KR101418717B1 - 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조 - Google Patents

Abstract

수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조가 개시된다. 수술용 인스트루먼트(instrument)가 장착되는 수술용 로봇의 마스터부에 구비되며, 인스트루먼트가 그립(grip) 동작을 수행하도록 사용자로부터 그립 조작을 입력받기 위한 그립퍼(gripper) 구조로서, 본체와, 본체에 결합되는 샤프트(shaft)와, 샤프트에 결합되며, 사용자의 그립 조작에 상응하여 개폐되는 한 쌍의 그립 요소(grip element)와, 샤프트에 내장되며, 그립 요소에 대한 사용자의 그립 여부를 감지하는 제1 센싱부를 포함하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조는, 그립 감지 센서와의 전기적 연결 부위에 슬립 링(slip ring)을 적용함으로써 그립부가 회전하더라도 전기적 연결이 꼬이거나 단락되지 않아 핑거 그립부의 무한 회전이 가능하다.

Description

수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조{Master gripper of surgical robot}

본 발명은 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조에 관한 것이다.

의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기계를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다. 특히, 수술부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제로 인하여 최근에는 로봇(robot)을 사용한 수술이 대안으로서 각광받고 있다.

이러한 수술용 로봇은 의사의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터(master)부와, 조작부로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave)부로 구분될 수 있는데, 마스터부와 슬레이브부는 하나의 수술용 로봇의 각 부분으로서 구분되거나, 각각 별도의 장치로, 즉 조작부는 마스터 로봇으로, 구동부는 슬레이브 로봇으로 구분되어 수술실에 각각 배치될 수도 있다.

수술용 로봇의 마스터부에는 의사의 조작을 위한 디바이스가 설치되는데, 로봇 수술의 경우 집도의는 수술에 필요한 인스트루먼트를 직접 조작하는 것이 아니라, 전술한 디바이스를 조작하여 로봇에 장착된 각종 인스트루먼트가 수술에 필요한 동작을 수행하도록 한다.

수술용 로봇의 슬레이브부에는 수술용 인스트루먼트가 장착되며, 인스트루먼트의 말단에는 이펙터(effector)가 결합된다. 이펙터는 수술 동작의 종류에 따라 집게, 가위, 나이프, 바늘 등 다양한 형상 및 구조로 이루어지는데, 전술한 것처럼 마스터부에 설치되는 디바이스를 조작함에 따라, 인스트루먼트의 이펙터는 그 형상 및 구조에 따른 수술에 필요한 동작, 즉 그립(grip), 절단(cutting), 봉합(suturing) 등의 다양한 동작을 수행하게 된다.

이 중, 이펙터가 집게 구조로 이루어진 경우, 이펙터의 동작을 제어하기 위해 마스터 디바이스에는 그립퍼(gripper)가 설치될 수 있다. 즉, 수술용 로봇의 마스터부에 집게 형상의 그립퍼를 설치하고, 사용자가 그립퍼를 조작하는 것에 상응하여 이펙터 또한 집게 동작을 수행하도록 하였다.

수술용 마스터 로봇에 있어서, 종래에는 조작자(의사)가 자신의 손목을 비틀면서 핸들을 회전시켜야 하는데, 이 경우 손목을 일정 정도 이상으로 비틀게 되면 (인체의 구조상) 더 이상 핸들을 회전시키지 못하게 되는 한계점이 존재하였으며, 이에 따라 수술 도구(인스트루먼트)의 동작(회전) 범위 또한 제한된다는 문제점이 있었다.

종래의 마스터 그립퍼의 구조는, 한 쌍의 그립 요소가 힌지축에 결합된 집게 형태로서, 힌지축에 설치되는 모터를 작동시킴에 따라 집게 요소가 벌어지거나 닫히도록 하는 구조, 또는 외부의 구동모터가 와이어에 의해 힌지축과 풀리(pulley) 결합되어 구동모터를 작동시킴에 따라 와이어를 통해 장력이 전달되어 집게 요소가 벌어지거나 닫히도록 하는 구조로 이루어졌다.

이 경우, 모터에는 인코더가 결합되어 있어서, 인코더를 통해 전송되는 모터의 회전 정도에 관한 정보로부터 그립퍼가 벌어진 정도(또는 닫힌 정도)를 파악하고, 이에 따라 그립퍼의 개폐정도에 상응하여 이펙터가 집게 동작을 수행하도록 제어하게 된다.

그러나, 종래의 마스터 그립퍼 구조는, 힌지축(또는 외부)에 양방향으로의 회전을 제어할 수 있는 모터(예를 들면, 서보 모터)를 설치해야 하므로 그립퍼의 크기가 커지고 구조가 복잡하며, 풀리 와이어의 텐션(tension)을 적절하게 조절해야만 제대로 작동하게 되는 번거로움이 있었다. 즉, 와이어의 텐션이 너무 크면 모터가 원활하게 회전하기 힘들고, 텐션이 너무 작으면 백래쉬(backlash) 등의 문제가 발생할 수 있다는 한계가 있었다.

또한, 종래의 마스터 그립퍼 구조에 사용되는 센서(홀센서)는 아날로그 타입이므로 AD컨버터가 필요하게 되고, 센서마다 캘리브레이션(calibration)을 해줘야 한다는 단점이 있다.

한편, 종래의 마스터 그립퍼 구조에는 광학 장치를 이용하여 핑거 그립(finger grip)부의 회전을 감지하는 기술이 적용되기도 하였다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

한편, 공개특허 10-2012-0079331에는 로봇 암의 주 모터의 회전축에 고정되어 그 회전축과 일체로 회전하면서 전기적인 신호를 서보 모터에 전달하는 슬립링 장치로서, 프레임; 상기 프레임에 대해 회전가능하도록 설치되며, 상기 주 모터의 회전축에 고정되는 링 형태의 구조를 이루며, 전기적으로 부도체로 이루어진 제1커버; 전기적으로 도체인 소재로 제조되며, 상기 제1커버에 접촉하며 상기 회전축 방향으로 적층되도록 배치되며, 상기 제1커버에 고정되는 링 형태의 회전링; 전기적으로 부도체인 소재로 제조되며, 상기 회전링에 접촉하며 상기 회전링을 사이에 두고 상기 제1커버의 반대편에 적층되도록 배치되며, 상기 회전링에 고정되는 절연링; 및 전기적으로 부도체인 소재로 제조되며, 상기 절연링을 사이에 두고 상기 회전링과 반대편에 적층되도록 배치되며 상기 절연링에 고정되는 제2커버를 포함하며, 상기 회전링에 대해 슬라이딩 가능하게 접촉되도록 설치되며 상기 프레임에 대해 고정되도록 설치되고 복수의 핀을 구비한 핀 블록을 구비한 로봇 암 슬립링 장치가 개시되어 있고, 공개특허10-2010-0025029에는 로봇의 포어암 내주면의 스핀들이 형성된 부위에 슬립링을 장착함으로써 고정체인 포어암에서 회전체인 회전핑거 내부로 전력이 공급되도록 하고, 전원이 전달되어지는 회전핑거 내부의 실린더는 솔레노이드 밸브 일체형을 사용하면서, 로터리하우징에서 로터리샤프트 내의 실린더로 연결되는 공기통로를 1개만 사용하고, 센서의 신호를 받아서 PLC로 보내는 입출력 무선 디바이스에도 전력이 공급되도록 한 산업용 로봇의 회전핑거가 개시되어 있다.

특허문헌 1 : 대한민국 공개특허 10-2012-0079331호 특허문헌 2 : 대한민국 공개특허 10-2010-0025029호

본 발명은, 기존의 그립 구조를 그대로 사용하면서 핑거 그립(finger grip)부의 무한 회전이 가능하며, 핑거 그립의 회전 동작을 인코더에 전달함에 있어서 백래쉬(backlash)를 최소화할 수 있는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 수술용 인스트루먼트(instrument)가 장착되는 수술용 로봇의 마스터부에 구비되며, 인스트루먼트가 그립(grip) 동작을 수행하도록 사용자로부터 그립 조작을 입력받기 위한 그립퍼(gripper) 구조로서, 본체와, 본체에 결합되는 샤프트(shaft)와, 샤프트에 결합되며, 사용자의 그립 조작에 상응하여 개폐되는 한 쌍의 그립 요소(grip element)와, 샤프트에 내장되며, 그립 요소에 대한 사용자의 그립 여부를 감지하는 제1 센싱부를 포함하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조가 제공된다.

제1 센싱부는 사용자의 손으로부터 방사되는 적외선을 감지하여 사용자의 손의 근접 정도를 감지하는 IR(infrared) 센서를 포함할 수 있다.

샤프트는 그립 요소의 개폐 동작에 상응하여 길이방향을 축으로 하여 회전하도록 본체에 결합될 수 있다.

한 쌍의 그립 요소는 소정의 힌지축을 중심으로 각각 회전되어, 개방시에는 서로 벌어지고 폐쇄시에는 서로 오므라지는 동작을 수행할 수 있다.

샤프트의 일단부는 힌지축 부위에서 그립 요소에 결합되고, 한 쌍의 그립 요소에는 힌지축에 결합되는 부위에 제1 베벨 기어가 구비되며, 샤프트의 일단부에는 제1 베벨 기어에 치합되는 제2 베벨 기어가 구비될 수 있다.

본체에는 슬립 링(slip ring)이 설치되며, IR 센서는 슬립 링에 전기적으로 연결되어, 샤프트가 회전하더라도 IR 센서와 슬립 링 간의 전기적 연결이 유지될 수 있다.

본체의 슬립 링이 설치된 위치를 기준으로 일측에는 샤프트가 결합되고 타측에는 회전자가 결합되며, 샤프트의 외주면에는 제1 기어가 형성되고 회전자의 외주면에는 제2 기어가 형성되며, 제1 기어와 제2 기어는 슬립 링과의 간섭을 회피하도록 아이들(idle) 기어에 의해 연결됨으로써, 샤프트의 회전에 연동하여 회전자가 회전할 수 있다.

회전자는 샤프트의 회전축을 중심으로 회전하도록 결합되고, 아이들 기어는 한 쌍으로 구비되어 회전축을 기준으로 대칭으로 배치되며, 제1 기어 및 제2 기어에 밀착되도록 가압될 수 있다.

아이들 기어는, 일 방향으로 연장된 몸체와, 몸체의 일단부에 구비되며 제1 기어에 치합되는 제3 기어와, 몸체의 타단부에 구비되며 제2 기어에 치합되는 제4 기어를 포함하되, 몸체는 소정의 탄성력을 인가하는 탄성체에 의해 지지될 수 있다.

탄성체의 탄성력은 제1 기어와 제3 기어 및 제2 기어와 제4 기어 간의 결합 구조에서 백래쉬(backlash)를 저감할 수 있는 크기로 설정될 수 있다.

탄성체는 로우 포스 압축 스프링(low force compression spring)을 포함하거나, PEEK(Polyetheretherketone) 재질로 이루어질 수 있다.

회전자의 회전 정도를 감지하여 그립 요소의 개폐 정도를 인식하는 제2 센싱부를 더 포함할 수 있다.

제2 센싱부는, 회전자에 구비되는 마그넷(magnet)과, 마그넷에 대향하여 위치하며, 마그넷의 회전에 상응하여 센싱 신호를 출력하는 인코더(encoder)를 포함할 수 있다.

인코더는 절대치 인코더(absolute encoder)를 포함할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 잇점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 그립 감지 센서와의 전기적 연결 부위에 슬립 링(slip ring)을 적용함으로써 그립부가 회전하더라도 전기적 연결이 꼬이거나 단락되지 않아 핑거 그립부의 무한 회전이 가능하게 되며, 핑거 그립의 회전 동작을 인코더에 전달함에 있어서 스프링에 의해 탄지되는 듀얼 아이들 기어(dual idle gear)를 적용함으로써 기어 결합 구조에서 백래쉬(backlash)를 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 종단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 정면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 측면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 아이들 기어의 구조를 나타낸 종단면도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 종단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본체(10), 샤프트(20), 제1 기어(22), 그립 요소(24), IR 센서(30), 슬립 링(40), 회전자(50), 제2 기어(52), 마그넷(54), 인코더(56), 아이들 기어(60)가 도시되어 있다.

본 실시예는 슬립 링(slip ring)과 백래쉬 저감형 전달 기어 세트(low backlash transmission gear set)를 적용한 수술용 로봇의 마스터 핑거 그립부의 회전을 감지 장치를 특징으로 한다.

본 실시예에 따른 마스터 그립퍼에는 사용자가 그립퍼를 잡았는지 여부를 감지할 수 있는 근접 센서가 설치될 수 있는데, 이처럼 근접 센서와 기타 전장 장치들을 사용하기 위해서는 전선 케이블이나 PCB 등의 다양한 기구물들이 설치되게 된다.

마스터 그립퍼의 경우 사용자가 필요에 따라서 그립퍼를 잡고 돌리는 동작을 하게 되며, 이처럼 무한 회전을 필요로 하는 그립퍼 구조에 전술한 기구물들을 설치하게 되면 그립퍼의 회전 과정에서 기구물들에 파손이 발생되어 제대로 사용할 수가 없게 될 우려가 있다.

본 실시예에 따른 마스터 그립퍼 구조는 필요한 기구물들을 그대로 사용하면서도 그립퍼의 무한 회전이 가능하도록 한 솔루션을 제공한 것이다.

수술용 로봇의 마스터 그립퍼는 수술용 인스트루먼트(instrument)가 장착되는 수술용 로봇의 마스터부에 구비되는 장치로서, 인스트루먼트가 그립(grip) 동작을 수행하도록 사용자로부터 그립 조작을 입력받기 위한 장치이다.

본 실시예에 따른 마스터 그립퍼는 본체(10), 본체(10)에 결합되는 샤프트(shaft)(20), 샤프트(20)에 결합되는 그립 요소(grip element)(24), 샤프트(20)에 내장되는 센싱부로 구성될 수 있다.

샤프트(20)는 본체(10)에 결합되어 일 방향(길이방향)으로 연장된 막대 형상의 부재로서, 후술하는 그립 요소(24)가 결합되며 사용자가 그립 요소(24)를 잡고 회전함에 따라 길이방향을 축으로 하여 회전하는 구성요소이다.

그립 요소(24)는 한 쌍으로 구비되어 마치 날개 형상으로 샤프트(20)에 결합되며, 사용자가 잡고 그립 조작을 함으로써 개폐되는 구성요소이다. 예를 들어, 사용자가 엄지와 검지를 사용하여 한 쌍의 그립 요소(24)를 잡는다고 하면, 하나의 그립 요소(24)는 엄지에, 나머지 하나의 그립 요소(24)는 검지에 접하게 된다.

한 쌍의 그립 요소(24)는 샤프트(20)의 말단에 구비되는 소정의 힌지축을 중심으로 각각 회전되도록 샤프트(20)에 결합될 수 있는데, 전술한 것처럼, 사용자가 손가락으로 한 쌍의 그립 요소(24)를 잡은 상태에서 그립 조작, 즉 잡거나 놓는 조작을 하게 되면 그에 따라 그립 요소(24)는 개방되거나 폐쇄되게 된다.

여기에서 한 쌍의 그립 요소(24)가 개방된다는 것은 한 쌍의 그립 요소(24)가 힌지축을 중심으로 벌어지는 것을 의미하며, 한 쌍의 그립 요소(24)가 폐쇄된다는 것은 한 쌍의 그립 요소(24)가 힌지축을 중심으로 오므라지는 것을 의미한다. 즉, 한 쌍의 그립 요소(24)의 개폐 동작은 한 쌍의 그립 요소(24)가 벌어지거나 오므라지는 동작을 의미한다.

센싱부는 샤프트(20)의 말단 내부에 장착되는 센서로서, 그립 요소(24)를 사용자가 잡았는지 여부, 즉 그립 요소(24)에 대한 사용자의 그립 여부를 감지하는 역할을 한다.

예를 들어, 센싱부로서 IR 센서(30), 즉 적외선 센서를 설치할 수 있는데, IR 센서(30)는 사용자가 그립퍼를 잡는 과정에서 사용자의 손으로부터 방사되는 적외선을 감지하여 사용자의 손의 그립퍼에 근접하였는지 및/또는 어느 정도 근접하였는지를 감지하여 사용자가 그립퍼를 조작하기 위해 그립퍼를 잡았는지 여부를 판단하도록 할 수 있다.

전술한 것처럼, 사용자는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼를 잡고 수술에 필요한 각종 동작을 수행할 수 있는데, 그 과정에서 사용자는 그립 요소(24)를 잡고 돌리는(회전시키는) 동작도 수행할 수 있으며, 이 과정에서 샤프트(20)는 길이방향을 축으로 회전하게 된다.

또는, 본 실시예에 따른 샤프트(20)는 그립 요소(24)의 개폐 동작에 상응하여 길이방향을 축으로 하여(도 1의 'x축' 참조) 회전하도록 본체(10)에 결합될 수 있다.

이처럼, 본 실시예는 그립 요소(24)의 개폐 동작을 샤프트(20)의 회전 동작으로 전환시켜 사용자의 그립 조작에 대한 보다 정교한 센싱이 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.

그립 요소(24)의 개폐 동작을 샤프트(20)의 회전 동작으로 전환시키기 위해, 샤프트(20)의 일단부가 힌지축 부위에서 그립 요소(24)에 결합되되, 한 쌍의 그립 요소(24) 및 샤프트(20)의 말단에 각각 베벨 기어를 형성할 수 있다.

즉, 한 쌍의 그립 요소(24)에 각각 구비된 베벨 기어가 샤프트(20)의 말단에 구비된 베벨 기어에 치합되도록 그립 요소(24)와 샤프트(20)를 결합함으로써, 그립 요소(24)의 개폐 동작이 샤프트(20)의 x축을 중심으로 한 회전 동작으로 전환되도록 할 수 있다.

다만, 전술한 베벨 기어 결합 구조는 그립 요소(24)의 개폐 동작을 샤프트(20)의 회전 동작으로 전환시키기 위한 일 실시예로서, 이 외에도 다양한 방식으로 그립 요소(24)와 샤프트(20)를 결합시켜 그립 요소(24)의 개폐 동작을 샤프트(20)의 회전 동작으로 전환시킬 수 있음은 물론이다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 마스터 그립퍼는 사용자의 조작 과정에서 샤프트(20)가 길이방향을 축으로 회전하도록 구성될 수 있다. 전술한 것처럼 샤프트(20) 내에는 사용자의 그립 여부를 감지하기 위한 IR 센서(30) 등이 설치될 수 있으며, IR 센서(30)는 전선 케이블을 통해 본체(10)와 연결될 수 있는데, 샤프트(20)가 길이방향을 축으로 회전하게 되면 IR 센서(30) 등에 연결된 케이블이 꼬이는 현상이 발생할 수 있으며, 샤프트(20)가 무한 회전함에 따라서는 케이블이 단락되는 사고도 발생할 우려가 있다.

이에 본 실시예에 따른 그립퍼 구조의 본체(10)에는 슬립 링(slip ring)(40)을 설치하여 IR 센서(30)에 연결된 케이블을 곧바로 본체(10)로 연결하는 대신, 케이블을 슬립 링(40)에 전기적으로 연결할 수 있다.

슬립 링(slip ring)은, 로터리 조인트, 로터리 커넥터 등으로도 불리우는 전기/기계적 부품으로서, 회전하는 장비에 전원 또는 신호라인을 공급할시에 전선의 꼬임 없이 전달 가능하도록 한 일종의 회전형 커넥터이다.

이처럼, IR 센서(30)로부터의 케이블을 수술용 로봇과 전기적으로 연결시키는 과정에서 슬립 링(40)을 개재함으로써, 사용자의 그립 조작 과정에서 샤프트(20)가 회전하더라도 케이블이 꼬이거나 끊어지는 일 없이 IR 센서(30)와 슬립 링(40) 간의 전기적 연결이 유지되도록 할 수 있다.

도 1에 도시된 것처럼 IR 센서(30)(및 PCB)에 연결된 케이블이 중공축으로 통과되는 링크 부분에 슬립 링(40)을 적용함으로써, 핑거 그립의 무한 회전 과정에서도 IR 센서(30)와의 안정적인 전기적 연결을 유지할 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 마스터 그립퍼 구조는, 그립 요소(24)(및 샤프트(20))의 무한 회전을 위해, 샤프트(20)에 필요한 각종 전기 장치의 전기적 연결 부위에 슬립 링(40)을 적용한 것을 특징으로 한다.

한편, 전술한 것처럼 슬립 링(40)을 설치할 경우, 슬립 링(40)에 의한 간섭으로 인하여 그립 요소(24)의 조작에 따른 샤프트(20)의 회전 운동을 슬립 링(40) 너머로 전달할 수 없게 된다.

즉, 슬립 링(40)을 통과해서는 회전 운동을 전달하기 곤란하므로, 본 실시예에 따른 마스터 그립 구조는 샤프트(20)의 회전 운동이 슬립 링(40)을 회피하여 전달될 수 있도록 슬립 링(40)의 외부에 동력 전달 장치를 추가로 설치한 것을 특징으로 한다.

본 실시예에 따른 동력 전달 장치는, 후술하는 아이들 기어(idle gear)(60)를 포함한 것으로서, 그립 조작에 따른 샤프트(20)의 회전을 후술하는 인코더(encoder) 보드로 전달해주는 역할을 하며, 아울러 기어 결합의 백래쉬(backlash) 현상이 저감되도록 한, 이른바 '백래쉬 저감형 동력 전달 기어 세트(low backlash transmission gear set)'를 특징으로 한다.

이를 위해, 본 실시예에 따른 그립퍼 구조는, 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 본체(10)의 슬립 링(40)이 설치된 위치를 기준으로 일측에는 샤프트(20)가 결합되고 타측에는 회전자(50)가 결합되는 구조로 이루어질 수 있다. 회전자(50)는 샤프트(20)와 동일한 회전축을 중심으로 회전하도록 결합될 수 있다.

나아가, 샤프트(20) 및 회전자(50)의 외주면에는 각각 기어(22, 52)를 형성하고, 각각 형성된 기어(22, 52)가 아이들 기어(60)에 의해 연결되도록 함으로써, 샤프트(20)의 회전에 연동하여 회전자(50)가 회전하도록 할 수 있다.

이에 따라, 슬립 링(40)과 간섭되지 않는 구조 및 방식으로, 샤프트(20)의 회전 운동이 회전자(50)의 회전 운동으로 전달되게 된다.

전술한 것처럼, 샤프트(20)의 말단에 설치되는 IR 센서(30) 및 기타 전장 장치들은 슬립 링(40)을 통하여 전기적으로 연결되며, 샤프트(20)가 본체(10)에 결합되는 부위의 샤프트(20)의 외주면에는 제1 기어(22)가 구비될 수 있다.

제1 기어(22)는 샤프트(20)의 외주면의 일부를 성형하여 제작될 수도 있고, 별도로 제작된 링 형상의 기어 부재(외주면에 제1 기어(22) 형성됨)를 샤프트(20)에 끼우는 방식으로 구비될 수도 있다.

샤프트(20)의 회전에 따라 제1 기어(22)에 전달된 회전 운동은 백래쉬 저감형 동력 전달 기어 세트를 통하여 회전자(50)의 외주면에 형성된 제2 기어(52)로 전달될 수 있다.

제2 기어(52) 또한 제1 기어(22)와 마찬가지로 회전자(50)의 외주면을 성형하여 제작될 수도 있고, 별도로 제작된 링 형상의 기어 부재(외주면에 제2 기어(52) 형성됨)를 회전자(50)에 끼우는 방식으로 구비될 수도 있다.

샤프트(20)의 회전 운동에 연동하여 회전자(50)가 회전하게 되면, 회전자(50)의 회전 정도를 감지하여 샤프트(20)가 얼만큼 회전하였는지를 감지할 수 있다. 전술한 것처럼 본 실시예에서는 그립 요소(24)의 개폐에 따라 샤프트(20)가 길이방향을 축으로 회전할 수 있으므로, 회전자(50)의 회전 정도를 감지하게 되면 결과적으로 그립 요소(24)의 개폐 정도를 인식할 수 있다.

이를 위해, 본 실시예에 따른 회전자(50)에는 마그넷(magnet)(54)을 설치하고, 본체(10)에는 마그넷(54)에 대향하여 인코더(56)를 설치할 수 있다. 인코더(56)는 마그넷(54)의 회전에 상응하여 센싱 신호를 출력함으로써, 마그넷(54)이 얼만큼 회전하였는지, 즉 회전자(50)의 회전 정도를 감지할 수 있다.

그립 요소(24)에 대한 사용자 조작에 의해 샤프트(20)가 회전하게 되면, 샤프트(20)의 회전 운동은 아이들 기어(60)를 통해 회전자(50)에 전달된다. 즉, 샤프트(20)의 회전은 제1 기어(22) 및 백래쉬 저감형 동력 전달 기어 세트를 통하여 최종적으로 제2 기어(52)에 전달된다.

회전자(50)의 회전에 따라 회전자(50)에 고정되어 있는 마그넷(54)이 회전하고, 마그넷(54)이 회전하면 그 맞은편에 위치한 인코더(56)가 마그넷(54)의 회전 정도를 감지하며, 이에 따라 회전자(50) 및 샤프트(20)의 회전량, 결과적으로는 그립 요소(24)의 개폐 정도까지도 감지할 수 있게 된다.

여기서, 인코더(56)로는 절대치 인코더(absolute encoder)를 사용할 수 있다. 절대치 인코더는 마그넷(54)이 이전 위치로부터 회전한 각도를 상대적으로 감지하는 것이 아니라, 마그넷(54)이 초기 위치로부터 회전한 각도의 절대치를 감지하는 방식으로 작동되므로, 보다 정교한 센싱이 가능하게 된다.

아울러, 본 실시예에 따른 절대치 인코더는 디지털 방식으로 구현 가능하므로 종래의 홀센서의 경우처럼 AD컨버터를 사용할 필요가 없으며, 절대치 엔코더를 사용하면 초기화가 불필요하다는 잇점이 있다.

전술한 백래쉬 저감형 동력 전달 기어 세트는 2벌의 아이들 기어(60) 및 로우 포스 압축 스프링(low force compression spring)으로 구성되어, 동력을 전달하고자 하는 제1 기어(22)와 제2 기어(52) 간의 연결에 장시간 사용하더라도 백래쉬를 지속적으로 저감할 수 있다는 장점이 있다. 백래쉬 저감형 동력 전달 기어 세트에 관하여는 도 3 내지 도 5를 참조하여 후술한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 정면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 측면도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 아이들 기어의 구조를 나타낸 종단면도이다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 샤프트(20), 제1 기어(22), 회전자(50), 제2 기어(52), 아이들 기어(60), 몸체(62), 제3 기어(64), 제4 기어(66), 탄성체(70)가 도시되어 있다.

본 실시예에는 듀얼 아이들 기어(dual idle gear)를 이용한 백래쉬 저감형 동력 전달 기어 세트에 관한 것이다.

기존에 사용되던 아이들 기어 방식의 백래쉬 저감 장치에는 아이들 기어의 고정을 위한 베어링(bearing)의 사용이 불가능하였다. 이처럼 베어링의 사용 불가로 인하여 중심(center)축이 맞지 않게 되어, 장시간 사용하거나 또는 고속 회전시 아이들 기어나 동력 전달용 기어에 파손이나 불량이 발생하는 경우가 많이 있었다.

본 실시예는 기존의 백래쉬 저감 장치 사용시 오랜 시간 사용할 수 없거나 베어링 등이 파손되는 등의 단점을 보완하기 위한 것이다.

이를 위해, 본 실시예에 따른 아이들 기어(60)는 한 쌍으로 구비되어, 도 4에 도시된 것처럼, 샤프트(20)(및 회전자(50))의 회전축을 기준으로 대칭으로 배치되도록 설치될 수 있다.

아이들 기어(60)는, 도 5에 도시된 것처럼, 일 방향으로 연장된 몸체(62)와, 몸체(62)의 일단부에 구비되는 제3 기어(64)와, 몸체(62)의 타단부에 구비되는 제4 기어(66)로 구성될 수 있다.

도 3에 도시된 것처럼 아이들 기어(60)를 설치하면, 아이들 기어(60)의 제3 기어(64)는 샤프트(20)의 제1 기어(22)에 치합되고, 아이들 기어(60)의 제4 기어(66)는 회전자(50)의 제2 기어(52)에 치합될 수 있다. 이에 따라, 제1 기어(22)의 회전 운동이 제2 기어(52)로 전달될 수 있다.

제1 기어(22)의 회전력을 제2 기어(52)에 전달하기 위하여 두 기어(22, 52)를 연결하는 백래쉬 저감형 아이들 기어(60)는, 몸체(62)의 양단부에 각각 기어(64, 66)가 형성되고 기어(64, 66)의 회전을 위해 베어링(도 5의 'bearing' 참조)이 설치될 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 아이들 기어(60)는 백래쉬 현상의 저감을 위해 제1 기어(22) 및 제2 기어(52)에 밀착되는 방향으로 가압되는 구조로 설치될 수 있다.

예를 들면, 아이들 기어(60)의 몸체(62)를 탄성체(70)로 지지하여 탄성력에 의해 아이들 기어(60)가 제1 기어(22) 및 제2 기어(52)에 가압되도록 할 수 있다. 즉, 아이들 기어(60)가 회전축 방향으로 밀착되도록 지속적인 외압을 가함으로써, 상황 변화에도 계속적으로 백래쉬를 저감하는 효과를 발휘하도록 할 수 있다.

따라서, 본 실시예에 따른 탄성체(70)는 백래쉬(backlash) 현상이 발생하지 않도록 아이들 기어(60)를 가압할 수 있는 정도의 탄성력을 가진 제품을 사용할 수 있다.

이를 위해, 본 실시예에 따른 탄성체(70)로는, 예를 들어 로우 포스 압축 스프링(low force compression spring)을 사용하거나, 자체 복원력으로 인하여 스프링의 역할을 할 수 있도록 PEEK(Polyetheretherketone) 재질로 이루어진 탄성체(70)를 사용할 수 있다.

이 경우, 탄성체(70)의 탄성력은, 전술한 바와 같이, 백래쉬(backlash) 현상이 발생하지 않도록 아이들 기어(60)를 가압할 수 있는 정도의 크기가 되도록 설정할 수 있다.

본 실시예에 따른 백래쉬 저감형 동력 전달 기어 세트는 제1 기어(22)의 회전력을 제2 기어(52)에 전달하기 위하여 듀얼 아이들 기어(60) 세트를 사용한 것으로서, 아이들 기어(60)의 몸체(62)에는 회전 부하를 줄여줄 수 있도록 베어링이 설치될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 듀얼 아이들 기어(60) 세트는 로우 포스 압축 스프링 등으로 지속적인 외압을 가함으로써, 상황 변화에 따른 백래쉬의 변화를 줄이고 저감할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 본체 20 : 샤프트
22 : 제1 기어 24 : 그립 요소
30 : IR 센서 40 : 슬립 링
50 : 회전자 52 : 제2 기어
54 : 마그넷 56 : 인코더
60 : 아이들 기어 62 : 몸체
64 : 제3 기어 66 : 제4 기어
70 : 탄성체

Claims (15)

1. 수술용 인스트루먼트(instrument)가 장착되는 수술용 로봇의 마스터부에 구비되며, 상기 인스트루먼트가 그립(grip) 동작을 수행하도록 사용자로부터 그립 조작을 입력받기 위한 그립퍼(gripper) 구조로서,
   본체와;
   상기 본체에 결합되는 샤프트(shaft)와;
   상기 샤프트에 결합되며, 사용자의 그립 조작에 상응하여 개폐되는 한 쌍의 그립 요소(grip element)와;
   상기 샤프트에 내장되며, 상기 그립 요소에 대한 사용자의 그립 여부를 감지하는 제1 센싱부를 포함하되,
   상기 제1 센싱부는 사용자의 손으로부터 방사되는 적외선을 감지하여 사용자의 손의 근접 정도를 감지하는 IR(infrared) 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 샤프트는 상기 그립 요소의 개폐 동작에 상응하여 길이방향을 축으로 하여 회전하도록 상기 본체에 결합되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 한 쌍의 그립 요소는 소정의 힌지축을 중심으로 각각 회전되어, 개방시에는 서로 벌어지고 폐쇄시에는 서로 오므라지는 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 샤프트의 일단부는 상기 힌지축 부위에서 상기 그립 요소에 결합되고, 상기 한 쌍의 그립 요소에는 상기 힌지축에 결합되는 부위에 각각 제1 베벨 기어가 구비되며, 상기 샤프트의 일단부에는 상기 제1 베벨 기어에 치합되는 제2 베벨 기어가 구비되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 본체에는 슬립 링(slip ring)이 설치되며, 상기 IR 센서는 상기 슬립 링에 전기적으로 연결되어, 상기 샤프트가 회전하더라도 상기 IR 센서와 상기 슬립 링 간의 전기적 연결이 유지되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 본체의 상기 슬립 링이 설치된 위치를 기준으로 일측에는 상기 샤프트가 결합되고 타측에는 회전자가 결합되며,
   상기 샤프트의 외주면에는 제1 기어가 형성되고 상기 회전자의 외주면에는 제2 기어가 형성되며,
   상기 제1 기어와 상기 제2 기어는 상기 슬립 링과의 간섭을 회피하도록 아이들(idle) 기어에 의해 연결됨으로써, 상기 샤프트의 회전에 연동하여 상기 회전자가 회전하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 회전자는 상기 샤프트의 회전축을 중심으로 회전하도록 결합되고,
   상기 아이들 기어는 한 쌍으로 구비되어 상기 회전축을 기준으로 대칭으로 배치되며,
   상기 아이들 기어는 상기 제1 기어 및 상기 제2 기어에 밀착되도록 가압되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 아이들 기어는,
   일 방향으로 연장된 몸체와;
   상기 몸체의 일단부에 구비되며 상기 제1 기어에 치합되는 제3 기어와;
   상기 몸체의 타단부에 구비되며 상기 제2 기어에 치합되는 제4 기어를 포함하되,
   상기 몸체는 소정의 탄성력을 인가하는 탄성체에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 탄성체의 탄성력은 상기 제1 기어와 상기 제3 기어 및 상기 제2 기어와 상기 제4 기어 간의 결합 구조에서 백래쉬(backlash)를 저감할 수 있는 크기로 설정되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 탄성체는 로우 포스 압축 스프링(low force compression spring)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
    
12. 제10항에 있어서,
    상기 탄성체는 PEEK(Polyetheretherketone) 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
    
13. 제7항에 있어서,
    상기 회전자의 회전 정도를 감지하여 상기 그립 요소의 개폐 정도를 인식하는 제2 센싱부를 더 포함하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
    
14. 제13항에 있어서, 상기 제2 센싱부는,
    상기 회전자에 구비되는 마그넷(magnet)과;
    상기 마그넷에 대향하여 위치하며, 상기 마그넷의 회전에 상응하여 센싱 신호를 출력하는 인코더(encoder)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 인코더는 절대치 인코더(absolute encoder)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.

Images