KR101550451B1 - 수술용 로봇 암의 ｒｃｍ 구조 - Google Patents

Abstract

수술용 로봇 암의 RCM 구조가 개시된다. 로봇 암의 단부에 수술용 인스트루먼트(instrument)를 장착하여, 인스트루먼트가 원격의 RCM(remote center of motion) 포인트를 중심으로 회전하도록 작동되는 수술용 로봇 암의 RCM 구조로서, 베이스(base)와, 베이스에 제1 축을 기준으로 회전하도록 축결합되는 제1 링크부와, 제1 링크부에 제2 축을 기준으로 회전하도록 축결합되는 제2 링크부와, 제2 링크부에 제3 축을 기준으로 회전하도록 축결합되며, 그 일부에 인스트루먼트가 장착되는 인터페이스(interface)가 형성된 인스트루먼트 홀더(holder)를 포함하되, 제1 축이 가상의 평면과 만나는 제1 지점, 제2 축이 평면과 만나는 제2 지점, 제3 축이 평면과 만나는 제3 지점 및 RCM 포인트는 평행사변형을 이루고, 인스트루먼트는 인터페이스에 결합되는 하우징과 하우징으로부터 길이방향으로 연장되는 샤프트를 포함하며, 샤프트가 제3 지점과 RCM 포인트를 연결하는 가상의 직선에 일치하여 위치하도록, 하우징이 인터페이스에 결합되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 암의 RCM 구조는, 수술용 로봇 암에 적용되는 평행사변형 RCM 구조에 있어서 인스트루먼트 샤프트가 이상적인 제어 대상축에 위치하도록 함으로써, 제어의 유효 범위를 잃지 않고, RCM 구조의 설계 과정에서부터 미리 설정된 제어 대상축을 기준으로 수술용 인스트루먼트의 RCM 작동을 제어할 수 있다.

Description

수술용 로봇 암의 ＲＣＭ 구조{RCM structure of surgical robot arm}

본 발명은 수술용 로봇 암의 RCM 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.

수술용 로봇에는 수술을 위한 조작을 위해 로봇 암을 구비하게 되며, 로봇 암의 선단부에는 인스트루먼트(instrument)가 장착된다. 이와 같이 로봇 암의 선단에 인스트루먼트를 장착하여 수술을 수행하게 되면 로봇 암의 움직임에 따라 인스트루먼트도 같이 움직이며, 이는 환자의 피부를 일부 천공하고 여기에 인스트루먼트를 삽입하여 수술을 수행하는 과정에서 인체의 피부에 불필요한 손상을 입힐 우려가 있다. 또한, 수술 부위가 넓을 경우에는 인스트루먼트가 움직이는 경로만큼 피부를 절개하거나 각 수술 부위마다 피부를 천공해야 하는 등 로봇 수술의 잇점이 반감될 우려도 있다.

따라서, 로봇 암의 선단에 장착되는 인스트루먼트는 말단부의 소정 위치에 가상의 회전 중심점을 설정하고 이 점을 중심으로 인스트루먼트가 회전하도록 로봇 암을 제어하게 되는데, 이러한 가상의 중심점을 '원격중심' 또는 'RCM(remote center of motion)'이라 한다.

종래의 수술용 로봇 암은, 도 1에 도시된 것처럼, 각 링크의 절점을 연결하면 평행사변형이 되도록 복수의 링크로 로봇 암(1)을 구성하고, 로봇 암의 작동 과정에서도 평행사변형이 유지되도록 제어하는 RCM 구조가 적용되었다. 이러한 '평행사변형 RCM 구조'는 이론적으로 볼 때 평행사변형(도 1의 'P')의 한 변을 이루는 가상의 선(도 1의 'S1')이 RCM 포인트(2)를 중심으로 회전하도록 제어할 수 있는 구조이다.

그러나, 실제로 로봇 암을 제작하는 과정에서는 로봇 암(1)의 단부에 인스트루먼트(3)를 장착하기 위한 홀더(5)가 개재되어야 하며, 따라서 홀더(5)에 인스트루먼트(3)를 장착하면 인스트루먼트(3)의 샤프트가 S1축에 위치하지 못하고 S1 축으로부터 소정 각도만큼 회전된 선(도 1의 'S2')에 위치할 수밖에 없게 된다.

이에 따라, 로봇 암을 제어함에 있어서 S1축과 S2축이 이루는 각도(도 1의 'A') 만큼 제어의 유효 범위를 잃어버리는 결과를 가져오게 된다. 다시 말해서, 도 1과 같이 로봇 암을 접었을 때에 이상적으로는 인스트루먼트 샤프트가 S1축까지 누울 수 있어야 하지만 실제로는 S2축까지만 눕게 되고, 도 2와 같이 로봇 암을 폈을 때에 이상적으로는 인스트루먼트 샤프트가 S1축까지만 넘어가야 있어야 하지만 실제로는 S2축까지 넘어가게 되어, 인스트루먼트를 원하는 각도 범위에서 유효하게 제어하지 못하게 되는 것이다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 미국특허 US7,594,912호(offset remote center manipulator for robotic surgery)에서는 도 3에 도시된 것처럼 베이스(42)를 아래쪽으로 구부러진 형상으로 제작함으로써, 평행사변형(도 3의 'P'') 자체를 요(yaw)축(도 3의 'Y')에 대해 소정 각도(도 3의 'α')만큼 뒤로 더 눕힌 구조를 제시한 바 있다.

그러나, 상기 미국특허는 결과적으로는 인스트루먼트가 원하는 만큼 더 누울 수 있거나, 불필요하게 많이 넘어가지 않도록 할 수 있을지는 몰라도, RCM 구조의 이론적인 제어 대상축(S1)을 제어하는 것이 아니라, S1축으로부터 소정 각도 회전된 실제 샤프트가 위치하는 축(S2)을 제어한다는 점에서 여전히 유효 제어 범위를 소정 각도(A)만큼 잃어버린 구조라는 한계가 있다.

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.

본 발명은, 이상적인 제어 대상축을 기준으로 수술용 인스트루먼트의 RCM 작동을 제어할 수 있는 수술용 로봇 암의 RCM 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 로봇 암의 단부에 수술용 인스트루먼트(instrument)를 장착하여, 인스트루먼트가 원격의 RCM(remote center of motion) 포인트를 중심으로 회전하도록 작동되는 수술용 로봇 암의 RCM 구조로서, 베이스(base)와, 베이스에 제1 축을 기준으로 회전하도록 축결합되는 제1 링크부와, 제1 링크부에 제2 축을 기준으로 회전하도록 축결합되는 제2 링크부와, 제2 링크부에 제3 축을 기준으로 회전하도록 축결합되며, 그 일부에 인스트루먼트가 장착되는 인터페이스(interface)가 형성된 인스트루먼트 홀더(holder)를 포함하되, 제1 축이 가상의 평면과 만나는 제1 지점, 제2 축이 평면과 만나는 제2 지점, 제3 축이 평면과 만나는 제3 지점 및 RCM 포인트는 평행사변형을 이루고, 인스트루먼트는 인터페이스에 결합되는 하우징과 하우징으로부터 길이방향으로 연장되는 샤프트를 포함하며, 샤프트가 제3 지점과 RCM 포인트를 연결하는 가상의 직선에 일치하여 위치하도록, 하우징이 인터페이스에 결합되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 암의 RCM 구조가 제공된다.

로봇 암은 제1 지점, 제2 지점, 제3 지점 및 RCM 포인트를 연결하는 가상의 사각형이 평행사변형을 유지하도록 작동될 수 있다. 인스트루먼트 홀더는, 샤프트의 길이방향과 평행한 방향으로 신축되는 구조로 이루어질 수 있다.

제2 링크부는 제1 링크부로부터 전방을 향하여 연장되도록 결합되고, 인터페이스는 인스트루먼트 홀더의 후면에 형성될 수 있다. 이 경우, 인터페이스에 면하는 하우징의 전면에는 인터페이스로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구동부가 형성될 수 있다.

인스트루먼트 홀더는 상방과 하방 사이에서 신축되며, 인터페이스는 인스트루먼트 홀더의 상면에 형성될 수 있다. 이 경우, 인터페이스에 면하는 하우징의 하면에는 인터페이스로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구동부가 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 로봇 암의 단부에, 하우징과 하우징으로부터 길이방향으로 연장되는 샤프트를 포함하는 수술용 인스트루먼트를 장착하여, 인스트루먼트가 원격의 RCM 포인트를 중심으로 회전하도록 작동되는 수술용 로봇 암의 RCM 구조로서, 베이스와, 베이스에 제1 축을 기준으로 회전하도록 축결합되는 제1 링크부와, 제1 링크부로부터 전방을 향하여 연장되도록 결합되고, 제1 링크부에 제2 축을 기준으로 회전하도록 축결합되는 제2 링크부와, 제2 링크부에 제3 축을 기준으로 회전하도록 축결합되고, 그 후면에 하우징이 결합될 수 있도록 인터페이스가 형성되며, 샤프트의 길이방향과 평행한 방향으로 신축되는 구조로 이루어지는 인스트루먼트 홀더를 포함하되, 제1 축이 가상의 평면과 만나는 제1 지점, 제2 축이 평면과 만나는 제2 지점, 제3 축이 평면과 만나는 제3 지점 및 RCM 포인트는 평행사변형을 이루고, 인터페이스에 면하는 하우징의 전면에는 인터페이스로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구동부가 형성되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 암의 RCM 구조가 제공된다.

한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 로봇 암의 단부에, 하우징과 하우징으로부터 길이방향으로 연장되는 샤프트를 포함하는 수술용 인스트루먼트를 장착하여, 상기 인스트루먼트가 원격의 RCM 포인트를 중심으로 회전하도록 작동되는 수술용 로봇 암의 RCM 구조로서, 베이스와, 베이스에 제1 축을 기준으로 회전하도록 축결합되는 제1 링크부와, 제1 링크부에 제2 축을 기준으로 회전하도록 축결합되는 제2 링크부와, 제2 링크부에 제3 축을 기준으로 회전하도록 축결합되고, 그 상면에 하우징이 결합될 수 있도록 인터페이스가 형성되며, 샤프트의 길이방향과 평행한 방향으로 상방과 하방 사이에서 신축되는 구조로 이루어지는 인스트루먼트 홀더를 포함하되, 제1 축이 가상의 평면과 만나는 제1 지점, 제2 축이 평면과 만나는 제2 지점, 제3 축이 평면과 만나는 제3 지점 및 RCM 포인트는 평행사변형을 이루고, 인터페이스에 면하는 하우징의 하면에는 인터페이스로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구동부가 형성되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 암의 RCM 구조가 제공된다.

하우징은, 샤프트가 제3 지점과 RCM 포인트를 연결하는 가상의 직선에 일치하여 위치하도록, 인터페이스에 결합될 수 있으며, 로봇 암은 제1 지점, 제2 지점, 제3 지점 및 RCM 포인트를 연결하는 가상의 사각형이 평행사변형을 유지하도록 작동될 수 있다.

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

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수술용 로봇 암에 적용되는 평행사변형 RCM 구조에 있어서 인스트루먼트 샤프트가 이상적인 제어 대상축에 위치하도록 함으로써, 제어의 유효 범위를 잃지 않고, RCM 구조의 설계 과정에서부터 미리 설정된 제어 대상축을 기준으로 수술용 인스트루먼트의 RCM 작동을 제어할 수 있다.

도 1 내지 도 3은 종래기술에 따른 수술용 로봇 암의 RCM 구조를 나타낸 도면.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇 암의 RCM 구조를 나타낸 측면도.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 로봇 암의 RCM 구조를 나타낸 측면도.

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 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇 암의 RCM 구조를 나타낸 측면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 로봇 암(1), RCM 포인트(2), 인스트루먼트(3), 하우징(7), 구동부(8), 샤프트(9), 베이스(10), 제1 지점(12), 제1 링크부(20), 제2 지점(22), 제2 링크부(30), 제3 지점(32), 인스트루먼트 홀더(40), 인터페이스(42)가 도시되어 있다.

본 실시예는 인스트루먼트 홀더의 구조를 변경한 것으로서, 구체적으로는 인터페이스 부분이 전방이 아니라 후방, 즉 로봇 암이 연장된 쪽이 아니라 그 반대쪽에 위치하도록 구성한 것을 특징으로 한다. 또한, 이러한 홀더 구조를 기초로, 인터페이스에 장착되는 인스트루먼트의 샤프트가 평행사변형 RCM 구조의 이상적인 제어 대상축에 위치하도록, 즉 RCM 구조의 이상적인 샤프트 축과 현실적인 샤프트 축이 일치하도록 한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 실시예에서 전, 후, 상, 하는 반드시 절대좌표 공간에서의 앞, 뒤, 위, 아래만을 의미하는 것으로 한정되는 것은 아니며, '전방'은 수술용 로봇 본체로부터 로봇 암이 연장되는 방향을 의미하고, '후방'은 전방의 반대 방향을 의미하며, '전면'은 전방을 향한 면을 의미하고, '후면'은 전면의 반대쪽 면을 의미하는 것으로 해석될 수 있다. 또한, 수술 환자의 위쪽에 로봇 암 및 그에 장착된 인스트루먼트가 위치한다고 할 때, '상방'은 위쪽을 의미하고, '하방'은 상방의 반대 방향을 의미하며, '상면'은 상방을 향한 면을 의미하고, '하면'은 상면의 반대쪽 면을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.

수술용 로봇 암의 RCM 구조는 로봇 암(1)의 단부에 수술용 인스트루먼트(3)를 장착하고, 인스트루먼트(3)가 그 샤프트(9) 상의 소정 지점(RCM 포인트(2))을 중심으로 회전하도록 작동, 제어하는 구조이다.

본 실시예에 따른 RCM 구조는, 베이스(10)로부터 연장되는 평행사변형 링크 구조로 이루어진다. 즉, 베이스(10)에 축결합되는 제1 링크부(20), 제1 링크부(20)에 축결합되는 제2 링크부(30) 및 제2 링크부(30)에 축결합되는 인스트루먼트 홀더(40)로 이루어지는 로봇 암(1) 구조에 있어서, 베이스(10)와 제1 링크부(20) 간의 결합축을 제1 축, 제1 링크부(20)와 제2 링크부(30) 간의 결합축을 제2 축, 제2 링크부(30)와 인스트루먼트 홀더(40) 간의 결합축을 제3 축이라 하고, RCM 포인트(2)를 포함하는 가상의 평면과 제1, 2, 3 축이 만나는 지점을 각각 제1, 2, 3 지점이라 할 때, 제1 지점(12), 제2 지점(22), 제3 지점(32) 및 RCM 포인트(2)는 평행사변형을 이루는 구조로 이루어진다.

이처럼, 각 링크의 절점(제1 지점(12), 제2 지점(22), 제3 지점(32)) 및 RCM 포인트(2)가 평행사변형을 이루도록 로봇 암(1)을 구성하고, 로봇 암(1)을 구동시키는 과정에서도 각 절점 및 RCM 포인트(2)가 평행사변형을 유지하면서 로봇 암(1)이 작동하도록 제어함으로써, 평행사변형의 일변을 이루는 제어 대상축(도 4의 'S1' 참조)이 베이스(10)로부터 원격에 위치하는 한 점(RCM 포인트(2))을 중심으로 회전하도록 할 수 있다.

인스트루먼트 홀더(40)에는 인터페이스(42)가 형성되어 있고, 인스트루먼트(3)는 인터페이스(42)를 통해 홀더(40)에 장착된다. 즉, 인스트루먼트(3)가 하우징(7)과 하우징(7)으로부터 길이방향으로 연장되는 샤프트(9)로 이루어져 있다고 할 때, 하우징(7)을 인터페이스(42)에 결합함으로써 인스트루먼트(3)는 홀더(40)에 장착되는 것이다.

인터페이스(42)에는 하우징(7)과의 결합을 위한 기구물 및 로봇 암(1)으로부터 구동력을 전달하기 위한 구동자 등이 형성되며, 이에 대응하여 하우징(7)에도 인터페이스(42)에의 결합을 위한 기구물 및 구동자에 맞물려 작동되는 구동휠 등이 형성될 수 있다. 이처럼, 인터페이스(42)와 하우징(7)에는 서로 대응되는 결합 수단 및 구동전달 수단이 각각 형성되며, 이로써 인스트루먼트(3)는 홀더(40)에 장착된 상태에서 로봇 암(1)으로부터 구동력을 전달받아 작동되게 된다.

전술한 것처럼, 종래의 로봇 암 구조에서는 홀더(40)에 인스트루먼트(3)가 장착되는 과정에서 인스트루먼트 샤프트(9)가 RCM 제어 대상축에 제대로 위치하지 못하고, 소정 각도만큼 회전한 상태로 장착되어, 제어 대상축에 대한 RCM 제어가 인스트루먼트(3)에 유효하게 적용되지 못하는 한계가 있었다. 예를 들어, 제어 대상축을 원하는 각도만큼 회전시키더라도 실제 인스트루먼트(3)는 이보다 소정 각도만큼 더 회전한 상태에 위치하거나, 실제 인스트루먼트(3)를 원하는 각도만큼 회전시키기 위해 제어 대상축이 필요 이상(또는 필요 이하)으로 회전하도록 제어해야 한다는 문제가 있었다.

이에 대해, 본 실시예에 따른 RCM 구조에서는 인스트루먼트의 샤프트(9)가 제어 대상축, 즉 제3 지점(32)과 RCM 포인트(2)를 연결하는 가상의 직선에 일치하여 위치하도록 한 것을 특징으로 한다.

이를 위해, 인스트루먼트 홀더(40)의 구조 및 홀더(40)에 장착되는 인스트루먼트(3)의 구조를 종래와 다르게 변경할 필요가 있는데, 그 일례로서 도 4 및 도 5에 도시된 것과 같은 홀더-인스트루먼트 결합 구조를 채택할 수 있다.

인스트루먼트(3)의 전진, 후퇴, 즉 인스트루먼트(3)를 그 샤프트(9)의 길이방향으로 이동시키기 위해, 인스트루먼트 홀더(40)는 샤프트(9)의 길이방향과 평행한 방향으로 신축되는 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 것처럼 복수의 부재가 슬라이딩 방식으로 신축되는 구조, 또는 도 6에 도시된 것처럼 복수의 부재가 텔레스코픽(telescopic) 방식으로 신축되는 구조 등, 다양한 신축 기구로 구성할 수 있다.

이 경우, 인스트루먼트의 샤프트(9)가 제어 대상축에 일치하여 장착되도록 하기 위해, 첫째 그 신축 방향이 제어 대상축과 평행하게 되도록 인스트루먼트 홀더(40)를 제2 링크부(30)에 결합한다. 종래에는 홀더의 전방에 인스트루먼트가 장착되는 것을 전제로 하여 슬라이딩 구조가 전방을 향하여 적층되는 구조로 홀더를 제작, 결합하였기 때문에, 홀더가 후방으로 눕는 과정에서 제2 링크부(30)에 의해 간섭될 수 있으며, 이에 따라 제어 대상축과 홀더의 신축 방향(샤프트의 길이방향) 사이에 소정의 각도 차이가 존재하게 되었다.

본 실시예에 따른 홀더(40)는, 도 4에 도시된 것처럼, 인스트루먼트(3)가 후방에 장착되는 구조로 제작될 수 있으며, 이에 따라 슬라이딩 구조 또한 후방을 향하여 적층되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다. 이처럼, 홀더(40)의 구조를 변경하면 홀더(40)가 후방으로 눕는 각도를 더욱 증가시킬 수 있으며, 결과적으로 홀더(40)의 신축 방향과 제어 대상축의 방향이 평행하게 되도록 홀더(40)를 제2 링크부(30)에 결합시킬 수 있게 된다.

둘째, 본 실시예에 따른 인스트루먼트 홀더(40)는 그 후방에서 인스트루먼트(3)가 장착되는 구조이므로, 인터페이스(42)가 홀더(40)의 후면에 형성된다. 즉, 인스트루먼트(3)를 홀더(40)의 후면 쪽에서 장착하게 되며, 이를 위해 본 실시예에 따른 인스트루먼트 하우징(7)에는 그 전면(인터페이스(42)에 대향하는 면)에 구동부(8)(인터페이스(42)로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구동휠 등)가 형성될 수 있다.

전술한 바와 같이 홀더(40)의 신축 방향이 제어 대상축의 방향과 평행하도록 설정되어 있으므로, 인터페이스(42) 부분과 제어 대상축 간의 간격을 적절하게 조절함으로써 인터페이스(42)에 장착되는 인스트루먼트의 샤프트(9)가 제어 대상축에 일치하여 위치하도록 할 수 있다.

이로써, 평행사변형 RCM 구조의 이상적인 제어 대상축에 실제로 인스트루먼트(3)가 위치하도록 할 수 있으며, 실제 인스트루먼트(3)에 대하여 각도 손실 없이 유효하게 RCM 제어가 이루어지도록 할 수 있다.

도 4 및 도 5와 같이 RCM 구조를 구성할 경우, 인스트루먼트 샤프트(9)가 제3 지점(32)(제2 링크부(30)와 홀더(40) 간의 결합 부위)에 간섭될 수 있는데, 이는 제3 축의 중간 부분을 천공하거나, 제3 축을 그 중간 부분이 연결되지 않은 구조로 구성함으로써, 샤프트(9)가 제3 축의 가운데 부분을 통해 지나가도록 할 수 있다.

종래의 RCM 구조는 베이스로부터 전방을 향하여 '로봇 암-인스트루먼트 홀더-인스트루먼트'의 순서로 위치하는 구조였던 데에 반하여, 본 실시예에 따른 RCM 구조는 '로봇 암-인스트루먼트-인스트루먼트 홀더'의 순서로 위치하는 구조로 변경되었으며, 이에 따라 인스트루먼트의 샤프트(9)가 제어 대상축에 일치하여 위치하도록 할 수 있다.

본 실시예와 같이 인터페이스(42)의 위치를 종래와 반대로, 즉 전방에서 후방으로 변경하더라도, 그에 상응하여 하우징(7)의 구조가 변경되므로, 인스트루먼트(3)를 홀더(40)에 장착하는 방식은 종래와 동일하게 할 수 있다.

나아가, 실제로는 인스트루먼트(3)를 홀더(40)에 장착할 때 로봇 암(1)의 초기 상태는 도 4와 같이 접혀진 상태보다는 도 5와 같이 펴진 상태인 경우가 많은데, 본 실시예에 따른 '홀더-인스트루먼트' 커플링 구조에서는 인스트루먼트(3)를 위에서 아래쪽으로 장착할 수 있는 구조가 될 수 있으므로, 오히려 기존 구조에 비하여 인스트루먼트(3)의 탈착이 더욱 편리해질 수도 있다.

정리하면, 본 실시예에 따른 로봇 암의 RCM 구조는, 인스트루먼트 홀더(40)를 그 후방에서 인스트루먼트(3)가 장착되는 구조로 변경함으로써 홀더(40)의 신축 방향이 제어 대상축의 방향과 평행하게 되도록 하고, 인스트루먼트 하우징(7)의 전면에 구동부(8)를 형성하여 하우징(7)의 전면이 홀더(40)의 후면(인터페이스(42))에 결합되는 구조로 변경함으로써 인스트루먼트의 샤프트(9)가 제어 대상축에 일치하여 위치하도록 하였으며, 이에 따라 평행사변형 RCM 구조의 이상적인 제어 대상축에 실제로 인스트루먼트(3)가 위치하여 RCM 제어가 유효하게 이루어지도록 한 것이다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 로봇 암의 RCM 구조를 나타낸 측면도이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 로봇 암(1), RCM 포인트(2), 인스트루먼트(3), 하우징(7), 구동부(8), 샤프트(9), 베이스(10), 제1 지점(12), 제1 링크부(20), 제2 지점(22), 제2 링크부(30), 제3 지점(32), 인스트루먼트 홀더(50), 인터페이스(52)가 도시되어 있다.

본 실시예는 인스트루먼트의 샤프트가 제어 대상축에 일치하여 위치하도록 하기 위해, 홀더 및 인스트루먼트의 구조를 종래와 다르게 변경한 또 다른 사례이다.

본 실시예에서는 인스트루먼트(3)를 그 샤프트(9)의 길이방향으로 이동시키기 위해, 인스트루먼트 홀더(50)를 복수의 부재가 텔레스코픽 방식으로 신축되는 구조, 즉 도 6 및 도 7에 도시된 것처럼 인스트루먼트 홀더(50)를 상방과 하방 사이에서 신축되는 구조로 구성할 수 있다.

이 경우, 인스트루먼트의 샤프트(9)가 제어 대상축에 일치하여 장착되도록 하기 위해, 그 신축 방향이 제어 대상축과 일치(평행)하도록 인스트루먼트 홀더(50)를 제2 링크부(30)에 결합한다. 본 실시예에 따른 홀더(50)는, 도 6에 도시된 것처럼, 인스트루먼트(3)가 상방에 장착되는 구조로 제작될 수 있으며, 이에 따라 홀더(50)는 전체적으로 상, 하방으로 신축되는 텔레스코픽 구조로 구성할 수 있다.

본 실시예에 따른 인스트루먼트 홀더(50)는 그 상방에서 인스트루먼트(3)가 장착되는 구조이므로, 인터페이스(52)가 홀더(50)의 상면에 형성된다. 즉, 인스트루먼트(3)를 홀더(50)의 상면 쪽에서 장착하게 되며, 이를 위해 본 실시예에 따른 인스트루먼트 하우징(7)에는 그 하면(인터페이스(52)에 대향하는 면)에 구동부(8)(인터페이스(52)로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구동휠 등)가 형성될 수 있다.

전술한 바와 같이 홀더(50)의 신축 방향이 제어 대상축과 일치하도록 설정되어 있으므로, 인스트루먼트(3)를 인터페이스(52)에 장착하면 그 샤프트(9)가 제어 대상축에 일치하여 위치하게 된다.

이로써, 평행사변형 RCM 구조의 이상적인 제어 대상축에 실제로 인스트루먼트(3)가 위치하도록 할 수 있으며, 실제 인스트루먼트(3)에 대하여 각도 손실 없이 유효하게 RCM 제어가 이루어지도록 할 수 있다.

즉, 본 실시예에서는 하우징(7)의 하면이 인터페이스(52)와 결합되도록 함으로써 이상적인 제어 대상축과 현실적인 샤프트 축이 일치하도록 할 수 있다.

한편, 본 실시예와 같이 하우징(7)의 하면에 커플링 구조(구동부(8) 등)를 형성할 경우, 하우징(7)의 전면이나 후면에 커플링 구조를 형성한 경우에 비하여 인스트루먼트(3)를 홀더(50)로부터 쉽게 탈착할 수 있다.

커플링 구조가 전면이나 후면에 형성된 경우, 하우징(7)을 인터페이스(42)로부터 분리하기 위해서는 하우징(7)을 전면이나 후면의 높이만큼 슬라이딩시킨 후 떼어 내야 하는 반면, 커플링 구조가 하면에 형성된 경우, 하우징(7)을 인터페이스(52)로부터 떼어내는 순간 하우징(7)이 인터페이스(52)로부터 분리되는 것이므로, 최소한의 이동만으로 인스트루먼트(3)를 홀더(50)에 탈착할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 인스트루먼트 홀더의 뒷면(후면)에 인터페이스가 형성되고 인터페이스에 대향하여 하우징의 전면에 구동부가 형성되며, 이러한 '후면 인터페이스-전면 구동부' 커플링 구조로 인하여 RCM 구조의 제어 대상축(도 1의 'S1' 참조)과 현실적인 샤프트 축(도 1의 'S2' 참조)이 이루는 각도(도 1의 'A' 참조)를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 인스트루먼트 홀더의 상면에 인터페이스가 형성되고 인터페이스에 대향하여 하우징의 하면에 구동부가 형성되며, 이러한 '상면 인터페이스-하면 구동부' 커플링 구조로 인하여 RCM 구조의 제어 대상축(도 1의 'S1' 참조)과 현실적인 샤프트 축(도 1의 'S2' 참조)이 이루는 각도(도 1의 'A' 참조)를 줄일 수도 있다.

이러한 다양한 실시예에서는, 실제 인스트루먼트에 대한 각도 손실을 최대한 줄여 RCM 제어가 비교적 제대로 이루어지도록 할 수 있다.

이 경우, 그 샤프트가 제어 대상축(제3 지점과 RCM 포인트를 연결하는 가상의 직선)에 일치하여 위치하도록 인스트루먼트의 하우징을 인터페이스에 결합함으로써, 실제 인스트루먼트에 대하여 각도 손실 없이 유효하게 RCM 제어가 이루어지도록 할 수 있음은 전술한 실시예에서와 마찬가지이다.

또한, 이 경우에도, 로봇 암을 구동시키는 과정에서 각 절점(제1 지점, 제2 지점, 제3 지점) 및 RCM 포인트가 평행사변형을 유지하면서 로봇 암이 작동하도록 제어함으로써, 평행사변형의 일변을 이루는 제어 대상축(도 4 내지 도 7의 'S1' 참조)이 베이스로부터 원격에 위치하는 한 점(RCM 포인트)을 중심으로 회전하도록 할 수 있음은 전술한 바와 같다.

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.

1 : 로봇 암 2 : RCM 포인트
3 : 인스트루먼트 7 : 하우징
8 : 구동부 9 : 샤프트
10 : 베이스 12 : 제1 지점
20 : 제1 링크부 22 : 제2 지점
30 : 제2 링크부 32 : 제3 지점
40, 50 : 인스트루먼트 홀더 42, 52 : 인터페이스

Claims (11)

1. 로봇 암의 단부에 수술용 인스트루먼트(instrument)를 장착하여 상기 인스트루먼트가 원격의 RCM(remote center of motion) 포인트를 중심으로 회전하도록 작동되며, 베이스(base)와; 상기 베이스에 제1 축을 기준으로 회전하도록 축결합되는 제1 링크부와; 상기 제1 링크부로부터 전방을 향하여 연장되도록 결합되고, 상기 제1 링크부에 제2 축을 기준으로 회전하도록 축결합되는 제2 링크부와; 상기 제2 링크부에 제3 축을 기준으로 회전하도록 축결합되는 인스트루먼트 홀더(holder)를 포함하되, 상기 제1 축이 가상의 평면과 만나는 제1 지점, 상기 제2 축이 상기 평면과 만나는 제2 지점, 상기 제3 축이 상기 평면과 만나는 제3 지점 및 상기 RCM 포인트를 연결하는 가상의 사각형이 평행사변형을 유지하도록 작동되는 수술용 로봇 암의 RCM 구조로서,
   상기 RCM 구조는, 상기 제3 지점과 상기 RCM 포인트를 연결하는 가상의 직선인 제어 대상축이 상기 RCM 포인트를 중심으로 회전하도록 움직이는 방식으로 작동되며,
   상기 인스트루먼트 홀더에는 상기 인스트루먼트가 장착되도록 인터페이스(interface)가 형성되고, 상기 인스트루먼트 홀더는 상기 제어 대상축의 방향과 평행한 방향으로 신축되는 구조로 이루어지며,
   상기 인스트루먼트는 상기 인터페이스에 결합되는 하우징과 상기 하우징으로부터 소정의 길이방향으로 연장되는 샤프트를 포함하고,
   상기 샤프트가 상기 제어 대상축에 일치하여 위치한 상태로 작동됨으로써, 각도 손실 없이 유효하게 RCM 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 암의 RCM 구조.
   
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5. 제1항에 있어서,
   수술용 로봇 본체로부터 상기 로봇 암이 연장되는 방향을 전방이라 하고 그 반대 방향을 후방이라 할 때, 상기 인터페이스는 상기 인스트루먼트 홀더의 후면에 형성되고, 상기 하우징의 전면에는 상기 인터페이스에 접하여 상기 인터페이스로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구동부가 형성되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 암의 RCM 구조.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 인스트루먼트 홀더가 상방과 하방 사이에서 신축된다고 할 때, 상기 인터페이스는 상기 인스트루먼트 홀더의 상면에 형성되고, 상기 하우징의 하면에는 상기 인터페이스에 접하여 상기 인터페이스로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구동부가 형성되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 암의 RCM 구조.
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