KR101700885B1 - 복수의 튜브 연속체를 사용한 수술용 로봇 시스템 - Google Patents

복수의 튜브 연속체를 사용한 수술용 로봇 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 직선으로 연장되는 비변형부와, 상기 비변형부의 전방에서 연장되고 복수의 곡선부가 형성되는 변형부를 구비하는 복수의 튜브 연속체로 구성된 수술용 로봇 시스템으로서, 상기 복수의 튜브 연속체의 변형부 각각은 나선 구조로 형성됨에 따라 상기 복수의 튜브 연속체의 폭이 최소화 되도록 제어 가능하고, 상기 복수의 튜브 연속체는 상기 비변형부들이 나란하게 배치됨과 함께 상기 변형부들이 동일한 방향으로 회전 연장되어 서로 꼬이도록 배치된 상태에서 진입 통로를 따라 인입되고, 상기 복수의 튜브 연속체가 상기 진입 통로 보다 상대적으로 넓은 용적을 가지는 작업 공간으로 이동되면, 상기 변형부들의 말단부의 위치가 제어되는 수술용 로봇 시스템에 관한 것이다.

Description

복수의 튜브 연속체를 사용한 수술용 로봇 시스템{Robot system for operation using a plurality of tube continuum}
본 발명은 복수의 튜브 연속체를 사용하는 수술용 로봇 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 튜브 연속체를 긴 관로 내로 삽입하여 소정 작업을 수행할 수 있는 수술용 로봇 시스템에 관한 것이다.
긴 중공의 튜브 연속체를 협소 공간에 삽입하여 소정 작업을 수행할 수 있는 튜브 삽입장치로는 대표적으로 최소침습수술을 위한 미세 수술용 기기 등이 있다.
최소침습수술이란 배를 열지 않고 절개 부위를 최소화해 시행하는 수술로, 절개 부위가 작아 흉터나 후유증이 거의 없고 회복이 빠른 장점이 있다.
이러한 최소침습수술을 위한 미세 수술용 기기들은 협소 공간 내에서 수술 등의 소정 작업을 수행하여야 하므로, 제작 및 그 제어에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.
종래의 미세 수술용 기기는 곡률을 가진 초탄성의 형상기억합금을 재료로 제조된다. 상기 기기는 지름과 곡률이 상기 튜브 연속체를 구성하는 서로 다른 튜브체를 서로 겹쳐 움직임으로써 소정 작업을 수행할 수 있다. 또한, 상기 기기는 튜브체끼리의 상호작용으로 인한 입력 각도에 따라 엔드 이펙터(end-effector)의 위치를 제어할 수 있다.
종래 기술에 따르면, 에너지 식을 사용해 겹쳐진 튜브체가 가질 수 있는 에너지를 최소화하는 결과 각도를 통해 엔드 이펙터의 최종 위치를 예측하게 된다.
구체적으로, 상기 각각의 튜브체는 서로 독립적으로 회전 또는 전후진 이동이 수행될 수 있다. 상기 각각의 튜브체를 적절히 회전 및/또는 평행 이동시킴으로써, 기기가 삽입되는 공간의 형상에 대응하여 상기 각각의 튜브체가 적절히 굴곡될 수 있고, 최종적으로 엔드 이펙터를 원하는 위치에 위치시킬 수 있다.
하지만, 종래에는 상기 복수의 튜브체가 서로 간섭되는 관계를 고려하여 상기 엔드 이펙터의 위치를 제어하여야 하므로 상기 엔드 이펙터의 위치 제어를 위한 계산식이 복잡해지는 문제가 있었다.
또한, 수술이 수행되는 긴 관로 내에 복수의 튜브 연속체가 삽입될 때, 상기 튜브 연속체 사이의 간섭 현상이 발생하게 되고, 결과적으로 상기 엔드 이펙터가 원하는 위치에 정확하게 위치하지 못하는 문제가 있었다.
또한, 상기 관로 내에 복수의 튜브 연속체가 삽입될 때, 상기 복수의 튜브체를 구성하는 튜브 연속체 각각의 말단부에 밀림 현상이 발생하였다. 따라서 복수의 튜브 연속체를 상기 관로 내에 삽입할 때, 이러한 밀림 현상을 고려하여 상기 관로의 입구 폭을 크게 형성해야만 하는 문제가 있었다.
미국 특허출원공개 2013/0018303호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복수의 튜브 연속체가 관로 내에 삽입될 때 복수의 튜브 연속체 사이에서 발생하는 밀림 현상을 방지하고, 상기 관로의 입구 직경의 크기를 최소화할 수 있는 수술용 로봇 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수술용 로봇 시스템은, 직선으로 연장되는 비변형부와, 상기 비변형부의 전방에서 연장되고 복수의 곡선부가 형성되는 변형부를 구비하는 복수의 튜브 연속체로 구성된 수술용 로봇 시스템으로서, 상기 복수의 튜브 연속체의 변형부 각각은 나선 구조로 형성됨에 따라 상기 복수의 튜브 연속체의 폭이 최소화 되도록 제어 가능하고, 상기 복수의 튜브 연속체는 상기 비변형부들이 나란하게 배치됨과 함께 상기 변형부들이 동일한 방향으로 회전 연장되어 서로 꼬이도록 배치된 상태에서 진입 통로를 따라 인입되고, 상기 복수의 튜브 연속체가 상기 진입 통로 보다 상대적으로 넓은 용적을 가지는 작업 공간으로 이동되면, 상기 변형부들의 말단부의 위치가 제어된다.
상기 복수의 튜브 연속체 각각은, 서로 독립적으로 전후진 또는 회전하여 상기 변형부들의 말단부의 위치가 제어된다.
상기 변형부는, 상기 비변형부의 전방에서 각각 연장되고, 소정의 곡률을 가지고 구부러지는 기본 곡선부 및 유연하게 구부러질 수 있는 유연부가 구비되고, 상기 기본 곡선부의 내부에 삽입되거나 또는 상기 기본 곡선부의 외부를 감싸도록 형성되는 연결 튜브체를 포함하고, 상기 비변형부와 상기 기본 곡선부로 구성되는 기본 튜브체는, 상기 연결 튜브체와 서로 독립적으로 전후진 또는 회전 가능하다.
상기 연결 튜브체는, 상기 기본 곡선부의 외부를 감싸도록 형성되어 상기 기본 곡선부와 중첩되도록 배치되고, 상기 기본 곡선부의 형상에 대응하여 구부러지는 외측 유연부를 구비하는 외측 연결 튜브체와, 상기 기본 곡선부의 내부에 삽입되도록 형성되어 상기 기본 곡선부와 중첩되도록 배치되고, 상기 기본 곡선부의 형상에 대응하여 구부러지는 내측 유연부를 구비하는 내측 연결 튜브체를 포함하고, 상기 내측 연결 튜브체와 상기 외측 연결 튜브체는 각각 독립적으로 전후진 또는 회전 가능하다.
상기 외측 연결 튜브체는 직선으로 연장되는 외측 직선부와, 상기 외측 직선부의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지고 구부러진 외측 곡선부를 포함하고, 상기 내측 연결 튜브체는 직선으로 연장되는 내측 직선부와, 상기 내측 직선부의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지고 구부러진 내측 곡선부를 포함하며, 상기 복수의 연속 튜브체가 상기 작업 공간으로 이동되면, 상기 기본 곡선부, 외측 곡선부 및 내측 곡선부 중 하나 이상이 회전한다.
상기 외측 연결 튜브체의 전방측 단부는 상기 기본 튜브체의 전방측 단부보다 더 전방에 배치되고, 상기 내측 연결 튜브체의 전방측 단부는 상기 기본 튜브체의 전방측 단부와 상기 외측 연결 튜브체의 전방측 단부보다 더 전방에 배치되며, 상기 튜브 연속체는 상기 내측 연결 튜브체의 내부에 삽입되고, 유연하게 구부러지는 재질로 구성되는 와이어를 더 포함한다.
상기 와이어의 전방측 단부에는 상기 작업 공간 내에서 소정의 작업을 수행할 수 있는 엔드 이펙터가 형성된다.
상기 복수의 튜브 연속체 사이에는 상기 진입 통로의 길이 방향을 따라 연장되는 간격이 형성되고, 상기 간격에는 상기 진입 통로의 길이 방향을 따라 직선으로 연장되는 카메라가 삽입된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브체 각각의 형상을 보여주는 도면이다.
도 2는 상기 튜브체가 결합된 튜브 연속체를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 상기 튜브 연속체를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유연부의 형상을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4의 B 부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 유연부의 형상을 보여주는 도면이다.
도 7은 간단한 선형 수학식으로 튜브체의 위치가 제어될 수 있음을 보여주는 개념도이다.
도 8은 상기 튜브체의 위치를 제어하기 위한 수식을 보여주는 도면이다.
도 9a는 상기 튜브체의 회전 이동을 설명하기 위한 도면이고, 도 9b는 상기 튜브체의 전후진 이동을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 진입 통로를 통해 삽입되는 제 1 튜브 연속체와 제 2 튜브 연속체의 꼬임 형상을 보여주는 도면이다.
도 11은 상기 제 1 튜브 연속체와 제 2 튜브 연속체 사이에 형성되는 간격에 카메라가 삽입되는 모습을 보여주는 도면이다.
도 12는 상기 제 1 튜브 연속체와 제 2 튜브 연속체의 꼬임이 풀린 형상을 보여주는 동작 설명도이다.
도 13은 상기 제 1 튜브 연속체와 제 2 튜브 연속체 각각에 와이어가 삽입되어 있는 모습을 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브체 각각의 형상을 보여주는 도면이고, 도 2는 상기 튜브체가 결합된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 튜브 연속체(5)는 직경이 서로 다른 복수의 튜브체(10, 20, 30)를 포함한다. 상기 복수의 튜브체는 최외측에 배치되고 다른 튜브체 보다 상대적으로 큰 직경을 가지는 외측 연결 튜브체(30)와, 상기 외측 연결 튜브체(30)의 내부에 삽입되고 다른 튜브체 보다 상대적으로 작은 직경을 가지는 내측 연결 튜브체(10)와, 상기 외측 연결 튜브체(30)와 내측 연결 튜브체(10)의 사이에 배치되는 기본 튜브체(20)를 포함한다.
즉, 상기 기본 튜브체(20)는 상기 외측 연결 튜브체(30)의 내부에 삽입되고 상기 내측 연결 튜브체(10)를 감싸도록 구성된다.
상기 기본 튜브체(20)는 직선으로 연장되는 기본 직선부(21)와, 상기 기본 직선부(21)의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지고 구부러지는 기본 곡선부(22)를 포함한다.
상기 외측 연결 튜브체(30)는 직선으로 연장되는 외측 직선부(31)와, 상기 외측 직선부(21)의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지고 구부러지는 외측 곡선부(32)를 포함한다.
이와 마찬가지로, 상기 내측 연결 튜브체(10)는 직선으로 연장되는 내측 직선부(11)와, 상기 내측 직선부(11)의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지고 구부러지는 내측 곡선부(12)를 포함한다.
상기 튜브체(10, 20, 30)는 서로 삽입되거나 또는 서로 감싸는 위치 관계를 가진다. 따라서, 상기 각각의 곡선부(12, 22, 32)의 단부에는 상기 곡선부(12, 22, 32)의 전방에서 직선으로 연장되는 연장부(13, 23, 33)가 연결될 수 있다.
구체적으로, 상기 기본 튜브체(20)는 상기 기본 곡선부(22)의 전방에서 직선으로 연장되는 기본 연장부(23)를 더 포함할 수 있다. 이와 마찬가지로, 상기 외측 연결 튜브체(30)는 상기 외측 곡선부(32)의 전방에서 직선으로 연장되는 외측 연장부(33)를 더 포함할 수 있고, 상기 내측 연결 튜브체(10)는 상기 내측 곡선부(12)의 전방에서 직선으로 연장되는 내측 연장부(13)를 더 포함할 수 있다.
상기 각각의 연장부(13, 23, 33)는 상기 튜브체(10, 20, 30)의 결합시 각각의 튜브체(10, 20, 30)가 정위치에 배치되도록 조절하는 역할을 수행한다.
상기 외측 직선부(31)에는 상기 기본 곡선부(22)를 완전히 커버하도록 배치되어 상기 기본 곡선부(22)의 형상에 대응하여 구부러지는 외측 유연부(35)가 형성된다.
본 명세서에 있어서, "완전히 커버한다"의 의미는 제1 구성이 제2 구성의 길이 보다 길게 형성되어 튜브체의 길이 방향을 따라 상기 제2 구성의 길이 전체를 내측 또는 외측에서 커버한다는 의미이다.
즉, 상기 외측 유연부(35)는 상기 기본 곡선부(22)의 길이 보다 길게 형성되어 튜브체의 길이 방향을 따라 상기 기본 곡선부(22)의 길이 전체를 외측에서 커버한다.
만약, 상기 외측 유연부(35)가 상기 기본 곡선부(22)의 길이 보다 길게 형성된다면, 상기 외측 유연부(35)는 상기 기본 곡선부(22)를 완전히 커버한 상태에서 상기 기본 직선부(21) 및/또는 상기 기본 연장부(23)를 완전히 커버하거나 또는 일부를 커버할 수 있다.
본 명세서에 있어서, "일부를 커버한다"의 의미는 튜브체의 길이 방향을 따라 제1 구성이 제2 구성의 길이 중 일부만을 내측 또는 외측에서 커버한다는 의미로 해석되어야 한다.
상기 내측 연결 튜브체(10)에는, 상기 기본 곡선부(22)를 완전히 커버하도록 배치되어 상기 기본 곡선부(22)의 형상에 대응하여 구부러지는 제 1 내측 유연부(16)와, 상기 외측 곡선부(32)를 완전히 커버하도록 배치되어 상기 외측 곡선부(32)의 형상에 대응하여 구부러지는 제 2 내측 유연부(15)를 포함한다.
즉, 상기 제 1 내측 유연부(16)는 상기 기본 곡선부(22)의 길이 보다 길게 형성되어 튜브체의 길이 방향을 따라 상기 기본 곡선부(22)의 길이 전체를 내측에서 커버한다. 이와 마찬가지로, 상기 제 2 내측 유연부(15)는 상기 외측 곡선부(32)의 길이 보다 길게 형성되어 튜브체의 길이 방향을 따라 상기 외측 곡선부(32)의 길이 전체를 내측에서 커버한다.
상기 외측 연결 튜브체(30)의 전방측 단부는 상기 기본 튜브체(20)의 전방측 단부 보다 상대적으로 더 전방에 배치된다. 구체적으로, 튜브 삽입 장치를 기준으로, 상기 외측 연결 튜브체(30)의 외부로 돌출되는 길이는 상기 기본 튜브체(20)의 외부 돌출 길이 보다 상대적으로 길게 형성된다.
이와 마찬가지로, 상기 내측 연결 튜브체(10)의 전방측 단부는 상기 외측 연결 튜브체(30)의 전방측 단부 보다 상대적으로 더 전방에 배치된다. 구체적으로, 튜브 삽입 장치를 기준으로, 상기 내측 연결 튜브체(10)의 외부로 돌출되는 길이는 상기 외측 연결 튜브체(30)의 외부로 돌출되는 길이 보다 상대적으로 길게 형성된다.
즉, 상기 내측 연결 튜브체(10)의 전방측 단부는 상기 외측 연결 튜브체(30)의 전방측 단부와, 기본 튜브체(20)의 전방측 단부 보다 상대적으로 더 전방에 배치된다. 따라서 상기 내측 연결 튜브체(10)의 전방측 단부에는 상기 내측 연결 튜브체(10)가 삽입된 작업 공간 내에서 작업을 수행할 수 있는 엔드 이펙터(1100)가 형성된다.
또한 상기 기본 튜브체(20)와 각각의 연결 튜브체(10, 30)는 서로 독립적으로 전후진 또는 회전이 가능하다. 따라서 상기 각각의 튜브체(10, 20, 30)를 서로 독립적으로 회전 또는 전후진 이동하여 상기 엔드 이펙터(1100)의 위치를 제어할 수 있다.
상기 외측 유연부(35)는 상기 외측 직선부(31) 상에 형성된다. 따라서 외측 곡선부(32)는 상기 기본 곡선부(22) 보다 전방에 더 배치되어 상기 기본 곡선부(22)를 커버하지 않는다.
본 명세서에 있어서, "커버하지 않는다"의 의미는 튜브체의 길이 방향을 기준으로 제1 구성과 제2 구성이 서로 전혀 겹치지 않는다는 의미로 해석되어야 한다.
이와 마찬가지로, 상기 제 1 내측 유연부(16)와 상기 제 2 내측 유연부(15)는 상기 내측 직선부(11) 상에 형성된다. 따라서 상기 내측 곡선부(12)는 상기 외측 곡선부(32) 및 상기 기본 곡선부(22) 보다 전방에 더 배치되어 상기 외측 곡선부(32) 및 기본 곡선부(22)를 커버하지 않는다.
상기 각각의 튜브체(10, 20, 30)는 강성의 재료로 제조된다. 다만 위에서 설명한 것처럼, 상기 외측 연결 튜브체(30)에는 소정의 탄성력을 가지는 외측 유연부(35)가 형성되고, 상기 내측 연결 튜브체(10)에는 소정의 탄성력을 가지는 제 1 내측 유연부(16)와 제 2 내측 유연부(15)가 형성된다.
상기 외측 유연부(35)와 제 1 내측 유연부(16)는 상기 기본 곡선부(22)를 완전히 커버하고, 상기 제 2 내측 유연부(15)는 상기 외측 곡선부(32)를 완전히 커버한다. 따라서 상기 튜브체 각각의 곡선부에서는 상기 튜브체 사이의 간섭 현상이 발생되지 않는다.
상기 외측 연결 튜브체(30)와 내측 연결 튜브체(10) 사이에는 양 구성의 위치를 고정하기 위한 스페이서(미도시)가 설치될 수 있다. 구체적으로, 상기 스페이서(미도시)는 상기 외측 연결 튜브체(30)의 내면과 상기 내측 연결 튜브체(10)의 외면 사이에 배치되어 상기 각각의 연결 튜브체(10, 30)가 서로 꼬이거나 얽히는 것을 방지할 수 있다.
도 3에서는, 상기 내측 연결 튜브체(10)에 형성되는 유연부의 개수가 하나인 실시 예를 도시하고 있다.
본 실시 예에 따른 내측 유연부(17)는 상기 기본 곡선부(22)와, 상기 외측 곡선부(32)를 모두 완전히 커버할 수 있는 길이로 형성된다. 위에서 설명한 것처럼, 상기 내측 유연부(17)는 소정의 탄성력을 가지므로 상기 기본 곡선부(22)와 외측 곡선부(32)의 형상에 따라 상기 유연부(17)의 형상이 변화하여 구부러진다.
상기 튜브체(10, 20, 30) 사이의 간섭 현상은 상기 기본 곡선부(22)와 상기 외측 곡선부(32)에서 발생하게 된다. 다만, 상기 기본 곡선부(22)와 상기 외측 곡선부(32)에 대응하는 부분에 상기 내측 유연부(17)가 형성되므로, 상기 튜브체의 곡선부에서 간섭 현상이 발생되는 것을 최소화할 수 있다.
이에 따라, 상기 내측 유연부(17)에 의해 간단한 선형 방정식으로도 상기 튜브체(10, 20, 30)의 위치가 제어될 수 있다.
도 4 및 도 5에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유연부를 구현하는 방식이 도시되어 있다. 본 실시 예에서는 외측 연결 튜브체(30)에 형성되는 외측 유연부(35)를 예로 들어 설명한다.
상기 외측 유연부(35)는 외측 직선부(31) 상에 형성되고, 튜브체의 길이 방향을 따라 상기 기본 곡선부(22)를 완전히 커버한다.
상기 외측 유연부(35)에는 복수의 홀(36)이 형성된다. 상기 외측 유연부(35)는 상기 복수의 홀(36)에 의해 소정의 탄성력을 가지게 되고, 이에 따라 상기 외측 유연부(35)가 상기 기본 곡선부(22)의 형상에 대응하여 구부러진다. 상기 복수의 홀(36)은 다양한 형상으로 구성될 수 있다. 즉, 상기 튜브체(10, 30)에 소정의 탄성력을 제공하는 것이 가능하다면, 상기 홀(36)의 개수 또는 형상에는 그 제한이 없다.
도 6에서는, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 유연부를 구현하는 방식이 도시되어 있다. 이전 실시 예와 마찬가지로 본 실시 예에서도 상기 외측 연결 튜브체(30)에 형성되는 외측 유연부(35)를 예로 들어 설명한다.
상기 외측 유연부(35)에는 소정의 탄성력을 가지는 탄성부재(37)가 설치될 수 있다. 상기 탄성부재(37)는 스프링, 코일 등과 같이 탄성력을 가지는 재질로 구성될 수 있다.
도 7에서는 간단한 선형 수학식으로 튜브체의 위치가 제어될 수 있음을 보여주는 개념도가 도시되어 있다.
본 실시 예에 있어서, 상기 각각의 튜브체(10, 20, 30)는 서로 독립적으로 회전 또는 전후진 이동이 이루어진다. 따라서, 상기 튜브체(10, 20, 30)의 이동에 영향을 끼치는 인자는 총 6개로 구성된다. 구체적으로, 상기 기본 튜브체(20)의 회전과 전후진 이동의 매개변수는 θ1과 d1이고, 상기 외측 연결 튜브체(30)의 회전과 전후진 이동의 매개변수는 θ2와 d2이고, 상기 내측 연결 튜브체(10)의 회전과 전후진 이동의 매개변수는 θ3와 d3이다. 즉, 상기 튜브체(10, 20, 30)는 상기 6개의 매개변수의 값에 따라 서로 독립적으로 이동하여 사용자가 원하는 위치에 상기 튜브체(10, 20, 30)를 위치시킬 수 있다.
종래에는, 서로 삽입되거나 또는 서로 감싸는 배치 관계를 가지는 복수의 튜브에는 소정의 곡률을 가지는 곡선 영역이 형성된다. 상기 곡선 영역에서는 복수의 튜브 사이의 간섭 현상이 발생하게 되고, 이러한 간섭 현상에 의해 튜브체의 위치를 제어하는 계산식이 복잡해지는 문제가 있었다.
다만 본 발명에 따르면, 상기 외측 유연부(35)와 제 1 내측 유연부(16)(또는 내측 유연부(17))는 상기 기본 곡선부(22)를 완전히 커버하고, 상기 제 2 내측 유연부(15)(또는 내측 유연부(17))는 상기 외측 곡선부(32)를 완전히 커버하므로 튜브체의 곡선부에서 발생되는 간섭 현상을 방지할 수 있다. 따라서 사용자는 도 7에 도시된 것처럼 간단한 선형 방정식을 해결하는 것만으로도 상기 튜브체(10, 20, 30)의 위치를 제어할 수 있는 것이다.
상기 6개의 매개변수의 값을 구하기 위해서는 6개의 수학식이 필요하다. 상기 수학식은 도 8로부터 도출할 수 있다. 구체적으로, 상기 각각의 튜브체의 곡선부(12, 22, 32)가 시작되는 지점과 상기 곡선부(12, 22, 32)의 종료 지점에 대한 방향 벡터와 위치 벡터를 구하게 되면, 상기 벡터값을 통해 각 지점에 대한 수학식을 도출할 수 있다.
도 8에 도시된 것처럼, 상기 튜브체의 곡선부(12, 22, 32)가 시작되는 지점을 제 1 조인트(J1), 제 3 조인트(J3), 제 5 조인트(J5)라 하고, 상기 곡선부(12, 22, 32)가 종료되는 지점을 제 2 조인트(J2), 제 4 조인트(J4), 제 6 조인트(J6)라 한다.
상기 제 1 내지 제 6 조인트(J1 내지 J6)의 방향 벡터와 위치 벡터는 아래의표와 수학식을 통해 도출할 수 있다.
종류 방향 벡터 위치 벡터
제 1 조인트(J1) [0, 0, 1] q1
제 2 조인트(J2) [0, 0, 0] q2
제 3 조인트(J3) [sin(α1), 0, cos(α1)] q3
제 4 조인트(J4) [0, 0, 0] q4
제 5 조인트(J5) [sin(α1-α2), 0, cos(α1-α2)] q5
제 6 조인트(J6) [0, 0, 0] q6
q1 내지 q6의 값은 아래의 식을 이용하여 도출할 수 있다.
q1 = [0, 0, 0]´
q2 = [0, 0, d/2]´
q3 = q2 + r₁[1-cos(α₁), 0, sin(α₁)]´ + d/2[sin(α₁), 0, cos(α₁)]´
q4 = [sin(α₁), 0, cos(α₁)]´
q5 = q3 + 2r₂sin(α₂/2)[sin(α₁-α₁/2), 0, cos(α₁-α₂/2)]´ + d[sin(α₁), 0, cos(α₁)]´ + d/2[sin(α₁-α₂), 0, cos(α₁-α₂)]´
q6 = [sin(α₁-α₂), 0, cos(α₁-α₂)]´
xz 평면을 기준으로, 상기 제 1 조인트(J1)에서 상기 튜브체(5)의 길이 방향으로 연장되는 접선에 대한 법선을 x1이라 하고, 상기 제 2 조인트(J2)에서 상기 튜브체(5)의 길이 방향으로 연장되는 접선에 대한 법선을 x2라 하면, 상기 x1과 x2가 이루는 각도는 α₁이다. 이와 마찬가지로, xz 평면을 기준으로, 상기 제 3 조인트(J3)에서 상기 튜브체(5)의 길이 방향으로 연장되는 접선에 대한 법선을 x3이라 하고, 상기 제 4 조인트(J4)에서 상기 튜브체(5)의 길이 방향으로 연장되는 접선에 대한 법선을 x4라 하면, 상기 x3와 x4가 이루는 각도는 α₂이다.
그리고, 상기 d는 상기 기본 곡선부(22)의 종료 지점과 외측 곡선부(32)의 시작 지점 사이의 거리를 의미한다.
상기 α₁, α₂, d의 값을 위의 수학식에 대입하면, 상기 제 1 내지 제 6 조인트(J1 내지 J6)의 방향 벡터와 위치 벡터를 도출할 수 있고, 결과적으로 튜브체(10, 20, 30)의 회전 또는 전후진 이동을 제어하여 사용자가 원하는 위치에 상기 튜브체(10, 20, 30)를 위치시킬 수 있다.
상기 튜브체(10, 20, 30) 각각은 서로 독립적으로 회전 또는 전후진이 수행될 수 있다. 예를 들어 도 9a에서는 상기 튜브체(10, 20, 30)가 180도 회전되는 모습이 도시되어 있다. 이에 더하여, 상기 기본 튜브체(20), 내측 연결 튜브체(10) 및 외측 연결 튜브체(30)는 서로 독립적으로 회전이 가능하므로 상기 튜브체(10, 20, 30)의 회전에 의하여 상기 엔드 이펙터(1100)의 이동 범위가 더욱 넓어질 수 있다.
도 9b에서는 상기 내측 연결 튜브체(10)가 독립적으로 전후진 이동이 이루어지는 모습이 도시되어 있다. 상기 도 9b에서는 상기 내측 연결 튜브체(10)의 독립적인 전후진 이동을 도시하였으나 상기 기본 튜브체(20)와 외측 연결 튜브체(30)도 독립적으로 전후진 이동이 가능함을 밝혀둔다. 다만, 상기 각각의 튜브체(10, 20, 30)의 전후진 이동은 상기 외측 유연부(35)와 상기 제 1 내측 유연부(16)(또는 내측 유연부(17))가 상기 기본 곡선부(22)를 완전히 커버하고, 상기 제 2 내측 유연부(17)(또는 내측 유연부(17))가 상기 외측 곡선부(32)를 완전히 커버하는 범위 이내에서만 가능할 것이다.
이하에서는, 상기 튜브체(10, 20, 30)로 구성되는 복수의 튜브 연속체가 진입 통로를 따라 동시에 삽입되어 수술이 이루어지는 과정에 대하여 상세하게 설명한다.
도 10 내지 도 12에는 세 개의 튜브체로 구성되는 제 1 튜브 연속체 및 제 2 튜브 연속체가 진입 통로를 통해 작업 공간으로 동시에 삽입되어 수술이 이루어지는 모습이 도시된다.
먼저, 도 10에는 복수 개로 구성되는 튜브 연속체(5, 6)가 진입 통로(400)에 동시에 삽입되는 구조가 도시되어 있다. 상기 진입 통로(400)의 외면에는 파이프(410)가 설치된다. 상기 파이프(410)는 상기 진입 통로(400)의 크기를 유지하도록 가이드 할 수 있다. 또한 상기 진입 통로(400)의 용적은 내부로 갈수록 점점 커지게 된다.
도 10에 도시된 것처럼, 상기 튜브 연속체는 서로 동일한 구조를 가지는 제 1 튜브 연속체(5)와 제 2 튜브 연속체(6)를 포함한다. 본 실시 예에서는, 상기 튜브 연속체가 상기 진입 통로를 따라 2개가 삽입되는 것으로 설명하였으나, 상기 진입 통로에 삽입되는 튜브 연속체의 개수가 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 튜브 연속체(5)와 상기 제 2 튜브 연속체(6) 각각은 상기 내측 연결 튜브체(10), 기본 튜브체(20) 및 외측 연결 튜브체(30)로 구성된다. 또한 상기 복수의 튜브 연속체 각각은 나선 구조를 가지므로 상기 진입 통로를 따라 이동하는 복수의 튜브 연속체의 폭을 최소화하는 것이 가능하다.
상기 제 1 튜브 연속체(5)와 상기 제 2 튜브 연속체(6)가 상기 진입 통로(400)에 삽입될 때 상기 튜브 연속체(5, 6)들의 진입 면적을 최소화하기 위하여, 도 11과 같이 제 1 튜브 연속체(5)와 제 2 튜브 연속체(6)는 서로 꼬인 구조를 가진다.
상기 제 1 튜브 연속체(5)는 기본 직선부(21) 및 상기 기본 직선부(21)의 전방에서 연장되고 복수의 곡선부를 가지는 제 1 회전 위치 변경부를 포함한다. 상기 회전 위치 변경부는 튜브 연속체의 회전 작업 수행 시 그 위치가 변화하는 부분으로서, 상기 기본 직선부(21)의 전방에서 연장되는 기본 곡선부(22), 외측 연결 튜브체(30) 및 내측 연결 튜브체(10)를 포함하는 부분이다. 이하에서는, 상기 제 1 튜브 연속체(5)의 상기 기본 직선부를 제 1 기본 직선부라 한다. 이와 마찬가지로, 상기 제 2 튜브 연속체(6)의 기본 직선부를 제 2 기본 직선부라 한다. 또한, 상기 제 1 튜브 연속체(5)는 상기 제 1 기본 직선부의 전방에서 연장되고 복수의 곡선부(제 1 튜브 연속체의 기본 곡선부, 외측 곡선부, 내측 곡선부)를 가지는 제 1 회전 위치 변경부를 포함한다. 이와 마찬가지로, 상기 제 2 튜브 연속체(6)는 상기 제 2 기본 직선부의 전방에서 연장되고 복수의 곡선부(제 2 튜브 연속체의 기본 곡선부, 외측 곡선부, 내측 곡선부)를 가지는 제 2 회전 위치 변경부를 포함한다. 즉, 상기 제 1 기본 직선부와 상기 제 2 기본 직선부는 복수의 튜브 연속체의 회전 작업 시 그 위치가 변하지 않는 부분이고, 상기 제 1 회전 위치 변경부와 상기 제 2 회전 위치 변경부는 복수의 튜브 연속체의 회전 작업 시 그 위치가 변하는 부분이다.
상기 제 1 튜브 연속체(5)와 상기 제 2 튜브 연속체(6)는 서로 일정 거리 이격한 위치에서 서로 꼬여 있는 상태로 위치한다. 구체적으로, 상기 제 1 회전 위치 변경부와 상기 제 2 회전 위치 변경부의 중간 지점에는 상기 진입 통로의 길이 방향으로 연장되는 중심축(350)이 형성되고, 상기 제 1 회전 위치 변경부와 상기 제 2 회전 위치 변경부는 상기 중심축(350)을 기준으로 동일한 방향으로 회전 연장되어 서로 꼬이는 구조를 가진다.
상기 중심축(350)은 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 상기 제 2 튜브 연속체(6)의 중간 지점을 y축 방향으로 연장한 가상의 선이라 할 수 있다. 여기서, 상기 y축 방향은 상기 진입 통로(400)의 길이 방향, 즉 상기 튜브 연속체(5, 6)들이 진입 통로(400)를 통해 작업 공간으로 삽입되는 방향을 의미한다.
상기 제 1 기본 직선부는 상기 중심축(350)과 평행하게 상기 y축을 따라 연장된다. 상기 제 1 기본 직선부의 전방에는 제 1 기본 곡선부가 배치된다. 즉, 상기 제 1 기본 직선부와 상기 제 1 기본 곡선부는 상기 제 1 튜브 연속체(5)의 기본 튜브체(20)를 구성한다.
또한 상기 제 1 튜브 연속체(5)를 구성하는 세 개의 튜브체(10, 20, 30)는 서로 독립적으로 회전 또는 전후진 이동이 가능하다. 따라서 상기 제 1 기본 곡선부는 xy 평면과 수직한 방향으로 연장되는 z축을 기준으로 상 방향을 향하도록 회전할 수 있다. 또한, 상기 제 1 기본 곡선부의 전방에 배치되는 상기 제 1 튜브 연속체(5)의 외측 곡선부는 상기 z축을 기준으로 하 방향을 향하도록 회전한다. 또한, 상기 외측 곡선부의 전방에 배치되는 상기 제 1 튜브 연속체(5)의 내측 곡선부는 다시 상 방향을 향하도록 회전한다.
이러한 상기 각각의 곡선부의 회전에 의해, 상기 제 1 튜브 연속체(5) 중 상기 기본 곡선부의 전방에 배치되는 부분은 상기 중심축(350)을 기준으로 일 방향, 예를 들어 시계 방향으로 회전하면서 상기 y축을 따라 연장된다.
이와 마찬가지로, 상기 제 2 기본 직선부는 상기 중심축(350)과 평행하게 상기 y축을 따라 연장된다. 상기 제 2 기본 직선부의 전방에는 상기 제 2 기본 곡선부가 배치된다. 즉, 상기 제 2 기본 직선부와 상기 제 2 기본 곡선부는 상기 제 2 튜브 연속체(6)의 기본 튜브체(20)를 구성한다. 상기 제 2 기본 곡선부는 상기 z축을 기준으로 하 방향을 향하도록 회전한다. 또한, 상기 제 2 기본 곡선부의 전방에 배치되는 상기 제 2 튜브 연속체(6)의 외측 곡선부는 상 방향을 향하도록 회전한다. 또한, 상기 외측 곡선부의 전방에 배치되는 상기 제 2 튜브 연속체(6)의 내측 곡선부는 다시 하 방향을 향하도록 회전한다.
상기 각각의 곡선부의 회전에 의해, 상기 제 2 튜브 연속체(6) 중 상기 제 2 기본 직선부의 전방에 배치되는 부분은 상기 중심축(350)을 기준으로 회전하면서 상기 y축을 따라 연장된다.
즉, 상기 제 1 튜브 연속체(5)의 각각의 곡선부와 상기 제 2 튜브 연속체(6)의 각각의 곡선부의 회전에 의해 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 상기 제 2 튜브 연속체(6)가 서로 꼬이는 구조를 가질 수 있는 것이다.
상기 xy 평면을 기준으로 볼 때, 상기 제 1 튜브 연속체(5)는 상기 제 2 튜브 연속체(6)와 서로 교차되는 부분이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 상기 제 2 튜브 연속체(6)는 상기 중심축(350) 상의 동일한 지점에서 서로 교차된다. 상기 튜브 연속체(5, 6)들의 이동 경로를 기준으로, 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 제 2 튜브 연속체(6)가 먼저 교차되는 지점을 제 1 교차부(610)라 하고, 상기 제 1 교차부(610) 이후에 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 제 2 튜브 연속체(6)가 교차되는 지점을 제 2 교차부(620)라 하면, 상기 제 1 교차부(610)와 상기 제 2 교차부(620) 사이에는 교차 영역(630)이 형성된다.
상기 교차 영역(630)에서 상기 xy 평면에 수직하는 z축을 기준으로, 상기 제 1 튜브 연속체(5)는 상기 제 1 교차부(610)에서 양의 값을 가지고 상기 제 2 교차부(620)에서 음의 값을 가진다. 그리고, 상기 제 2 튜브 연속체(6)는 상기 제 1 교차부(610)에서 음의 값을 가지고 상기 제 2 교차부(620)에서 양의 값을 가진다.
또한, 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 상기 제 2 튜브 연속체(6)는 서로 일정 거리 이격하게 배치되므로, 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 상기 제 2 튜브 연속체(6)의 사이 공간에는 간격(500)이 형성된다. 상기 간격(500)에는 단부에 촬영 장치가 부착된 카메라(300)가 삽입될 수 있다. 상기 카메라(300)는 일 예로 HD 내시경 카메라 일 수 있다.
도 11을 참조하여 구체적으로 설명하면, 상기 카메라(300)는 상기 중심축(350)을 따라 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 상기 제 2 튜브 연속체(6) 사이에 설치된다. 즉, 상기 카메라(300)는 상기 진입 통로(400)의 길이 방향을 따라 연장된다. 따라서 도 12와 같이, 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 상기 제 2 튜브 연속체(6)는 상기 카메라(300)의 외면을 감싸는 구조를 가질 수 있다.
상기 카메라(300)는 상기 튜브 연속체(5, 6)들이 작업 공간에서 수술을 진행할 때 세밀한 관찰이 가능하도록 시각적으로 보조하는 역할을 수행할 수 있다. 따라서 상기 카메라(300)는 대뇌 출혈 제거술 또는 뇌심부 종양 제거 수술 등의 미세 수술시 더욱 우수한 효과를 발휘할 수 있다.
도 12에는 수술 작업이 진행될 때, 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 상기 제 2 튜브 연속체(6)의 위치가 도시되어 있다. 먼저, 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 상기 제 2 튜브 연속체(6)는 상기 카메라(300)를 중심으로 서로 꼬여있는 상태에서 상기 진입 통로(400)의 길이 방향을 따라 이동하여 수술이 이루어지는 작업 공간까지 삽입된다.
상기 튜브 연속체(5, 6)들의 이동이 완료되면, 상기 제 1 튜브 연속체(5)의 내측 곡선부와 상기 제 2 튜브 연속체(6)의 내측 곡선부가 모두 반시계 방향으로 회전한다. 이에 따라 상기 제 2 교차부(620)에서 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 제 2 튜브 연속체(6)의 꼬임이 풀리게 된다.
위의 작업이 완료되면, 상기 제 1 튜브 연속체(5)의 외측 곡선부와 상기 제 2 튜브 연속체(6)의 외측 곡선부가 모두 반시계 방향으로 회전한다. 이에 따라 상기 제 1 교차부(610)에서 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 제 2 튜브 연속체(6)의 꼬임이 풀리게 된다.
상기 진입 통로(400)는 그 길이 방향으로 갈수록 용적이 점점 커지는 구조를 가진다. 즉, 작업 공간 내부에는 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 제 2 튜브 연속체(6)의 꼬임을 풀기 위한 작업이 수행되기 위한 충분한 공간이 마련된다.
본 발명에 따르면, 복수의 튜브 연속체가 진입 통로(400)에 삽입될 때, 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 제 2 튜브 연속체(6) 각각은 나선 구조를 가진 상태에서 상기 튜브 연속체(5, 6)끼리 서로 꼬인 상태로 상기 진입 통로(400)에 인입되므로 침습을 위한 입구 크기를 최소화할 수 있다.
또한 상기 제 1 튜브 연속체(5)의 튜브체와 제 2 튜브 연속체(6)의 튜브체는 서로 독립적으로 회전 또는 전후진 이동이 가능하다. 따라서 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 제 2 튜브 연속체(6)는 충분한 공간이 마련된 진입 통로(400)의 내부에 삽입되어 원활하게 꼬임 풀림 작업이 수행될 수 있다. 이에 따라, 사용자는 풀림 작업이 완료된 각각의 튜브 연속체(5, 6)에 의해 상기 작업 공간의 내부에서 양손잡이 수술이 가능한 장점이 있다.
또한, 상기 제 1 튜브 연속체(5)와 상기 제 2 튜브 연속체(6) 사이에는 상기 카메라(300)가 삽입되므로 미세 수술시 시각적인 보조가 가능한 장점이 있다.
도 13에는 상기 제 1 튜브 연속체와 상기 제 2 튜브 연속체 각각에 와이어가 삽입되어 있는 모습이 도시되어 있다. 구체적으로, 상기 제 1 튜브 연속체(5) 및 상기 제 2 튜브 연속체(6)의 최내측 공간에는 상기 내측 연결 튜브체(10) 보다 작은 직경을 가지는 와이어(700)가 삽입된다. 상기 와이어(700)는 상기 내측 연결 튜브체(10)의 전방에 배치되고, 상기 와이어(700)의 말단에는 소정의 수술 작업을 수행할 수 있는 엔드 이펙터(1100)가 설치된다.
또한, 상기 와이어(700)는 유연하게 구부러질 수 있는 재질로 형성되므로, 이전 실시 예와 마찬가지로 상기 튜브 연속체(5, 6)들의 제어를 선형 방정식으로 해결 가능한 장점이 있다.
도 10 내지 도 12에 따른 튜브 연속체는 각각 세 개의 튜브체로 구성되므로 총 6 자유도의 실현이 가능하다. 다만, 도 13에 도시된 실시 예에 따른 튜브 연속체는 세 개의 튜브체 및 하나의 와이어(700)로 구성되므로 총 8 자유도의 실현이 가능한 장점이 있다.

Claims (8)

  1. 직선으로 연장되는 기본 직선부와, 상기 기본 직선부의 전방에서 연장되고 복수의 곡선부가 형성되는 회전 위치 변경부를 구비하는 복수의 튜브 연속체로 구성된 수술용 로봇 시스템으로서,
    상기 복수의 튜브 연속체의 회전 위치 변경부 각각은 나선 구조로 형성됨에 따라 상기 복수의 튜브 연속체의 폭이 최소화 되도록 제어 가능하고,
    상기 복수의 튜브 연속체는 상기 기본 직선부들이 나란하게 배치됨과 함께 상기 회전 위치 변경부들이 동일한 방향으로 회전 연장되어 서로 꼬이도록 배치된 상태에서 진입 통로를 따라 인입되고,
    상기 복수의 튜브 연속체가 상기 진입 통로 보다 상대적으로 넓은 용적을 가지는 작업 공간으로 이동되면, 상기 회전 위치 변경부들의 말단부의 위치가 제어되며,
    상기 회전 위치 변경부는,
    상기 기본 직선부의 전방에서 연장되고, 소정의 곡률을 가지고 구부러지는 기본 곡선부;
    상기 기본 곡선부의 외부를 감싸도록 형성되어 일부분이 상기 기본 곡선부와 외측에서 중첩되도록 배치되고, 상기 기본 곡선부의 형상에 대응하여 구부러지는 외측 유연부를 구비하는 외측 연결 튜브체; 및
    상기 기본 곡선부의 내부에 삽입되도록 형성되어 일부분이 상기 기본 곡선부와 내측에서 중첩되도록 배치되고, 상기 기본 곡선부의 형상에 대응하여 구부러지는 내측 유연부를 구비하는 내측 연결 튜브체를 포함하고,
    상기 기본 직선부와 상기 기본 곡선부로 구성되는 기본 튜브체, 상기 내측 연결 튜브체 및 상기 외측 연결 튜브체는 각각 독립적으로 전후진 또는 회전 가능하고,
    상기 외측 연결 튜브체의 전방측 단부는 상기 기본 튜브체의 전방측 단부보다 더 전방에 배치되고,
    상기 내측 연결 튜브체의 전방측 단부는 상기 기본 튜브체의 전방측 단부와 상기 외측 연결 튜브체의 전방측 단부보다 더 전방에 배치되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 튜브 연속체 각각은, 서로 독립적으로 전후진 또는 회전하여 상기 회전 위치 변경부들의 말단부의 위치가 제어되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 외측 연결 튜브체는 직선으로 연장되는 외측 직선부와, 상기 외측 직선부의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지고 구부러진 외측 곡선부를 포함하고,
    상기 내측 연결 튜브체는 직선으로 연장되는 내측 직선부와, 상기 내측 직선부의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지고 구부러진 내측 곡선부를 포함하며,
    상기 복수의 연속 튜브체가 상기 작업 공간으로 이동되면, 상기 기본 곡선부, 외측 곡선부 및 내측 곡선부 중 하나 이상이 회전하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브 연속체는 상기 내측 연결 튜브체의 내부에 삽입되고, 유연하게 구부러지는 재질로 구성되는 와이어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 와이어의 전방측 단부에는, 상기 작업 공간 내에서 소정의 작업을 수행할 수 있는 엔드 이펙터가 형성되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 튜브 연속체 사이에는 상기 진입 통로의 길이 방향을 따라 연장되는 간격이 형성되고,
    상기 간격에는 상기 진입 통로의 길이 방향을 따라 직선으로 연장되는 카메라가 삽입되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 시스템.
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