KR101697185B1 - 무구속 힘 반향 마스터 디바이스 및 이를 포함하는 수술 로봇 시스템 - Google Patents

무구속 힘 반향 마스터 디바이스 및 이를 포함하는 수술 로봇 시스템 Download PDF

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강한성
박병준
윤재현
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Abstract

본 발명은 원격 수술을 수행하는 수술 로봇 시스템에서, 수술도구로가 받는 힘에 대응하는 신호에 따른 햅틱 피드백을 전달받는 무구속 힘반향 수술용 마스터 디바이스에 관한 것이다. 상기 마스터 디바이스는 상기 마스터 디바이스는 상기 수술도구로부터 상기 수술도구가 받는 푸쉬-풀(push-pull) 힘을 전달받아, 제1 신호를 생성하고, 상기 수술도구가 받는 파지력(grasp force)을 전달받아 제2 신호를 생성하는 제어부; 상기 제1 신호에 기반하여 슬라이딩되어, 외과의(surgeon)에게 푸쉬-풀(push-pull) 힘을 전달하는 슬라이딩부; 상기 제2 신호에 기반하여, 상기 외과의에게 파지력을 전달하는 파지력 전달부를 포함한다.

Description

무구속 힘 반향 마스터 디바이스 및 이를 포함하는 수술 로봇 시스템{Non-restraint Force-feedback MASTER DEVICE AND SURGICAL ROBOT SYSTEM COMPRISING THE SAME}
본 발명은 수술도구로부터 햅틱 피드백을 전달받아 수술도구를 제어할 수 있는 무구속 힘반향 마스터 디바이스 및 이를 포함하는 수술 로봇 시스템에 관한 것이다.
최소 침습 수술 로봇 시스템은 최소 작업 공간에 대한 제약이 있고, 마스터 디바이스와 슬레이브 시스템이 동시에 설계되어야 한다. 여기서, 실제 외과의(surgeon)의 손 동작을 수행하는 디바이스를 마스터 디바이스(100)이라고 하며, 환자에게 실제 수술을 수행하는 수술 로봇을 슬레이브 로봇(220)라고 한다. 마스터 디바이스(100)는 외과의의 손 동작을 통해 슬레이브 로봇(220)으로 일정한 제어신호를 생성하여 전달한다. 슬레이브 로봇(220)은 마스터 디바이스(100)로부터 전송된 제어신호에 따라, 수술도구(210)을 동작시켜 원격으로 수술이 진행되도록 한다.
기존의 수술용 마스터 디바이스는 외과의가 파지할 수 있는 그리퍼 및 상기 그리퍼와 연결되는 로드를 포함하며, 움직일 수 없는 구속형 마스터 디바이스로, 이러한 구속형 마스터 디바이스는 외과의가 로드에 연결된 그리퍼를 파지한 채 수술을 수행해야 하므로, 이에 따른 기계적 저항, 기계적 커플링, 중력에 대한 보상이 이루어져야 하며, 고정된 기계식 마스터 디바이스를 동작해야 하므로, 외과의의 손 자유도가 낮은 단점이 있었다.
또한, 외과의가 직접 수술도구(210)를 통해 맨손으로 조직을 잡았을 때와 같은 유사한 힘의 세기 및 방향을 외과의에게 실질적으로 전달하기 어려운 단점이 있었다. 즉, 기존의 구속형 마스터 디바이스는 실제 수술시 외과의가 수술도구(210)를 통해 조직을 집고 벌리는 힘(파지력, grip force)의 정도, 조직을 밀고 당기는 힘(푸쉬-풀 힘)의 정도, 및 이와 유사한 힘을 직접 느낄 수 없는 단점이 있었다.
한국특허등록공보 10-1155885(2012년06월07일 등록)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로,
본 발명은 소형화 및 경량화된 무구속 힘 반향 마스터 디바이스를 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 수술도구로부터 정량적인 힘 반향 전달이 가능한 무구속 힘반향 마스터 디바이스를 제공하는 장점이 있다.
햅틱 피드백을 전달받는 무구속 힘반향 수술용 마스터 디바이스는 수술도구로부터 상기 수술도구가 받는 푸쉬-풀(push-pull) 힘을 전달받아, 제1 신호를 생성하고, 상기 수술도구가 받는 파지력(grasp force)을 전달받아 제2 신호를 생성하는 제어부; 상기 제1 신호에 기반하여 슬라이딩되어, 외과의(surgeon)에게 푸쉬-풀(push-pull) 힘을 전달하는 슬라이딩부; 상기 제2 신호에 기반하여, 상기 외과의에게 파지력을 전달하는 파지력 전달부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 슬라이딩부는 상기 외과의의 손가락에 접촉되도록 배치되고, 상기 제1 신호에 의해 상기 외과의의 손가락에 접촉되어 슬라이딩되는 적어도 하나의 슬라이더를 포함할 수 있다.
또한, 상기 슬라이딩부는 상기 제1 손가락에 배치되는 제1 슬라이더와 상기 제2 손가락에 배치되는 제2 슬라이더를 포함하고, 상기 제1 슬라이더와 상기 파지력 전달부를 연결하는 제1스틱 및 상기 제2 슬라이더와 상기 파지력 전달부를 연결하는 제2스틱을 더 포함하되, 상기 제1스틱과 상기 제2스틱은 상기 파지력 전달부의 움직임에 연동하여 상기 외과의에게 상기 수술도구의 파지력(grasp force)을 전달할 수 있다.
또한, 상기 마스터 디바이스는 복수개의 마커를 더 포함하되,상기 외과의의 왼손에 배치되는 마커간의 거리와 상기 외과의의 오른손에 배치되는 마커간의 거리가 상이할 수 있다.
또한, 상기 제1스틱 및 상기 제2스틱 중 적어도 하나에 복수개의 마커를 포함하되, 상기 외과의의 왼손에 배치되는 마커간의 거리와 상기 외과의의 오른손에 배치되는 마커간의 거리가 상이할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수술 로봇 시스템은 환자에게 수술동작을 수행하는 수술도구와 상기 수술도구를 이용하여 수술 동작을 수행하는 슬레이브 로봇을 포함하고, 상기 수술도구로가 받는 힘에 대응하는 신호를 생성하는 슬레이브 시스템; 및 상기 슬레이브 로봇의 수술동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 상기 슬레이브 로봇에 전달하는 마스터 디바이스를 포함하고, 상기 마스터 디바이스는 상기 상기 수술도구로부터 상기 수술도구가 받는 푸쉬-풀(push-pull) 힘을 전달받아, 제1 신호를 생성하고, 상기 수술도구가 받는 파지력(grasp force)을 전달받아 제2 신호를 생성하는 제어부;상기 외과의의 손가락에 접촉되도록 배치되고, 상기 제1 신호에 따라 슬라이딩되어, 외과의(surgeon)에게 푸쉬-풀(push-pull) 힘을 전달하는 슬라이딩부;상기 외과의의 손가락 사이에 배치되고, 상기 제2 신호에 따라 상기 외과의에게 파지력을 전달하는 파지력 전달부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 슬라이딩부는 상기 외과의의 손가락에 접촉되어 슬라이딩되는 적어도 하나의 슬라이더를 포함할 수 있다.
또한, 상기 슬라이딩부는 상기 외과의의 제1 손가락에 배치되는 제1 슬라이더와 제2 손가락에 배치되는 제2 슬라이더를 포함하고, 상기 마스터 디바이스는 상기 제1 슬라이더와 상기 파지력 전달부를 연결하는 제1스틱 및 상기 제2 슬라이더와 상기 파지력 전달부를 연결하는 제2스틱을 더 포함하되,상기 제 1스틱과 상기 제 2스틱은 상기 파지력 전달부의 움직임에 연동하여 상하로 이동함으로써 상기 외과의에게 상기 수술도구의 파지력(grasp force)을 전달할 수 있다.
또한, 상기 마스터 디바이스는 외과의의 양손에 배치되고, 복수개의 마커를 더 포함하되,상기 마커는 상기 외과의의 왼손에 배치되는 마커간의 거리와 상기 외과의의 오른손에 배치되는 마커간의 거리가 상이할 수 있다.
또한, 상기 수술 로봇 시스템은 상기 마커를 촬영하고, 촬영된 영상을 상기 제어부로 전달하는 촬영부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 촬영부로부터 전달된 영상을 기반으로 제3 신호를 생성하여, 상기 슬레이브 로봇으로 전달하고,상기 슬레이브 로봇의 동작은 상기 제3 신호에 의해 제어될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로,
본 발명은 소형화 및 경량화된 무구속 힘반향 마스터 디바이스를 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 수술도구로부터 정량적인 힘 반향 전달이 가능한 무구속 힘반향 마스터 디바이스를 제공하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 마스터 디바이스를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 마스터 디바이스를 도시한 것이다.
도 3 본 발명의 제2 실시예에 의한 마스터 디바이스를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마커의 배치를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템을 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 무구속 힘반향 수술용 마스터 디바이스(100) 및 이를 포함하는 수술 로봇 시스템(1000)에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 이하의 실시예의 설명에서 각각의 구성요소의 명칭은 당업계에서 다른 명칭으로 호칭될 수 있다. 그러나 이들의 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 변형된 실시예를 채용하더라도 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 각각의 구성요소에 부가된 부호는 설명의 편의를 위하여 기재된다. 그러나 이들 부호가 기재된 도면상의 도시 내용이 각각의 구성요소를 도면내의 범위로 한정하지 않는다. 마찬가지로 도면상의 구성을 일부 변형한 실시예가 채용되더라도 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 당해 기술분야의 일반적인 기술자 수준에 비추어 보아, 당연히 포함되어야 할 구성요소로 인정되는 경우, 이에 대하여는 설명을 생략한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템(1000)을 도시한 것이다. 도 5를 참조하면 본 발명의 수술 로봇 시스템(1000)은 슬레이브 시스템(200), 마스터 디바이스(100), 촬영부(300)를 포함할 수 있다.
본 발명의 슬레이브 시스템(200)은 수술도구(210), 슬레이브 로봇(220)을 포함할 수 있다.
본 발명의 수술도구(210)는 환자에게 수술동작을 수행하는 도구로, 수술용 가위, 핀셋 등을 포함한다. 또한 본 발명의 슬레이브 로봇(220)은 복수의 로봇 암(arm)을 구비하고, 로봇 암의 말단에는 수술도구(210)가 장착된다.
본 발명의 수술도구(210)에는 수술도구(210)의 움직임을 센싱할 수 있는 움직임 감지 센서(211)가 부착될 수 있다. 움직임 감지 센서(211)는 수술도구(210)의 움직임을 센싱하고, 움직임과 관련된 데이터를 상기 마스터 디바이스(100) 쪽으로 전달한다. 이 경우, 수술도구(210)의 움직임을 센싱하면, 수술도구(210)가 받는 힘을 알 수 있다.
본 발명의 마스터 디바이스(100)는 슬레이브 시스템(200)으로부터 수술도구(210)가 받는 힘을 전달받고, 이 힘을 실제 수술동작을 수행하는 외과의에게 햅틱방식으로 전달할 수 있다. 또한, 본 발명의 마스터 디바이스(100)는 외과의의 손동작에 따른 신호에 기반하여, 슬레이브 로봇(220)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하고, 이를 슬레이브 로봇(220)으로 전달하여 실제 외과의가 수행하는 수술동작과 동일한 수술 동작을 슬레이브 로봇(220)이 수행하도록 할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무구속 힘 반향 수술용 마스터 디바이스(100)는 슬라이딩부, 파지력 전달부(20), 제어부(70)를 포함할 수 있다. 여기서, 무구속 힘 반향 수술용 마스터 디바이스란 종래의 구속형 마스터 디바이스가 아닌,슬레이브 로봇(220)의 구조에 제한을 받지 않고, 작업 공간상의 제약 없이 외과의가 자유로운 손 동작을 수행할 수 있는 것을 의미하는 것으로 마스터 디바이스에 대한 중력을 보상할 필요가 없는 디바이스를 의미한다. 예컨대, 무구속 힘 반향 수술용 마스터 디바이스는 외과의의 손에 장착될 수 있는 착용가능한 수술용 디바이스를 의미할 수 있다.
도 5를 참조하면, 수술도구(210)에는 수술도구(210)의 움직임을 감지할 수 있는 움직임 감지 센서(211)가 부착되어 있다. 상기 움직임 감지 센서(211)는 수술도구(210)의 움직임을 센싱하고, 움직임과 관련된 데이터를 상기 제어부(70)로 전달한다.
본 발명의 제어부(70)는 상기 움직임과 관련된 데이터를 움직임 감지 센서(211)로부터 입력받아, 소정의 수학 연산 모델을 이용하여 수술도구(210)가 받는 푸쉬-풀 힘(push-pull force)에 기반한 제1 신호를 생성하거나, 수술도구(210)가 받는 파지력(grasp force)에 기반한 제2 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 푸쉬-풀 힘은 수술도구(210)가 조직을 밀고 당기는 정도를 의미한다. 또한, 파지력은 수술도구(210)를 벌리거나 오므리는 정도를 의미한다. 이는 모두 수술도구(210)의 움직임을 통해 알 수 있다.
본 발명의 슬라이딩부는 외과의의 손가락에 접촉되어 배치되며, 제어부(70)로부터 출력된 제1 신호에 따라 슬라이딩되어, 수술도구(210)가 받는 푸쉬-풀 힘을 외과의에게 전달함으로써, 실제로 외과의가 수술도구(210)를 밀거나 잡아 당기는 정도를 느낄 수 있도록 할 수 있다.
슬라이딩부는 수술도구의 종류에 따라 적어도 하나의 슬라이더(11, 12)를 구비할 수 있다. 여기서, 슬라이더의 개수는 수술도구가 외과의의 손가락에 접촉하는 개수에 대응할 수 있다. 예컨대, 수술도구가 외과의의 손가락에 2개 접촉되는 경우라면, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 2개의 슬라이더(11, 12)로 구성될 수 있으며, 외과의의 손가락에 3개 접촉되는 경우라면 3개의 슬라이더(미도시)로 구성될 수 있다.
본 발명의 슬라이딩부는 제1 슬라이더(11) 및 제2 슬라이더(12)를 포함할 수 있다. 이러한 제1 슬라이더(11) 및 제2 슬라이더(12)는 제1 신호에 따라, 전후로 이동된다. 이러한 제1 슬라이더(11)와 제2 슬라이더(12)의 움직임을 통해, 수술도구(210)가 받는 푸쉬-풀 힘을 외과의가 느낄 수 있도록 하여, 실제로 외과의가 수술도구(210)를 밀거나 잡아 당기는 정도를 느낄 수 있도록 한다.
본 발명의 파지력 전달부(20)는 제2 신호에 기반하여, 상기 외과의에게 파지 힘을 전달할 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 파지력 전달부(20)는 외과의의 제1 손가락과 제2 손가락 사이에 위치되어 외과의의 제1 손가락과 제2 손가락 사이의 거리를 제어하도록 할 수 있다. 예컨대, 슬레이브 로봇(210)에 장착된 수술도구(210)가 핀셋인 경우에, 파지력 전달부(20)는 외과의의 엄지와 검지 사이의 굴곡된 부위에 위치되어, 엄지와 검지의 벌리고 오므리는 동작을 통해, 수술도구(210)가 받는 파지력(grasp force)- 수술도구(210)를 벌리거나 오므리는 정도-을 외과의가 인지하도록 할 수 있다.
본 발명의 상기 파지력 전달부(20)는 일정 방향으로 회전하면서, 외과의의 엄지와 검지를 벌리고 오므리도록 할 수 있다. 파지력 전달부(20)는 도 3과 같이 단일의 기어(20a)가 회전하도록 구성되거나, 도 1, 2에 도시된 바와 같이 두 개의 기어(제1 기어(20b), 제2 기어(20c))가 각각 후술할 제1 스틱(31), 제2 스틱(32)과 연결되도록 구성될 수 있다. 여기서, 제1 기어(20b)와 제2 기어(20c)는 서로 역방향으로 회전하도록 구성된다. 다만, 이러한 기어들(20a~20c)는 본 발명의 실시예로, 본 발명의 파지력 전달부(20)는 기어(20a~20c) 형태가 아닌 파지력을 전달할 수 있는 다른 구성을 채택할 수도 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 마스터 디바이스(100)는 제1, 2 슬라이더(11, 12)와 파지력 전달부(20)를 연결하는 제1, 2 스틱(31, 32)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1, 2 스틱(31, 32)은 파지력 전달부(20)의 움직임에 연동되어 외과의에게 수술도구의 파지력(grasp force)을 전달할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 제1 스틱(31)은 제1 슬라이더(11)와 파지력 전달부(20)를 연결하고, 제2 스틱(32)은 제2 슬라이더(12)와 파지력 전달부(20)를 연결할 수 있다. 여기서, 제1 스틱(31)과 제2 스틱(32)은 파지력 전달부(20)에 연동하여 상하로 이동하면서, 수술도구(210)가 조직을 집거나 벌리는 정도를 외과의가 인지하도록 할 수 있다.
예컨대, 도 3과 같이 파지력 전달부(20)가 단일의 기어(20a)로 구성된 경우에, 파지력 전달부(20)가 반시계 방향으로 회전하면, 제1 스틱(31)은 아래로, 제2 스틱(32)은 위로 이동하여, 외과의의 엄지와 검지가 오므라지도록 할 수 있다. 반대로 단일의 기어(20a)로 구성된 파지력 전달부(20)가 시계 방향으로 회전하는 경우에는 제1 스틱(31)은 위로, 제2 스틱(32)은 아래로 이동하여, 외과의의 엄지와 검지가 벌어지도록 할 수 있다.
또는, 제1 및 제2 기어(20b, 20c)로 구성된 파지력 전달부(20)의 경우에, 제1 기어(20b)가 반시계 방향으로 회전하고, 제2 기어(20c)가 시계 방향으로 회전하여, 제1 스틱(31)은 위로, 제2 스틱(32)은 아래로 이동하여, 외과의의 엄지와 검지가 벌려지도록 할 수 있다. 반대로, 제1 기어(20b)가 시계 방향으로 회전하고, 제2 기어(20c)가 반시계 방향으로 회전하여, 제1 스틱(31)은 아래로, 제2 스틱(32)은 위로로 이동하여, 외과의의 엄지와 검지가 오므라지도록 할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 마스터 디바이스(100)는 상기 제1 및 제2 신호에 의해, 슬라이딩부와 파지력 전달부(20) 중 적어도 하나를 구동하는 구동부를 더 포함할 수 있다.
이러한 구동부는 슬라이딩부를 구동하는 제1 구동부, 파지력 전달부(20)를 구동하는 제2 구동부(50)를 포함할 수 있다.
제1 구동부는 제어부로부터 제1 신호를 전달받고, 제1 신호에 따라,슬라이딩부를 구동할 수 있다.
본 발명의 제1 구동부는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 슬라이더(11)와 연결되어, 상기 제1 슬라이더(11)를 전후로 이동시키는 제1 모터(40a) 및 제2 슬라이더(12)와 연결되어, 제2 슬라이더(12)를 전후로 이동시키는 제2 모터(40b)를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 모터(40a)와 제2 모터(40b)는 리니어 모터이고, 각각 상기 제1,2 슬라이더(11, 12)와 제1, 2브레이크 케이블에 의해 연결될 수 있다. 이 경우,제1, 2 모터(40a,40b)가 구동되는 경우에, 제1, 2 브레이크 케이블은 각각 제1,2 슬라이더(11, 12)를 선형적으로 밀고 당길 수 있다.
다른 실시예로, 상기 마스터 디바이스(100)는 상기 제1,2 슬라이더(11, 12)를 전후진시키도록, 상기 제1,2 슬라이더(11, 12) 하부에 배치된 제1, 2 스핀들(미도시)을 더 포함하고, 제1,2 모터(40a, 40b)는 스핀들 모터를 이용할 수 있다. 이 경우, 제1,2 스핀들과 제1, 2 스핀들 모터는 각각 제1,2 토크와이어에 의해 연결될 수 있다. 즉, 제1,2 토크와이어의 회전축은 제1, 2 스핀들 및 제1,2 스핀들 모터와 연결될 수 있다. 이 경우, 제1,2 스핀들 모터가 구동되는 경우에 제1,2 토크 와이어 회전축이 회전하며, 제1, 2 스핀들을 회전시켜, 제1,2 슬라이더를 전후로 움직이도록 할 수 있다.
또는, 상기 제1 구동부는, 제1 슬라이더(11) 및 제2 슬라이더(12)와 연결되어, 제1 슬라이더(11)와 제2 슬라이더(12)를 전후로 이동시키는 제3 모터(미도시)를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 제3 모터는 리니어 모터이고, 제1 슬라이더(11)와 제2 슬라이더(12)는 하나의 제3 브레이크 케이블에 연결되고, 상기 제3 브레이크 케이블은 리니어 모터가 구동하는 경우에, 제1 슬라이더(11)와 제2 슬라이더(12)를 동시에 밀거나 잡아당길 수 있다.
다른 실시예로, 상기 마스터 디바이스(100)는 상기 제1,2 슬라이더를 전후진시키는 제3, 4 스핀들(미도시)을 더 포함하고, 제3 모터는 스핀들 모터를 이용할 수 있다. 이 경우, 상기 제3,4 스핀들(미도시)은 제3 모터가 구동되는 경우에, 제3,4 토크 와이어에 의해 회전되며, 제1,2 슬라이더를 전후진시킬 수 있다.
또는, 상기 제1 구동부는 슬라이딩부 및 파지력 전달부(20)와 연결되어, 적어도 하나의 슬라이더(11, 12)를 이동시키거나, 파지력 전달부(20)를 구동시킬 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 마스터 디바이스(100)는 복수의 마커(60)를 포함할 수 있다. 본 발명은 왼손용 마스터 디바이스(101)와 오른손용 마스터 디바이스(102)에 포함된 마커들(60) 사이의 거리를 서로 다르게 함으로써, 외과의의 왼손과 오른손을 구별할 수 있는 장점이 있다. 여기서의 마커들(60)은 옵티컬 마커로 스스로 발광하는 능동형 마커이거나, 적외선에 반사되어 후술할 촬영부(300)(바람직하게는 3D 모션 카메라)에서 인식되도록 하는 수동형 마커일 수 있다. 이러한 마커들(60)을 통해 외과의의 손의 위치와 가해지는 힘을 계산하여 슬레이브 로봇(220)으로, 상기 슬레이브 로봇(220)을 제어하는 제어신호를 전달할 수 있다.
바람직하게, 이러한 마커들(60)은 제1 스틱(31)과 제2 스틱(32)에 배치될 수 있다. 또한, 왼손용 제1 스틱(31a) 및 제2 스틱(32a)에 배치되는 마커 간의 간격은 오른손용 제1 스틱(31b) 및 제2 스틱(32b)에 배치되는 마커 간의 간격과 다르도록 하여, 외과의의 왼손과 오른손의 배치가 달라지더라도, 왼손과 오른손용 마스터 디바이스(101, 102)를 쉽게 구별해낼 수 있는 장점이 있다.
예컨대, 도 4를 참조하면, 왼쪽이 왼손용 마스터 디바이스(101)의 제 1스틱(31a)에는 총 3개(제1 내지 제3 마커)의 마커가 배치되고, 제1 마커(60a)와 제2 마커(60b) 간의 거리는 68mm이고, 제2 마커(60b)와 제3 마커(60c) 간의 거리는 25mm일 수 있다. 또한 왼손용 마스터 디바이스(100)의 제2 스틱(32a)에는 총 2개의 마커(제4 마커 내지 제5 마커)가 배치되고, 제3 마커(60c)와 제4 마커(60d) 간의 거리는 38mm, 제4 마커(60d)와 제5 마커(60e) 간의 거리는 41mm일 수 있다. 이때, 오른손용 마스터 디바이스(100)의 제1 스틱(31)에 총 3개의 마커(제6 마커 내지 제8 마커)가 배치되고, 제2 스틱(32)에는 총 2개의 마커(제9 마커 내지 제10 마커)가 배치되도록 할 수 있다. 이 경우, 오른손용 제1 스틱(31b)에 배치된 제6 마커(60f)와 제7 마커(60g) 간의 거리는 45mm이고, 제7 마커(60g)와 제8 마커(60h) 간의 거리는 29mm이며, 제2 스틱(32b)의 제9 마커(60i)와 제1 스틱(31b)의 제8 마커(60h) 간의 거리는 50mm이고, 제9 마커(60i)와 10 마커(60j) 간의 거리는 55mm일 수 있다.
이와 같은 마커들(60)의 배치를 통해 왼손과 오른손용 마스터 디바이스(101, 102)의 움직임을 구별하고, 이 움직임을 슬레이브 로봇(220)으로 전달하여, 와과의의 왼손 및 오른손용 마스터 디바이스(101, 102)의 움직임과 동일하게 슬레이브 로봇(220)을 구동시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 촬영부(300)는 왼손과 오른손에 장착된 마스터 디바이스(101, 102)의 마커들(60)을 촬영하고, 촬영된 마커 영상 데이터를 제어부(70)로 전달할 수 있다. 이러한 촬영부(300)는 적어도 하나의 3D 카메라로 구성되며, 마스터 디바이스(101, 102) 주위에 배열될 수 있다.
제어부(70)는 촬영부(300)로부터 전달받은 상기 마커 영상 데이터에 소정의 수학적 알고리즘을 적용하여 마커(60)의 위치를 추적한 제3 신호를 생성하고, 이를 슬레이브 로봇(220)으로 전달할 수 있다. 슬레이브 로봇(220)은 상기 제3 신호를 입력받고, 이 제3 신호에 따라 왼손 및 오른손용 마스터 디바이스(101, 102)의 움직임과 동일하게 동작하거나 유사하게 수술도구(210)를 구동함으로써, 외과의가 실제 수술하는 것과 동일한 효과가 발생된다.
여기서 제3 신호는 촬영된 마커 영상 데이터를 기반으로, 생성된 상기 외과의의 제1 손가락과 제2 손가락(예컨대,엄지와 검지)이 벌려지고 오므라드는 정도에 관한 파지 데이터를 포함할 수 있다. 파지 데이터를 통해 슬레이브 로봇(220)은 외과의의 동작과 동일하거나 유사하게 수술도구(210)를 벌리거나 오므라들게 함으로써 수술동작을 수행하게 된다.
또한, 상기 제3 신호는 외과의가 수술도구(210)를 파지하도록 하는 동작을 수행하는 경우에, 상기 제1 손가락과 제2 손가락이 움직인 방향, 거리를 분석한 푸쉬-풀 데이터를 포함할 수 있다. 푸쉬-풀 데이터를 통해 슬레이브 로봇(220)은 외과의의 동작과 동일하거나 유사하게 수술도구(210)를 파지하고, 수술도구(210)를 특정 방향(예컨대, 위쪽)으로으로 특정 거리만큼 움직이도록 동작함으로써 수술동작을 수행하게 된다.
이상 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 수술도구가 받는 힘에 대응하는 신호에 따른 햅틱 피드백을 전달받는 무구속 힘반향 수술용 마스터 디바이스에 있어서,
    상기 마스터 디바이스는
    상기 수술도구로부터 상기 수술도구가 받는 푸쉬-풀(push-pull) 힘을 전달받아, 제1 신호를 생성하고, 상기 수술도구가 받는 파지력(grasp force)을 전달받아 제2 신호를 생성하는 제어부;
    상기 제1 신호에 기반하여 슬라이딩되어, 외과의(surgeon)에게 푸쉬-풀(push-pull) 힘을 전달하는 슬라이딩부;
    상기 제2 신호에 기반하여, 상기 외과의에게 파지력을 전달하는 파지력 전달부를 포함하는, 무구속 힘반향 수술용 마스터 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬라이딩부는 상기 외과의의 손가락에 접촉되도록 배치되고, 상기 제1 신호에 의해 상기 외과의의 손가락에 접촉되어 슬라이딩되는 적어도 하나의 슬라이더를 포함하는 것을 특징으로 하는. 무구속 힘반향 수술용 마스터 디바이스
  3. 제2항에 있어서, 상기 슬라이딩부는 상기 외과의의 제1 손가락에 배치되는 제1 슬라이더와 제2 손가락에 배치되는 제2 슬라이더를 포함하고,
    상기 제1 슬라이더와 상기 파지력 전달부를 연결하는 제1스틱 및 상기 제2 슬라이더와 상기 파지력 전달부를 연결하는 제2스틱을 더 포함하되,
    상기 제1스틱과 상기 제2스틱은 상기 파지력 전달부의 움직임에 연동하여 상기 외과의에게 상기 수술도구의 파지력(grasp force)을 전달하는 무구속 힘반향 수술용 마스터 디바이스
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 디바이스는 복수개의 마커를 더 포함하되,
    상기 외과의의 왼손에 배치되는 마커간의 거리와 상기 외과의의 오른손에 배치되는 마커간의 거리가 상이한 무구속 힘반향 수술용 마스터 디바이스
  5. 제3항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1스틱 및 상기 제2스틱은 복수개의 마커를 포함하되, 상기 외과의의 왼손에 배치되는 마커간의 거리와 상기 외과의의 오른손에 배치되는 마커간의 거리가 상이한 무구속 힘반향 수술용 마스터 디바이스
  6. 환자에게 수술동작을 수행하는 수술도구와 상기 수술도구를 이용하여 수술 동작을 수행하는 슬레이브 로봇을 포함하고, 상기 수술도구가 받는 힘에 대응하는 신호를 생성하는 슬레이브 시스템; 및
    상기 슬레이브 로봇의 수술동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 상기 슬레이브 로봇에 전달하는 마스터 디바이스를 포함하고,
    상기 마스터 디바이스는
    상기 수술도구로부터 상기 수술도구가 받는 푸쉬-풀(push-pull) 힘을 전달받아, 제1 신호를 생성하고, 상기 수술도구가 받는 파지력(grasp force)을 전달받아 제2 신호를 생성하는 제어부;
    외과의 (surgeon) 의 손가락에 접촉되도록 배치되고, 상기 제1 신호에 따라 슬라이딩되어, 상기 외과의에게 푸쉬-풀(push-pull) 힘을 전달하는 슬라이딩부;
    상기 외과의의 손가락 사이에 배치되고, 상기 제2 신호에 따라 상기 외과의에게 파지력을 전달하는 파지력 전달부를 포함하는, 수술 로봇 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 슬라이딩부는 상기 외과의의 손가락에 접촉되어 슬라이딩되는 적어도 하나의 슬라이더를 포함하는, 수술 로봇 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 슬라이딩부는 상기 외과의의 제1 손가락에 배치되는 제1 슬라이더와 제2 손가락에 배치되는 제2 슬라이더를 포함하고,
    상기 마스터 디바이스는 상기 제1 슬라이더와 상기 파지력 전달부를 연결하는 제1스틱 및 상기 제2 슬라이더와 상기 파지력 전달부를 연결하는 제2스틱을 더 포함하되,
    상기 제 1스틱과 상기 제 2스틱은 상기 파지력 전달부의 움직임에 연동하여 상하로 이동함으로써 상기 외과의에게 상기 수술도구의 파지력(grasp force)을 전달하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 마스터 디바이스는 외과의의 양손에 배치되고, 복수개의 마커를 더 포함하되,
    상기 마커는 상기 외과의의 왼손에 배치되는 마커간의 거리와 상기 외과의의 오른손에 배치되는 마커간의 거리가 상이한 수술 로봇 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수술 로봇 시스템은 상기 마커를 촬영하고, 촬영된 영상을 상기 제어부로 전달하는 촬영부를 더 포함하는 수술 로봇 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 촬영부로부터 전달된 영상을 기반으로 제3 신호를 생성하여, 상기 슬레이브 로봇으로 전달하고,
    상기 슬레이브 로봇의 동작은 상기 제3 신호에 의해 제어되는 수술 로봇 시스템.
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