어 내구성이 약하고, 역학적 관성이 크며, 관절 측정 오차들이 위치 해석에 누적되는 단점이 있다. However, there are disadvantages in that links are arranged in series, so that durability is weak, mechanical inertia is large, and joint measurement errors are accumulated in position analysis.
일반적으로 햅틱 장치는 액츄에이터가 차지하는 무게의 비율이 높다. 그런데 일반적인 직렬형 구조의 햅틱 장치는 링크 구조가 움직임에 따라 관절에 부착되어 구동되는 액츄에이터가 함께 이동하게 된다. In general, haptic devices have a high percentage of the weight of the actuator. However, in a typical haptic device having a serial structure, an actuator driven by being attached to a joint moves along with a link structure.
특히, 직렬형 구조의 액츄에이터는 각 관절에 장착된 액츄에이터의 하중으로 인하여 끝단에서 햅틱 마스터를 잡고 구동을 할 때 역학적 관성을 증가시켜서 마스터의 역구동성(Back Drivability)을 저하시키는 단점을 초래한다. 이런 원인으로 정밀도가 떨어진다. In particular, the actuator of the series structure increases the mechanical inertia when driving the haptic master at the end due to the load of the actuator mounted on each joint, resulting in a disadvantage of lowering the back driveability of the master. This causes a drop in precision.
그리고, 병렬형 구조의 햅틱장치는 여러 개의 링크가 병렬로 연결되어 있는 구조적 특징을 지닌다. 대표적인 예로 스튜어트 플랫폼(Stewart Platform) 형태의 병렬형 구조의 햅틱장치가 존재한다. 병렬형 햅틱장치의 역학적 구조 장점은 여러 개의 링크가 병렬 연결됨으로써 힘이 분산되어 내구성이 강하고, 안정된 구조를 가지며, 관절에서 발생하는 오차 누적이 크지 않다는 것이다. In addition, the haptic device having a parallel structure has a structural feature in which several links are connected in parallel. A representative example is a haptic device having a parallel structure in the form of a Stewart platform. The mechanistic structure of the parallel haptic device is that the multiple links are connected in parallel so that the force is distributed, so that the durability is strong, the structure is stable, and the error accumulation in the joint is not large.
또한, 직렬형 구조의 햅틱장치처럼 길게 연결된 구조가 아니므로 물리적 관성도 최소화되는 장점이 있다. 하지만, 정기구학 (Forward Kinematics) 해석에서 단일해가 존재하지 않아 실시간 제어가 어렵고, 특이점(로봇의 자유도가 줄어들어 정상 제어가 불가능한 지점)을 고려해야 하는 기술적 어려움이 있다. 특히 원격으로 로봇수술을 하기위해서는 실시간 제어의 중요성을 고려하였을 때, 병렬형 구조의 한계점이 존재할 수가 있다.In addition, there is an advantage that the physical inertia is also minimized because the structure is not connected long like the haptic device of the serial structure. However, in the forward kinematics analysis, there is no single solution, so it is difficult to control in real time, and there is a technical difficulty in considering singularity (a point where normal control is impossible due to reduced freedom of the robot). Especially, considering the importance of real-time control for remote robot surgery, there may be limitations of parallel structure.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 직렬형 구조의 기구학적 해석 장점과 병렬형구조의 구조적인 장점을 살리기 위해서 직렬형 구조와 병렬형 구조를 통합한 하이브리드형 햅틱 장치를 텐던 와이어(tendon wire) 구동 메커니즘으로 구동하여 전체적인 구성이 간단하면서 해석이 용이하고, 역구동성을 향상시킬 수 있는 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱장치를 제공함을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is a hybrid haptic device integrating a serial structure and a parallel structure in order to take advantage of the kinematic analysis advantages of the serial structure and the structural advantages of the parallel structure. It is a 5 degree of haptic device that combines a parallel structure and a serial structure for remote robot surgery that can be operated by a tendon wire driving mechanism, so that the overall configuration is simple, easy to analyze, and reverse driving can be improved. For the purpose of providing it.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 기저면을 구성하면서 내부에 다수의 액츄에이터와 다수의 큰풀리를 구비한 베이스와; 상기 베이스의 하단에 각 관절에 동력을 전달하는 다수개의 제1,2,3관절 액츄에이터로 구성된 구동부와; 상기 구동부와 연결되면서 베이스의 상단에 고정된 제1관절 구동 큰풀리가 축을 중심으로 상하로 수직하게 결합되면서 각각 제1관절 구동 큰풀리에 제1,2링크가 연결된 제1관절; 및 상기 제1관절 구동 큰풀리의 같은 방향과 반대방향의 회전으로 제1관절이 전,후진으로 구동하는 병렬형 링크부와; 상기 병렬형 링크부에서 제1,2링크가 취합된 구동지지부에 연결되는 것으로 베이스의 내부에 위치하는 제2관절 구동 큰풀리의 구동으로 좌우 꺽임 회전하는 제2관절과; 상기 제2관절에 연결되어 베이스의 내부에 위치하는 제3관절 구동 큰풀리의 구동으로 상하 꺽임 회전방향으 로 구동되는 제3관절과; 상기 제2관절과 제3관절에서 길이방향으로 연장되면서 일측에 축을 기준으로 회전하는 손잡이로 형성된 제4관절로 이루어진 구동 링크부와; 상기 병렬형 링크부의 제1관절과 구동 링크부의 제2,3,4관절이 수평선상으로 일렬로 연결된 구조를 이루는 직렬형 링크부;로 이루어진 구조이다.In order to achieve the above technical problem, the present invention comprises a base having a plurality of actuators and a plurality of large pulleys while constituting the base surface; A drive unit including a plurality of first, second, and three joint actuators which transmit power to each joint at a lower end of the base; A first joint connected to the driving unit and coupled to the first joint driving pulley fixed to an upper end of the base vertically up and down about an axis, the first joint connecting first and second links to the first joint driving pulley; And a parallel link unit configured to drive the first joint forward and backward by rotation of the first joint driving pulley in the same direction and in the opposite direction; A second joint which is connected to a driving support unit in which the first and second links are assembled in the parallel link unit and rotates left and right by a second joint driving large pulley positioned inside the base; A third joint connected to the second joint and driven in a vertical rotation direction by driving of a third joint driving pulley positioned inside the base; A driving link part formed of a fourth joint formed of a handle extending in a length direction from one side of the second joint and a third joint and rotating about an axis; The first link of the parallel link unit and the second, 3, 4 joints of the drive link unit is a series link portion forming a structure connected in a line on a horizontal line;
상기 병렬형 링크부의 제1관절은 병렬형 구조의 마름모꼴 형태로 전,후진 구동을 하는 장치로 2개가 상하로 결합된 제1관절 구동 큰풀리에 각각의 제1,2링크가 하나씩 연결되어 있고, 축을 중심으로 제1관절 구동 큰풀리가 서로 반대방향으로 회전하면서 구동하게 되면 병렬형 구조의 제1,2링크 사이각 크기가 변화하면서 전,후진 이동을 하게 되는 것을 포함함을 하게 되는 구조이다.The first joint of the parallel link unit is a device of driving forward and backward in a rhombic shape having a parallel structure, and each of the first and second links is connected to the first joint driving pulley, in which two are coupled up and down, one by one. When the first joint driving large pulley is driven while rotating in the opposite direction about the axis, the first joint and the second pulley are configured to include forward and backward movement while the size of each of the first and second links of the parallel structure is changed.
그리고, 상기 제2관절의 좌우 꺽임 회전은 구동부의 제2관절 액츄에이터의 구동에 의해 베이스의 내부에 위치하는 제2관절 구동 큰풀리에서 각각 와이어가 좌우 방향으로 나누어 병렬형 링크부의 제1링크와 제2링크의 내부로 연이어져 제2관절의 작은 풀리에 연결되는 것으로 구동부의 제2관절 액츄에이터의 구동에 의해 제2관절 구동 큰풀리가 구동되어 제2관절이 좌우 회전을 하는 구조이다.In addition, the left and right bending rotation of the second joint is the first link and the first link and the parallel link portion is divided in the left and right directions in the second joint drive large pulley located inside the base by the drive of the second joint actuator of the drive unit It is connected to the small pulley of the second joint connected to the inside of the two links, the second joint driving large pulley is driven by the drive of the second joint actuator of the drive unit is a structure in which the second joint rotates left and right.
또한, 상기 제3관절의 상하 꺽임 회전은 제2관절의 작은 풀리에 방향변화를 가이드하는 가이드 풀리가 연결된 것으로 구동부의 제3관절 액츄에이터의 구동에 의해 제3관절 구동 큰풀리가 구동되어 제2관절이 좌우 회전을 하는 것을 가이드 풀리가 상하 꺽임 회전으로 변경하여 제3관절이 상하 꺽임 회전하는 구조이다.In addition, the vertical bending of the third joint is connected to the guide pulley for guiding the change of direction to the small pulley of the second joint, and the third joint driving large pulley is driven by the driving of the third joint actuator of the driving unit. The left and right rotations of the guide pulley are changed to the up-down bending rotation, and the third joint is up-down bending rotation.
아울러, 상기 제4관절은 관절 안에 축 방향으로 회전액츄에이터를 직접 장착하여 축을 기준으로 한 회전 구동이 이루어진 구조이다.In addition, the fourth joint has a structure in which a rotational actuator is driven about an axis by directly mounting a rotational actuator in the axial direction in the joint.
마지막으로 상기 제4관절에 Grip용으로 집게를 끝단에 고정하여 위치 값을 센서를 통하여 5자유도 구동이 가능한 구조를 이루는 것이다.Finally, the tongs are fixed to the end of the fourth joint for the grip to form a structure capable of driving 5 degrees of freedom through the sensor.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 5자유도 햅틱 장치는 원격 로봇 수술용 매니퓰레이터를 조종하는 의사에게 환부에 대한 반력을 전달해 줄 수 있는 힘 반영 햅틱 장치로 다수의 액츄에이터를 조종 시스템의 베이스에 고정하여 텐던 와이어 구동 메커니즘으로 구동하여 전체적인 구성이 간단하면서 해석이 용이하고, 역구동성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention as described above, the 5-degree of freedom haptic device is a force reflecting haptic device that can transmit a reaction force to the affected part to the doctor manipulating the remote robotic surgical manipulator by fixing a plurality of actuators to the base of the steering system Driven by a wire drive mechanism, the overall configuration is simple, easy to analyze, there is an effect that can improve the reverse drive.
그리고, 상기 햅틱장치는 병렬형 링크부와 직렬형 링크부의 통합을 통하여 관절 처짐에 의한 측정오차를 줄일 수 있고, 특이점 발생의 한계를 벗어날 수 있다. 이는 정밀한 제어를 요구하는 의료로봇의 특성을 감안 할 때 상당히 유리한 조건을 가질 수 있는 기반이 되어 지는 효과가 있다.In addition, the haptic device can reduce the measurement error due to the deflection of the joint through the integration of the parallel link unit and the serial link unit, and can escape the limitation of the singular point generation. This has the effect of being a very favorable condition given the characteristics of medical robots requiring precise control.
이같이, 5자유도 햅틱자유도는 전-후진, 좌-우 꺽임 회전, 상-하 꺽임 회전, 링크 축을 중심으로 하는 회전, 링크 끝단에 집게(Grip) 구조를 장착하여 수술로봇 엔드 이펙터(End-Effector)의 수술용 집게 구동이 가능하다. As such, the 5 degree of freedom haptic degree of freedom is a forward-reverse, left-right bending rotation, up-down bending rotation, rotation about the link axis, and a grip structure attached to the end of the link. Surgical forceps can be driven.
이러한, 힘 반영 효율성과 역구동성이 높은 새로운 구조의 5자유도 햅틱장치는 원격 로봇 수술용 매니퓰레이터의 조종기 및 다른 작업의 매니퓰레이터 조종기로 활용 될 수 있다. Such a five-degree of freedom haptic device having a high force reflection efficiency and high reverse driving force can be used as a manipulator controller for a remote robotic manipulator and a manipulator controller for other tasks.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기저면을 구성하면서 내부에 다수의 액츄에이터와 다수의 큰풀리를 구비한 베이스와;The present invention for achieving the above object comprises a base having a plurality of actuators and a plurality of large pulleys therein while the base surface;
상기 베이스의 하단에 각 관절에 동력을 전달하는 다수개의 제1,2,3관절 액츄에이터로 구성된 구동부와;A drive unit including a plurality of first, second, and three joint actuators which transmit power to each joint at a lower end of the base;
상기 구동부와 연결되면서 베이스의 상단에 고정된 제1관절 구동 큰풀리가 축을 중심으로 상하로 수직하게 결합되면서 각각 제1관절 구동 큰풀리에 제1,2링크가 연결된 제1관절; 및A first joint connected to the driving unit and coupled to the first joint driving pulley fixed to an upper end of the base vertically up and down about an axis, the first joint connecting first and second links to the first joint driving pulley; And
상기 제1관절 구동 큰풀리의 같은 방향과 반대방향의 회전으로 제1관절이 전,후진으로 구동하는 병렬형 링크부와;A parallel link unit configured to drive the first joint forward and backward by rotation of the first joint driving pulley in the same direction and in the opposite direction;
상기 병렬형 링크부에서 제1,2링크가 취합된 구동지지부에 연결되는 것으로 베이스의 내부에 위치하는 제2관절 구동 큰풀리의 구동으로 좌우 꺽임 회전하는 제2관절과;A second joint which is connected to a driving support unit in which the first and second links are assembled in the parallel link unit and rotates left and right by a second joint driving large pulley positioned inside the base;
상기 제2관절에 연결되어 베이스의 내부에 위치하는 제3관절 구동 큰풀리의 구동으로 상하 꺽임 회전방향으로 구동되는 제3관절과;A third joint connected to the second joint and driven in a vertical rotation direction by driving of a third joint driving pulley positioned inside the base;
상기 제2관절과 제3관절에서 길이방향으로 연장되면서 일측에 축을 기준으로 회전하는 손잡이로 형성된 제4관절로 이루어진 구동 링크부와;A driving link part formed of a fourth joint formed of a handle extending in a length direction from one side of the second joint and a third joint and rotating about an axis;
상기 병렬형 링크부의 제1관절과 구동 링크부의 제2,3,4관절이 수평선상으로 일렬로 연결된 구조를 이루는 직렬형 링크부;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치를 제공함으로써 달성하였다.And a serial link unit forming a structure in which the first joint of the parallel link unit and the second, 3, and 4 joints of the driving link unit are connected in a line on a horizontal line. It was achieved by providing a five degree of freedom haptic device with a mold structure.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention, they can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be various equivalents and variations.
도 1은 본 발명에 따른 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치의 정면 손잡이 측을 나타낸 도면이며, 도 2는 본 발명에 따른 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치의 후면측을 나타낸 도면이다.1 is a view showing the front handle side of the haptic device of 5 degrees of freedom combined with a parallel structure and a serial structure for remote robot surgery according to the present invention, Figure 2 is a parallel type for remote robot surgery according to the present invention Figure 5 shows the rear side of a five degree of freedom haptic device combined with a tandem structure.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 링크부(130) 구조와 직렬형 링크부(190) 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치(200)는 원격 로봇 수술용 매니퓰레이터의 조종에 있어서 매니퓰레이터를 조종하는 의사에게 환부에 대한 반력을 전달해 줄 수 있는 힘 반향 조종 시스템이며, 다수의 액츄에이터를 조종 시스템의 베이스에 고정하여 텐던 와이어(tendon wire) 구동 메커 니즘으로 구동하여 전체적인 구성이 간단하며 해석이 용이하고 역구동성을 향상시킬 수 있는 5자유도의 햅틱 장치(200)에 관한 것이다.As shown, the 5 degree of freedom
이러한, 상기 햅틱 장치(200)는 일종의 로봇 매니퓰레이터와 같은 기계적 장치로, 사람과 가상환경과의 상호 작용을 위해 고안된 것으로 사람은 햅틱 장치(200)를 통해 도 7에 도시한 바와 같이 가상 환경에 있는 Probe(탐침)(300)의 위치를 탐지하여 햅틱 장치(200)에 의해 위치 명령을 내리고, Probe(탐침)(300)은 가상환경 내에서 움직이면서 가상환경과의 상호작용을 통해 발생하는 촉감이나 힘을 햅틱 장치(200)에 전달하여 조종하는 사람이 그 촉감이나 힘을 느끼게 되는 것이다.The
이같은, 햅틱기술은 수술시뮬레이터와 원격수술 의료로봇에 사용되어진다. Such haptic technology is used in surgical simulators and telesurgical medical robots.
아울러, 본 발명의 상기 햅틱 장치(200)는 기저면을 구성하면서 내부에 다수의 제1,2,3관절 액츄에이터(112)(114)(116)와 다수의 제1,2,3관절 구동 큰풀리(122)(152)(162)를 구비한 베이스(101)가 구성되어 상기 베이스(101)의 하단에 각 관절에 동력을 전달하는 다수개의 제1,2,3관절 액츄에이터(112)(114)(116)와 제1,2,3관절 구동 큰풀리(122)(152)(162)로 구성된 구동부(110)가 형성된다.In addition, the
상기 구동부(110)와 연결되면서 베이스(101)의 상단에 고정된 제1관절 구동 큰풀리(122)가 축을 중심으로 상하로 수직하게 결합되고, 각각 제1관절 구동 큰풀리(122)에 제1,2링크(122)(124)가 연결된 제1관절(120)로 구성된 병렬형 링크부(130)는 상기 제1관절 구동 큰풀리(122)의 같은 방향과 반대방향의 회전으로 제1관절(120)은 수평방향으로 전, 후진 구동하게 된다.The first joint driving
상기 병렬형 링크부(130)의 제1,2링크(122)(124)가 취합되는 구동지지부(140)에서 연결된 좌우 꺽임 회전하는 제2관절(150)과 상하 꺽임 회전방향으로 구동되는 제3관절(160)이 길이방향으로 연장되면서 일측에 축을 기준으로 회전하는 손잡이의 제4관절(170)로 이루어진 구동 링크부(180)가 구성된다.The third joint driven in the vertical rotation direction and the second joint 150, which rotates left and right, connected by the driving
이러한, 상기 병렬형 링크부(130)의 제1관절(120)과 구동 링크부(180)의 제2,3,4관절(120)(160)(170)이 수평선상으로 일렬로 연결된 구조인 직렬형 링크부(190)가 이루어지는 것이다.The
이같이, 상기 병렬형 링크부(130)의 제1관절(120)은 병렬형 구조의 마름모꼴 형태로 전,후진 구동하는 장치로 상하 2개가 결합된 제1관절 구동 큰풀리(122)에 각각의 제1,2링크(124)(126)가 하나씩 연결되어 있는 것이다. As such, the
여기서, 상기 제1관절(120)의 제1,2링크(124)(126)는 'ㄱ'자 형상으로 가운데에 작은 풀리(102)를 형성하여 절접식으로 각도가 조절되는 것이다.Here, the first and
이러한, 병렬형 링크부(130)의 제1관절에 구성된 제1,2링크(124)(126)는 일측이 제1관절 구동 큰풀리(122)에 상하로 나누어 결합되면서 타측에는 두개의 작은 풀리(102)를 양측에 구성한 구동지지부(140)에 각각 양측에 고정되는 것이다.The first and
그리고, 상기 구동지지부(140)의 상단에는 고정지지대(125)에 가이드바(128)가 고정된다.The
상기 가이드바(128)는 베이스(101)의 상단에 놓여진 고정체(127)와 결합되어 고정체(127)에서 가이드바(128)가 전후측으로 슬라이딩되는 것이다.The
즉, 상기 가이드바(128)와 고정체(127)로 이루어진 가이드 링크(129)는 베이 스(101)의 상단에 위치한 고정체(127)에서 슬라이딩되는 가이드바(128)로 구성되면서 상기 가이드바(128)가 제1,2링크(124)(126)를 취합시킨 구동지지부(140)의 상단에 고정지지대(125)로 연결된 것이다.That is, the
이러한, 상기 가이드 링크(129)는 상하 2개가 결합된 제1관절 구동 큰풀리(122)가 같은 방향으로 회전하여 병렬형 구조의 제1,2링크(124)(126)가 좌우로 회전 시 흔들리는 현상을 막아주게 되고, 상기 제1,2링크(124)(126)가 전,후진 구동에 있어서의 정확성을 높여주는 것이다.The guide link 129 swings when the first joint driving
아울러, 도 3은 본 발명에 따른 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치의 제1관절에 의해 후진하는 것을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치의 제1관절에 의해 전진하는 것을 나타낸 도면이다.In addition, Figure 3 is a view showing the backward by the first joint of the haptic device of 5 degrees of freedom combined with a parallel structure and a serial structure for remote robot surgery according to the present invention, Figure 4 is a remote according to the present invention It is a diagram showing the advancement by the first joint of the five degree of freedom haptic device combined with a parallel structure and a serial structure for robot surgery.
상기 도면에 도시된 바와 같이, 베이스(101)에 고정되는 제1관절 구동 큰풀리(122)는 제1관절 액츄에이터(112)에 의해 구동되는 축을 중심으로 2개가 결합된제1관절 구동 큰풀리(122)가 서로 반대방향으로 회전하면서 구동하게 되면 병렬형 구조의 제1,2 링크(124)(126) 사이각 크기가 변화하면서 전,후진 이동을 하게 되는 것이다.As shown in the figure, the first joint driving
여기서, 상기 베이스(101)에 고정되어 상하로 나누어진 제1관절 구동 큰풀리(122)는 상하로 이루어진 2개의 큰 풀리가 항상 반대 방향의 회전에 의해 제1관절(120)이 전,후진을 가능하게 한다.Here, the first joint driving
즉, 상기 제1관절 구동 큰풀리(122)는 소정의 범위안에서 회전하는 것으로 상기 제1관절 구동 큰풀리(122)는 같은 방향으로 회전하는 현상을 방지하기 위해서 베이스(101)에 축을 중심으로 각각 고정되어 있고, 제1관절 구동 큰풀리(122) 구조의 제1,2링크(124)(126)가 전,후진 구동하는 동안은 베이스(101) 상단에 위치한 가이드 링크(129)를 따라서 전,후진 이동하는 것이다.That is, the first joint driving
이같이, 병렬형 링크부(130)의 구조는 마름모꼴 형태로 전,후진 구동을 하는 장치로 제1관절 구동 큰풀리(122)에 각각의 제1,2링크(124)(126)가 하나씩 연결되어 있고, 2개가 결합된 제1관절 구동 큰풀리(122)는 서로 반대방향으로 회전하면서 구동하게 되면 이때 병렬형 구조의 제1,2링크(124)(126) 사이각 크기가 변화하면서 전,후진 이동을 하게 된다. As such, the structure of the
그리고, 전,후진을 일으키는 제1관절 구동 큰풀리(122), 제1,2링크(124)(126)와 구동지지부(140)가 병렬형 연결됨으로써 힘이 분산되어서 구조적으로 내구성과 정밀도를 강화시켜주어 안정된 구조를 가지며, 물리적인 관성도 줄여주는 역할을 하게 된다. In addition, the first joint driving
아울러, 도 5는 본 발명에 따른 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치의 제2,3관절이 좌우, 상하 움직임을 나타낸 도면이다.In addition, Figure 5 is a view showing the left and right, vertical movement of the second and third joints of the five degree of freedom haptic device combined with a parallel structure and a serial structure for remote robot surgery according to the present invention.
상기 도면에 도시된 바와 같이, 상기 제1,2링크(124)(126)가 취합되는 구동지지부(140)에 연결되어 좌우 꺽임 회전하는 구동 링크부(180)의 제2관절(150)은 제2관절 액츄에이터(114)에 의해 구동되는 제2관절 구동 큰풀리(152)에서 각각 와이어(154)가 좌우 방향으로 나누어 병렬형 링크부(130)의 제1링크(124)와 제2 링크(126)의 내부로 연이어져 제2관절(150)의 작은 풀리(102)에 연결되는 것으로 구동부(110)의 제2관절 액츄에이터(114)에 의해 제2관절 구동 큰풀리(152)가 구동되어 제2관절(150)이 좌우회전을 하는 것이다.As shown in the figure, the
그리고, 구동 링크부(180)의 상하 꺽임 회전방향으로 구동되는 제3관절(160)은 제2관절(150)의 작은 풀리(102)에 방향변화를 가이드하는 가이드 풀리(162)가 연결된 것으로 구동부(110)의 제3관절 액츄에이터(160)에 의해 제3관절 구동 큰풀리(162)가 구동되어 제2관절(150)이 좌우회전을 하는 것을 가이드 풀리(162)가 상하 꺽임 회전으로 변경하여 제3관절(160)이 상하 꺽임 회전하는 것이다.In addition, the third joint 160 driven in the vertical rotation direction of the driving
이때, 상기 제2관절(150)과 제3관절(160)의 구동을 위해 병렬형 링크부(130) 구조의 제1,2링크(124)(126) 안으로 와이어(154)를 연결하여 각 관절에 고정된 작은 풀리(102)에 와이어(154)를 고정하여 구동한다. At this time, each of the joints by connecting
여기서, 베이스(101) 상에 존재하는 다수의 제1,2,3관절 구동 큰풀리(122)(152)(162)와 제1,2,3관절(120)(150)(160)에 존재하여 회전을 하는 작은 풀리(102)는 1:n(n≥1) 의 비율로 구성되어 정밀 제어가 가능한 것이다.Here, the plurality of first, second and third joint driving
상기 제3관절(160)의 구동방향은 상하 꺽임 회전인데 이를 좌우 방향으로 와이어(154)를 당겨서 구동하기 위해서 제2관절(150)과 제3관절(160)사이의 링크에 방향변화를 가이드 해줄 수 있는 가이드 풀리(162)의 각도를 주어서 구성하였다. The driving direction of the third joint 160 is the up and down bending rotation to guide the change of direction to the link between the second joint 150 and the third joint 160 to drive the
그리고, 물리적으로 발생할 수 있는 관성의 발생을 최소화하기위해서 제1,2,3,4관절(120)(150)(160)(170)의 길이를 최소화하였다. In addition, the lengths of the first, second, third, and
또한, 상기 제3관절(160)에서 연장되는 제4관절(170)은 내부에 회전하는 축 을 구성하여 축을 기준으로 회전하게 된다.In addition, the fourth joint 170 extending from the third joint 160 is configured to rotate on the axis by configuring an axis to rotate therein.
상기 제4관절(170)은 관절 안에 축 방향으로 회전액츄에이터(172)를 직접 장착하여 축을 기준으로 한 회전 구동을 가능하게 하였다.The fourth joint 170 was mounted directly to the
아울러, 도 6에 도시한 바와 같이 상기 제4관절(170)에 Grip용으로 집게(174)를 끝단에 고정하여 사용자가 집게(174)와 제4관절(170)을 이용하여 제1,2,3,4관절(120)(150)(160)(170)이 좌우,상하, 회전으로 의료시술로봇이 원격조정되는 것이다.In addition, as shown in Figure 6 by fixing the
즉, 상기 제4관절(170)에 집게(174)를 구성하여, 손잡이 역활인 제4관절(170)을 사용자가 회전, 좌우, 전후진을 조정함에 원결 시술 로봇을 조정하여 시술을 하는 것이다.That is, by configuring the
상기 제4관절(170)에 Grip용으로 집게(174)를 끝단에 고정하여 위치 값을 센서를 통하여 얻을 수 있어서 5자유도 구동이 가능하도록 하는 것이다.The
상기 집게(174)는 액츄에디터에 연결되지 않고, 입력센서(encoder)만을 장착하여 force-feedback을 받지 않고 가위같이 집게의 회전값으로 입력 값만을 받게 된다.The
이같이, 병렬형 링크부(130)의 제1관절(120)과 구동 링크부(180)의 제2,3,4관절(150)(160)(170)이 수평선상으로 일렬로 연결된 구조를 이루는 직렬형 링크부(190)를 구성하게 되는 것이다.As such, the
상기 직렬형 링크부(190)의 구조는 필요한 자유도를 구성하기 위해서 제1,2,3,4관절(120)(150)(160)(170)들이 직렬로 연결된 구조이다.The structure of the
이러한, 직렬형 링크부(190)는 각 제1,2,3,4관절(120)(150)(160)(170)의 길이를 최소화하고, 텐던 와이어(tendon wire) 구동 메커니즘을 사용하여 각 모든 제1,2,3,4관절(120)(150)(160)(170)의 무게를 줄임으로써 햅틱 장치(200)의 집게(174) 부분에서의 발생되는 관성을 작게 하였고, 병렬형으로 연결된 앞부분의 제2,3,4관절(150)(160)(170)을 통하여 내구성이 향상 되어 안정적인 구조를 가진다.The
상기 햅틱 장치(200)의 텐던 와이어(tendon wire) 구동 메커니즘을 통한 병렬형 링크부(130) 구조와 직렬형 링크부(190) 구조가 결합된 하이브리드형 구조의 햅틱 장치(200)를 이용하게 되면 의료용으로 적용하기가 용이하다When using the
즉, 축을 기준으로 하는 마지막의 회전 구동을 위한 회전액츄에이터(172)를 제외한 모든 액츄에이터를 베이스(101)에 장착하여 와이어(154)를 통한 구동을 함으로써 자유단에서 기구를 이동할 때 역학적 관성을 최소화하는 방식인 것이다.That is, all the actuators except for the
또한, 본 발명의 햅틱 장치(200)는 기구학적으로 단순화 하여 각 제1,2,3,4관절(120)(150)(160)(170)의 위치로부터 최종적은 조작 장치의 위치를 계산하는 정기구학 해석을 하기가 용이하고, 동역학적 해석이 쉽다. 병렬형 링크부(130)와 직렬형 링크부(190)의 통합을 통하여 관절 측정오차를 줄일 수 있고, 특이점 발생의 한계를 벗어날 수 있다. 이는 정밀한 제어를 요구하는 의료로봇의 특성을 감안 할 때 상당히 유리한 조건을 가질 수 있는 기반이 되어 진다.In addition, the
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention and the following by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
도 1은 본 발명에 따른 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치의 정면 손잡이 측을 나타낸 도면.1 is a view showing the front handle side of a five degree of freedom haptic device combined with a parallel structure and a serial structure for remote robot surgery according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치의 후면측을 나타낸 도면.Figure 2 is a view showing the rear side of the five degree of freedom haptic device combined with a parallel structure and a serial structure for remote robot surgery according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치의 제1관절에 의해 후진하는 것을 나타낸 도면.Figure 3 is a view showing the backward movement by the first joint of the five degree of freedom haptic device combined with a parallel structure and a serial structure for remote robot surgery according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치의 제1관절에 의해 전진하는 것을 나타낸 도면.Figure 4 is a diagram showing the advance by the first joint of the five degree of freedom haptic device combined with a parallel structure and a serial structure for remote robot surgery according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치의 제2,3관절이 좌우, 상하 움직임을 나타낸 도면.5 is a view showing the left and right, vertical movement of the second and third joints of the 5 degree of haptic device combined with a parallel structure and a serial structure for remote robot surgery according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치의 제4관절에 집게를 부착한 것을 나타낸 도면.Figure 6 is a view showing the attachment of the forceps to the fourth joint of the haptic device of 5 degrees of freedom combined with a parallel structure and a serial structure for remote robot surgery according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치를 이용한 가상환경에서의 탐침(Probe)이 조작되는 시뮬레이터를 나타내는 도면. FIG. 7 is a view illustrating a simulator in which a probe is manipulated in a virtual environment using a 5 degree of freedom haptic device in which a parallel structure and a serial structure for remote robot surgery according to the present invention are combined.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
101:베이스 102:작은 풀리101: base 102: small pulley
110:구동부 112:제1관절 액츄에이터110: drive unit 112: the first joint actuator
114:제2관절 액츄에이터 116:제3관절 액츄에이터114: second joint actuator 116: third joint actuator
120:제1관절 122:제1관절 구동 큰풀리120: first joint 122: first joint drive large pulley
124:제1링크 125:고정지지대124: first link 125: fixed support
126:제2링크 127:고정체126: second link 127: fixed body
128:가이드바 129:가이드 링크128: Guide bar 129: Guide link
130:병렬형 링크부 140:구동지지부130: parallel link portion 140: driving support portion
150:제2관절 152:제2관절 구동 큰풀리150: second joint 152: second joint driving large pulley
154:와이어 160:제3관절154: wire 160: the third joint
162:제3관절 구동 큰풀리 170:제4관절162: drive joint 3 pulley 170: joint 4
172:회전 액츄에이터 174:집게172: rotary actuator 174: tongs
180:구동 링크부 190:직렬형 링크부180: drive link portion 190: serial link portion
200:햅틱 장치 300:탐침200: haptic device 300: probe
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Legal Events
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
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