KR101479077B1 - 직관적 조작이 가능한 조작 손잡이를 갖는 로봇시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 골절 정복 수술용 로봇과 같이 작업자의 조작에 구동이 이루어지는 다자유도 로봇의 위치와 방향을 동시에 정확하면서도 직관적으로 조작이 가능한 조작 손잡이를 갖는 로봇시스템에 관한 것으로, 작업툴(110)과, 상기 작업툴(110)의 위치를 조작하기 위한 조작 손잡이(200)와, 상기 조작 손잡이(200)의 일단에 결합되어 작업자의 조작력을 검출하는 입력센서부(120)와, 상기 입력센서부(120)의 검출 신호에 의해 구동이 이루어지는 다수 개의 구동기를 포함하여 작업자의 조작에 의해 작업툴의 위치 조작이 가능한 로봇시스템에 있어서, 상기 조작 손잡이(200)는, 상기 입력센서부(120)에 고정되는 고정부(210)와, 상기 고정부(210)에서 연장되되, 상기 작업툴(110)의 기하학적 형상의 끝단 또는 중앙점으로 정의되는 작업위치를 감싸듯이 주변에 배치되는 로드부(220)와; 상기 로드부(220) 또는 상기 고정부(210)에서 연장되어 작업자가 파지하여 조작이 이루어지는 손잡이부(230);를 포함하여, 작업(수술) 결과의 정밀도를 높이고 작업 소요시간을 단축할 수 있으며, 작업자의 제어 부담을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

직관적 조작이 가능한 조작 손잡이를 갖는 로봇시스템{Robot system having intuitive operation manual handlers}

본 발명은 로봇시스템에 관한 것으로, 특히 골절 정복 수술용 로봇과 같이 작업자의 조작에 의해 구동이 이루어지는 다자유도 로봇의 위치와 방향을 동시에 정확하면서도 직관적으로 조작이 가능한 조작 손잡이를 갖는 로봇시스템에 관한 것이다.

최근 상하지 근 골격계 골절 치료 수술에서 골절된 뼈를 정렬하는 작업과 정렬된 뼈를 유지하는 작업을 보조의료인 대신에 로봇으로 대체하려는 기술이 개발 중에 있다.

기존 골절 치료 수술에서는 1명 이상의 의료진이 골절된 다리를 잡고 뼈를 정렬하거나 정렬된 상태로 뼈를 유지해야 하지만, 뼈 주변의 큰 다리 근육으로 인하여 뼈를 정렬하거나 유지하는 것이 쉽지 않을 뿐만 아니라 의료진의 육체적 피로도의 증가로 인하여 장시간 동안 다리 자세를 유지하는 것 또한 쉽지 않다.

이러한 필요성에 의하여 골절 치료 수술에서 뼈의 정렬과 자세를 유지하는 역할을 로봇으로 대체하고 있는 연구가 진행 중에 있다. 이러한 로봇을 쉽게 조작하기 위하여 의료진은 힘토크(F/T) 센서나 6축 마우스, 또는 조이스틱과 같은 입력 센서가 탑재된 조종기를 이용하여 골절된 환부의 상태를 X-ray와 같은 영상 장치를 통하여 관찰하거나 육안으로 직접 확인하면서 로봇의 움직임 방향과 속도를 제어하면서 골절된 뼈의 위치를 의도대로 움직일 수 있거나 현재 위치를 안정적으로 유지할 수 있다.

도 1은 일반적인 골절 정복 수술용 로봇시스템의 전체 구성을 간략히 도시한 도면이다.

도 1을 참고하면, 로봇(10)은 선단에 작업툴(11)이 마련되며, 조작 손잡이(12)가 부착되어 작업자가 조작 손잡이(12)를 잡고 힘과 토크를 가하게 되면, 이러한 정보는 로봇(10)의 선단과 조작 손잡이(12) 사이의 입력센서부(21)에서 검출이 이루어진다. 이와 같이 획득된 입력정보는 주로 힘과 토크 값이 사용될 수 있으며, 힘과 토크 값은 속도생성기(22)를 통하여 로봇 선단에 부착된 작업툴(11)의 선형 속도와 회전각속도로 변환되고 위치생성기(23)를 통하여 작업툴(11)의 희망 위치를 생성하게 된다. 이렇게 생성된 희망 위치는 위치제어기(24)를 통하여 로봇의 복수 구동기들을 제어하여 로봇은 작업자(의료진)가 원하는 방향으로 이끌 수가 있다. 이러한 제어방법은 원격으로 로봇을 제어하거나 사전에 프로그래밍을 해 놓은 것과 비교하여 로봇의 동작을 보면서 직관적으로 이동 위치를 생성하기 때문에 빠르고 정확하게 로봇을 조작하는 것이 가능하다.

이러한 기능은 기존의 산업용 로봇에서도 작업테이블로 로봇을 쉽게 위치시키거나 반복 작업을 위한 위치를 쉽게 교시(teaching)하기 위하여 수행되는 작업과 동일하다. 이러한 산업용 로봇에서의 교시를 위하여 사용되는 조종기들은 대부분 조이스틱과 같은 막대기 모양의 손잡이를 움직이거나 힘을 가해서 동작 명령을 입력하는 형태이다.

예를 들어, 공개특허 특1999-0044591호(공개일자: 1999.06.25), 등록특허 제10-0969585호(등록일자: 2010.07.05), 공개특허 제10-2012-0038641호(공개일자: 2012.04.24), 공개특허 제10-2012-0133343호(공개일자: 2012.12.10)와 같이 대부분은 산업용 로봇의 교시를 위한 것이며, 의료용 로봇의 경우에도 유사한 방식으로 구현되어 왔다.

이와 같은 조이스틱의 손잡이를 이용한 교시에서는 손잡이가 작업 위치에 가능하면 인접하여 마련되어야만 육안으로 확인하면서 직관적인 작업 수행이 가능하다. 종래의 산업용 로봇의 경우에도 이를 위하여 로봇의 가장 끝단 부분이나 인접하여 위치하는 경우가 많지만, 작업 도구와 손잡이가 서로 간섭이 발생되는 문제로 인하여 최근접 위치보다는 약간 떨어진 곳에 위치하게 된다.

골절 정복 수술용 로봇의 경우에도 도구(수술도구)와 조작 손잡이의 간섭을 피하기 위하여 조작 손잡이의 위치는 수술부위에서 약간 떨어진 위치에 부착되고 막대기 모양의 조작 손잡이는 힘을 가하는 경우에 편심으로 인하여 부가적인 모멘트(회전력)가 발생되며, 이로 인하여 로봇의 위치를 변화시키는 과정에서 각도 변화까지 발생시키는 문제점으로 인하여 골절된 두 뼈를 붙이는 작업을 정교하게 수행하기가 어렵다.

예를 들어, 힘 정보에서부터 선형 속도를 얻는 것에는 차이가 없으나, 토크 정보를 이용하여 회전 각속도를 구하는 경우에 어느 점을 중심으로 회전하도록 만들 것인지가 문제가 된다. 만약 작업 위치를 중심으로 회전을 생성하는 경우에, 토크 정보만 인가하는 경우에도 작업자는 조작 손잡이의 위치에서는 선형 움직임까지도 느끼게 되고 이런 움직임이 불필요한 힘 정보를 발생시키거나 작업자의 조작과 불일치를 초래하여 작업 시에 불편함을 느끼게 된다. 특히 고정밀하게 방향과 위치를 동시에 조작하고자 하는 경우에 이와 같은 불일치는 조작 성능을 현저하게 저하시키게 된다. 만약 작업 위치를 중심으로 회전하지 않고, 입력센서부 또는 조작 손잡이를 중심으로 회전을 생성하는 경우, 작업 위치를 중심으로 로봇을 회전시키고자 한다면, 작업자는 회전 움직임을 발생시키는 토크와 선형 움직임을 발생시키는 힘을 적절히 조절하여 이러한 움직임을 생성해야만 하지만, 이러한 움직임은 작업자에게 추가적인 부담을 증가시키고 조작 성능을 저하시키게 된다.

공개특허 특1999-0044591호(공개일자: 1999.06.25)

등록특허 제10-0969585호(등록일자: 2010.07.05)

공개특허 제10-2012-0038641호(공개일자: 2012.04.24)

공개특허 제10-2012-0133343호(공개일자: 2012.12.10)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 골절 정복수술용 로봇이나 산업용 로봇과 같이 작업자의 조작에 의해 발생된 조작력을 검출하고 이러한 정보를 이용한 다수개의 구동기로 이루어진 로봇을 동작시킴에 있어서, 위치와 방향을 정교하고 직관적으로 조작하기 위한 조작 손잡이를 갖는 로봇시스템을 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇시스템은, 로봇의 끝단에 마련되는 작업툴과, 상기 작업툴의 위치를 조작하기 위한 조작 손잡이와, 상기 조작 손잡이의 일단에 결합되어 작업자의 조작력을 검출하는 입력센서부와, 상기 입력센서부의 검출 신호에 의해 조작 위치로 상기 작업툴을 구동하게 되는 다수 개의 구동기를 포함하여 작업자의 조작에 의해 작업툴의 위치 조작이 가능한 로봇시스템에 있어서, 상기 조작 손잡이는, 상기 입력센서부에 고정되는 고정부와, 상기 고정부에서 연장되되, 상기 작업툴의 기하학적 형상의 끝단 또는 중앙점으로 정의되는 작업위치를 감싸듯이 주변에 배치되는 로드부와; 상기 로드부 또는 상기 고정부에서 연장되어 작업자가 파지하여 조작이 이루어지는 손잡이부;를 포함한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 입력센서부는 로봇의 끝단과 상기 조작 손잡이 사이에 마련되는 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는, 상기 로봇의 끝단과 상기 입력센서부 사이에는 끝단 연장부를 더 포함한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 손잡이부는 상기 작업위치와의 거리가 상기 입력센서부와 상기 작업위치 사이의 거리보다는 짧은 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 로드부는 상기 고정부와 작업위치를 잇는 가상 선을 중심으로 좌우 대칭되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 손잡이부는 상기 로드부와 곡선으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 손잡이부는 상기 로드부에서 다단 절곡 형성되어 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 직관적 조작이 가능한 조작 손잡이를 갖는 로봇시스템은, 골절 정복 수술용 로봇과 같이 다자유도 로봇의 위치와 방향을 동시에 정확하면서도 직관적으로 조작이 가능하여 작업(수술) 결과의 정밀도를 높이고 작업 소요시간을 단축할 수 있으며, 작업자의 제어 부담을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 골절 정복 수술용 로봇시스템의 전체 구성을 간략히 도시한 도면,
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 직관적 조작이 가능한 조작 손잡이가 마련된 로봇시스템의 요부 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 로봇시스템에 있어서, 조작 손잡이만을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 로봇시스템에 있어서, 조작 손잡이의 다른 실시예를 보여주는 도면,
도 6은 본 발명에 따른 로봇시스템에 있어서, 조작 손잡이의 또 다른 실시예를 보여주는 도면,
도 7은 도 6의 실시예에 따른 조작 손잡이의 작동예를 예시한 도면,

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 직관적 조작이 가능한 조작 손잡이가 마련된 로봇시스템의 요부 구성도로써, 도 2는 원형 고리 형상의 골절 정복 수술용 작업툴(100)을 예시하며, 도 3에서는 끝단에서 작업이 수행되는 팁 형상의 작업툴(100′)을 예시하고 있며, 도 4는 본 발명에 따른 로봇시스템에 있어서, 조작 손잡이만을 도시한 도면이다.

도 2 내지 도 3에 예시된 것과 같이, 본 발명의 로봇시스템은, 로봇의 끝단에 마련되는 작업툴(110)(110′)과, 상기 작업툴(110)(110′)의 위치를 조작하기 위한 조작 손잡이(200)와, 상기 조작 손잡이(200)의 일단에 결합되어 작업자의 조작력을 검출하는 입력센서부(120)와, 상기 입력센서부(120)의 검출 신호에 의해 조작 위치로 상기 작업툴(110)(110′)을 구동하게 되는 다수 개의 구동기를 포함하여 작업자의 조작에 의해 작업툴(110)(110′)의 위치 조작이 가능한 로봇시스템에 있어서, 상기 조작 손잡이(200)는, 상기 입력센서부(120)에 고정되는 고정부(210)와, 상기 고정부(210)에서 연장되되, 상기 작업툴(110)(110′)의 기하학적 형상의 끝단 또는 중앙점으로 정의되는 작업위치(CG)를 감싸듯이 주변에 배치되는 로드부(220)와; 상기 로드부(220)에서 연장되어 작업자가 파지하여 조작이 이루어지는 손잡이부(230);를 포함한다.

로봇(101)은 다수 개의 구동기를 포함하여 다자유도로 조작이 가능하며, 선단부에는 통상적인 작업툴(110)(수술도구 등)이 마련되고 작업자의 조작력을 검출할 수 있는 입력센서부(120)를 갖는다. 입력센서부(120)를 통해 검출된 조작력은 종래기술에서 설명한 것과 같이 속도생성기, 위치생성기 및 위치제어기를 통해 검출된 조작력에 따라서 다수 개의 구동기를 제어하여 작업툴(110)의 위치 조작이 이루어질 수 있다.

본 실시예에서는 로봇의 끝단과 입력센서부(120) 사이에 끝단연장부(130)를 더 마련됨을 보여주고 있으며, 이러한 끝단연장부(130)는 로봇 끝단에서 연장되게 마련되어 작업툴(110)(110′)과 입력센서부(120)의 결합을 용이하게 할 수 있다.

또한 작업툴(110)(110′)과 끝단연장부(130) 사이는 바로 연결될 수도 있으나 작업툴(110)(110′)에 걸리는 힘을 추가로 획득하기 위한 작업력센서부(121)를 더 포함할 수 있을 것이다.

도 2에서 작업툴(110)은 원형 고리 형상을 갖는 수술 도구를 예시하고 있으며, 이러한 작업툴의 작업위치(CG)는 원형 고리를 갖는 작업툴의 중심점으로 정의될 수 있다.

한편, 도 3에서 작업툴(110′)은 용접기와 같은 직선형 작업도구를 예시하고 있으며, 이러한 작업툴(100′)에서 작업위치(CG)는 그 끝단의 위치로 정의될 수 있다.

본 발명에서 조작 손잡이(200)는 입력센서부(120)에 고정되는 고정부(210)와, 이 고정부(210)에서 연장 형성된 로드부(220)와, 작업자가 파지하여 조작이 이루어지는 손잡이부(230)를 포함한다.

고정부(210)는 입력센서부(120) 상단과 조립을 위한 다수의 볼트체결공(211)이 마련될 수 있으며, 입력센서부(120) 크기나 형태에 따라서 고정부(210)의 형상은 결정될 수 있을 것이다.

바람직하게는, 로드부(220)는 작업툴(110)의 기하학적 형상의 끝단 또는 중앙점으로 정의되어 실제로 작업이 수행되는 작업위치(CG)를 감싸듯이 주변에 배치되며, 도 4는 두 개의 로드부(220)로 구성되는 경우에 가상의 원형 평면(PL)을 감싸도록 원호 형상에 의해 제공될 수 있음을 보여주고 있다. 한편, 본 발명에서 작업위치(CG)는 작업툴을 회전시키고자 하는 회전 중심점으로 이해될 수도 있을 것이다. 더욱 바람직하게는, 로드부(220)는 고정부(210)와 작업위치를 잇는 가상선을 중심으로 좌우 대칭되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 실시예에서 손잡이부(230)는 로드부(220)와 유사한 곡률을 가지면서 곡선으로 연결됨을 보여주고 있으며, 로드부(220)와 손잡이부(230)는 일체로 구성될 수 있다.

바람직하게는, 손잡이부(230)는 작업위치(CG)와의 거리가 입력센서부(120)와 작업위치(CG) 사이의 거리보다는 짧은 것을 특징으로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 로봇시스템에 있어서, 조작 손잡이의 다른 실시예를 보여주는 도면으로, 본 실시예에서 손잡이부(330)는 고정부(310)에서 연장 형성된 두 개의 로드부(320)에서 각각 절곡 형성되어 제공될 수 있음을 보여주고 있다.

도 6은 본 발명에 따른 로봇시스템에 있어서, 조작 손잡이의 또 다른 실시예를 보여주는 도면으로, 입력센서부와 고정되는 고정부(410)에서 양측으로 대칭되게 두 개의 로드부(420)가 연장 형성되며, 고정부(410)에 손잡이부(430)가 돌출되게 마련될 수 있다.

도 7은 도 4의 실시예에 따른 조작 손잡이의 작동예를 예시한 도면으로, 작업위치(CG)를 중심으로 회전시키게 위하여 손잡이부(430)에 힘과 토크가 작용하게 되면, 이때 손잡이부(430)에 가해지는 힘은 입력센서부에서 같은 크기의 힘과, 그 힘으로 발생하는 토크 값이 동시에 발생하게 되며, 이는 거리 정보를 가정하여 보상을 하여 추가로 발생하는 토크 값은 보상할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

101 : 로봇 110, 110′: 작업툴
120 : 입력센서부 121 : 작업력센서부
130 : 끝단연장부
200, 300, 400, 500 : 조작 손잡이
210, 310, 410, 521 : 고정부
220, 320, 420, 522 : 로드부
230, 330, 430, 523 : 손잡이부
CG : 작업위치

Claims (7)

1. 로봇의 끝단에 마련되는 작업툴과, 상기 작업툴의 위치를 조작하기 위한 조작 손잡이와, 상기 조작 손잡이의 일단에 결합되어 작업자의 조작력을 검출하는 입력센서부와, 상기 입력센서부의 검출 신호에 의해 조작 위치로 상기 작업툴을 구동하게 되는 다수 개의 구동기를 포함하여 작업자의 조작에 의해 작업툴의 위치 조작이 가능한 로봇시스템에 있어서,
   상기 조작 손잡이는,
   상기 입력센서부에 고정되는 고정부와, 상기 고정부에서 연장되되, 상기 작업툴의 회전 중심점으로 정의되는 작업위치를 감싸듯이 주변에 배치되는 로드부와;
   상기 로드부 또는 상기 고정부에서 연장되어 작업자가 파지하여 조작이 이루어지는 손잡이부;를 포함하는 로봇시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 입력센서부는 로봇의 끝단과 상기 조작 손잡이 사이에 마련되는 것을 특징으로 하는 로봇시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 로봇의 끝단과 상기 입력센서부 사이에는 끝단연장부를 더 포함하는 로봇시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 손잡이부는 상기 작업위치와의 거리가 상기 입력센서부와 상기 작업위치 사이의 거리보다는 짧은 것을 특징으로 하는 로봇시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 로드부는 상기 고정부와 작업위치를 잇는 가상 선을 중심으로 좌우 대칭되는 것을 특징으로 하는 로봇시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 손잡이부는 상기 로드부와 곡선으로 연결되는 것을 특징으로 하는 로봇시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 손잡이부는 상기 로드부에서 다단 절곡 형성되어 연결되는 것을 특징으로 하는 로봇시스템.

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