KR101400447B1 - 접촉 힘 측정 장치, 수술 로봇 및 이를 구비하는 수술 로봇 시스템 - Google Patents

접촉 힘 측정 장치, 수술 로봇 및 이를 구비하는 수술 로봇 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 'ㅗ'자 형상으로 형성되는 바디와, 타원에 가까운 단면을 가지고 상기 바디의 상단에 형성되는 돌기, 및 상기 바디의 양 측면과 아랫면에 걸쳐 부착되어 상기 돌기에서 발생되는 접촉 힘을 측정하는 적어도 하나의 스트레인 게이지 센서를 포함하는 돌기부; 상부면의 양 측면에 상기 돌기부가 끼워맞춤 방식에 의하여 결합될 수 있는 직사각형 형태의 한쌍의 관통 홀이 형성되는 커버 플레이트; 및 상기 커버 플레이트와 체결되고, 상기 돌기부가 수용될 수 있는 수용홈이 양 측면에 형성되어 상기 돌기부를 수용하는 드레이프 플레이트를 포함하는 접촉 힘 측정 장치가 제공된다.
본 발명은 수술용 도구가 부착되는 수술 로봇 팔의 슬라이더에 스트레인 게이지 센서를 부착한 후 비접촉 방식에 의해 접촉 힘을 측정함으로써, 의사가 최소침습 수술시 수술 로봇과 인체 내부 장기가 상호 접촉하면서 발생하게 되는 상호작용 힘을 정확하게 피드백 받아 수술에 참조할 수 있도록 하여 수술의 정확도를 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

접촉 힘 측정 장치, 수술 로봇 및 이를 구비하는 수술 로봇 시스템{DEVICE FOR MEASUREING A ENVIRONMENT INTERACTION FORCE, SURGICAL ROBOT AND SURGICAL ROBOT SYSTEM WITH THE SAME}
본 발명은 최소침습 수술시 사용되는 수술 로봇과 인체 내부 장기가 상호 접촉하면서 발생하게 되는 상호작용 힘을 정확하게 측정하여 의사에게 제공할 수 있도록 하는 수술 로봇의 접촉 힘 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 최소침습 수술시 의사는 환자의 몸 안에 수술용 도구와, 내시경 카메라가 부착된 로봇 팔을 삽입한 후, 마스터 콘솔에 앉아 3차원 영상을 보면서 환자 몸 안에 삽입된 상기 수술용 도구를 원격으로 조종하여 수술을 수행하게 된다.
그러나, 현재 상용화되어 사용 중인 수술 로봇은 복강경 CCD 카메라를 통해 촬영되는 비디오 피드백에만 의존한 채 수술이 진행되도록 개발되어 있으며, 이로 인하여 의사가 상기 복강경 CCD 카메라를 통하여 촬영되지 않는 인체 내부의 장기와 숨겨진 조직들인 혈관, 신경, 암 세포 등을 구분하여 수술을 진행하는 것에 많은 어려움이 있다. 따라서, 상기 수술 로봇과 인체 내부의 장기가 상호 접촉하면서 발생하게 되는 힘을 측정하여, 의사에게 이를 정확하게 제공할 수 있는 힘 피드백이 수술의 정확도를 높일 수 있는 매우 중요한 요소로 부각되고 있다.
이와 같은 요구를 충족시키기 위하여 수술 로봇 팔의 그리퍼(Gripper)와 주변 환경 사이의 상호작용 과정에서 발생하게 되는 힘을 측정하기 위해서, 수술용 도구 끝단, 이 외의 투관침(Trocar) 또는 로봇 팔에 부착된 슬라이더에서 측정하는 방법들이 제안된 바 있다.
수술용 도구 끝단에서 힘을 측정하는 방식을 예로 들면, 2010. 9. 30. 공개된 미국공개특허 제2010-0250000호 "Optic Fiber Connection for a Force Sensing Instrument"에는 Fiber Bragg Grating(FBG) 광학 센서를 이용하여 인스트루먼트(Instrument) 끝단의 스트레인의 변형을 측정하는 기술이 개시된 바 있다. 즉 위 선행기술에 의하면 인스트루먼트 끝단에 형성된 광학 센서의 변형을 통해 주변 환경과의 상호 작용 힘을 직접 측정하게 된다.
또한, 2010. 12. 16. 공개된 미국공개특허 제2010-0313679호 "Modular Force Sensor"에는 인스트루먼트 장치의 끝단 근처의 말단 튜브 링크 부분에 스트레인 게이지 등으로 구성된 모듈 힘 센서(Modular Force Sensor)를 부착한 후 상기 센서의 변형을 통해 주변 환경과의 접촉력을 직접 측정하는 기술이 개시되어 있다.
또한, 2009. 10. 1. 공개된 미국공개특허 제2009-0248038호 "Force and Torque Sensing in a Surgical Robot Setup Arm"에는 스트레인 게이지 등을 이용하여 인스트루먼트 끝단에서 작용하는 접촉력을 직접 측정하는 기술이 개시되어 있다.
이와 같이 수술용 도구 끝단 근처에서 힘을 측정하는 방식은 대부분 그리퍼 안쪽의 접촉면에 직접 센서를 부착하여 힘을 측정하는 방식을 사용하게 되는데, 수술용 도구의 그리퍼 표면에 센서를 부착하여 힘을 측정하는 방식은 아래와 같은 문제점을 가지고 있다. 무엇보다도 수술 과정에서 절제를 위해 수술용 도구 끝단에 고전류를 흘려 보내게 되는데, 이러한 고전류로 인하여 센서가 손상될 가능성이 있고, 고온 고압에 의한 소독 과정에서도 센서가 손상될 가능성이 존재한다. 또한, 수술용 도구는 일정한 횟수 이상을 사용하면 폐기해야 하는 소모품이므로 수술용 도구에 센서를 부착하여 사용할 경우 상기 수술용 도구를 폐기할 때마다 센서 역시 폐기하여야 하는 문제점이 있게 된다.
위와 같이 수술용 도구의 끝단 근처에서 접촉 힘을 직접 측정하는 방식의 문제점을 극복하기 위하여 접촉면에서 떨어진 인체 외부에 센서 등을 부착한 후 인체 내부와 상기 수술용 도구 사이의 접촉 힘을 측정하는 방식이 개시된 바 있다.
예를 들어, S. Shimachi 등에 의하여 Int. J. of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, vol.4, 2008에 실린 “Adapter for contact force sensing of the da Vinci® robot”에 의하면, 오버코트 방법(Overcoat Method)을 이용한 간접적인 방식으로 인스트루먼트의 끝단에서 발생하는 접촉력을 측정하는 기술이 개시되어 있다. 위 선행기술에 의하면 힘 센서의 새로운 부착 위치와 슬레이브 암으로부터 공급되는 토크로부터 독립적인 축력 효과를 위한 축력 프리(Axial-Force-Free) 관절이 개시된다. 보다 상세히, 다빈치 로봇은 플로팅(Floating) 프레임과 베이스(Base) 프레임으로 구성되고, 상기 플로팅 프레임에 Z축 힘 센서와 가속도 센서가 상기 베이스 프레임으로부터 지지되어 있다. 이너 파이프(Inner pipe)와 오버코트 파이프(Overcoat pipe) 사이에는 X와 Y축 힘 센서가 부착되어 있다. 상기 이너 파이프는 X와 Y축으로 어떠한 힘도 가해지지 않도록 하는 유니버설 조인트를 통해 상기 플로팅 프레임에 연결되어 있다. AFF 조인트(Joints)는 Z축과 평행하게 상기 플로팅 프레임과 베이스 프레임 사이에 설치되어 있으며, 풀리에 의해 X축 회전 움직임이 Z축 회전 움직임으로 변환된다. 위 선행기술에 의하면 슬라이더에 3개 축 각각의 힘 센서와 Z축 가속도 센서를 부착하고, 축 방향 힘의 발생을 방지하여 토크 센서를 필요로 하지 않지만, 복잡한 구조로 그 제작이 용이치 않고 이너 파이프와 오버코트 파이프에 형성되는 X, Y축 센서의 절연이 문제될 수 있다.
또 다른 예로, N. Zemiti 등에 의하여 The 9th Int. Symp. Experimental Robotics, 2006에 실린 “A Force Controlled Laparoscopic Surgical Robot without Distal Force Sensing”에 의하면 투관침에 6축 힘/토크 센서를 부착하여 인스트루먼트 끝단에서 발생하는 힘을 측정하는 기술에 개시된 바 있다. 인스트루먼트는 패시브 가이던스(Passive Guidance) 내부에 위치하고, 상기 패시브 가이던스는 6축 힘/토크 센서의 윗부분에 부착되어 있다. 이 센서의 아랫부분은 종래 투관침 위에 놓여지게 된다. 위 선행기술에 의하면 투관침에 센서를 부착하여 간접적으로 인스트루먼트 끝단에 발생하는 힘을 측정할 수 있지만 투관침은 인체 복막의 움직임에 민감하여 측정시 오류 발생의 가능성이 크다는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 최소침습 수술시 사용되는 수술 로봇과 인체 내부 장기가 상호 접촉하면서 발생하게 되는 상호작용 힘을 정확하게 측정하여 의사에게 제공될 수 있도록 수술용 도구가 부착되는 수술 로봇 팔의 슬라이더에 스트레인 게이지 센서를 부착한 후 비접촉 방식에 의해 접촉 힘을 측정할 수 있는 수술 로봇의 접촉 힘 측정 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 'ㅗ'자 형상으로 형성되는 바디와, 타원에 가까운 단면을 가지고 상기 바디의 상단에 형성되는 돌기, 및 상기 바디의 양 측면과 아랫면에 걸쳐 부착되어 상기 돌기에서 발생되는 접촉 힘을 측정하는 적어도 하나의 스트레인 게이지 센서를 포함하는 돌기부; 상부면의 양 측면에 상기 돌기부가 끼워맞춤 방식에 의하여 결합될 수 있는 직사각형 형태의 한쌍의 관통 홀이 형성되는 커버 플레이트; 및 상기 커버 플레이트와 체결되고, 상기 돌기부가 수용될 수 있는 수용홈이 양 측면에 형성되어 상기 돌기부를 수용하는 드레이프 플레이트를 포함하는 접촉 힘 측정 장치가 제공된다.
바람직하게는, 상기 돌기는 상기 바디에 비하여 양 측면으로 돌출된 형상을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 돌기와 상기 드레이프 플레이트는 선으로 접촉하여 접촉 부위에 접촉 힘이 집중되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 바디의 옆면과 아랫면이 연결되는 부위에 필렛이 형성되어 상기 스트레인 게이지 센서가 용이하게 부착될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수용홈은 직육면체 형태의 공간부와, 상기 공간부의 상부 중심부에 상향으로 돌출된 돌기수용부를 구비하고, 상기 공간부는 상기 바디보다 소정 길이 만큼 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 돌기수용부의 입구는 사다리꼴과 유사한 단면을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 돌기수용부의 높이는 상기 돌기보다 높게 형성되어 상기 돌기의 윗면이 상기 돌기수용부와 접촉하여 상기 돌기의 변형율이 감소되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다자유도의 움직임을 가지고 전기 소작을 통해 생체조직을 태우거나 절단하는 수술을 수행하기 위한 인스트루먼트; 상기 인스트루먼트가 환자의 피부를 침습하기 위하여 병진운동을 수행하는 경우 깊이 방향으로 상기 인스트루먼트를 슬라이딩시키는 적어도 하나의 슬라이더; 상기 인스트루먼트를 수술 부위로 이동시켜 소정 범위의 수술 반경을 제공하는 복수의 샤프트; 및 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 하나의 청구항에 기재된 접촉 힘 측정 장치를 포함하는 수술 로봇이 제공된다.
바람직하게는, 상기 수술 로봇은 7 자유도(Degree Of Freedom)를 가지는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 7 자유도 중 4 자유도는 상기 샤프트의 움직임에 의해서, 3 자유도는 인스트루먼트의 그리퍼(Gripper)의 움직임에 의해서 형성되는 것을 특징으로 한다.
더더욱 바람직하게는, 상기 수술 로봇에 결합되는 인스트루먼트는 고깔(Cone) 모양의 수술 반경을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 공간적으로 이격된 곳에서 수술 시 의사의 조작을 받아들여 명령을 생성하는 마스터 장치; 상기 마스터 장치로부터 상기 명령을 수신한 후 모션제어기를 제어하는 슬레이브 장치; 및 상기 모션제어기의 제어신호에 따라 수술을 수행하는 청구항 8에 기재된 수술 로봇을 포함하는 수술 로봇 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 모션제어기는 상기 슬레이브 장치로부터 수신된 명령에 따라 상기 수술 로봇에 부착된 각 모터를 제어하고, 상기 각 모터에 부착된 엔코더 신호를 읽어오며, 상기 각 모터에 전기를 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 인스트루먼트가 지지점 또는 RCM 포인트를 중심으로 깊이 방향으로 병진 운동을 하는 단계; 상기 인스트루먼트의 끝단에서 발생하는 생체 모사 조직과의 접촉 힘에 의하여 복수의 슬라이더가 병진운동을 하는 단계; 상기 슬라이더 중 어느 하나에 수용되어 있는 커버 플레이트가 상기 접촉 힘으로 인하여 병진운동을 하는 단계; 상기 커버 플레이트에 결합되어 있는 돌기부가 슬라이딩 되면서 드레이프 플레이트의 돌기수용부와 접촉하면서 돌기에 변형율이 발생하는 단계; 및 상기 돌기부의 바디의 옆면과 아랫면에 결쳐 부착되는 스트레인 게이지 센서를 이용하여 상기 변형율을 측정하여 접촉 힘을 계산하는 단계를 포함하는 접촉 힘 측정 방법이 제공된다.
본 발명은 수술용 도구가 부착되는 수술 로봇 팔의 슬라이더에 스트레인 게이지 센서를 부착한 후 비접촉 방식에 의해 접촉 힘을 측정함으로써, 의사가 최소침습 수술시 수술 로봇과 인체 내부 장기가 상호 접촉하면서 발생하게 되는 상호작용 힘을 정확하게 피드백 받아 수술에 참조할 수 있도록 하여 수술의 정확도를 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수술 로봇을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수술 로봇 및 접촉 힘 측정 장치를 확대하여 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 접촉 힘 측정 장치의 분해 사시도를 도시한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템은 마스터 장치(100), 슬레이브 장치(200) 및 수술 로봇(300)을 포함할 수 있다.
상기 마스터 장치(100)는 상기 슬레이브 장치(200) 및 수술 로봇(300)과 공간적으로 이격된 곳에서 수술 시 의사의 조작을 받아들여 상기 수술 로봇(300)의 구동과 관련한 명령을 생성하여 상기 슬레이브 장치(200)로 전송하는 역할을 수행한다. 상기 슬레이브 장치(200)는 상기 마스터 장치(100)로부터 상기 명령을 수신한 후 상기 슬레이브 장치(200) 내부 또는 외부에 형성되는 모션제어기(210)를 제어하여 상기 수술 로봇(300)을 구동시키는 역할을 수행한다. 상기 수술 로봇(300)은 로봇 팔에 인스트루먼트(도 3의 도면부호 360 참조)를 부착시킨 후 의사의 지시에 따라 환자의 수술 부위를 침습하여 수술을 수행하는 역할을 수행한다. 상기 수술 로봇(300)에 대해서는 아래 도 2를 참조로 하여 보다 상세히 설명한다.
한편, 상기 모션제어기(210)는 상기 슬레이브 장치(200)로부터 수신된 명령에 따라 상기 수술 로봇(300)에 부착된 각 모터를 제어하고, 상기 각 모터에 부착된 엔코더 신호를 읽어오며, 상기 각 모터에 전기를 공급하는 한편 상기 슬레이브 장치(200)와의 통신을 수행하게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 모션제어기(210)는 그 중 적어도 일부가 슬레이브 장치(200)와 통신 가능한 프로그램 모듈일 수 있다. 이러한 프로그램 모듈들은 운영 시스템, 응용 프로그램 모듈 및 기타 프로그램 모듈의 형태로 슬레이브 장치(200)에 포함될 수 있으며, 물리적으로는 여러 가지 공지의 기억 장치 상에 저장될 수 있다. 또한, 이러한 프로그램 모듈들은 슬레이브 장치(200)와 통신 가능한 원격 기억 장치에 저장될 수도 있다. 한편, 이러한 프로그램 모듈들은 본 발명에 따라 후술할 특정 업무를 수행하거나 특정 추상 데이터 유형을 실행하는 루틴, 서브루틴, 프로그램, 오브젝트, 컴포넌트, 데이터 구조 등을 포괄하지만, 이에 한정되지는 않는다.
한편, 상기 마스터 장치(100), 슬레이브 장치(200) 또는 수술 로봇(300)은 상호 유무선 통신망(400)을 통하여 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 유선 통신망으로는 전화선(HomePNA; Phone Line Network Alliance), 전력선(PLC; Power Line Communication), 유선 LAN(Local Area Network; IEEE802.3) 및 광 케이블을 들 수 있고, 무선 통신망으로는 블루투스, 적외선 통신, 지그비(Zigbee), UWB(Ultra Wide Band), 무선랜(WLAN; Wireless LAN), CDMA(Code Division Multiple Access), WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 또는 GSM(Global System for Mobile communications)을 들 수 있다. 물론 본 발명의 일 실시예에 따른 유무선 통신망(400)은 위 예시에 구애받지 않으며 기 공지된 다양한 근거리 통신방식을 사용해 슬레이브 장치(200)와의 통신을 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수술 로봇을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇(300)은 상기 슬레이브 장치(200)로부터 신호를 전달받아 인스트루먼트(도 3의 도면부호 360 참조)의 동작을 제어한다. 상기 수술 로봇(300)에는 다수의 관절이 구비되며, 각 상기 관절은 다양한 종류의 조인트로 연결될 수 있다. 보다 상세히, 상기 수술 로봇(300)은 제1 내지 제4 샤프트(301, 302, 303, 304)가 차례로 연결되어 관절을 구성할 수 있고, 상기 제4 샤프트(304)는 제3 슬라이더(도 3의 도면부호 390 참조)와 연결될 수 있다. 상기 제1 샤프트(301)와 제2 샤프트(302)는 제1 조인트(305)로, 상기 제2 샤프트(302)와 제3 샤프트(303)는 제2 조인트(306)로, 상기 제3 샤프트(303)와 제4 샤프트(304)는 제1 패시브 조인트(307)로, 상기 제4 샤프트(304)와 제3 슬라이더(390)는 제2 패시브 조인트(308)로 연결될 수 있다.
이를 통하여 상기 수술 로봇(300)은 7 자유도(DOF;Degree Of Freedom)를 가질 수 있는데, 도 2에 도시된 바와 같이 이 중 4 자유도는 상기 제1 및 제2 조인트(305, 306), 제1 및 제2 패스브 조인트(307, 308) 또는 상기 제3 슬라이더(390)에서의 움직임에 의해서, 3 자유도는 인스트루먼트(360)의 그리퍼의 움직임에 의해서 형성될 수 있다. 보다 상세히, 상기 제1 샤프트(301)와 제2 샤프트(302)는 상기 제1 조인트(305)에 의하여 θ 방향으로 회전할 수 있고, 상기 제2 샤프트(302)와 제3 샤프트(303)는 상기 제2 조인트(306)에 의하여 φ 방향으로 회전할 수 있다. 상기 제3 샤프트(303)와 제4 샤프트(304)는 상기 제1 패시브 조인트(307)에 의하여 X축 방향으로 움직일 수 있으며, 상기 제3 슬라이더(390)는 r과 같이 Z축 방향으로 슬라이딩될 수 있다. 따라서 상기 수술 로봇(300)에 결합되는 인스트루먼트(360)는 고깔(Cone) 모양과 같은 수술 반경을 가질 수 있다.
상기 수술 로봇(300)의 인스트루먼트(360)가 사람 몸을 통과하여 삽입되는 지점을 지지점(Fulcrum Point) 또는 RCM(Remote Center of Motion) 포인트라고 하면, 결국 상기 지지점 또는 RCM 포인트에서의 상기 인스트루먼트(360)의 삽입 움직임은 X, Y, Z축 모든 방향으로 이루어질 수 있다. 이 중 본 발명은 상기 인스트루먼트(360)가 Z축을 따라 깊이 방향으로 움직이는 1 자유도 병진운동에 초점을 맞추고 상기 병진운동으로 인하여 상기 인스트루먼트(360)에 가해지는 힘을 측정하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
보다 상세히, 상기 인스트루먼트(360)가 Z축을 따라 1 자유도의 병진 운동을 할 때, 생체 모사 조직과의 상호작용에 의해 끝단에서 접촉 힘이 작용하게 된다. 생체 모사 조직은 인스트루먼트(360) 끝단에서 fTIP 힘에 의해 압축되면서, 반력 fe가 발생하게 된다. 이때의 반력 fe는 돌기(Bump; 도 3의 도면부호 322 참조)에 변형을 가하는 힘으로 작용하게 된다.
따라서 상기 돌기(322)에 스트레인 게이지 센서(도 3의 도면부호 324 참조)를 부착시키고 상기 돌기(322)에 가해지는 접촉 힘을 측정하여 이를 의사에게 피드백하는 경우 보다 정밀한 수술이 가능해 질 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수술 로봇 및 접촉 힘 측정 장치를 확대하여 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 접촉 힘 측정 장치의 분해 사시도를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇(300)은 커버 플레이트(cover plate;310), 돌기부(320), 드레이프 플레이트(drape plate;330), 제1 및 제2 브라켓(340, 350), 인스트루먼트(360), 및 제1 내지 제3 슬라이더(370, 380, 390)를 포함할 수 있다.
상기 커버 플레이트(310)의 상부면에는 상기 드레이프 플레이트(330)와의 체결을 위한 복수의 체결 홀(311)이 중앙부에 일렬로 형성될 수 있고, 상기 상부면의 양 측면에는 상기 돌기부(320)가 끼워맞춤 방식에 의하여 결합될 수 있는 직사각형 형태의 한쌍의 관통 홀(312)이 형성될 수 있다. 상기 관통 홀(312)의 긴 모서리 방향의 양 측면에는 상기 돌기부(320)와 상기 커버 플레이트(310)를 나사로 결합하기 위한 결합용 나사 홀(313)이 형성될 수 있으며, 상기 상부면의 양 끝은 각각 상기 제1 및 제2 브라켓(340, 350)이 고정될 수 있도록 브라켓 체결부(314a, 314b)가 형성될 수 있다.
한편 상기 돌기부(320)는 바디(321), 돌기(322), 체결부(323), 적어도 하나의 스트레인 게이지 센서(Strain Gage Sensor;324)를 포함할 수 있다. 상기 바디(321)는 상기 돌기부(322)의 몸체를 형성하는 구성요소로 'ㅗ'자 형태로 형성될 수 있다. 상기 바디(321)의 상단에는 단면이 타원에 가까운 돌기(322)가 형성될 수 있다. 상기 돌기(322)는 상기 바디(321)에 비하여 양 측면으로 돌출된 형상을 가지도록 형성됨으로써 상기 돌기(322)에 가해지는 토크가 향상될 수 있다. 상기 돌기(322)의 단면을 타원으로 가정할 때 장축을 형성하는 양 말단은 상기 드레이프 플레이트(330)와의 접촉을 통해 접촉 힘을 받게 되며, 이 경우 마치 타원과 같은 돌기(322)의 단면으로 인하여 상기 드레이프 플레이트(330)와 상기 돌기(322) 사이의 접촉부위는 면이 아닌 선을 형성하게 된다. 이와 같은 선 접촉을 통하여 상기 드레이프 플레이트(330)와 상기 돌기(322) 사이의 접촉 힘은 접촉부에 집중될 수 있게 된다. 상기 바디(321)의 양 끝단에는 상기 돌기부(320)와 상기 커버 플레이트(310) 사이의 체결을 위한 체결부(323)가 형성될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 상기 돌기부(320)가 상기 커버 플레이트(310)의 아랫 방향에서 윗 방향으로 끼워 맞춤 방식으로 결합될 때 상기 바디(321)는 상기 커버 플레이트(310)의 관통 홀(312)을 관통해 상방으로 결합되고, 상기 관통 홀(312)의 긴 모서리 보다 양 측방으로 길게 형성된 상기 체결부(323)는 상기 커버 플레이트의(310)의 관통 홀(312)을 관통하지 못한 채 상기 커버 플레이트(310)의 하부면에 접촉하게 된다. 한편, 상기 체결부(323)의 소정부에는 상기 커버 플레이트(310)와 체결부(323)를 나사로 결합하기 위한 나사 결합 홀(325)이 형성될 수 있다. 따라서 상기 커버 플레이트(310)의 결합용 나사 홀(313)과 상기 돌기부(320)의 나사 결합 홀(325)을 상호 관통하도록 나사를 체결하여 상기 커버 플레이트(310)와 돌기부(320)를 고정시킬 수 있게 된다. 상기 바디(321)의 양 측면과 아랫면을 걸쳐 적어도 하나의 스트레인 게이지 센서(324)가 부착되어 상기 돌기(322)에서 발생되는 접촉 힘을 측정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바디(321)의 옆면과 아랫면이 연결되는 부위는 필렛(326)을 하여 상기 스트레인 게이지 센서(324)의 부착을 용이하게 할 수 있다. 필렛의 지름을 크게 할수록 상기 돌기부(320)의 변형율이 감소되므로, 상기 스트레인 게이지 센서(324) 부착의 용이성을 고려하여 상기 필렛의 지름이 결정되어야 할 것이다. 한편, 상기 스트레인 게이지 센서(324)는 공지된 다양한 부착 방법을 통해 상기 바디(321)에 부착될 수 있다.
상기 드레이프 플레이트(330)는 전체적으로 직육면체와 유사한 외관을 가지며, 양 측면에는 상기 돌기부(320)가 수용될 수 있는 수용홈(331)이 형성될 수 있다. 상기 수용홈(331)은 직육면체의 공간부(331a)를 가지고, 상기 공간부의 상부 중심부에는 상향으로 돌출된 돌기수용부(331b)가 형성될 수 있다. 상기 공간부(331a)는 상기 바디(321)보다 소정 길이(h) 만큼 높게 형성되어 상기 바디(321)의 양 측면과 아랫면에 걸쳐 스트레인 게이지 센서(324)를 용이하게 부착할 수 있도록 하고, 상기 스트레인 게이지 센서(324)에 연결되어 있는 전선을 상기 공간부(331a)를 통해 외부로 반출할 수 있는 공간을 확보하게 된다. 상기 돌기수용부(331b)의 입구는 사다리꼴과 유사한 단면을 가지도록 형성되어 상기 돌기부(320)가 상기 수용홈(331)으로 보다 용이하게 수용되도록 할 수 있다. 한편 상기 돌기수용부(331b)의 높이는 상기 돌기(322)보다 높게 형성되어, 상기 드레이프 플레이트(330)의 병진 운동 시 상기 돌기(322)의 상부면이 상기 드레이프 플레이트(330)에 접촉하지 않도록 형성될 수 있다. 상기 돌기(322)의 상부면이 상기 드레이프 플레이트에 접촉하지 않음으로써 불필요한 접촉으로 인한 돌기(322)의 변형율 감소를 차단할 수 있게 된다. 상기 드레이프 플레이트(330)의 하부면 중앙부에는 상기 커버 플레이트(310)와의 고정을 위한 복수의 돌출부(332)가 일렬로 형성될 수 있고, 상기 돌출부(332)를 상기 커버 플레이트(310)의 체결 홀(311)에 끼워맞춤 방식에 의하여 결합시킬 수 있다. 한편, 상기 드레이프 플레이트(330)의 양 측면에는 상기 드레이프 플레이트(330)와 상기 제1 및 제2 브라켓(340, 350)을 결합시키기 위한 제1 및 제2 브라켓 결합부(333, 334)가 형성될 수 있다. 상기 드레이프 플레이트(330)를 상기 제1 및 제2 브라켓(340, 350)과 결합시킬 때 사다리꼴과 유사한 입구 단면을 가지는 돌기수용부(331b)로 인하여 상기 돌기부(320)는 보다 용이하게 상기 수용홈(331)에 수용될 수 있게 된다.
상기 제1 및 제2 브라켓(340, 350)은 상기 커버 플레이트(310)의 상부면에 형성되는 상기 브라켓 체결부(314a, 314b)와 각각 체결되어 고정될 수 있고, 상기 제1 및 제2 브라켓(340, 350)은 상기 드레이프 플레이트(330)의 제1 및 제2 브라켓 결합부(333, 334)와 끼워맞춤 방식에 의하여 결합될 수 있다.
상기 인스트루먼트(360)는 침습 수술을 수행하기 위한 일반적인 수술 도구이다. 현재 상용화된 인스트루먼트(360)는 다자유도의 움직임을 가지고 전기 소작을 통해 생체조직을 태우거나 절단하는 임무를 수행하게 된다. 이를 위하여 상기 인스트루먼트(360)는 초소형으로 제작되고 전기 소작시 발생하게 되는 고전류를 견딜 수 있는 내구성을 가지도록 형성된다. 상기 인스트루먼트(360)는 상기 드레이프 플레이트(330)의 상부에 결합될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 슬라이더(370, 380, 390)는 상기 인스트루먼트(360)가 환자의 피부로 침습하기 위하여 병진운동을 수행하는 경우 도 2에 도시된 Z축 방향으로 상기 인스트루먼트(360)를 슬라이딩시키는 기능을 수행한다. 특히, 상기 제1 슬라이더(370)는 내부가 일부 함몰되어 형성되는 수용부(미도시)를 통해 상기 커버 플레이트(310)를 수용할 수 있고, 상기 커버 플레이트(310) 및 상기 커버 플레이트(310)에 고정된 돌기부(320)가 상기 제1 슬라이더(370)에 고정되게 된다. 본 발명의 일 실시예에 의하면 총 3개의 상기 제1 내지 제3 슬라이더(370, 380, 390)가 는 3개가 적층된 구조를 가지고 있으나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖춘 당업자의 선택에 따라 상기 슬라이더의 갯수는 얼마든지 조절될 수 있을 것이다.
한편, 상기 커버 플레이트(310), 돌기부(320) 및 상기 드레이프 플레이트(330)는 상기 인스트루먼트(360)의 병진 운동으로 인하여 발생하는 접촉 힘을 측정하는 접촉 힘 측정 장치를 구성하게 된다. 상기 접촉 힘 측정 장치를 통한 접촉 힘 측정 방법을 설명하면, 지지점 또는 RCM 포인트를 중심으로 상기 인스트루먼트(360)가 깊이 방향으로 병진운동을 할 때, 상기 인스트루먼트(360) 끝단에서 발생하는 생체 모사 조직과의 접촉 힘에 의해 상기 제1 내지 제3 슬라이더(370, 380, 390)가 병진운동을 하게 되고 상기 제1 슬라이더(370)에 수용되어 있는 상기 커버 플레이트(310) 역시 상기 접촉 힘으로 인하여 병진운동을 하게 된다. 결국 상기 커버 플레이트(310)에 결합되어 있는 돌기부(310)가 슬라이딩 되면서 상기 드레이프 플레이트(330)의 돌기수용부(331b)와 접촉하면서 돌기(322)에 변형율이 발생하게 되고, 상기 바디(321)의 옆면과 아랫면에 결쳐 부착되는 상기 스트레인 게이지 센서(324)를 통하여 상기 변형율을 측정하여 접촉 힘을 계산할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 보아야 할 것이다.
100: 마스터 장치
200: 슬레이브 장치
210: 모션제어기
300: 수술 로봇
301: 제1 샤프트
302: 제2 샤프트
303: 제3 샤프트
304: 제4 샤프트
305: 제1 조인트
306: 제2 조인트
307: 제1 패시브 조인트
308: 제2 패시브 조인트
310: 커버 플레이트
311: 체결 홀
312: 관통 홀
313: 나사 홀
314a, 314b: 브라켓 체결부
320: 돌기부
321: 바디
322: 돌기
323: 체결부
324: 스트레인 게이지 센서
325: 나사 결합 홀
326: 필렛
330: 드레이프 플레이트
331: 수용홈
331a: 공간부
331b: 돌기수용부
332: 돌출부
333, 334: 제1 및 제2 브라켓 결합부
340, 350: 제1 및 제2 브라켓
360: 인스트루먼트
370, 380, 390: 제1 내지 제3 슬라이더
400: 유무선 통신망

Claims (12)

  1. 'ㅗ'자 형상으로 형성되는 바디와, 타원에 가까운 단면을 가지고 상기 바디의 상단에 형성되는 돌기, 및 상기 바디의 양 측면과 아랫면에 걸쳐 부착되어 상기 돌기에서 발생되는 접촉 힘을 측정하는 적어도 하나의 스트레인 게이지 센서를 포함하는 돌기부;
    상부면의 양 측면에 상기 돌기부가 끼워맞춤 방식에 의하여 결합될 수 있는 직사각형 형태의 한쌍의 관통 홀이 형성되는 커버 플레이트; 및
    상기 커버 플레이트와 체결되고, 상기 돌기부가 수용될 수 있는 수용홈이 양 측면에 형성되어 상기 돌기부를 수용하는 드레이프 플레이트를 포함하는 접촉 힘 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 돌기는 상기 바디에 비하여 양 측면으로 돌출된 형상을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉 힘 측정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 돌기와 상기 드레이프 플레이트는 선으로 접촉하여 접촉 부위에 접촉 힘이 집중되는 것을 특징으로 하는 접촉 힘 측정 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 바디의 옆면과 아랫면이 연결되는 부위에 필렛이 형성되어 상기 스트레인 게이지 센서가 용이하게 부착될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 접촉 힘 측정 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 수용홈은 직육면체 형태의 공간부와, 상기 공간부의 상부 중심부에 상향으로 돌출된 돌기수용부를 구비하고,
    상기 공간부는 상기 바디보다 소정 길이 만큼 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉 힘 측정 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 돌기수용부의 입구는 사다리꼴과 유사한 단면을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉 힘 측정 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 돌기수용부의 높이는 상기 돌기보다 높게 형성되어 상기 돌기의 윗면이 상기 돌기수용부와 접촉하여 상기 돌기의 변형율이 감소되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 접촉 힘 측정 장치.
  8. 다자유도의 움직임을 가지고 전기 소작을 통해 생체조직을 태우거나 절단하는 수술을 수행하기 위한 인스트루먼트;
    상기 인스트루먼트가 환자의 피부를 침습하기 위하여 병진운동을 수행하는 경우 깊이 방향으로 상기 인스트루먼트를 슬라이딩시키는 적어도 하나의 슬라이더;
    상기 인스트루먼트를 수술 부위로 이동시켜 소정 범위의 수술 반경을 제공하는 복수의 샤프트; 및
    청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 하나의 청구항에 기재된 접촉 힘 측정 장치를 포함하는 수술 로봇.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 수술 로봇은 7 자유도(Degree Of Freedom)를 가지는 것을 특징으로 하는 수술 로봇.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 7 자유도 중 4 자유도는 상기 샤프트의 움직임에 의해서, 3 자유도는 인스트루먼트의 그리퍼(Gripper)의 움직임에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 수술 로봇.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 수술 로봇에 결합되는 인스트루먼트는 고깔(Cone) 모양의 수술 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 수술 로봇.
  12. 인스트루먼트가 지지점 또는 RCM 포인트를 중심으로 깊이 방향으로 병진 운동을 하는 단계;
    상기 인스트루먼트의 끝단에서 발생하는 생체 모사 조직과의 접촉 힘에 의하여 복수의 슬라이더가 병진운동을 하는 단계;
    상기 슬라이더 중 어느 하나에 수용되어 있는 커버 플레이트가 상기 접촉 힘으로 인하여 병진운동을 하는 단계;
    상기 커버 플레이트에 결합되어 있는 돌기부가 슬라이딩 되면서 드레이프 플레이트의 돌기수용부와 접촉하면서 돌기에 변형율이 발생하는 단계; 및
    상기 돌기부의 바디의 옆면과 아랫면에 결쳐 부착되는 스트레인 게이지 센서를 이용하여 상기 변형율을 측정하여 접촉 힘을 계산하는 단계를 포함하는 접촉 힘 측정 방법.
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