KR101700514B1 - 최소침습수술용 로봇 시스템 - Google Patents

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최혁렬
김의겸
이동혁
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성균관대학교산학협력단
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B2034/301—Surgical robots for introducing or steering flexible instruments inserted into the body, e.g. catheters or endoscopes

Abstract

본 발명은 최소침습수술용 로봇 시스템에 관한 것으로서, 절개부를 통해 인체 내부로 삽입되는 삽입부의 관통점이 이중 평행 사변형 구조의 링크부에 의해 기구적으로 고정되도록 함으로써 로봇을 이용한 수술시에 환자의 절개부분의 손상을 최소화할 수 있는 것은 물론, 제어가 간편하고, 로봇부의 크기 및 중량을 대폭적으로 감소함으로써 로봇부의 휴대가 용이해져 로봇 수술의 활용도를 극대화시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

최소침습수술용 로봇 시스템{ROBOT SYSTEM FOR MINIMALLY INVASIVE SURGERY}
본 발명은 최소침습수술용 로봇 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 절개부를 통해 인체 내부로 삽입되는 삽입부의 관통점이 이중 평행 사변형 구조의 링크부에 의해 기구적으로 고정되도록 함으로써 로봇을 이용한 수술시에 환자의 절개부분의 손상을 최소화할 수 있는 최소침습수술용 로봇 시스템에 관한 것이다.
로봇 수술은 원격 수술이라는 새로운 수술의 개념을 가져왔다. 원격 수술에 의하면, 의사와 환자가 같은 장소에 있을 필요가 없다. 이러한 원격 수술은 종래와 같이, 환자가 수술실로 이동하는 것이 아니라 수술실이 환자에게 찾아가는 방식이다. 상술한 원격 수술은 전쟁터에서 부상당한 군인을 수술하는 경우 등의 극한 상황에서 이용될 수 있다.
상술한 원격 수술 시스템은 슬레이브 로봇과 이를 제어하는 컨트롤러로 구성될 수 있다. 슬레이브 로봇은 원격중심운동(RCM : Remote Center of Motion)의 가변성에 따라, RCM 가변형과 RCM 고정형으로 분류될 수 있다.
RCM 가변형 슬레이브 로봇은 수술 시 RCM을 변경할 수 있는 기능을 제공한다. 일반적으로, RCM 가변형 슬레이브 로봇은 6 자유도(DOF : Degrees Of Freedom)이상의 자유도를 구비하여 RCM을 변경할 수 있는 바, 수술의 정확성이 담보되는 장점이 있다. 그러나, 상술한 RCM 가변형 슬레이브 로봇은 6 자유도를 구현해야 하므로 많은 구성요소를 포함하게 되어 무게가 무겁고 부피가 커지는 단점이 있다.
한편, RCM 고정형 슬레이브 로봇은 수술 시 RCM을 변경할 수 없는 타입으로, RCM 가변형 슬레이브 로봇에 비해 액티브(Active) 조인트의 개수가 적은 슬레이브 로봇을 의미한다. 이러한 RCM 고정형 슬레이브 로봇은 일반적으로 3 자유도를 구비하므로, RCM 가변형 슬레이브 로봇에 비해 무게가 가볍고, 부피가 적어 휴대가 간편하다는 장점이 있다.
따라서, 전쟁터 등 극한의 상황에서 수술이 실시되어야 하는 경우에는, RCM 고정형 슬레이브 로봇을 이용하는 것이 보다 효과적이라 할 수 있다.
한편, 최소침습수술은 수술시 절개를 최소화해 수술 상처를 최소한으로 줄이는 수술을 의미하는데, 상술한 로봇을 이용한 수술의 경우, 의료진이 환자에게 직접적으로 시술하는 것이 아니므로, 수술 도중의 수술 상처나 출혈로 인한 환자의 사망 등을 방지하기 위해서는 최소침습수술이 필수적이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 최소침습수술은 환자의 피부 표면상에 일정부분을 절개 한 후, 절개부위로 캐뉼러(1)를 삽입하여 인체 내부에서 수술을 진행하게 된다. 이때, 절개부위의 상처가 최소가 되기 위해서는, 캐뉼러(1)가 피부를 관통하는 지점, 즉, 관통점을 기준으로 캐뉼러(1)가 회동해야 한다.
따라서, 상술한 RCM 고정형 슬레이브 로봇을 이용하여 최소침습수술을 진행하는 경우에는, 관통점과 RCM을 일치시킨 후 수술을 진행해야하는데, 종래의 RCM 고정형 슬레이브 로봇의 경우, 다수의 구동부를 정밀제어하여 RCM의 위치를 유지하는 것이므로 제어가 복잡하고, 로봇이 동작하는 과정에서 RCM이 의도하지 않게 변동되어, 절개부위에 손상을 주는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 절개부를 통해 인체 내부로 삽입되는 삽입부의 관통점이 이중 평행 사변형 구조의 링크부에 의해 기구적으로 고정되도록 함으로써 로봇을 이용한 수술시에 환자의 절개부분의 손상을 최소화할 수 있는 것은 물론, 제어가 간편하고, 로봇부의 크기 및 중량을 최소화하여 휴대성을 향상시킬 수 있는 최소침습수술용 로봇 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 인체를 관통하여 상기 인체의 내부로 삽입되는 삽입부;와, 상기 삽입부가 상기 인체의 내부로 삽입된 상태에서 상기 삽입부를 이동시키되, 상기 삽입부에 의해 상기 인체가 관통되는 위치인 관통점이 변동되는 것이 방지되도록, 상기 관통점을 기준으로 상기 삽입부를 회동시키는 로봇부; 및 상기 로봇부를 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 로봇부는 베이스부와, 상기 베이스부와 삽입부를 연결하며, 상기 삽입부가 상기 관통점을 포함하는 가상의 평면인 제1평면에서 회동할 수 있도록 링크운동하는 이중 평행 사변형 구조(Double Parallelogram Mechanism)의 링크부와, 상기 베이스부와 링크부를 연결하여 링크운동시키는 제1구동부를 포함하는 최소침습수술용 로봇 시스템에 의해 달성된다.
여기서, 상기 링크부는, 상기 베이스부에 설치되는 제1링크와, 서로 나란하게 배치되어 상기 제1링크의 양단부에 각각 연결되는 제2, 제3링크와, 상기 제1링크와 나란하게 배치되어 제2링크와 제3링크에 연결되는 제4링크와, 상기 제4링크와 나란하게 배치되어 제2링크의 말단부에 연결되는 제5링크와, 상기 제2링크와 나란하게 배치되어 상기 제4링크와 제5링크의 말단부에 연결되고 상기 삽입부가 설치되는 제6링크를 포함하며, 상기 제1링크의 축선과 제6링크의 축선은 관통점에서 교차하도록 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 링크부는 상기 삽입부가 상기 제1평면에 수직하는 가상의 평면인 제2평면에서 회동할 수 있도록 베이스부에 회동가능하게 연결되고, 상기 제1구동부는 한 쌍으로 마련되어 상기 링크부의 양측에 각각 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 삽입부는 상기 관통점을 경유하도록 제6링크에 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1구동부는, 길이방향을 따라 이완되거나 수축되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1구동부는, 볼스크류 방식으로 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1구동부는, 회전력을 제공하는 제1모터; 상기 제1모터에 연결되어 회전하는 제1스크류; 및 상기 제1스크류에 장착되며 상기 제1스크류가 회전하는 경우 상기 제1스크류의 길이방향을 따라 이동하는 제1로드를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 삽입부를 구동하는 제2구동부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2구동부는, 상기 삽입부가 결합되는 케이스; 상기 케이스에 설치되며 상기 삽입부를 구동시키는 제2모터; 상기 삽입부에 인가되는 힘을 감지하는 센서; 상기 센서에 연결되어 상기 센서로부터 전달되는 정보를 기초로 상기 제2모터를 제어하는 컨트롤러; 및 상기 링크부에 결합되며 상기 케이스에 연결되어 상기 케이스를 직선운동시키는 운동모듈을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 운동모듈은, 볼스크류 방식으로 마련되어 상기 케이스를 직선운동시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 운동모듈은, 회전력을 제공하는 제3모터; 상기 제3모터에 연결되어 회전하는 제2스크류; 및 상기 케이스에 결합되고, 상기 제2스크류에 장착되며, 상기 제2스크류가 회전하는 경우 상기 제2스크류의 길이방향을 따라 이동하는 제2로드를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는, 상기 로봇부를 제어하도록 사용자에게 제공되는 조이스틱부; 및 상기 로봇부의 상태를 상기 사용자에게 제공하는 표시부;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 절개부를 통해 인체 내부로 삽입되는 삽입부의 관통점이 이중 평행 사변형 구조의 링크부에 의해 기구적으로 고정되도록 함으로써 로봇을 이용한 수술시에 환자의 절개부분의 손상을 최소화할 수 있는 것은 물론, 제어가 간편하고, 로봇부의 크기 및 중량을 대폭적으로 감소할 수 있다. 이에 의해서, 로봇부의 휴대가 용이해져 로봇 수술의 활용도가 극대화되는 효과가 있다.
또한, 길이 자체가 수축하거나 이완하는 링크 구동부에 의해서, 작업반경, 즉, 삽입부의 회동반경은 그대로 유지되면서, 링크 자체의 운동반경은 대폭적으로 축소될 수 있다. 따라서, 다수개의 로봇을 이용하여 수술을 시도하는 경우, 로봇간에 발생 될 수 있는 충돌, 즉, 간섭이 효과적으로 방지될 수 있다.
또한, 삽입부에 인가되는 힘을 감지하는 센서와 센서에 연결되어 제2모터를 제어하는 컨트롤러가 케이스의 내부에 설치됨으로써, 로봇부가 더욱 소형화될 수 있다.
도 1은 종래의 최소침습수술의 방법을 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템을 전체적으로 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 삽입부와 로봇부의 사시도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 제2구동부와 제1구동부를 나타낸 사시도이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 삽입부와 로봇부의 평면도이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 삽입부와 로봇부의 배면도이고,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 베이스부와 링크부의 측면도이고,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 링크부의 제1평면 동작을 도시한 것이고,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 링크부의 제1평면 링크운동을 나타낸 개념도이고,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 링크부의 제2평면 동작을 도시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템에 관해서 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템을 전체적으로 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 삽입부와 로봇부의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 삽입부를 구동하기 위한 제2구동부를 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 삽입부와 로봇부의 평면도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 삽입부와 로봇부의 배면도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 베이스부와 링크부의 측면도이다.
도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템(100)은 삽입부(110)와 로봇부(120)와 제어부(130)를 포함한다.
삽입부(110)는 인체를 관통하여 인체의 내부로 삽입되는 것으로서, 로봇부(120)에 설치된다. 이러한 삽입부(110)는 절개부를 통해 환자의 체내로 삽입되는 캐뉼러(cannular)(111)와, 캐뉼러(111)의 선단부에 배치되는 수술기구(instrument)(112)와, 캐뉼러(111)의 축방향 이동 및 수술기구(112)의 구동을 위한 제2구동부(113)를 포함할 수 있다. 수술기구(112)는 절개부를 통해 인체의 내부로 삽입된 상태에서 동작하여 수술을 실시한다.
상기 제2구동부(113)는 캐뉼러(111)의 축방향 이동 및 수술기구(112)의 구동을 위한 구동력을 제공하는 것으로서, 케이스(113a)와 제2모터(113b)와 센서(113c)와 컨트롤러(113d)와 운동모듈(113e)을 포함한다.
케이스(113a)는 상술한 캐뉼러(111)의 후단부에 결합되는 것으로서, 제2모터(113b)와 컨트롤러(113d)가 내부에 설치된다. 또한, 케이스(113a)는 운동모듈(113e)에 의해 캐뉼러(111)의 축방향을 따라 직선운동된다. 따라서, 케이스(113a)가 직선운동하면, 캐뉼러(111)가 직선운동되어 캐뉼러(111)의 단부에 위치한 수술기구(112)는 인체 내부로 더 삽입될 수 있다. 이때, 상기 캐뉼러(111)는 축방향으로 직선이동하는 것이므로, 캐뉼러(111)의 이동과정에서 관통점(R)이 캐뉼러(111)와 교차하는 방향으로 위치이동하는 것이 방지된다.
제2모터(113b)는 수술기구(112)를 구동시키는 것으로서, 케이스(113a)에 설치된다. 이러한 제2모터(113b)는 복수개로 마련되어 수술기구(112)가 다양하게 동작하도록 구동력을 제공한다.
센서(113c)는 상술한 수술기구(112)에 인가되는 힘을 감지하는 것으로서, 케이스(113a)에 설치된다. 이러한 센서(113c)는 수술기구(112)의 토크 등을 감지하여, 정보를 생성하며, 생성된 정보를 컨트롤러(113d)부로 전달한다.
컨트롤러(113d)는 센서(113c)에 연결되어 센서(113c)로부터 전달되는 정보를 기초로 제2모터(113b)를 제어하는 것으로서, 케이스(113a)에 설치된다.
운동모듈(113e)은 후술할 링크부(122)에 위치고정되어 케이스(113a)를 직선운동시키는 것으로서, 볼스크류 방식으로 마련될 수 있다. 이러한 운동모듈(113e)은 제3모터(113ea)와 제2스크류(113eb)와 제2로드(113ec)를 포함한다.
제3모터(113ea)는 회전력을 제공하는 것으로서, 후술하는 제2스크류(113eb)에 연결된다. 제2스크류(113eb)는 상술한 제3모터(113ea)에 연결되어 회전하는 것으로서, 후술하는 제2로드(113ec)가 장착된다. 제2로드(113ec)는 상술한 제2스크류(113eb)에 장착되어 제2스크류(113eb)가 회전하는 경우 제2스크류(113eb)의 길이방향을 따라 이동하는 것으로서, 케이스(113a)에 결합된다.
따라서, 상술한 제3모터(113ea)와 제2스크류(113eb)와 제2로드(113ec)를 포함하는 운동모듈(113e)에 의하면, 캐뉼러(111)를 용이하게 직선운동시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 케이스(113a)와 제2모터(113b)와 센서(113c)와 컨트롤러(113d)와 운동모듈(113e)을 포함하는 제2구동부(113)에 의하면, 캐뉼러(111)의 축방향 이동은 물론, 수술기구(112)의 회전 및 다양한 관절운동 등, 수술기구(112)가 다양하게 동작하도록 구동력을 제공할 수 있다. 한편, 케이스(113a)의 내부에는 제2모터(113b)와 센서(113c)와 컨트롤러(113d) 즉, 수술기구(112)를 제어하는 구성이 모두 설치된다. 이러한 제2구동부(113)의 집약적인 구조에 의해서, 삽입부(110)의 전체적인 크기가 축소될 수 있다.
로봇부(120)는 삽입부(110)의 일부가 인체의 내부로 삽입된 상태에서 삽입부(110)를 이동시키되, 삽입부(110)에 의해 인체가 관통되는 위치인 관통점(R)이 변동되는 것이 방지되도록, 관통점(R)을 기준으로 삽입부(110)를 회동시키는 것으로서, 이중 평행 사변형 구조(Double Parallelogram Mechanism)의 링크를 이용해 관통점(R)이 일정한 위치에 유지되도록 할 수 있다.
이러한 로봇부(120)는 일반적으로 슬레이브(Slave) 또는 슬레이브 로봇(Slave Robot)이라 명명된다. 한편, 관통점(R)이란, 삽입부(110)에 의해 인체가 관통되는 위치를 의미하는 것으로, 이러한 관통점(R)은 삽입부(110)를 인체 내에 삽입하기 위해서, 절개되는 피부 표면상의 특정 위치이다. 상술한 바와 같이, 삽입부(110)는 인체 내에 삽입되어 인체 내부에서 여러 동작을 수행하여 수술을 실시하는데, 이때, 삽입부(110)가 관통점(R)에서 벗어나게 되면, 인체에 위해를 가하게 된다.
상술한 바와 같이 로봇부(120)는 이중 평행 사변형 구조(Double Parallelogram Mechanism)로 마련될 수 있는데, 이중 평행 사변형 구조에 의하면, 로봇부(120)는 원격중심운동(RCM : Remote Center of Motion)을 기준으로 삽입부(110)를 회동시킬 수 있다. 따라서, 관통점(R)을 RCM에 일치시켜 수술을 실시하면, 삽입부(110)의 회동 중심점이 관통점(R)을 벗어나지 않게 된다. 이러한 로봇부(120)는 베이스부(121)와 이중 평행 사변형 구조를 위한 링크부(122)와 제1구동부(123)를 포함한다.
베이스부(121)는 로봇부(120)의 하측면을 구성하는 것으로서, 상면에는 후술하는 제1링크(122a)가 축 회전 가능한 상태로 설치되며, 한 쌍의 제1구동부(123)의 단부가 각각 회동가능하게 연결된다.
링크부(122)는 베이스부(121)와 삽입부(110)를 연결하는 것으로서, 삽입부(110)가 관통점(R)을 포함하는 가상의 평면인 제1평면에서 회동할 수 있도록 링크운동 한다. 이러한 링크부(122)는 이중 평행 사변형 구조(Double Parallelogram Mechanism)를 이루는 제1링크(122a)와 제2링크(122b)와 제3링크(122c)와 제4링크(122d)와 제5링크(122e) 및 제6링크(122f)를 포함한다.
제1링크(122a)는 베이스부(121)에 축 회전가능한 상태로 설치되는 것으로서, 일단부에 제2링크(122b)가 회동가능하게 연결되며, 타단부에는 제3링크(122c)가 회동가능하게 연결된다.
제2링크(122b)는 하면에 제1구동부(123)가 연결되는 것으로서, 일단부가 상기 제1링크(122a)의 일단부에 회동가능하게 연결되며, 중앙부분은 제4링크(122d)와 회동가능하게 연결된다.
제3링크(122c)는 상기 제2링크(122b)와 나란하게 배치되고 일단부가 상기 제1링크(122a)의 타단부에 회동가능하게 연결되는 것으로서, 타단부는 제4링크(122d)의 일단부에 회동가능하게 연결된다.
제4링크(122d)는 상기 제1링크(122a)와 나란하게 배치되고 중앙부분이 제2링크(122b)의 중앙부분과 X자 형태로 교차하면서 회전가능하게 연결되고 일단부가 제3링크(122c)의 타단부에 회전가능하게 연결된다.
제5링크(122e)는 상기 제4링크(122d)와 나란하게 배치되고 일단부가 상기 제2링크의 단부에 회전가능하게 연결되고 타단부는 후술하는 제6링크(122f)의 타단부에 회전가능하게 연결된다.
제6링크(122f)는 상기 제2링크(122b)와 나란하게 배치되고 양단부가 제4링크(122d)와 제5링크(122e)의 타단부에 각각 회전가능하게 연결되며, 여기에 상기 삽입부(110)가 설치된다.
특히, 상기 링크부(122)는 이중 평행 사변형 구조로 이루어져 있으므로, 제1링크(122a)의 축선과 제6링크(122f)의 축선의 교차점은 링크부(122)의 링크운동과정에서 일정한 위치에 고정된다. 따라서 상기 삽입부(110)의 캐뉼러(111) 축선이 상기 교차점에서 교차하도록 배치하면, 해당 교차점이 고정형 RCM으로 설정되므로, 링크부(122)가 링크운동하는 과정에서 RCM의 위치가 임의로 변경되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 상술한 제1링크(122a)와 제2링크(122b)와 제3링크(122c)와 제4링크(122d)와 제5링크(122e)와 제6링크(122f)를 포함하는 이중 평행 사변형 구조의 링크부(122)에 의하면, 삽입부(110)가 RCM을 기준으로 회동하게 되어 관통점(R)을 벗어나지 않고 회동될 수 있다.
제1구동부(123)는 삽입부(110)가 관통점(R)을 포함하는 가상의 평면인 제1평면과 상기 제1평면에 수직하는 가상의 평면인 제2평면에서 회동할 수 있도록 상기 링크부(122)를 링크운동시키는 것으로서, 한 쌍으로 마련되어 제2링크(122b)의 양측에 각각 사선방향으로 배치되며, 일단부는 제2링크(122b)에 각각 2축 회동가능하게 연결되고 타단부는 베이스(111)의 상면에 각각 2축 회동가능하게 연결된다.
한 쌍의 제1구동부(123)가 동시에 같은 변위로 이완되거나 수축하는 경우, 제2링크(122b)가 제1링크(122a)의 일단부를 중심으로 회동되는데, 이러한 제2링크(122b)의 회동에 의해서, 상기 제1링크(122a), 제2링크(122b)와 함께 이중 평행 사변형 구조를 이루는 제3링크 내지 제6링크(122c~122f)가 동시에 링크운동한다. 이에 의해서, 삽입부(110)가 제1평면에서 회동된다. 이때, 삽입부(110)는 링크부(122)의 구조에 의해 RCM을 기준으로 회동하게 되므로, 삽입부(110)가 관통점(R)을 벗어나지 않은 채로 제1평면상에서 회동할 수 있다.
한편, 한 쌍의 제1구동부(123)가 각각 다른 변위로 이완되거나 수축하는 경우, 베이스부(121)에 장착되는 제1링크(122a)가 축 회전하게 된다. 이러한 회전에 의해서, 링크부(122)가 제1평면에 수직하는 가상의 평면인 제2평면상에서 회동된다. 따라서, 제2링크(122b)에 연결되어 있는 삽입부(110)도 제2평면상에서 회동된다. 이때, 삽입부(110)의 캐뉼러(111) 축선은 관통점(R)을 경유하도록 배치되어 있으므로, 캐뉼러(111)가 회동 중심점이 관통점(R)을 벗어나지 않은 채로 제2평면상에서 회동할 수 있다.
이러한 제1구동부(123)는 볼스크류 방식으로 마련되어 이완되거나 수축하면서 제2링크(122b)에 구동력을 제공하여 링크부(122)를 링크운동시키거나 회전시킨다. 이러한 제1구동부(123)는 제1모터(123a)와 제1스크류(123b)와 제1로드(123c)를 포함한다.
제1모터(123a)는 회전력을 제공하는 것으로서, 후술하는 제1스크류(123b)에 연결된다. 제1스크류(123b)는 제1모터(123a)에 연결되어 회전하는 것으로서, 후술하는 제1로드(123c)가 장착된다. 제1로드(123c)는 상술한 제1스크류(123b)가 회전하는 경우 제1스크류(123b)의 길이방향을 따라 이동하는 것으로서, 제1스크류(123b)에 장착된다. 이러한 제1로드(123c)는 제1구동부(123)의 전체 길이를 늘리거나 줄일 수 있는데, 이에 의해서, 제1구동부(123)가 제2링크(122b)로 구동력을 제공하여 링크부(122)가 링크운동하거나 회전할 수 있다.
이러한 제1모터(123a)와 제1스크류(123b)와 제1로드(123c)를 포함하는 제1구동부(123)는 길이 자체가 수축하거나 이완하기 때문에, 길이가 변하지 않는 일반적인 구동링크와 비교하였을 때, 작업반경, 즉, 삽입부(110)의 회동반경은 그대로 유지되면서, 링크 자체의 운동반경은 대폭적으로 축소될 수 있다. 따라서, 이러한 제1구동부(123)에 의하면, 다수개의 로봇을 이용하여 수술을 시도하는 경우, 로봇 간에 발생할 수 있는 충돌, 즉, 간섭을 효과적으로 방지할 수 있다.
따라서, 베이스부(121)와 링크부(122)와 제1구동부(123)를 포함하는 로봇부(120)에 의하면, 삽입부(110)가 RCM을 기준으로 회동될 수 있다. 이에 의해, 삽입부(110)가 관통점(R)에서 벗어나지 않고 회동할 수 있어, 로봇을 이용한 수술시에 환자의 절개부분의 손상을 최소화할 수 있다.
또한, 로봇부(120)는 상술한 바와 같이, 이중 평행 사변형 구조(Double Parallelogram Mechanism)의 링크부(122)에 의해 관통점(R)이 일정하게 유지된 상태로 동작할 수 있으므로 제어가 간편하고, 로봇부(120)의 크기 및 중량이 대폭적으로 감소될 수 있다. 이에 의해서, 로봇부(120)의 휴대가 용이해져 로봇 수술의 활용도가 극대화되는 효과가 있다.
제어부(130)는 로봇부(120)를 제어하는 것으로서, 조이스틱부(131)와 표시부(132)를 포함한다.
조이스틱부(131)는 상술한 삽입부(110)의 제2모터(113b)와 제3모터(113ea)와 로봇부(120)의 제1모터(123a)를 제어하는 것으로서, 사용자, 즉, 수술을 실시하는 시술자에게 제어된다. 이에 의해서, 로봇부(120)의 각 구성들이 구동될 수 있다.
표시부(132)는 상술한 삽입부(110)와 로봇부(120)의 상태를 사용자에게 제공하는 하는 것으로서, 제1모터(123a)와 제2모터(113b)와 제3모터(113ea)에 전기적으로 연결되어 회전속도, 회전량 등의 정보를 표시한다.
이와 같은, 삽입부(110)와 로봇부(120)와 제어부(130)를 포함하는 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템(100)에 의하면, 로봇을 이용한 수술시에 삽입부(110)가 관통점(R)을 벗어나는 것이 방지되어, 환자의 절개부분의 손상이 최소화될 수 있다.
지금부터는 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 동작에 대해 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 베이스부와 링크부의 측면도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 링크부의 제1평면 동작을 도시한 것이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 링크부의 제1평면 링크운동을 나타낸 개념도이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템의 링크부의 제2평면 동작을 도시한 것이다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 사용자가 조이스틱부(131)를 조작함으로써, 한 쌍의 제1구동부(123)가 동시에 같은 변위로 이완하거나 수축하는 경우, 제2링크(122b)가 제1링크(122a)의 일단부를 중심으로 회동하는데, 이러한 제2링크(122b)의 회동에 의해서, 이중 평행 사변형 구조를 이루는 링크부(122)의 제1 내지 제6링크(122a~122f)가 서로 연동하게 된다.
이에 의해서, 제6링크(122f)에 고정된 삽입부(110)가 제1평면에서 회동된다. 이때, 삽입부(110)는 링크부(122)의 구조에 의해 관통점(R)을 중심으로 회동하게 되므로, 삽입부(110)가 관통점(R)을 벗어나지 않은 채로 제1평면상에서 회동할 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 사용자가 조이스틱부(131)를 조작함으로써, 한 쌍의 제1구동부(123)가 각각 다른 변위로 이완하거나 수축하는 경우, 베이스부(121)에 장착되는 제1링크(122a)가 축 회전하게 된다.
이러한 회전에 의해서, 링크부(122)가 제1평면에 수직하는 가상의 평면인 제2평면상에서 회동된다. 따라서, 제6링크(122f)에 연결되어 있는 삽입부(110)도 제2평면상에서 회동된다. 이때, 삽입부(110)는 링크부(122)의 구조에 의해 관통점(R)을 중심으로 회동하게 되므로, 삽입부(110)가 관통점(R)을 벗어나지 않은 채로 제2평면상에서 회동할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇 시스템(100)의 동작에 의하면, 로봇을 이용한 수술시에 캐뉼러(111) 회동 중심점이 관통점(R)을 벗어나는 것이 방지되어, 환자의 절개부분의 손상을 최소화할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110:삽입부, 111:캐뉼러, 112:수술기구,
113:제2구동부, 113a:케이스, 113b:제2모터,
113c:센서, 113d:컨트롤러, 113e:운동모듈,
113ea:제3모터, 113eb:제2스크류, 113ec:제2로드,
120:로봇부, 121:베이스부, 122:링크부,
122a:제1링크, 122b:제2링크, 122c:제3링크,
122d:제4링크, 122e:제5링크, 122f:제6링크,
123:제1구동부, 123a:제1모터, 123b:제1스크류,
123c:제1로드, 130:제어부, 131:조이스틱부,
132:표시부, R:관통점

Claims (12)

  1. 인체를 관통하여 상기 인체의 내부로 삽입되는 삽입부;
    상기 삽입부가 상기 인체의 내부로 삽입된 상태에서 상기 삽입부를 이동시키되, 상기 삽입부에 의해 상기 인체가 관통되는 위치인 관통점이 변동되는 것이 방지되도록, 상기 관통점을 기준으로 상기 삽입부를 회동시키는 로봇부; 및
    상기 로봇부를 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 로봇부는 베이스부와, 상기 베이스부와 삽입부를 연결하며, 상기 삽입부가 상기 관통점을 포함하는 가상의 평면인 제1평면에서 회동할 수 있도록 링크운동하는 이중 평행 사변형 구조(Double Parallelogram Mechanism)의 링크부와, 상기 베이스부와 링크부를 연결하여 링크운동시키는 제1구동부를 포함하고,
    상기 링크부는, 상기 삽입부가 상기 제1평면에 수직하는 가상의 평면인 제2평면에서 회동할 수 있도록 상기 베이스부에 축회전가능하게 설치되는 제1링크와, 서로 나란하게 배치되어 상기 제1링크의 양단부에 각각 연결되는 제2, 제3링크와, 상기 제1링크와 나란하게 배치되어 제2링크와 제3링크에 연결되는 제4링크와, 상기 제4링크와 나란하게 배치되어 제2링크의 말단부에 연결되는 제5링크와, 상기 제2링크와 나란하게 배치되어 상기 제4링크와 제5링크의 말단부에 연결되고 상기 삽입부가 설치되는 제6링크를 포함하며, 상기 제1링크의 축선과 제6링크의 축선은 관통점에서 교차하도록 설정되고,
    상기 제1구동부는 한 쌍으로 마련되어 상기 제2링크의 양측에 각각 사선방향으로 배치되고, 일단부는 제2링크에 각각 2축 회동가능하게 연결되고 타단부는 베이스의 상면에 각각 2축 회동가능하게 연결되며, 길이방향을 따라 이완되거나 수축되는 것을 특징으로 하는 최소침습수술용 로봇 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 삽입부는 상기 관통점을 경유하도록 제6링크에 설치되는 최소침습수술용 로봇 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1구동부는, 볼스크류 방식으로 마련되는 것인 최소침습수술용 로봇 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1구동부는, 회전력을 제공하는 제1모터; 상기 제1모터에 연결되어 회전하는 제1스크류; 및 상기 제1스크류에 장착되며 상기 제1스크류가 회전하는 경우 상기 제1스크류의 길이방향을 따라 이동하는 제1로드를 포함하는 것인 최소침습수술용 로봇 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 삽입부를 구동하는 제2구동부;를 더 포함하는 최소침습수술용 로봇 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제2구동부는, 상기 삽입부가 결합되는 케이스; 상기 케이스에 설치되며 상기 삽입부를 구동시키는 제2모터; 상기 삽입부에 인가되는 힘을 감지하는 센서; 상기 센서에 연결되어 상기 센서로부터 전달되는 정보를 기초로 상기 제2모터를 제어하는 컨트롤러; 및 상기 링크부에 결합되며 상기 케이스에 연결되어 상기 케이스를 직선운동시키는 운동모듈을 포함하는 최소침습수술용 로봇 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 운동모듈은, 볼스크류 방식으로 마련되어 상기 케이스를 직선운동시키는 것인 최소침습수술용 로봇 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 운동모듈은, 회전력을 제공하는 제3모터; 상기 제3모터에 연결되어 회전하는 제2스크류; 및 상기 케이스에 결합되고, 상기 제2스크류에 장착되며, 상기 제2스크류가 회전하는 경우 상기 제2스크류의 길이방향을 따라 이동하는 제2로드를 포함하는 최소침습수술용 로봇 시스템.
  12. 제1항, 제4항 및 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 로봇부를 제어하도록 사용자에게 제공되는 조이스틱부; 및 상기 로봇부의 상태를 상기 사용자에게 제공하는 표시부;를 포함하는 최소침습수술용 로봇 시스템.
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