KR101184978B1 - 수술용 로봇의 마스터 디바이스 및 이를 포함하는 수술용 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 마스터 디바이스는, 일렬로 이격 배열되는 복수 개의 마스터 실린더와, 상기 복수 개의 마스터 실린더에 끼워지는 마스터 탄성체와, 일단이 하나 이상의 마스터 실린더를 관통하도록 장착되는 둘 이상의 마스터 와이어와, 상기 마스터 와이어의 타측이 감겨져 상기 마스터 와이어가 당겨짐에 따라 회전되는 마스터 휠과, 상기 마스터 휠의 회전각을 감지하여 신호를 발생시키는 마스터 엔코더를 포함하여 구성된다. 또한 본 발명에 의한 수술용 로봇은, 상기와 같이 구성되는 마스터 디바이스와, 상기 마스터 엔코더에서 발생된 신호를 전달받아 동작을 수행하는 슬레이브 디바이스를 포함하여 구성된다. 본 발명에 의한 마스터 디바이스를 이용하면 다양한 방향으로의 굽힘 신호를 발생시킬 수 있으므로 슬레이브 디바이스를 다양한 형태로 동작시킬 수 있다. 또한 본 발명에 의한 수술용 로봇은 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스의 기구적 구조가 동일하므로, 직관적인 조작이 가능해지며 슬레이브 디바이스를 보다 세밀하고 다양하게 동작시킬 수 있다는 장점이 있다.

Description

수술용 로봇의 마스터 디바이스 및 이를 포함하는 수술용 로봇 {Master device for surgery robot and surgery robot having the same}

본 발명은 수술용 로봇의 슬레이브 디바이스를 조작하기 위한 마스터 디바이스 및 이를 포함하는 수술용 로봇에 관한 것으로, 더 상세하게는 직관적인 조작이 가능한 마스터 디바이스와, 슬레이브 디바이스와 마스터 디바이스가 동일한 기구학적 구조를 갖도록 구성되어 슬레이브 디바이스를 보다 정밀하게 조정할 수 있는 수술용 로봇에 관한 것이다.

의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기계를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다. 이러한 수술 중 개복수술은 복강이나 안면의 피부(skin)를 갈라서 열고 그 내부에 있는 기관등을 치료, 성형하거나 제거하는 수술에 해당한다. 특히, 개복수술 등을 시술할 때에는, 피부를 절개하여 들어 올림으로써 피부와 조직 사이에 소정의 공간이 형성되도록 한 후, 그 공간을 통해 수술 행위를 수행하게 된다. 따라서 개복수술은 상처가 많이 나기 때문에 수술 후 치유가 더디다는 문제점이 있는바, 현재 복강경 수술이 주목받고 있다. 일반적으로 복강경 수술은 환자의 복부에 작은 구멍을 뚫은 후 이 구멍을 통해 복강의 수술부위를 관찰하면서 수술하는 방식으로, 담낭제거술, 충수돌기 절제술, 위절제술, 대장절제술 등의 외과 수술과 비뇨기과 및 산부인과 영역등에서도 널리 이용되고 있다. 이는 신체의 내부기관을 화상 진단하는 장비로서 통상적으로 소형 카메라가 형성된 기기로 신체, 내부기관에 삽입하여 소형카메라 등으로부터 검출된 화상정보를 외부에 설치된 모니터를 통해서 관찰 할 수 있게 되어 있다. 또한, 최근 환자에게 접근하기 어려운 환경, 예를 들면, 전장, 우주선, 전문 의료진의 접근 불능 등의 환경에서 원격 수술 시스템을 이용하여 원격수술이 수행되고 있다.

상기와 같은 복강경 수술 및 원격수술을 하기 위해서는 원격조종이 가능한 수술용 로봇이 활용된다. 상기 수술용 로봇은, 실제로 수술을 수행하는 슬레이브 디바이스와, 상기 슬레이브 디바이스를 조종하기 위한 마스터 디바이스로 구성되며, 시술자는 마스터 디바이스를 조작함으로써 슬레이브 디바이스의 동작을 제어하게 된다.

이때, 슬레이브 디바이스는 사람의 신체 내부로 인입될 수 있도록 가늘고 길면서 다수개의 관절을 갖도록 구성되고, 마스터 디바이스는 방향 제어를 위한 조이스틱과 동작 제어를 위한 버튼 등으로 구성되는 것이 일반적이다. 따라서 시술자는 조이스틱과 버튼 등을 적절히 조작하여 슬레이브 디바이스가 자신이 원하는 동작을 수행하도록 조종을 하게 되는데, 이때 슬레이브 디바이스가 얼마나 정확한 동작을 하는지는 시술자의 숙련도에 따라 크게 좌우된다는 특성이 있다.

그러나 현재까지 개발되어 있는 수술용 로봇에 포함되는 슬레이브 디바이스는 조이스틱과 버튼 등으로 구성되어 있으므로, 3차원적인 경로를 따라 슬레이브를 이동시키거나 움직이게 하는데 많은 어려움이 있다는 단점이 있다. 즉, 슬레이브 디바이스를 자유롭게 조종하기 위해서는 높은 숙련도가 요구되고, 마스터 디바이스를 자유롭게 조작하기까지는 많은 수련 시간이 필요하다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 슬레이브 디바이스와 기구적 구조가 동일하여 직관적인 조작이 가능하고 숙련도에 크게 관계없이 보다 정확한 동작신호를 발생시킬 수 있도록 구성되는 마스터 디바이스와, 이를 구비하는 수술용 로봇을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 마스터 디바이스는, 일렬로 이격 배열되는 복수 개의 마스터 실린더; 상기 복수 개의 마스터 실린더에 끼워지는 마스터 탄성체; 일단이 하나 이상의 마스터 실린더를 관통하도록 장착되는 둘 이상의 마스터 와이어; 상기 마스터 와이어의 타측이 감겨져 상기 마스터 와이어가 당겨짐에 따라 회전되는 마스터 휠; 상기 마스터 휠의 회전각을 감지하여 신호를 발생시키는 마스터 엔코더;를 포함하여 구성된다.

상기 마스터 와이어는 상기 마스터 탄성체의 종방향 중심축을 중심으로 대칭을 이루도록 쌍으로 구비되며, 상기 한 쌍의 마스터 와이어는 하나의 마스터 휠에 반대 방향으로 감겨진다.

상기 마스터 탄성체는, 일측이 하나 이상의 마스터 실린더를 관통하고, 타측이 상기 마스터 휠과 일체로 고정된다.

상기 마스터 실린더는 상기 마스터 탄성체의 일측이 순차적으로 관통하는 하나 이상의 제1 마스터 실린더와 하나 이상의 제2 마스터 실린더를 포함하고, 상기 마스터 와이어는, 일측이 상기 제1 마스터 실린더에 결합되고 타측이 어느 하나의 마스터 휠에 감기는 제1 마스터 와이어와, 일측이 상기 제1 마스터 실린더를 관통한 후 제2 마스터 실린더에 결합되고 타측이 다른 하나의 마스터 휠에 감기는 제2 마스터 와이어를 포함한다.

상기 제1 마스터 실린더와 제2 마스터 실린더는 각각 둘 이상 구비되고, 상기 제1 마스터 와이어는 일단이 최선단 제1 마스터 실린더에 결합되고 후단이 나머지 제1 마스터 실린더는 관통한 후 어느 하나의 마스터 휠에 감기며, 상기 제2 마스터 와이어는 일단이 최선단 제2 마스터 실린더에 결합되고 후단이 나머지 제2 마스터 실린더와 모든 제1 마스터 실린더를 관통한 후 다른 하나의 마스터 휠에 감긴다.

상기 제1 마스터 와이어와 제2 마스터 와이어는 각각 두 쌍 이상 구비되되 상기 마스터 탄성체의 종방향 중심축을 중심으로 방사형으로 배열된다.

본 발명에 의한 수술용 로봇은, 상기와 같이 구성되는 마스터 디바이스; 상기 마스터 엔코더에서 발생된 신호를 전달받아 동작을 수행하는 슬레이브 디바이스;를 포함하여 구성된다.

상기 슬레이브 디바이스는, 일렬로 이격 배열되는 복수 개의 슬레이브 실린더; 상기 복수 개의 슬레이브 실린더에 끼워지는 슬레이브 탄성체; 일단이 하나 이상의 슬레이브 실린더를 관통하도록 장착되는 둘 이상의 슬레이브 와이어; 상기 슬레이브 와이어의 타측이 감겨져 회전 시 하나 이상의 슬레이브 와이어를 당기는 슬레이브 휠; 상기 슬레이브 휠을 회전시키는 구동모터; 상기 마스터 엔코더에서 발생된 신호를 전달받아 상기 구동모터를 구동시키는 제어부;를 포함하여 구성된다.

상기 마스터 와이어와 슬레이브 와이어는 1:1로 매칭되도록 개수 및 배열형상이 동일하게 구성되고, 상기 마스터 휠과 슬레이브 휠은 1:1로 매칭되도록 동일한 개수로 구비되며, 상기 제어부는 어느 하나의 마스터 휠이 회전될 때 이와 매칭되는 슬레이브 휠이 회전되도록 구동모터를 구동시킨다.

상기 제어부는, 어느 하나의 마스터 휠이 회전될 때 이와 매칭되는 슬레이브 휠이 사전에 설정된 비율에 따라 회전되도록 상기 구동모터를 구동시킨다.

상기 슬레이브 와이어는 상기 슬레이브 탄성체의 종방향 중심축을 중심으로 대칭을 이루도록 쌍으로 구비되며, 상기 한 쌍의 슬레이브 와이어는 하나의 슬레이브 휠에 반대 방향으로 감겨진다.

상기 슬레이브 탄성체는, 일측이 하나 이상의 슬레이브 실린더를 관통하고, 타측이 상기 슬레이브 휠과 일체로 고정된다.

상기 슬레이브 실린더는 상기 슬레이브 탄성체의 일측이 순차적으로 관통하는 하나 이상의 제1 슬레이브 실린더와 하나 이상의 제2 슬레이브 실린더를 포함하고, 상기 슬레이브 와이어는, 일측이 상기 제1 슬레이브 실린더에 결합되고 타측이 어느 하나의 슬레이브 휠에 감기는 제1 슬레이브 와이어와, 일측이 상기 제1 슬레이브 실린더를 관통한 후 제2 슬레이브 실린더에 결합되고 타측이 다른 하나의 슬레이브 휠에 감기는 제2 슬레이브 와이어를 포함한다.

상기 제1 슬레이브 실린더와 제2 슬레이브 실린더는 각각 둘 이상 구비되고, 상기 제1 슬레이브 와이어는 일단이 최선단 제1 슬레이브 실린더에 결합되고 후단이 나머지 제1 슬레이브 실린더는 관통한 후 어느 하나의 슬레이브 휠에 감기며, 상기 제2 슬레이브 와이어는 일단이 최선단 제2 슬레이브 실린더에 결합되고 후단이 나머지 제2 슬레이브 실린더와 모든 제1 슬레이브 실린더를 관통한 후 다른 하나의 슬레이브 휠에 감긴다.

상기 슬레이브 탄성체는, 상기 제1 슬레이브 실린더에 삽입되는 제1 슬레이브 탄성체와, 상기 제2 슬레이브 실린더에 삽입되는 제2 슬레이브 탄성체를 포함하고, 상기 슬레이브 실린더는, 상기 제1 슬레이브 탄성체의 선단과 상기 제2 슬레이브 탄성체의 후단이 장착되는 연결실린더를 더 포함한다.

상기 제2 슬레이브 탄성체의 외경은 상기 제1 슬레이브 탄성체의 내경보다 작게 형성된다.

본 발명에 의한 마스터 디바이스를 이용하면 다양한 방향으로의 굽힘 신호를 발생시킬 수 있으므로 슬레이브 디바이스를 다양한 형태로 동작시킬 수 있다. 또한 본 발명에 의한 수술용 로봇은 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스의 기구적 구조가 동일하므로, 직관적인 조작이 가능해지며 슬레이브 디바이스를 보다 세밀하고 다양하게 동작시킬 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 마스터 디바이스를 구비하는 수술용 로봇의 평면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 마스터 디바이스의 평면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 마스터 디바이스의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 수술용 로봇에 포함되는 슬레이브 디바이스의 부분사시도이다.
도 5 및 도 6은 슬레이브 디바이스에 포함되는 슬레이브 실린더의 결합구조를 도시하는 분해사시도이다.
도 7은 슬레이브 디바이스에 포함되는 연결실린더의 정면도 및 배면도이다.
도 8은 도 4에 도시된 A-A선을 따라 절단된 슬레이브 디바이스의 횡단면도이다.
도 9는 본 발명에 의한 수술용 로봇의 사용상태도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 수술용 로봇의 마스터 디바이스 및 이를 포함하는 수술용 로봇의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 마스터 디바이스를 구비하는 수술용 로봇의 평면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 마스터 디바이스의 평면도이며, 도 3은 본 발명에 의한 마스터 디바이스의 사시도이다.

본 발명에 의한 수술용 로봇은, 사용자에 의해 조작되어 동작신호를 발생시키는 마스터 디바이스(100)와, 상기 마스터 디바이스(100)에서 발생된 동작신호를 전달받아 동작을 수행하는 슬레이브 디바이스(200)를 포함하여 구성되되, 상기 마스터 디바이스(100)가 3차원적 동작신호를 발생시킬 수 있도록 일방향으로 길이를 갖는 연속체 구조로 구성된다는 점에 특징이 있다. 즉, 상기 마스터 디바이스(100)는, 일렬로 이격 배열되는 복수 개의 마스터 실린더(110)와, 상기 복수 개의 마스터 실린더(110)에 끼워지는 마스터 탄성체(120)와, 일단이 하나 이상의 마스터 실린더(110)를 관통하도록 장착되는 둘 이상의 마스터 와이어(130)와, 상기 마스터 와이어(130)의 타측이 감겨져 상기 마스터 와이어(130)가 당겨짐에 따라 회전되는 마스터 휠(140)과, 상기 마스터 휠(140)의 회전각을 감지하여 신호를 발생시키는 마스터 엔코더(150)를 포함하여 구성된다.

도 2에 도시된 상태에서 마스터 실린더(110)가 배열된 부위에 좌향 외력이 인가되면, 마스터 탄성체(120)는 선단(도 2에서는 하단)이 좌측으로 밀려 위치되도록 휘어지게 되고, 최초 직선으로 배열되어 있던 마스터 실린더(110)들은 마스터 탄성체(120)를 따라 배열방향이 좌측으로 휘어지게 된다. 이와 같이 마스터 탄성체(120) 및 이에 결합된 마스터 실린더(110)들의 배열방향이 좌측으로 휘어지게 되면 마스터 실린더(110)의 우측에 연결되어 있는 마스터 와이어(130)에는 인장력이 인가되고, 인장력이 인가되는 마스터 와이어(130)가 감겨진 마스터 휠(140)은 마스터 와이어(130)가 풀어지는 방향으로 회전하게 된다. 이때, 각각의 마스터 휠(140)에 장착된 마스터 엔코더(150)는 어느 마스터 휠(140)이 얼마만큼 회전되었는지를 감지함으로써, 마스터 탄성체(120)가 어느 방향으로 얼마만큼 휘어졌는지에 대한 동작신호를 발생시키게 된다.

한편, 이웃하는 두 개의 마스터 실린더(110)가 힌지구조로 직접 결합되면 마스터 실린더(110)들이 배열된 부위는 이웃하는 두 마스터 실린더(110)를 연결하는 힌지축을 회전중심으로 하는 방향으로만 구부러질 수 있으나, 본 실시예에 도시된 바와 같이 이웃하는 두 개의 마스터 실린더(110)가 상호 이격되도록 하나의 마스터 탄성체(120)에 결합되면 마스터 실린더(110)들이 배열된 부위가 상하, 좌우방향뿐만 아니라 여러 대각선 방향으로도 자유롭게 구부러질 수 있으므로, 사용자는 마스터 탄성체(120) 및 마스터 실린더(110)를 다양한 방향 및 각도로 조작을 할 수 있게 된다. 따라서 본 발명에 의한 마스터 디바이스(100)를 이용하면 다양하고 세분화한 동작신호를 발생시킬 수 있으므로, 슬레이브 디바이스(200)를 보다 정밀하게 조종할 수 있고, 이에 따라 다양한 종류의 수술 및 작업이 가능해진다는 장점이 있다.

또한 마스터 실린더(110)를 관통하도록 연결되는 마스터 와이어(130)들은 각각 별도의 마스터 휠(140)에 감겨지도록 구성될 수도 있으나, 이와 같이 하나의 마스터 휠(140)에 하나의 마스터 와이어(130)가 감겨지면, 마스터 탄성체(120)가 일측으로 휘어졌다가 원상태로 복귀되었을 때 마스터 휠(140)로부터 풀어진 마스터 와이어(130)가 다시 마스터 휠(140)에 감겨지지 아니한다는 문제점이 있다. 예를 들어 도 2에 도시된 상태에서 마스터 탄성체(120)가 좌측으로 휘어져 마스터 탄성체(120)의 우측에 위치하는 마스터 와이어(130)가 마스터 휠(140)로부터 일정량 풀어진 이후 상기 마스터 탄성체(120)가 도 2에 도시된 상태로 복귀될 때, 상기 마스터 휠(140)이 회전되지 아니하므로 마스터 탄성체(120)의 복귀를 감지할 수 없고, 상기 마스터 탄성체(120)가 다시 한번 좌측으로 휘어질 때에도 상기 마스터 휠(140)은 회전되지 아니하므로 마스터 탄성체(120)의 움직임이 감지되지 아니한다는 문제점이 있다. 물론, 마스터 와이어(130)가 감겨지는 방향으로 각각의 마스터 휠(140)에 회전 탄성력을 인가하는 별도의 복원수단이 구비되면 상기와 같은 문제점이 해결될 수 있으나, 별도의 복원수단이 장착되는 경우 구성이 복잡해지고 제품의 제조원가가 높아진다는 문제점이 있다. 또한, 상기와 같이 별도의 복원수단이 구비되면, 마스터 와이어(130)에 항상 복원수단의 회전 탄성력이 인가된 상태가 유지되므로, 마스터 탄성체(120)를 휘는 조작에 많은 힘이 필요하게 된다는 단점이 있다.

본 발명에 의한 마스터 디바이스(100)는 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있도록, 상기 마스터 와이어(130)가 상기 마스터 탄성체(120)의 종방향 중심축을 중심으로 대칭을 이루는 쌍으로 구비되며, 상기 한 쌍의 마스터 와이어(130)는 하나의 마스터 휠(140)에 상호 반대 방향으로 감겨지도록 구성된다. 한 쌍의 마스터 와이어(130)가 마스터 탄성체(120)의 종방향 중심축을 중심으로 대칭을 이루도록 배열되면 마스터 탄성체(120)가 일측으로 휘어질 때 어느 하나의 마스터 와이어(130)는 팽팽하게 당겨지고 다른 하나의 마스터 와이어(130)는 느슨해지게 되는데, 상기 한 쌍의 마스터 와이어(130)가 하나의 마스터 휠(140)에 상호 반대방향으로 감겨지면 팽팽하게 당겨진 마스터 와이어(130)가 풀어지도록 마스터 휠(140)이 회전될 때 느슨해진 마스터 와이어(130)는 마스터 휠(140)에 감기게 되므로, 상기 한 쌍의 마스터 와이어(130)는 항상 일정 수준으로 긴장된 상태를 유지하게 된다. 이와 같이 마스터 탄성체(120)가 어느 방향으로 휘어지더라도 하나의 마스터 휠(140)에 감겨진 한 쌍의 마스터 와이어(130)가 항상 긴장된 상태가 유지되면, 휘어졌던 마스터 탄성체(120)가 원상태로 복원되거나 마스터 탄성체(120)가 어느 일방향으로 반복적으로 휘어지더라도 상기 마스터 탄성체(120)의 움직임을 정확하게 감지할 수 있다는 장점이 있다.

한편, 상기 마스터 탄성체(120)는 상기 언급한 휨 동작이 가능하도록 외팔보 구조로 고정됨이 바람직하다. 즉, 상기 마스터 탄성체(120)는, 일측이 하나 이상의 마스터 실린더(110)를 관통하고, 타측이 상기 마스터 휠(140)과 일체로 고정됨이 바람직하다.

또한 모든 마스터 와이어(130)의 일단이 최선단에 위치하는 마스터 실린더(110)(도 2에서는 가장 아래쪽에 위치하는 마스터 실린더(110))에 연결되도록 구성되면, 마스터 탄성체(120)의 선단측 휘어짐과 후단측 휘어짐이 구분되지 아니하게 된다. 따라서 상기 마스터 실린더(110)는 상기 마스터 탄성체(120)의 연장방향으로 순차적으로 배열되는 하나 이상의 제1 마스터 실린더(112)와 하나 이상의 제2 마스터 실린더(114)로 구분되고, 상기 마스터 와이어(130)는 일측이 최선단에 위치하는 제1 마스터 실린더(112)에 결합되는 제1 마스터 와이어(132)와 일측이 상기 제1 마스터 실린더(112)를 관통한 후 최선단에 위치하는 제2 마스터 실린더(114)에 결합되는 제2 마스터 와이어(134)로 구분될 수 있다. 이와 같이 상기 마스터 와이어(130)가 제1 마스터 와이어(132)와 제2 마스터 와이어(134)로 구분되면, 마스터 탄성체(120) 중 제1 마스터 실린더(112)가 장착된 구간이 휘어지는 경우 제1 마스터 와이어(132)가 연결된 제1 마스터 휠(142)과 제2 마스터 와이어(134)가 연결된 제2 마스터 휠(144)이 모두 회전하게 되고, 마스터 탄성체(120) 중 제2 마스터 실린더(114)가 장착된 구간이 휘어지는 경우에는 제2 마스터 와이어(134)가 연결된 제2 마스터 휠(144)만이 회전하게 되므로, 마스터 탄성체(120)의 어느 부위가 휘어지는지까지 감지할 수 있다는 장점이 있다.

한편 마스터 탄성체(120) 중 제1 마스터 와이어(132) 및 제2 마스터 와이어(134)가 모두 배치된 구간과, 제2 마스터 와이어(134)만이 배치된 구간이 보다 확실하게 구분될 수 있도록, 상기 제1 마스터 실린더(112)와 제2 마스터 실린더(114)는 각각 둘 이상씩 구비됨이 바람직하다. 이와 같이 제1 마스터 실린더(112)와 제2 마스터 실린더(114)가 각각 둘 이상씩 구비되는 경우, 상기 제1 마스터 와이어(132)는 일단이 최선단 제1 마스터 실린더(112)에 결합되고 후단이 나머지 제1 마스터 실린더(112)는 관통한 후 어느 하나의 마스터 휠(140)에 감기며, 상기 제2 마스터 와이어(134)는 일단이 최선단 제2 마스터 실린더(114)에 결합되고 후단이 나머지 제2 마스터 실린더(114)와 모든 제1 마스터 실린더(112)를 관통한 후 다른 하나의 마스터 휠(140)에 감기도록 장착되어야 할 것이다.

또한, 제1 마스터 와이어(132)와 제2 마스터 와이어(134)가 각각 한 쌍씩만 구비되면 마스터 탄성체(120)가 휘어지는 방향에 따라 마스터 탄성체(120)의 휘어짐을 감지할 수 없는 경우도 발생된다는 문제점이 있다. 예를 들어 한 쌍의 제1 마스터 와이어(132)가 마스터 탄성체(120)의 좌우에 각각 배치되면, 상기 마스터 탄성체(120)가 좌우로 휘어지는 경우에는 제1 마스터 휠(142)이 회전되므로 마스터 탄성체(120)의 휘어짐을 감지할 수 있지만, 마스터 탄성체(120)가 상하로 휘어지는 경우에는 제1 마스터 휠(142)이 회전되지 아니하므로 마스터 탄성체(120)의 휘어짐을 감지할 수 없다는 문제점이 발생된다.

따라서 상기 제1 마스터 와이어(132)와 제2 마스터 와이어(134)는 각각 두 쌍 이상 구비되며, 마스터 탄성체(120)가 어느 방향으로 휘더라도 이를 감지할 수 있도록 상기 제1 마스터 와이어(132)와 제2 마스터 와이어(134)는 마스터 탄성체(120)의 종방향 중심축을 중심으로 방사형으로 배열됨이 바람직하다. 본 실시예에서는 제1 마스터 와이어(132)와 제2 마스터 와이어(134)가 각각 두 쌍씩 구비되고, 이에 따라 제1 마스터 휠(142) 및 제2 마스터 휠(144)도 각각 두 개씩 구비되며 제1 마스터 엔코더(152) 및 제2 마스터 엔코더(154) 역시 각각 두 개씩 구비되는 경우만을 도시하고 있으나, 마스터 탄성체(120)가 휘는 방향을 보다 정밀하게 감지할 수 있도록 상기 제1 마스터 와이어(132)와 제2 마스터 와이어(134)는 세 쌍 이상씩 구비될 수도 있다. 물론, 제1 마스터 와이어(132)와 제2 마스터 와이어(134)가 세 쌍 이상씩 구비면, 제1 마스터 휠(142) 및 제2 마스터 휠(144)과, 제1 마스터 엔코더(152) 및 제2 마스터 엔코더(154) 역시 각각 셋 이상 구비되어야 할 것이다.

도 4는 본 발명에 의한 수술용 로봇에 포함되는 슬레이브 디바이스의 부분사시도이고, 도 5 및 도 6은 슬레이브 디바이스에 포함되는 슬레이브 실린더의 결합구조를 도시하는 분해사시도이며, 도 7은 슬레이브 디바이스에 포함되는 연결실린더(216)의 정면도 및 배면도이고, 도 8은 도 4에 도시된 A-A선을 따라 절단된 슬레이브 디바이스의 횡단면도이며, 도 9는 본 발명에 의한 수술용 로봇의 사용상태도이다.

상기 슬레이브 디바이스(200)는, 일렬로 이격 배열되는 복수 개의 슬레이브 실린더(210)와, 상기 복수 개의 슬레이브 실린더(210)에 끼워지는 슬레이브 탄성체(220)와, 일단이 하나 이상의 슬레이브 실린더(210)를 관통하도록 장착되는 둘 이상의 슬레이브 와이어(230)와, 상기 슬레이브 와이어(230)의 타측이 감겨져 회전 시 하나 이상의 슬레이브 와이어(230)를 당기는 슬레이브 휠(240)과, 상기 슬레이브 휠(240)을 회전시키는 구동모터(250)와, 상기 마스터 엔코더(150)에서 발생된 신호를 전달받아 상기 구동모터(250)를 구동시키는 제어부(260)를 포함하여 구성된다. 슬레이브 탄성체(220)는, 구동모터(250)와 가까운 측에 일렬로 배열되는 복수 개의 제1 슬레이브 실린더(212)와, 구동모터(250)와 먼 측에 일렬로 배열되는 복수 개의 제2 슬레이브 실린더(214)와, 가장 선단에 위치하는 제1 슬레이브 실린더(212)와 가장 후단에 위치하는 제2 슬레이브 실린더(214)를 연결하는 연결실린더(216)를 포함하여 구성된다. 이때, 상기 슬레이브 디바이스(200)가 수술용 로봇으로 적용되는 경우, 가장 선단에 위치하는 제2 슬레이브 실린더(214)에는 카메라, 겸자, 가위, 분쇄기, 흡입기 등 다양한 종류의 수술도구가 탈착될 수 있도록 구성됨이 바람직하다. 이와 같이 다양한 수술도구가 탈착 가능하도록 구성되면, 상기 슬레이브 디바이스(200) 활용성이 매우 높아진다는 이점이 있다. 또한, 상기 슬레이브 디바이스(200)가 수술용 로봇이 아닌 다른 용도의 로봇이나 장치에 적용되는 경우, 가장 선단에 위치하는 제2 슬레이브 실린더(214)에는 각각의 용도에 맞는 다양한 종류의 도구가 탈착 가능하도록 구성될 수 있다.

이하, 슬레이브 디바이스(200)의 동작에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 상기 제어부(260)가 마스터 엔코더(150)에서 발생되는 동작신호를 전달 받아 구동모터(250)를 동작시켜 슬레이브 휠(240)을 회전시키면, 상기 슬레이브 휠(240)에 연결된 슬레이브 와이어(230)가 감겨져 당겨지고, 이에 따라 슬레이브 탄성체(220)가 휘어지게 된다. 이와 같이 일렬로 배열된 슬레이브 실린더(210)를 관통하도록 장착되는 슬레이브 와이어(230)를 당겼을 때 슬레이브 탄성체(220)가 일측으로 휘어지도록 구성되는 슬레이브 디바이스(200)의 기구학적 구조는, 본 발명의 출원인에 의해 출원된 '스프링 백본을 사용한 핑거 로봇'(대한민국 공개특허 10-2010-0041556호)과 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이때 본 발명에 의한 수술용 로봇은, 상기 슬레이브 디바이스(200)가 마스터 디바이스(100)와 동일한 구조로 구성되어, 시술자의 조작에 의해 마스터 디바이스(100)가 움직이는 것과 동일한 패턴으로 슬레이브 디바이스(200)가 움직인다는 점에 가장 큰 특징이 있다. 즉, 상기 마스터 와이어(130)와 슬레이브 와이어(230)는 1:1로 매칭되도록 개수 및 배열형상이 동일하게 구성되고, 상기 마스터 휠(140)과 슬레이브 휠(240)은 1:1로 매칭되도록 동일한 개수로 구비되며, 상기 제어부(260)는 어느 하나의 마스터 휠(140)이 회전될 때 이와 매칭되는 슬레이브 휠(240)이 회전되도록 구동모터(250)를 구동시키도록 구성된다. 따라서 시술자가 도 9에 도시된 바와 같이 마스터 탄성체(120)를 좌측으로 구부리면 마스터 탄성체(120)의 우측에 구비된 마스터 와이어(130)가 당겨지게 되고, 마스터 탄성체(120)의 우측에 구비된 마스터 와이어(130)가 감겨진 마스터 휠(140)이 회전되며, 회전되는 마스터 휠(140)에 장착된 마스터 엔코더(150)는 마스터 탄성체(120)가 좌측으로 휘었다는 정보가 포함된 동작신호를 발생시킨다. 이러한 동작신호는 슬레이브 디바이스(200)의 제어부(260)로 전달되고, 제어부(260)는 슬레이브 탄성체(220)가 마스터 탄성체(120)와 동일한 방향 즉, 좌측으로 휘도록 구동모터(250)를 제어한다. 이때, 슬레이브 탄성체(220)가 좌측으로 휘기 위해서는 슬레이브 탄성체(220)의 좌측에 위치하는 슬레이브 와이어(230)(이하 '좌측 슬레이브 와이어'라 약칭함)가 당겨져야 하므로, 상기 제어부(260)는 다수 개의 구동모터(250) 중 좌측 슬레이브 와이어(230)가 감겨진 슬레이브 휠(240)을 회전시키는 구동모터(250)를 구동시키게 된다.

이와 같이 본 발명에 의한 수술용 로봇은 슬레이브 디바이스(200)가 마스터 디바이스(100)와 동일한 패턴으로 동작되므로, 시술자가 직관적으로 마스터 디바이스(100)를 조작할 수 있을 뿐만 아니라 슬레이브 디바이스(200)를 다양하고 세밀하게 동작시킬 수 있다는 장점이 있다.

한편, 마스터 디바이스(100)는 시술자가 손으로 조작할 수 있도록 일정 수준 이상의 크기로 제작되어야 하지만 슬레이브 디바이스(200)는 용도에 따라 크기가 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어 상기 슬레이브 디바이스(200)가 신체 내부로 인입되는 용도로 활용되는 경우, 상기 슬레이브 디바이스(200)는 마스터 디바이스(100)에 비해 크기가 매우 작게 제작될 것이다. 이와 같이 마스터 디바이스(100)와 슬레이브 디바이스(200)의 크기가 상이하게 제작되었을 때 마스터 와이어(130)가 감겨지는 길이만큼 슬레이브 와이어(230)가 감겨지면 마스터 탄성체(120)의 휨 각도와 슬레이브 탄성체(220)의 휨 각도가 달라진다는 문제가 발생된다. 따라서 상기 제어부(260)는, 어느 하나의 마스터 휠(140)이 회전될 때, 마스터 디바이스(100)와 슬레이브 디바이스(200)의 크기를 고려한 비율에 따라 매칭되는 슬레이브 휠(240)이 회전되도록 상기 구동모터(250)를 구동시킴이 바람직하다.

또한, 슬레이브 실린더(210), 슬레이브 탄성체(220), 슬레이브 와이어(230)의 배열구조 및 각각의 기능은, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 마스터 실린더(110), 마스터 탄성체(120), 마스터 와이어(130)의 배열구조 및 각각의 기능과 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 즉, 제1 슬레이브 와이어(232) 및 제2 슬레이브 와이어(234)가 각각 두 쌍씩 구비되어 슬레이브 휠(240)이 제1 슬레이브 휠(242)과 제2 슬레이브 휠(244)로 구분되는 경우, 구동모터(250)는 제1 슬레이브 휠(242)을 회전시키는 제1 구동모터(252)와 제2 슬레이브 휠(244)을 회전시키는 제2 구동모터(254)로 구분될 수 있으며, 구동모터(250)를 제어하는 제어부(260) 역시 제1 구동모터(252)를 제어하는 제1 제어부(262)와 제2 구동모터(254)를 제어하는 제2 제어부(264)로 구분될 수 있다.

한편, 슬레이브 탄성체(220)는, 상기 제1 슬레이브 실린더(212)에 삽입되는 제1 슬레이브 탄성체(222)와, 상기 제2 슬레이브 실린더(214)에 삽입되는 제2 슬레이브 탄성체(224)로 구분될 수 있다. 이때, 상기 연결실린더(216)에는 제1 슬레이브 탄성체(222)의 선단과 제2 슬레이브 탄성체(224)의 후단이 장착되도록 구성된다 즉, 상기 연결실린더(216)에는 제1 슬레이브 와이어(232)가 관통되는 제1 관통공(217)과, 제2 슬레이브 와이어(234)가 관통되는 제2 관통공(218)이 형성된다. 또한, 연결실린더(216)의 후면(제1 슬레이브 탄성체(222)를 향하는 면)에는 제1 슬레이브 탄성체(222)의 선단이 안정적으로 안착될 수 있도록 단턱(219)이 형성된다. 이와 같이 제1 슬레이브 탄성체(222)와 제2 슬레이브 탄성체(224)가 연결됨으로써 전체 슬레이브 탄성체(220)가 이루어지도록 구성되면, 제3 슬레이브 탄성체(미도시)를 추가함으로써 슬레이브 탄성체(220)의 전체 길이를 용이하게 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 외팔보 구조의 슬레이브 탄성체(220)를 조작할 때, 슬레이브 탄성체(220)의 후단측을 구부리는 조작은 용이하지만 슬레이브 탄성체(220)의 선단측만을 구부리는 조작은 다소 어렵다는 문제점이 있다. 따라서 상기 슬레이브 탄성체(220)가 제1 슬레이브 탄성체(222)와 제2 슬레이브 탄성체(224)로 구분되는 경우, 제2 슬레이브 탄성체(224)의 외경을 상기 제1 슬레이브 탄성체(222)의 내경보다 작게 제작함으로써, 제1 슬레이브 탄성체(222)보다 선단측에 위치하는 제2 슬레이브 탄성체(224)의 휨 조작을 보다 용이하게 할 수 있다. 또한, 제2 슬레이브 탄성체(224)의 외경이 상기 제1 슬레이브 탄성체(222)의 내경보다 작게 제작되면, 도 8에 도시된 바와 같이 제1 슬레이브 와이어(232)는 제1 슬레이브 탄성체(222)의 외측을 지나가도록 위치시키고 제2 슬레이브 와이어(234)는 제1 슬레이브 탄성체(222) 내측을 지나가도록 위치시킴으로써 제1 슬레이브 와이어(232)와 제2 슬레이브 와이어(234) 간의 간섭 우려를 없앨 수 있으므로, 제1 슬레이브 와이어(232)와 제2 슬레이브 와이어(234)를 보다 자유롭게 배열시킬 수 있다는 장점이 있다.

한편, 상기 언급한 바와 같이 슬레이브 탄성체(220)가 제1 슬레이브 탄성체(222)와 제2 슬레이브 탄성체(224)로 구분되는 구조는 마스터 탄성체(120)에도 동일하게 적용될 수 있고, 상기 슬레이브 탄성체(220)가 도 1 내지 도 3에 도시된 마스터 탄성체(120)처럼 하나로 이루어질 수도 있다.

또한, 본 실시예에서는 마스터 디바이스(100) 및 슬레이브 디바이스(200)가 수술용 로봇의 일부로 사용되는 경우만을 예로 들어 설명하였으나, 상기 마스터 디바이스(100) 및 슬레이브 디바이스(200)는 수술용 로봇뿐만 아니라 연속체 메커니즘이 적용된 모든 종류의 로봇이나 장치 등에 적용될 수 있다. 즉, 상기 마스터 디바이스(100)는 길이방향을 따르는 각 부위별로 서로 다른 방향으로의 굽힘신호 및 회전신호를 발생시키기 위한 용도라면 어떠한 로봇이나 장치의 신호입력 수단으로 활용될 수 있고, 상기 슬레이브 디바이스(200)는 상기 마스터 디바이스(100)에서 발생된 신호에 따라 굽힘 및 회전되는 용도라면 어떠한 로봇이나 장치의 동작수단으로 활용될 수 있다.

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.

100 : 마스터 디바이스 110 : 마스터 실린더
112 : 제1 마스터 실린더 114 : 제2 마스터 실린더
120 : 마스터 탄성체 130 : 마스터 와이어
132 : 제1 마스터 와이어 134 : 제2 마스터 와이어
140 : 마스터 휠 142 : 제1 마스터 휠
144 : 제2 마스터 휠 150 : 마스터 엔코더
152 : 제1 마스터 엔코더 154 : 제2 마스터 엔코더
200 : 슬레이브 디바이스 210 : 슬레이브 실린더
212 : 제1 슬레이브 실린더 214 : 제2 슬레이브 실린더
216 : 연결실린더 220 : 슬레이브 스프링
222 : 제1 슬레이브 스프링 224 : 제2 슬레이브 스프링
230 : 슬레이브 와이어 232 : 제1 슬레이브 와이어
234 : 제2 슬레이브 와이어 240 : 슬레이브 휠
242 : 제1 슬레이브 휠 244 : 제2 슬레이브 휠
250 : 구동모터 252 : 제1 구동모터
254 : 제2 구동모터 260 : 제어부
262 : 제1 제어부 264 : 제2 제어부

Claims (16)

1. 일렬로 이격 배열되는 복수 개의 마스터 실린더;
   상기 복수 개의 마스터 실린더에 끼워지는 마스터 탄성체;
   일단이 하나 이상의 마스터 실린더를 관통하도록 장착되는 둘 이상의 마스터 와이어;
   상기 마스터 와이어의 타측이 감겨져 상기 마스터 와이어가 당겨짐에 따라 회전되는 마스터 휠;
   상기 마스터 휠의 회전각을 감지하여 신호를 발생시키는 마스터 엔코더;
   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마스터 디바이스.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 마스터 와이어는 상기 마스터 탄성체의 종방향 중심축을 중심으로 대칭을 이루도록 쌍으로 구비되며,
   상기 한 쌍의 마스터 와이어는 하나의 마스터 휠에 상호 반대 방향으로 감겨지는 것을 특징으로 하는 마스터 디바이스.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 마스터 탄성체는, 일측이 하나 이상의 마스터 실린더를 관통하고, 타측이 상기 마스터 휠과 일체로 고정되는 것을 특징으로 하는 마스터 디바이스.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 마스터 실린더는, 상기 마스터 탄성체의 일측이 순차적으로 관통하는 하나 이상의 제1 마스터 실린더와 하나 이상의 제2 마스터 실린더를 포함하고,
   상기 마스터 와이어는, 일측이 상기 제1 마스터 실린더에 결합되고 타측이 어느 하나의 마스터 휠에 감기는 제1 마스터 와이어와, 일측이 상기 제1 마스터 실린더를 관통한 후 제2 마스터 실린더에 결합되고 타측이 다른 하나의 마스터 휠에 감기는 제2 마스터 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 마스터 디바이스.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 마스터 실린더와 제2 마스터 실린더는 각각 둘 이상 구비되고,
   상기 제1 마스터 와이어는 일단이 최선단 제1 마스터 실린더에 결합되고 후단이 나머지 제1 마스터 실린더는 관통한 후 어느 하나의 마스터 휠에 감기며,
   상기 제2 마스터 와이어는 일단이 최선단 제2 마스터 실린더에 결합되고 후단이 나머지 제2 마스터 실린더와 모든 제1 마스터 실린더를 관통한 후 다른 하나의 마스터 휠에 감기는 것을 특징으로 하는 마스터 디바이스.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 제1 마스터 와이어와 제2 마스터 와이어는 각각 두 쌍 이상 구비되되 상기 마스터 탄성체의 종방향 중심축을 중심으로 방사형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 마스터 디바이스.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 의한 마스터 디바이스;
   상기 마스터 엔코더에서 발생된 신호를 전달받아 동작을 수행하는 슬레이브 디바이스;
   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 슬레이브 디바이스는,
   일렬로 이격 배열되는 복수 개의 슬레이브 실린더;
   상기 복수 개의 슬레이브 실린더에 끼워지는 슬레이브 탄성체;
   일단이 하나 이상의 슬레이브 실린더를 관통하도록 장착되는 둘 이상의 슬레이브 와이어;
   상기 슬레이브 와이어의 타측이 감겨져 회전 시 하나 이상의 슬레이브 와이어를 당기는 슬레이브 휠;
   상기 슬레이브 휠을 회전시키는 구동모터;
   상기 마스터 엔코더에서 발생된 신호를 전달받아 상기 구동모터를 구동시키는 제어부;
   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 마스터 와이어와 슬레이브 와이어는 1:1로 매칭되도록 개수 및 배열형상이 동일하게 구성되고,
   상기 마스터 휠과 슬레이브 휠은 1:1로 매칭되도록 동일한 개수로 구비되며,
   상기 제어부는 어느 하나의 마스터 휠이 회전될 때 이와 매칭되는 슬레이브 휠이 회전되도록 구동모터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는, 어느 하나의 마스터 휠이 회전될 때 이와 매칭되는 슬레이브 휠이 사전에 설정된 비율에 따라 회전되도록 상기 구동모터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇.
    
11. 제8항에 있어서,
    상기 슬레이브 와이어는 상기 슬레이브 탄성체의 종방향 중심축을 중심으로 대칭을 이루도록 쌍으로 구비되며,
    상기 한 쌍의 슬레이브 와이어는 하나의 슬레이브 휠에 상호 반대 방향으로 감겨지는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇.
    
12. 제8항에 있어서,
    상기 슬레이브 탄성체는, 일측이 하나 이상의 슬레이브 실린더를 관통하고, 타측이 상기 슬레이브 휠과 일체로 고정되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇.
    
13. 제8항에 있어서,
    상기 슬레이브 실린더는, 상기 슬레이브 탄성체의 일측이 순차적으로 관통하는 하나 이상의 제1 슬레이브 실린더와 하나 이상의 제2 슬레이브 실린더를 포함하고,
    상기 슬레이브 와이어는, 일측이 상기 제1 슬레이브 실린더에 결합되고 타측이 어느 하나의 슬레이브 휠에 감기는 제1 슬레이브 와이어와, 일측이 상기 제1 슬레이브 실린더를 관통한 후 제2 슬레이브 실린더에 결합되고 타측이 다른 하나의 슬레이브 휠에 감기는 제2 슬레이브 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 슬레이브 실린더와 제2 슬레이브 실린더는 각각 둘 이상 구비되고,
    상기 제1 슬레이브 와이어는 일단이 최선단 제1 슬레이브 실린더에 결합되고 후단이 나머지 제1 슬레이브 실린더는 관통한 후 어느 하나의 슬레이브 휠에 감기며,
    상기 제2 슬레이브 와이어는 일단이 최선단 제2 슬레이브 실린더에 결합되고 후단이 나머지 제2 슬레이브 실린더와 모든 제1 슬레이브 실린더를 관통한 후 다른 하나의 슬레이브 휠에 감기는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇.
    
15. 제13항에 있어서,
    상기 슬레이브 탄성체는, 상기 제1 슬레이브 실린더에 삽입되는 제1 슬레이브 탄성체와, 상기 제2 슬레이브 실린더에 삽입되는 제2 슬레이브 탄성체를 포함하고,
    상기 슬레이브 실린더는, 상기 제1 슬레이브 탄성체의 선단과 상기 제2 슬레이브 탄성체의 후단이 장착되는 연결실린더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇.
    
16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 슬레이브 탄성체의 외경은 상기 제1 슬레이브 탄성체의 내경보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇.

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