KR101341468B1 - 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 햅틱 기능의 구현을 위한 햅틱 액츄에이터와 엔코더를 핸들링부와 분리하여 구성함으로써 구조적인 복잡성과 무게 및 관성 증대를 방지할 수 있도록 한 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇에 관한 것으로, 본 발명에 따른 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇은, 베이스와, 상기 베이스에 복수의 축을 중심으로 회전하도록 설치되어 시술자의 조작에 의해 회전 운동하는 회전조작유닛과, 상기 회전조작유닛의 각각의 축에 결합되어 회전조작유닛과 함께 회전운동하는 복수의 구동 풀리를 구비한 핸들링부; 그리고, 상기 핸들링부와는 개별체로 구성된 마운트프레임과, 상기 마운트프레임에 회전 가능하게 설치되며 상기 핸들링부의 구동 풀리와 케이블에 의해 연결되어 상기 구동 풀리의 회전에 의해 회전하는 복수의 종동 풀리와, 상기 마운트프레임에 각각의 종동 풀리와 동축상으로 연결되도록 설치되는 복수의 엔코더와, 상기 마운트프레임에 상기 각각의 종동 풀리들과 동축상으로 연결되도록 설치된 복수의 햅틱 액츄에이터를 구비한 컨트롤부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수술 로봇 시스템용 마스터 로봇{Master Robot for Surgery Robot System}

본 발명은 수술 로봇 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇 수술시 시술자인 의사의 조작에 의해 수술용 인스트루먼트(슬레이브 로봇)의 작동을 제어하는 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇에 관한 것이다.

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

수술 로봇 시스템을 이용한 수술시, 일반적으로 의사는 마스터 로봇(master robot)을 작동시켜 환자로부터 떨어진 위치의 수술 장소(예를 들어, 환자가 있는 곳과 다른 방)에서 수술용 인스트루먼트(슬레이브 로봇)의 움직임을 제어한다. 마스터 로봇은 일반적으로 소형 손목 김벌(handheld wrist gimbal), 조이스틱, 외골격식 글러브(exoskeletal glove), 핸드피스(handpiece) 등과 같은 하나 이상의 수동 입력 장치를 포함한다.

현재 상용화 되어 나와 있는 수술용 로봇 시스템에서는 외과 의사의 편안한 동작 수행과 피로도를 줄이기 위해 슬레이브 로봇의 자유도보다 많은 여유자유도를 마스터 로봇에 적용하고 있다. 수술용 로봇 시스템에 필요한 햅틱 기능을 나타내기 위해서는 마스터 로봇의 각 링크에 외과의사의 손동작의 움직임을 측정해야 하는 엔코더와, 햅틱(haptic) 힘을 발생 하기 위한 햅틱 액츄에이터가 갖추어져야 한다. 따라서, 엔코더와 햅틱 액츄에이터로 인하여 증가되어진 하중과 관성으로 인해 수술 감각과 같은 햅틱 기능인 섬세한 동작을 만들기 어렵다.

다시 말해서, 수술용 로봇 시스템의 구동을 위한 마스터 로봇과 같은 다자유도 구조에서는 햅틱 구조가 핵심이지만, 상기 햅틱 액츄에이터와 엔코더가 마스터 로봇에 부착될 경우 구조의 복잡성과 무게 증대 및 관성 증대가 발생하여 결국 수술 동작에서의 감응력 보다 마스터 구조의 하중이 커서 햅틱 기능의 구현이 힘들어지는 문제가 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 햅틱 기능의 구현을 위한 햅틱 액츄에이터와 엔코더를 핸들링부와 분리하여 구성함으로써 구조적인 복잡성과 무게 및 관성 증대를 방지하고, 햅틱 기능의 구현이 용이한 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇은, 베이스와, 상기 베이스에 복수의 축을 중심으로 회전하도록 설치되어 시술자의 조작에 의해 회전 운동하는 회전조작유닛과, 상기 회전조작유닛의 각각의 축에 결합되어 회전조작유닛과 함께 회전운동하는 복수의 구동 풀리를 구비한 핸들링부; 그리고, 상기 핸들링부와는 개별체로 구성된 마운트프레임과, 상기 마운트프레임에 회전 가능하게 설치되며 상기 핸들링부의 구동 풀리와 케이블에 의해 연결되어 상기 구동 풀리의 회전에 의해 회전하는 복수의 종동 풀리와, 상기 마운트프레임에 각각의 종동 풀리와 동축상으로 연결되도록 설치되는 복수의 엔코더와, 상기 마운트프레임에 상기 각각의 종동 풀리들과 동축상으로 연결되도록 설치된 복수의 햅틱 액츄에이터를 구비한 컨트롤부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 시술자인 의사가 조작하는 핸들링부와, 햅틱 액츄에이터 및 엔코더를 구비한 컨트롤부가 서로 개별체로 분리 구성되므로, 구조적인 복잡성과 무게 및 관성 증대를 방지할 수 있으며, 핸틱 기능의 구현이 용이해지는 이점이 있다. 또한, 여유 자유도가 추가되어도 큰 영향을 받지 않게 되므로 다자유도 인스트루먼트에 적합한 구조이다.

이와 더불어 핸들링부와 컨트롤부 간에 힘을 전달하는 링크기구로서 장력이 가해진 케이블을 이용하므로, 벨트나 기어를 사용하는 링크기구의 형상적 및 기하적 한계를 극복할 수 있으며, 섬세한 햅틱 기능의 구현이 가능한 이점도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇의 핸들링부를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 핸들링부의 측면도이다.
도 4는 도 2의 핸들링부의 평면도이다.
도 5는 도 1의 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇의 컨트롤부의 주요 부분을 나타낸 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇을 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇은 시술자인 의사가 손으로 잡고 조작하는 핸들링부(100)와, 상기 핸들링부(100)와 개별체로 되어 핸들링부(100)와 분리되게 구성된 컨트롤부(200)로 구성된다.

상기 핸들링부(100)는 고정 구조물인 베이스(110)와, 상기 베이스(110)에 복수(이 실시예에서 3개)의 축을 중심으로 회전하도록 설치되어 시술자의 조작에 의해 회전 운동하는 회전조작유닛(120)과, 상기 회전조작유닛(120)의 각각의 축에 결합되어 회전조작유닛(120)의 회전에 의해 회전운동하는 복수(이 실시예에서 3개)의 구동 풀리(130)를 구비한다.

상기 회전조작유닛(120)은 중심부가 상기 베이스(110)에 수평한 롤축(121)(roll axis)을 중심으로 회전하도록 설치된 대략 'ㄷ'자형 바아 형태의 롤회전부재(124)와, 상기 롤회전부재(124)의 일단부에 롤축(121)과 직교하는 피치축(122)(pitch axis)을 중심으로 회전하도록 설치된 대략 'ㄷ'자형 바아 형태의 피치회전부재(125)와, 상기 피치회전부재(125)의 중앙부에 지면(地面)에 대해 수직한 요축(123)(yaw axis)을 중심으로 회전하도록 설치되며 시술자가 손으로 잡고 조작하도록 된 원통형의 핸들(126)과, 상기 핸들(126)의 상단부에 회전 가능하게 설치되어 시술자의 조작에 의해 수술용 인스트루먼트의 엔드 이펙터(end effector)를 동작시키는 핑거팁(127)을 포함한 구성으로 이루어진다.

상기 구동 풀리(130)들은 상기 롤축(121)과 피치축(122)과 요축(123) 및 핑거팁 회전축의 일단부에 고정되게 설치되어, 상기 롤회전부재(124)와 피치회전부재(125)와 핸들(126) 및 핑거팁(127)이 회전할 때 함께 회전한다.

상기 롤회전부재(124)와 피치회전부재(125) 및 핸들(126)의 일단부에는 상기 구동 풀리(130)를 하기의 컨트롤부(200)의 종동 풀리(220)들과 개별적으로 연결하는 복수개의 케이블(300)이 통과하면서 지지되는 사각 판상의 케이블홀더(140)가 설치된다. 상기 케이블홀더(140)에는 상기 케이블(300)들이 통과하는 홀이 형성되어 있다.

상기 컨트롤부(200)는 상기 핸들링부(100)의 회전조작유닛(120)의 조작 방향과 속도 및 회전 각도를 측정하여 슬레이브 로봇인 수술용 인스트루먼트에 작동을 제어하는 신호를 전송하고, 수술용 인스트루먼트로부터 수술용 인스트루먼트에 걸리는 반력을 전송받아 햅틱 기능을 구현하는 작용을 한다. 이 실시예에서 상기 컨트롤부(200)는 상기 핸들링부(100)와는 개별체로 구성된 마운트프레임(210)과, 상기 마운트프레임(210)에 회전 가능하게 설치되며 상기 핸들링부(100)의 구동 풀리(130)들과 케이블(300)에 의해 연결되어 상기 구동 풀리(130)의 회전에 의해 회전하는 복수의 종동 풀리(220)와, 상기 마운트프레임(210)에 각각의 종동 풀리(220)와 동축상으로 연결되도록 설치되는 복수의 엔코더(230)와, 상기 마운트프레임(210)에 상기 각각의 종동 풀리(220)들과 동축상으로 연결되도록 설치된 햅틱 액츄에이터(240)를 구비한다.

도면에 도시하지는 않았으나, 상기 컨트롤부(200)는 상기 엔코더(230)에서 생성된 엔코더 신호를 슬레이브 로봇인 수술용 인스트루먼트의 컨트롤러로 유선 또는 무선으로 송신하고, 수술용 인스트루먼트의 컨트롤러로부터 수술용 인스트루먼트에 걸리는 반력을 전송받는 통신모듈 등이 더 구성될 수 있다.

상기 핸들링부(100)의 구동 풀리(130)들과 컨트롤부(200)의 종동 풀리(220)들은 각각 2개씩의 케이블(300)에 의해 연결되어 상호 연동하게 된다. 상기 케이블(300)은 소정의 장력이 인가된 상태로 연결된다. 상기 케이블(300)은 고무와 같은 유연한 수지 재질의 튜브 내부에 금속 와이어가 설치되어 있는 케이블-컨듀잇(cable-conduit) 구조로 이루어질 수 있다.

도 5에 도시한 것과 같이 상기 케이블(300)들의 장력을 조절할 수 있도록 하기 위하여 상기 마운트프레임(210)에는 각각의 케이블(300)들이 통과하는 복수개의 장력조절공(251)들이 일정 간격으로 형성되어 있는 장력조절판(250)이 설치될 수 있다. 이와 같이 상기 케이블(300)들을 상기 장력조절판(250)의 장력조절공(251)을 통해 종동 풀리(220)에 연결하면, 케이블(300)이 통과하는 장력조절공(251)의 위치에 따라 케이블(300)의 장력을 조절할 수 있다.

상기 컨트롤부(200)의 엔코더(230)는 구동 풀리(130)의 회전과 연동한 종동 풀리(220)의 회전 각도 및 속도에 대한 엔코더 신호를 생성하여 출력한다. 그리고, 상기 햅틱 액츄에이터(240)는 상기 수술용 인스트루먼트의 컨트롤러로부터 전송된 수술용 인스트루먼트의 반력에 대한 정보를 받아 종동 풀리(220)를 회전시켜 구동 풀리(130)를 연동시킴으로써 핸들링부(100)를 조작하는 시술자에게 반력에 제공하고, 이로써 햅틱 기능을 구현하는 작용을 하게 된다. 상기 햅틱 액츄에이터(240)는 코어리스 모터(coreless motor)를 적용하여 구성될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 마스터 로봇은 다음과 같이 작동한다.

시술자인 의사가 핸들(126)을 잡고 원하는 방향으로 힘을 가하면, 롤회전부재(124)와 피치회전부재(125) 및 핸들(126)이 각각 롤축(121)과 피치축(122) 및 요축(123)을 중심으로 회전하게 된다. 이 때, 상기 롤축(121)과 피치축(122) 및 요축(123)에 결합되어 있는 구동 풀리(130)들이 함께 회전하게 된다.

상기 구동 풀리(130)의 회전은 소정의 장력으로 연결된 케이블(300)을 통해 종동 풀리(220)에 전달되어 종동 풀리(220)가 동일한 속도와 각도로 회전하게 된다. 이러한 종동 풀리(220)의 회전에 의해 종동 풀리(220)와 연결된 엔코더(230)에서 엔코더 신호가 발생하게 되고, 이 신호는 통신모듈(미도시)을 통해 수술용 인스트루먼트의 컨트롤러(미도시)로 전송되어 수술용 인스트루먼트의 동작을 제어하게 된다.

이 때, 상기 수술용 인스트루먼트의 엔드 이펙터(end effector)에 걸리는 외력이 수술용 인스트루먼트의 컨트롤러(미도시)로부터 컨트롤부(200)로 전송되고, 햅틱 액츄에이터(240)는 이 외력에 해당하는 만큼 종동 풀리(220)를 회전시킨다. 상기 종동 풀리(220)의 회전은 다시 케이블(300)을 통해 구동 풀리(130)로 전달되어 회전조작유닛(120)에 힘을 전달하게 된다. 상기 회전조작유닛(120)에 전달되는 힘은 시술자에게 반력으로 제공되고, 이로써 햅틱 기능이 구현된다.

전술한 것과 같이 본 발명의 마스터 로봇은 시술자가 조작하는 핸들링부(100)와, 햅틱 액츄에이터 및 엔코더를 구비한 컨트롤부(200)가 서로 개별체로 분리 구성되므로, 구조적인 복잡성과 무게 및 관성 증대를 방지할 수 있으며, 핸틱 기능의 구현이 용이해지는 이점이 있다.

또한, 핸들링부(100)와 컨트롤부(200) 간에 힘을 전달하는 링크기구로서 장력이 가해진 케이블(300)을 이용하므로, 벨트나 기어를 사용하는 링크기구의 형상적 및 기하적 한계를 극복할 수 있으며, 섬세한 햅틱 기능의 구현이 가능한 이점도 얻을 수 있다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

100 : 핸들링부 110 : 베이스
120 : 회전조작유닛 121 : 롤축(Roll Axis)
122 : 피치축(Pitch Axis) 123 : 요축(Yaw Axis)
124 : 롤회전부재 125 : 피치회전부재
126 : 핸들 127 : 핑거팁
130 : 구동 풀리 140 : 케이블홀더
200 : 컨트롤부 210 : 마운트프레임
220 : 종동 풀리 230 : 엔코더
240 : 햅틱 액츄에이터 250 : 장력조절판
251 : 장력조절공 300 : 케이블

Claims (7)

1. 베이스(110)와; 상기 베이스(110)에 수평한 롤축(121)(roll axis)을 중심으로 회전하도록 설치된 롤회전부재(124), 상기 롤회전부재(124)에 롤축(121)과 직교하는 피치축(122)(pitch axis)을 중심으로 회전하도록 설치된 피치회전부재(125), 상기 피치회전부재(125)에 지면(地面)에 대해 수직한 요축(123)(yaw axis)을 중심으로 회전하도록 설치되며 시술자가 손으로 잡고 조작하도록 된 핸들(126), 상기 핸들(126)에 설치되어 시술자의 조작에 의해 수술용 인스트루먼트의 엔드 이펙터(end effector)를 동작시키는 핑거팁(127)을 포함하는 회전조작유닛(120)과; 상기 롤회전부재(124)와 피치회전부재(125)와 핸들(126) 및 핑거팁(127)의 축에 각각 결합되어 롤회전부재(124)와 피치회전부재(125)와 핸들(126) 및 핑거팁(127)과 함께 회전운동하는 복수의 구동 풀리(130)를 구비한 핸들링부(100): 그리고,
   상기 핸들링부(100)와 분리되어 설치된 마운트프레임(210)과, 상기 마운트프레임(210)에 회전 가능하게 설치되며 상기 핸들링부(100)의 구동 풀리(130)와 케이블(300)에 의해 연결되어 상기 구동 풀리(130)의 회전에 의해 회전하는 복수의 종동 풀리(220)와, 상기 마운트프레임(210)에 각각의 종동 풀리(220)와 동축상으로 연결되도록 설치되는 복수의 엔코더(230)와, 상기 마운트프레임(210)에 상기 각각의 종동 풀리(220)들과 동축상으로 연결되도록 설치되어 종동풀리(220)를 회전시키는 복수의 햅틱 액츄에이터(240)를 구비하여, 상기 케이블(300)을 통해 엔코더(230)로 전달된 핸들링부(100)의 롤회전부재(124)와 피치회전부재(125)와 핸들(126) 및 핑거팁(127)의 회전 각도 및 속도에 따라 수술용 인스트루먼트의 작동을 제어하는 컨트롤부(200)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇.
2. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤부(200)는 상기 마운트프레임(210)에 설치되며 상기 각각의 케이블(300)들이 통과하는 복수개의 장력조절공(251)들이 일정 간격으로 형성되어 있는 장력조절판(250)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 케이블(300)은 유연한 수지 재질의 튜브 내부에 금속 와이어가 설치된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇.
5. 제1항에 있어서, 상기 회전조작유닛(120)에는 상기 각각의 케이블(300)이 통과하면서 지지되는 복수개의 케이블홀더(140)가 설치된 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇.
6. 제1항에 있어서, 상기 햅틱 액츄에이터(240)는 수술용 인스트루먼트의 컨트롤러로부터 전송된 수술용 인스트루먼트의 반력에 대한 정보를 받아 종동 풀리(220)를 회전시켜 구동 풀리(130)를 연동시킴으로써 시술자에게 반력을 제공하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇.
7. 제1항 또는 제6항에 있어서, 상기 햅틱 액츄에이터(240)는 코어리스 모터(coreless motor)인 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템용 마스터 로봇.
   

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