KR101231526B1

KR101231526B1 - 내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치

Info

Publication number: KR101231526B1
Application number: KR1020110014929A
Authority: KR
Inventors: 이두용; 구윤진; 정회룡; 이동건; 왕혁
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2013-02-07
Also published as: KR20120095549A

Abstract

본 발명은 내시경 시뮬레이션용 반력 제공 장치로서, 보다 구체적으로는 내시경 시뮬레이터용 햅틱 장치에 사용되어 내시경 튜브에 반력을 제공하는 반력 제공 장치에 있어서, 반력이 발생하지 않는 상황에는 상기 내시경 튜브와 상기 반력 제공 장치가 서로 접촉하지 않는 상태를 유지하고, 반력이 발생하는 상황에 한하여 상기 내시경 튜브와 상기 반력 제공 장치가 접촉하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치에 관한 것이다.

Description

내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치{REACTION SUPPLYING APPARATUS FOR ENDOSCOPE SIMULATOR}

본 발명은 내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치로서, 보다 구체적으로는 내시경 시뮬레이터용 햅틱 장치에 사용되어 내시경 튜브에 반력을 제공하는 반력 제공 장치에 있어서, 반력이 발생하지 않는 상황에는 상기 내시경 튜브와 상기 반력 제공 장치가 서로 접촉하지 않는 상태를 유지하고, 반력이 발생하는 상황에 한하여 상기 내시경 튜브와 상기 반력 제공 장치가 접촉하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치에 관한 것이다.

소화기 내시경 시술은 내시경을 사람의 입이나 항문을 통해 삽입하여 소화관의 병을 살피고 치료하는 외과시술로서 신체에 절개를 하지 않고 자연개구부로 시술도구를 삽입하는 특징이 있다. 소화기 내시경 시술은 크게 입을 통해 내시경을 삽입하여 식도, 위, 십이지장의 병을 살피고 치료하는 상부위장관 내시경 시술과, 항문을 통해 내시경을 삽입하여 대장의 병을 살피고 치료하는 하부위장관 내시경 시술의 두 가지로 나뉜다. 각 시술에서는 유사하지만 각기 다른 술기를 필요로 한다. 상부위장관 시술에서는 내시경 끝단의 조작과 카테터 조작술이 많이 쓰이며, 하부위장관 시술에서는 내시경 자체의 삽입과정이 중요하다. 소화기 내시경 시술은 절개가 없고, 시술시간이 짧고, 출혈이 거의 없어서 안전하고, 비용이 적게 들면서 회복시간도 짧기 때문에 시술이 널리 시행되고 있다. 하지만 내시경 끝단의 카메라를 통해 보이는 시야가 좁고, 내장과 내시경이 상호충돌하면서 출렁거리며, 내시경 끝단만 방향 조절이 가능하다는 점 때문에 술기를 익히기가 매우 어렵다. 또한 손의 조작과 카메라의 시야의 일치가 어렵기 때문에 술기를 익히는 초기에 이에 적응하는 데에도 오랜 시간이 걸린다.

이러한 소화기 내시경 시술의 훈련의 효율성과 실효성을 높이기 위한 훈련 체계로서 computer-based simulation이 개발되고 있다. Computer-based simulation은 컴퓨터와 햅틱장치를 이용하여 훈련자가 가상의 환자에 대해 내시경 시술을 하는 훈련 시뮬레이션이다. 안전하고 깨끗하며 다양한 상황에 대해 자유롭게 훈련할 수 있고, 시간과 비용의 절감과 객관화된 평가가 가능하다는 많은 장점이 있다. Computer-based simulation에는 훈련자에게 햅틱 감각을 제공하기 위한 햅틱장치와 시각적인 정보를 보여주는 가상환경으로 구성된다. 이중에서 햅틱장치는 훈련자와 물리적으로 직접 연결되어 훈련자에게 물리적인 힘을 전달하여 실제 시술을 수행하는 듯한 느낌을 불러일으키는 것이 목적이다.

햅틱장치의 설계는 동시에 만족시켜야 할 요건들이 많아서 매우 어렵다. 일반적인 의료 시뮬레이션을 위한 햅틱장치 설계에 필요한 요건으로는 조절가능하면서 충분한 출력이 있는 힘 피드백, 충분한 작업공간(workspace), 사람의 손목 및 팔의 움직임을 측정할 수 있는 세밀한 위치측정 분해능, 사람의 JND (just noticeable difference)에 기반한 충분한 밴드폭(bandwidth)이 필요하다. 또한 여기에 추가적으로 소화기 내시경 시뮬레이션 햅틱장치로서 필요한 요건으로는 적은 마찰과 작은 관성(inertia), 훈련의 효율을 위한 작은 크기, 독립된 2 자유도의 움직임 구현, 그리고 미끄러짐(slip)이 발생하지 않아야 한다는 점이 있다. 전세계적으로 이 모든 요건을 만족하는 소화기 내시경 햅틱장치는 아직 개발된 것이 없을 만큼 어려운 문제로 남아있다.

종래의 소화기 내시경 햅틱장치의 기술 동향을 살펴보면 아래와 같다.

미국특허 제6,857,878호에는 시뮬레이션 된 장기의 내부에 모조의 내시경을 사용자가 집어넣을 수 있도록 함으로써, 내시경 시술을 연습할 수 있는 햅틱장치에 대해 공개되어 있다. 이 기술은 모조의 내시경이 시뮬레이션 된 장기의 내부로 들어가면 내시경 끝단에 달린 센서가 내시경의 움직임을 측정하고, 모조의 내시경 또는 시뮬레이션 된 장기에 부착된 메커니즘이 장기와 내시경 사이의 마찰력을 조절하여 사용자에게 촉감 및 역감을 전달해 주도록 구성된다. 그런데, 이 기술의 햅틱장치는 내시경 삽입방향의 반력과 축방향의 회전 반력을 독립적으로 제공해 줄 수 없을 뿐만 아니라 능동적으로 반력을 제공할 수 없다는 단점이 있다.

일본의 나고야 대학에서는 2001년에 고무공과 내시경의 마찰을 이용하여 촉감 및 역감을 제공하는 햅틱장치를 개발하였다. 이 장치는 고무공 안에 내시경을 넣고 2개의 모터와 벨트로 연결된 4개의 실린더를 고무공과 맞닿게 함으로써, 내시경의 직선방향과 롤(roll)방향의 반력을 제공하도록 구성하였다. 그런데, 이 기술은 내시경과 고무공 사이의 미끄러짐을 방지하기 위해서 마찰계수가 큰 고무공을 사용하여 내시경을 압착하기 때문에, 사용자가 내시경을 잡고 자유운동(free-motion)을 할 때 방해를 받게 되며, 이로 인해 햅틱장치의 역작동성이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 내시경의 직선과 롤(Roll) 방향의 움직임에 있어 서로 간섭현상이 발생하는 단점이 있다.

미국특허 제6,375,471호에는 내시경 및 겸자(내시경 내부의 카테터)의 움직임을 정확히 측정할 수 있고, 현실감 있는 반력을 제공하기 위한 액츄에이터 장치에 대해 공개되어 있다. 이 장치는 2개의 핀치 롤러(pinch roller)와 핀치 롤러가 부착된 캐리지 어셈블리(carriage assembly)를 통해서 내시경의 직선과 회전방향의 움직임을 측정하고 독립적인 반력을 제공한다. 그런데, 이 장치는 큰 반력을 제공할 때, 내시경과 핀치 롤러 사이에 미끄러짐이 발생할 수 있다는 단점이 있다.

국제공개공보 WO 03/050783호에는 내시경 시뮬레이터 시스템에서 사용하기 위한 햅틱장치에 대해 공개되어 있다. 이 햅틱장치는 반력을 제공하는 장치와 내시경의 움직임을 측정하는 장치로 구성된다. 반력제공 장치는 내시경 튜브의 롤 방향으로 회전 가능한 디스크 위에 배치된 롤러들로 내시경이 롤 방향으로 회전할 때, 미끄러지지 않게 잡아주고 롤러와 연결된 모터에 의해 내시경에 직선방향 반력을 제공한다. 롤 방향의 반력은 벨트에 의해서 디스크와 연결된 모터로 제공한다. 내시경의 움직임을 측정하는 장치는 앞서 설명한 반력제공 장치와 유사한 구조로 모터 대신 엔코더를 부착한 후 내시경과 연결하여, 반력제공 장치와는 별도로 구동함으로써, 미끄러짐에 영향을 받지 않고 정확하게 내시경의 움직임을 측정할 수 있도록 구성되어 있다. 그런데, 이 장치는 미끄러짐을 방지하기 위해 내시경을 크게 압착해야 하므로 역작동성이 떨어지고, 롤러와 모터를 디스크 상에 배치함에 따라 회전 관성이 크다는 단점이 있다.

독일의 만하임 대학에서는 2003년에 소화기 내시경 수련용 햅틱장치를 개발하였다. 이 장치는 내시경 끝단을 긴 컨베이어 벨트와 연결되어 왕복 운동하는 운반대에 고정하였다. 즉, 이 장치는, 내시경의 직선방향 움직임 측정 및 반력은 컨베이어 벨트에 연결된 모터 및 엔코더에 의해서 제공되고, 내시경의 롤(Roll)방향 움직임 측정 및 반력은 내시경 끝단에 부착된 모터 및 엔코더에 의해 제공되어, 독립적인 반력을 제공할 수 있지만, 직선방향의 관성이 크고 롤 방향으로 제공되는 토크반력이 너무 약하다는 단점이 있다.

미국 공개특허공보 제2004-0048230호에는 기관지 내시경이나 다른 내시경 시술을 연습하기 위한 시뮬레이터에 사용되는 햅틱장치에 대해 공개되어 있다. 이 장치는 캡쳐 메커니즘으로 사용자가 삽입하는 내시경이나 겸자를 붙잡아 회전정보를 읽어 들이거나 반력을 제공하도록 구성된다. 그리고 레일을 따라 캡쳐 메커니즘이 왕복운동 할 수 있도록 하여 내시경의 직선방향 움직임을 측정하고, 모터와 연결된 와이어로 캡쳐 메커니즘에 직선방향의 반력을 제공하며, 내시경 및 겸자의 구부러짐을 방지하기 위해 벨로우즈(bellows)를 사용하였다. 또한, 캡쳐 메커니즘 내부에서 내시경 및 겸자가 롤 방향으로 회전할 수 있도록 하고, 엔코더에 의해 회전 움직임을 측정하였다. 그런데, 이 햅틱장치는 겸자의 삽입도 훈련할 수 있도록 하였으나, 롤 방향의 회전 반력은 제공할 수 없다는 단점이 있다.

프랑스의 EPFL(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)에서는 2005년에 대장내시경을 위한 햅틱장치를 개발하였다. 이 장치는 코니컬(conical) 기어 시스템이라 불리는 차동기어 형태로 반력을 제공하도록 구성하였다. 내시경은 2개의 실린더와 마찰계수가 큰 벨트로 구성된 한 쌍의 벨트 메커니즘 사이를 지나간다. 직선방향의 반력은 코니컬(conical) 기어가 회전함에 따라 내부의 휠이 회전하고, 이는 벨트와 연결된 실린더를 회전시켜 내시경에 직선방향의 힘을 제공한다. 롤 방향의 반력은 코니컬(conical) 기어와 연결돼 있는 2개의 기어가 동일하게 회전함으로써 제공된다. 그리고, 내시경의 직선방향과 롤 방향의 움직임은 모터에 부착된 엔코더로 측정하고, 모터들은 차동기어 외부에 설치하여 롤 방향의 관성을 줄이도록 하였다. 하지만, 직선방향의 큰 반력을 제공하기 위해서는 내시경의 강한 압착이 필요하기 때문에 자유운동(free-motion)을 방해하며, 사용자에게 제공되는 직선방향과 롤(Roll) 방향의 반력측정을 위한 센서가 장착되지 않아 정확한 반력제시가 어렵다는 단점이 있다.

본 발명은 상기의 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 햅틱 반력이 제공받지 않는 시간에는 내시경과 햅틱장치가 연결되어 있지 않다가, 반력이 제공되는 시간동안에만 내시경과 햅틱장치가 연결되도록 하여 사용자가 느끼는 반력을 실제와 거의 유사하게 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 실제 내시경 시술에서 느끼는 반력과 동일한 느낌을 제공할 수 있도록, 내시경과 햅틱장치를 연결하는 gripping mechanism, grip이 발생한 후에 내시경에 직선방향의 반력과 회전방향의 반력을 제공하는 mechanism을 구현하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공한다.

본 발명에 따른 내시경 시뮬레이터용 햅틱 장치에 사용되어 내시경 튜브에 반력을 제공하는 반력 제공 장치는, 반력이 발생하지 않는 상황에는 상기 내시경 튜브와 상기 반력 제공 장치가 서로 접촉하지 않는 상태를 유지하고, 반력이 발생하는 상황에 한하여 상기 내시경 튜브와 상기 반력 제공 장치가 접촉하도록 동작하는 것을 특징으로 한다.

상기 반력이 발생하는 상황이란, 내시경 시뮬레이터 상의 프로그램에 의하여 내시경과 내장과의 충돌 묘사 상황을 의미하는 것이다.

본 발명에 따른 내시경 시뮬레이터용 햅틱 장치에 사용되어 내시경 튜브(100)에 반력을 제공하는 반력 제공 장치는, 몸체부(29)와, 상기 몸체부(29)에 제공되고, 상기 내시경 튜브(100)를 지지하는 지지부(21)와, 반력이 발생하지 않는 상황에는 상기 내시경 튜브(100)와 서로 접촉하지 않는 상태를 유지하고, 반력이 발생하는 상황에는 상기 내시경 튜브(100)와 접촉하여 압력을 가하는 가압부(24)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 다른 실시예로서, 내시경 시뮬레이터용 햅틱 장치에 사용되어 내시경 튜브(100)에 반력을 제공하는 반력 제공 장치에 있어서, 몸체부(29)와, 상기 몸체부(29)에 제공되고, 상기 내시경 튜브(100)를 지지하는 지지부(21)와, 상기 지지부(21)에 회동가능하도록 연결되어 있고, 회동함에 따라 상기 지지부(21)와 협동하여 상기 내시경 튜브(100)를 잡는 동작을 수행할 수 있는 가압부(24)를 포함하는 것도 가능하다.

이때, 제1 액츄에이터와, 상기 제1 액츄에이터로부터의 동력을 상기 가압부(24)에 전달하는 동작부(23)를 더 포함하는 것이 가능하다.

또한, 상기 몸체부(29)를 상기 내시경 튜브(100)를 회전축으로 하여 회전운동을 가능하게 하는 제2 액츄에이터(51)를 더 포함하는 것이 가능하다.

삼기 몸체부(29)를 상기 내시경 튜브(100)의 길이 방향으로 슬라이딩이 가능하게 하는 제3 액츄에이터(52)를 더 포함할 수 있다.

보다 더 구체적인 본 발명에 따른 실시예로서, 중간에 내시경 튜브(100)가 관통하는 하우징(10)과, 상기 하우징(10) 내에 구비되고, 상기 내시경 튜브(100)에 반력을 제공하는 반력제공부(20)와, 상기 반력제공부(20)에 반력을 발생시키는 동력을 전달하는 동력발생부(30)를 포함하는 내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치를 제공하며, 상기 반력제공부(20)는, 중간에 상기 내시경 튜브(100)가 관통하는 몸체부(29)와, 상기 몸체부(29)에 제공되고, 상기 내시경 튜브(100)를 지지하는 지지부(21)와, 상기 지지부(21)에 회동가능하도록 연결되어 있고, 회동함에 따라 상기 지지부(21)와 협동하여 상기 내시경 튜브(100)를 잡는 동작을 수행할 수 있는 가압부(24)와, 상기 동력발생부(30)로부터 상기 가압부(24)로 동력을 전달하는 동작부(23)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 실시예로서, 중간에 내시경 튜브(100)가 관통하는 하우징(10)과, 상기 하우징(10) 내에 구비되고, 상기 내시경 튜브(100)에 반력을 제공하는 반력제공부(20)와, 상기 반력제공부(20)에 반력을 발생시키는 동력을 전달하는 동력발생부(30)를 포함하는 내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치에 있어서, 상기 반력제공부(20)는, 중간에 상기 내시경 튜브(100)가 관통하는 몸체부(29)와, 상기 몸체부(29)에 제공되고, 상기 내시경 튜브(100)를 지지하고, 서로 대칭되게 제공되는 한 쌍의 지지부(21)와, 상기 각각의 지지부(21)에 회동가능하도록 연결되어 있고, 회동함에 따라 상기 각각의 지지부(21)와 협동하여 상기 내시경 튜브(100)를 잡는 동작을 수행할 수 있는 가압부(24)와, 상기 동력발생부(30)로부터 상기 가압부(24)로 동력을 전달하는 동작부(23)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 하우징(10)에 상기 내시경 튜브(100)의 길이 방향으로 형성되는 제1 가이드홀(11)과, 상기 하우징(10)의 내측에 제공되어 상기 제1 가이드홀(11)을 따라 상기 내시경 튜브(100)의 길이 방향으로 이동가능한 한 쌍의 가이드 부재(13)를 더 포함하고, 상기 반력제공부(20)는 상기 한 쌍의 가이드 부재(13) 사이에 제공되는 것을 특징으로 한다.

상기 한 쌍의 가이드 부재(13)의 이동을 위한 동력을 제공하는 제3 액츄에이터(52)를 더 포함할 수 있다.

상기 몸체부(29)는 원형의 형상이고, 상기 반력제공부(20)가 상기 내시경 튜브(100)를 회전축으로 하여 회전 운동이 가능하도록 상기 몸체부(29)에 회전력을 제공하는 제2 액츄에이터(51)를 더 포함할 수 있다.

상기 가압부(24)의 한계 이동 범위를 제한하도록 상기 동작부(23)의 이동 범위를 제한하는 멈춤부(22)를 더 포함할 수 있다.

상기 동력발생부(30)는, 제1 액츄에이터와, 연결돌기(31)가 제공되고, 상기 제1 액츄에이터로부터 회전력을 전달받는 환형(環形)부(39)를 포함하고, 상기 동작부(23)는,상기 연결돌기(31)가 삽입되어 이동할 수 있도록 제2 가이드 홀(231)을 포함하고, 상기 환형부(39)의 회전에 따라 상기 연결돌기(31)가 상기 제2 가이드 홀(231)을 이동하면서 상기 동작부(23)를 운동시키는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 끝단에 회동부재(33)가 제공되는 복수 개의 연결부(34)가 구비되고, 상기 지지부(22)에 고정되는 고정부재(35)를 더 포함하고, 상기 환형부(39)에는 상기 회동부재(33)가 안착하고, 상기 환형부(39)가 회전하는 경우 상기 회동부재(33)를 안내할 수 있는 안내홈(32)이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명이 제공하는 효과는 다음과 같다.

1. 본 발명에 따르면, 햅틱 반력이 제공받지 않는 시간에는 내시경과 햅틱장치가 연결되어 있지 않다가, 반력이 제공되는 시간동안에만 내시경과 햅틱장치가 연결되도록 하여 사용자가 느끼는 반력을 실제와 거의 유사하게 제공하는 효과가 있다.

2. 또한, 내시경과 햅틱장치를 연결하는 gripping mechanism, grip이 발생한 후에 내시경에 직선방향의 반력과 회전방향의 반력을 제공하는 mechanism을 구현하여 실제 내시경 시술에서 느끼는 반력과 동일한 느낌을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 내시경 시뮬레이션용 햅틱 장치의 분해 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 내시경 시뮬레이션용 햅틱 장치의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 내시경 시뮬레이션용 햅틱 장치의 동작 설명도.
도 4는 본 발명에 따른 내시경 시뮬레이션용 햅틱 장치의 동작 설명도.
도 5는 본 발명에 따른 내시경 시뮬레이션용 햅틱 장치의 동작 설명도.
도 6은 본 발명에 따른 내시경 시뮬레이션용 햅틱 장치의 일부 사시도.
도 7은 본 발명에 따른 내시경 시뮬레이션용 햅틱 장치의 사시도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명에서는 소화기 내시경 시술의 훈련을 위한 시뮬레이션용 햅틱 장치를 제안하는데, 기존의 다른 소화기 내시경 시뮬레이션의 햅틱장치와 다른 가장 큰 특징은 햅틱반력이 제공받지 않는 시간에는 내시경과 햅틱장치가 연결되어 있지 않다가, 반력이 제공되는 시간동안에만 내시경과 햅틱장치가 연결된다는 점이다. 햅틱장치는 내시경으로 반력을 제공하고 이는 훈련자에게 전달된다. 본 명세서에서 햅틱 장치라 함은 반력 제공 장치에 속하는 개념으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 제안한 반력 제공 장치는 크게 세 가지 메커니즘으로 구성되어 있다. 첫 번째 메커니즘은 내시경과 반력 제공 장치를 연결하는 메커니즘으로 gripping mechanism이고, 두 번째와 세 번째 메커니즘은 각각 grip이 일어난 후 내시경에 직선방향의 반력과 회전방향의 반력을 제공하는 메커니즘이다. (Translational force feedback mechanism, rotational force feedback mechanism) 이러한 메커니즘에 대해서는 자세하게 후술하기로 한다.

상기 반력이 발생하는 상황이란, 내시경 시뮬레이터 상의 프로그램에 의하여 내시경과 내장과의 충돌 묘사 상황을 의미하는 것이다. 즉, 가상된 시뮬레이션 상황이 미리 프로그램으로 설정되어 있고, 이러한 가상적 상황은 본 반력 제공 장치가 사용되는 시스템의 디스플레이 장치를 통하여 훈련자(사용자)에게 보여진다.

상기 상황에서 내시경이 내장과의 충돌이 상황이 발생하면, 시뮬레이터 시스템의 제어부에서는 반력 발생 장치에 반력이 발생하는 상황을 묘사하도록 명령을 내리게 된다. 다만, 본 발명은 내시경 시뮬레이터 중 반력 제공 장치에 대하여 권리범위를 청구하는 것으로서, 제어부 등에 대해서는 당업자에게 자명한 것이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 내시경 시뮬레이터용 햅틱 장치에 사용되어 내시경 튜브(100)에 반력을 제공하는 반력 제공 장치의 바람직한 실시예는, 몸체부(29)와, 상기 몸체부(29)에 제공되고, 상기 내시경 튜브(100)를 지지하는 지지부(21)와, 반력이 발생하지 않는 상황에는 상기 내시경 튜브(100)와 서로 접촉하지 않는 상태를 유지하고, 반력이 발생하는 상황에는 상기 내시경 튜브(100)와 접촉하여 압력을 가하는 가압부(24)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

즉, 내시경 튜브(100)를 사이에 두고, 지지부(21)와 가압부(24)가 서로 밀착하면서 반력을 내시경 튜브(100)로 전달하고, 이를 훈련자가 느끼는 원리이다. 다만, 본 발명의 핵심은 평상시에는 내시경 튜브(100)와 가압부(24)가 서로 이격되어 제공되다가, 반력 발생 상황시에만 접촉이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 다른 바람직한 실시예로서, 내시경 시뮬레이터용 햅틱 장치에 사용되어 내시경 튜브(100)에 반력을 제공하는 반력 제공 장치에 있어서, 몸체부(29)와, 상기 몸체부(29)에 제공되고, 상기 내시경 튜브(100)를 지지하는 지지부(21)와, 상기 지지부(21)에 회동가능하도록 연결되어 있고, 회동함에 따라 상기 지지부(21)와 협동하여 상기 내시경 튜브(100)를 잡는 동작을 수행할 수 있는 가압부(24)를 포함하는 것도 가능하다.

본 명세서에서는 가압부(24)가 내시경 튜브(100)에 접촉하여 반력을 발생시키는 상황을 Gripping Mechanism이라고 표현할 수 있다. 본 발명의 첫 번째 메커니즘인 gripping mechanism은 시뮬레이션에서 반력이 느껴지지 않는 자유공간상의 움직임을 묘사하는 경우에는 작동하지 않다가, 반력을 제공해야 하는 내장과의 충돌 묘사 시에 작동하는 메커니즘으로서 내시경과 반력 제공 장치를 연결하고 고정하는 메커니즘이다.

도 3 및 도 4는 이러한 gripping mechanism의 원리를 설명하는 도면이다.

또한, 상기 가압부(24)의 한계 이동 범위를 제한하도록 상기 동작부(23)의 이동 범위를 제한하는 멈춤부(22)를 더 포함할 수 있다. 본 명세서에서 한계 이동 범위라 함은, 가압부(24)가 지나치게 이동함으로써 내시경 튜브를 압박하여 파손 등의 문제를 초래할 수 있는 바, 가압부(24)가 내시경 튜브(100)를 압박하기 위해 이동할 수 있는 최대 허용 범위를 의미한다.

도 3을 참고하면, 몸체부(29)에 연결된 지지부(21)에 내시경 튜브가 올려져있고, 가압부(24)의 작동에 의해 내시경 튜브(100)가 압박받는다. 내시경 튜브(100)는 가압부(24)와 지지부(21) 사이에서 grip이 된다. 가압부(24)는 연결된 동작부(23)에 의해 구동된다. 동작부(23)는 모터 등의 구동기(제1 액츄에이터)와 연결되어 gripping mechanism에 동력을 제공한다. 멈춤부(22)는 동작부(23)와 지지부(21) 사이에 연결되어 가압부(24) - 동작부(23) - 멈춤부(22)의 연결 구조를 이루면서, 멈춤돌기(221)를 통해 동작부(23)의 작동범위를 제한해주는 역할을 한다.

도 4를 참고하면, 동작부(23)에 연결된 구동기는 동작부(23)를 오른쪽 아래 방향으로 움직이도록 작동한다. 동작부(23)가 구동기에 의해 구동되면 연결된 가압부(24)와 멈춤부(22)의 연결 구조에 의해 가압부(24)가 내시경을 압박하는 방향으로 움직인다. 내시경을 압박되어 grip된 상태에 도달하면 동작부(23)의 한 모서리와 멈춤부(22)가 일직선을 이룬다. 이 상태에서 멈춤부(22)에 있는 멈춤돌기(221)가 동작부(23)의 움직임을 제한하면서 더 이상 오른쪽 아래 방향으로 진행하지 못한다.

내시경이 grip되어 있는 상태에서는 가압부(24)로 내시경에 탄성에 의한 반력이 작용하고, 이 힘은 동작부(23)까지 전달되어 동작부(23)가 오른쪽 아래 방향으로 움직이는 힘이 되지만, 멈춤부(22)의 멈춤돌기(221)에 의해 동작부(23)의 움직임이 고정되고, 이로 인해 grip이 풀리지 않고 유지된다. 탄성부(25)는 grip이 되어있는 상태에서 구동기의 동력이 mechanism으로 공급되지 않더라도 동작부(23)가 grip이 풀리는 방향으로 움직이지 않도록 하여 grip을 유지하는 역할을 돕는다. 이 시스템은 메커니즘 전체에 지속적인 동력이 전달되지 않더라도 grip 상태를 유지할 수 있다는 장점이 있다. 이로 인해 grip을 지속하는 동안 구동기에서 계속 동력을 제공하지 않아도 되기 때문에 구동기의 과열을 막을 수 있다.

이러한 grippng mechanism이 대칭적으로 2개 연결되어 내시경을 반력 제공 장치에 고정한다.

즉, 본 발명에 따른 다른 실시예로서, 중간에 내시경 튜브(100)가 관통하는 하우징(10)과, 상기 하우징(10) 내에 구비되고, 상기 내시경 튜브(100)에 반력을 제공하는 반력제공부(20)와, 상기 반력제공부(20)에 반력을 발생시키는 동력을 전달하는 동력발생부(30)를 포함하는 내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치에 있어서, 상기 반력제공부(20)는, 중간에 상기 내시경 튜브(100)가 관통하는 몸체부(29)와, 상기 몸체부(29)에 제공되고, 상기 내시경 튜브(100)를 지지하고, 서로 대칭되게 제공되는 한 쌍의 지지부(21)와, 상기 각각의 지지부(21)에 회동가능하도록 연결되어 있고, 회동함에 따라 상기 각각의 지지부(21)와 협동하여 상기 내시경 튜브(100)를 잡는 동작을 수행할 수 있는 가압부(24)와, 상기 동력발생부(30)로부터 상기 가압부(24)로 동력을 전달하는 동작부(23)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때 내시경을 grip하고 release할 때의 동작부(23)의 움직임은 특정한 경로(trajectory)가 되는데, 이를 회전하는 부품과도 연결될 수 있도록 한다. 이렇게 회전의 움직임과 동작부(23)의 움직임을 연결하기 위해 후술할 환형부(39)가 제공된다.

도 5는 동력발생부(30)를 정면으로 하여 반력제공부(20)와의 관계를 도시한 것이다.

환형부(39)는 모터 등의 구동기(제1 액츄에이터)(미도시)에 의해 내시경의 위치를 중심으로 회전운동을 한다. 동작부(23)는 환형부(39)와 연결되어 환형부(39)가 회전함에 따라 내시경을 압박하는 경로로 움직인다. 환형부(39)와 동작부(23) 사이에는 연결부재(31)가 있어서 동작부(23)에 제공되는 제2 가이드홀(231)을 연결부재(31)가 미끄러지면서 환형부(39)의 회전움직임과 동작부(23)의 움직임이 연결된다.

제1 액츄에이터는 환형부(39)에 회전력을 발생시키는 것으로서, 어떠한 구조라도 상관없다. 또한 당업자에게 자명한 사항이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이러한 동력발생부(30)는 지지부(21)에 연결되는데, 그 연결구조는 다음과 같다.

끝단에 회동부재(33)가 제공되는 복수 개의 연결부(34)가 구비되고, 상기 지지부(22)에 고정되는 고정부재(35)를 더 포함하고, 상기 환형부(39)에는 상기 회동부재(33)가 안착하고, 상기 환형부(39)가 회전하는 경우 상기 회동부재(33)를 안내할 수 있는 안내홈(32)이 형성되는 것을 특징으로 한다.

고정부재(35)는 홀(37)이 형성되고, 지지부(22)에 형성된 돌기가 이에 삽입되어 고정이 가능하다.

도 5를 참조하면, 안내홈(32)은 일부가 서로 다른 측면에 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 연결부의 끝단의 회동부재(33) 들의 중간에 환형부(39)가 제공되는 구조인 것이, 환형부(39)가 연결부(34)로부터의 이탈을 방지할 뿐만 아니라, 균일한 회전력을 전달하는 것이 가능하다.

도 6은 본 발명에 따른 반력제공부의 회전 메커니즘을 설명하는 것이다.

이를 위해, 상기 몸체부(29)를 상기 내시경 튜브(100)를 회전축으로 하여 회전운동을 가능하게 하는 제2 액츄에이터(51)를 더 포함하는 것이 가능하다.

본 발명에서 내시경에 회전방향의 반력을 제공해주기 위한 rotational force feedback mechanism은 원형의 몸체부와 이를 회전시키기 위한 구동기(제2 액츄에이터)(51)로 구성된다.

구동기(actuator)(51)의 움직임을 몸체부(29)로 전달하여 몸체부(29)가 회전할 수 있도록 하기 위해서 연결기(connector)(53)를 이용한다. 구동기는 모터와 같이 회전방향의 힘을 내는 장치가 될 수도 있고, 기타 다른 방식으로 힘을 내는 장치가 될 수도 있다. 연결기는 이런 구동기의 움직임을 몸체부의 회전움직임으로 전환해준다. 구동기에 의한 몸체부의 회전움직임은 제어기를 통해 정교하게 제어 가능하여, 시뮬레이션 상에서 느껴지는 회전 반력을 정확하게 제공할 수 있다.

도 7은 본 발명에서 반력제공부의 수평운동을 설명하고 있는 도면이다.

이를 위해 상기 몸체부(29)를 상기 내시경 튜브(100)의 길이 방향으로 슬라이딩이 가능하게 하는 제3 액츄에이터(52)를 더 포함할 수 있다.

상기 하우징(10)에 상기 내시경 튜브(100)의 길이 방향으로 형성되는 제1 가이드홀(11)과, 상기 하우징(10)의 내측에 제공되어 상기 제1 가이드홀(11)을 따라 상기 내시경 튜브(100)의 길이 방향으로 이동가능한 한 쌍의 가이드 부재(13)를 더 포함하고, 상기 반력제공부(20)는 상기 한 쌍의 가이드 부재(13) 사이에 제공되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 한 쌍의 가이드 부재(13)의 이동을 위한 동력을 제공하는 제3 액츄에이터(52)를 더 포함할 수 있다.

가이드 부재(13)는 상기 제1 가이드홀(11)에 삽입되어 이동하는 돌기(131)가 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 내시경에 직선방향의 반력을 제공해 주기 위한 메커니즘은 회전방향의 반력을 제공해주는 메커니즘과 유사하다. 직선방향 반력을 제공해주는 구동기(제3 액츄에이터)(52)는 연결기(connector)(54)를 통해 내시경과 연결된 장치에 직선방향의 동력을 제공한다. 이 때 구동기는 역시 회전움직임을 만들어내는 모터가 될 수도 있고, 그 외의 다른 움직임을 만들어 내는 구동기일수도 있다. 연결기는 구동기의 움직임의 방향을 반력의 방향인 직선 방향으로 변환해 주는 역할을 한다.

본 발명에 따른 반력 제공 장치는 직선방향과 회전방향에 독립된 반력을 제공할 수 있고, 각각의 반력의 세기가 active 하게 제어 가능하도록 제공될 수 있는 특징이 있다. 이를 통해, 작은 장치의 크기와 충분한 작업공간, 작은 마찰 등의 다양한 성능 지표들을 만족할 수 있는 효과를 제공한다.

본 발명은 상기와 같은 실시예에 의해 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적인 사상을 가지고 있다면 모두 본 발명의 권리범위에 해당된다고 볼 수 있으며, 본 발명은 특허청구범위에 의해 권리범위가 정해짐을 밝혀둔다.

10 : 하우징, 11 : 제1 가이드 홀, 13 : 가이드 부재, 20 : 반력제공부, 21 : 지지부, 22 : 멈춤부, 23 : 동작부, 24 : 가압부, 25 : 탄성부, 29 : 몸체부, 30 : 동력발생부, 31 : 연결돌기, 39 : 환형부

Claims

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내시경 시뮬레이터용 햅틱 장치에 사용되어 내시경 튜브(100)에 반력을 제공하는 반력 제공 장치에 있어서,
몸체부(29)와,
상기 몸체부(29)에 제공되고, 상기 내시경 튜브(100)를 지지하는 지지부(21)와,
상기 지지부(21)에 회동가능하도록 연결되어 있고, 회동함에 따라 상기 지지부(21)와 협동하여 상기 내시경 튜브(100)를 잡는 동작을 수행할 수 있는 가압부(24)를 포함하는,
내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치.
청구항 4에 있어서,
제1 액츄에이터와,
상기 제1 액츄에이터로부터의 동력을 상기 가압부(24)에 전달하는 동작부(23)를 더 포함하는,
내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 몸체부(29)를 상기 내시경 튜브(100)를 회전축으로 하여 회전운동을 가능하게 하는 제2 액츄에이터(51)를 더 포함하는,
내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 몸체부(29)를 상기 내시경 튜브(100)의 길이 방향으로 슬라이딩이 가능하게 하는 제3 액츄에이터(52)를 더 포함하는,
내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치.
중간에 내시경 튜브(100)가 관통하는 하우징(10)과, 상기 하우징(10) 내에 구비되고, 상기 내시경 튜브(100)에 반력을 제공하는 반력제공부(20)와, 상기 반력제공부(20)에 반력을 발생시키는 동력을 전달하는 동력발생부(30)를 포함하는 내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치에 있어서,
상기 반력제공부(20)는,
중간에 상기 내시경 튜브(100)가 관통하는 몸체부(29)와,
상기 몸체부(29)에 제공되고, 상기 내시경 튜브(100)를 지지하는 지지부(21)와,
상기 지지부(21)에 회동가능하도록 연결되어 있고, 회동함에 따라 상기 지지부(21)와 협동하여 상기 내시경 튜브(100)를 잡는 동작을 수행할 수 있는 가압부(24)와,
상기 동력발생부(30)로부터 상기 가압부(24)로 동력을 전달하는 동작부(23)를 포함하는,
내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치.
중간에 내시경 튜브(100)가 관통하는 하우징(10)과, 상기 하우징(10) 내에 구비되고, 상기 내시경 튜브(100)에 반력을 제공하는 반력제공부(20)와, 상기 반력제공부(20)에 반력을 발생시키는 동력을 전달하는 동력발생부(30)를 포함하는 내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치에 있어서,
상기 반력제공부(20)는,
중간에 상기 내시경 튜브(100)가 관통하는 몸체부(29)와,
상기 몸체부(29)에 제공되고, 상기 내시경 튜브(100)를 지지하고, 서로 대칭되게 제공되는 한 쌍의 지지부(21)와,
상기 각각의 지지부(21)에 회동가능하도록 연결되어 있고, 회동함에 따라 상기 각각의 지지부(21)와 협동하여 상기 내시경 튜브(100)를 잡는 동작을 수행할 수 있는 가압부(24)와,
상기 동력발생부(30)로부터 상기 가압부(24)로 동력을 전달하는 동작부(23)를 포함하는,
내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치.
청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
상기 하우징(10)에 상기 내시경 튜브(100)의 길이 방향으로 형성되는 제1 가이드홀(11)과,
상기 하우징(10)의 내측에 제공되어 상기 제1 가이드홀(11)을 따라 상기 내시경 튜브(100)의 길이 방향으로 이동가능한 한 쌍의 가이드 부재(13)를 더 포함하고,
상기 반력제공부(20)는 상기 한 쌍의 가이드 부재(13) 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는,
내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 한 쌍의 가이드 부재(13)의 이동을 위한 동력을 제공하는 제3 액츄에이터(52)를 더 포함하는,
내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 몸체부(29)는 원형의 형상이고,
상기 반력제공부(20)가 상기 내시경 튜브(100)를 회전축으로 하여 회전 운동이 가능하도록 상기 몸체부(29)에 회전력을 제공하는 제2 액츄에이터(51)를 더 포함하는,
내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치.
청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
상기 가압부(24)의 한계 이동 범위를 제한하도록 상기 동작부(23)의 이동 범위를 제한하는 멈춤부(22)를 더 포함하는,
내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치.
청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
상기 동력발생부(30)는,
제1 액츄에이터와,
연결돌기(31)가 제공되고, 상기 제1 액츄에이터로부터 회전력을 전달받는 환형(環形)부(39)를 포함하고,
상기 동작부(23)는,상기 연결돌기(31)가 삽입되어 이동할 수 있도록 제2 가이드 홀(231)을 포함하고,
상기 환형부(39)의 회전에 따라 상기 연결돌기(31)가 상기 제2 가이드 홀(231)을 이동하면서 상기 동작부(23)를 운동시키는 것을 특징으로 하는,
내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치.
청구항 14에 있어서,
끝단에 회동부재(33)가 제공되는 복수 개의 연결부(34)가 구비되고, 상기 지지부(22)에 고정되는 고정부재(35)를 더 포함하고,
상기 환형부(39)에는 상기 회동부재(33)가 안착하고, 상기 환형부(39)가 회전하는 경우 상기 회동부재(33)를 안내할 수 있는 안내홈(32)이 형성되는 것을 특징으로 하는,
내시경 시뮬레이터용 반력 제공 장치.