KR101801279B1 - Surgical robot system, control method thereof, and recording medium thereof - Google Patents

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KR101801279B1 KR1020110020628A KR20110020628A KR101801279B1 KR 101801279 B1 KR101801279 B1 KR 101801279B1 KR 1020110020628 A KR1020110020628 A KR 1020110020628A KR 20110020628 A KR20110020628 A KR 20110020628A KR 101801279 B1 KR101801279 B1 KR 101801279B1
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Abstract

수술자의 수술 작업에 대한 방해를 최소화하면서도, 수술 중 수술자의 의도하지 않은 오동작으로 인한 사고나 위해를 미리 방지하기 위하여, 본 발명은 다자유도를 가지며 구동하는 로봇 암을 포함하는 슬레이브 로봇과, 상기 로봇 암을 조작하기 위한 제어 신호를 생성하는 사용자 조작부; 및 상기 사용자 조작부의 조작에 대해, 상기 로봇 암에서 감지된 반력을 일정 정도 변형 또는 증강시킨 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행하는 반력 제어부;를 포함하는 마스터 로봇을 포함하는 수술 로봇 시스템을 제공한다.In order to prevent an accident or a harm caused by an unintentional malfunction of a surgical operator during surgery while minimizing disturbance to a surgical operation of the operator, the present invention includes a slave robot including a robot arm that has a multi- A user operation section for generating a control signal for operating the arm; And a reaction force control unit for performing a force feedback function to apply a predetermined reaction force to deform or increase the reaction force detected by the robot arm to a certain degree with respect to an operation of the user operation unit And provides a robot system.

Description

수술 로봇 시스템 및 그 제어 방법과, 이를 기록한 기록매체{Surgical robot system, control method thereof, and recording medium thereof}Technical Field [0001] The present invention relates to a surgical robot system, a control method thereof, and a recording medium on which the robot system,

본 발명은 수술 로봇 시스템 및 그 제어 방법과, 이를 기록한 기록매체에 관한 것으로, 상세하게는 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역 내에서 동작하거나 또는 기 설정된 소정의 동작을 수행할 경우, 사용자 조작부의 조작에 대해 로봇 암에서 감지된 반력을 일정 정도 변형 또는 증강시킨 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행하는 수술 로봇 시스템 및 그 제어 방법과, 이를 기록한 기록매체에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a surgical robot system, a control method thereof, and a recording medium on which the robot arm is controlled. More particularly, And a force feedback function for applying a predetermined reaction force to deform or increase the reaction force detected by the robot arm to a certain degree with respect to the robot arm, a control method thereof, and a recording medium on which the robot system is recorded.

수술 로봇은 외과의사에 의해 시행되던 수술 행위를 대신할 수 있는 기능을 가지는 로봇을 말한다. 이러한 수술 로봇은 사람에 비하여 정확하고 정밀한 동작을 할 수 있으며 원격 수술이 가능하다는 장점을 가진다.The surgical robot refers to a robot having a function of substituting surgical operation performed by a surgeon. Such a surgical robot has an advantage that it can perform accurate and precise operation compared to a human and can perform a remote operation.

현재 전 세계적으로 개발되고 있는 수술 로봇은 뼈 수술 로봇, 복강경(復腔鏡) 수술 로봇, 정위 수술 로봇 등이 있다. 여기서 복강경 수술 로봇은 복강경과 소형 수술도구를 이용하여 최소 침습적 수술을 시행하는 로봇이다.Surgical robots currently being developed around the world include bone surgery robots, laparoscopic surgery robots, and stereotactic robots. Here, a laparoscopic surgical robot is a robot that performs minimally invasive surgery using laparoscopic and small surgical instruments.

복강경 수술은 배꼽 부위에 1cm 정도의 구멍을 뚫고 배 안을 들여다보기 위한 내시경인 복강경을 집어넣은 후 수술하는 첨단 수술기법으로서 향후 많은 발전이 기대되는 분야이다. 최근의 복강경은 컴퓨터칩이 장착되어 육안으로 보는 것보다도 더 선명하면서도 확대된 영상을 얻을 수 있으며, 또 모니터를 통해 화면을 보면서 특별히 고안된 복강경용 수술 기구들을 사용하면 어떠한 수술도 가능할 정도로 발전하고 있다. 더욱이 복강경 수술은 그 수술 범위가 개복 수술과 거의 같으면서도, 개복수술에 비해 합병증이 적고, 시술 후 훨씬 이른 시간 안에 치료를 시작할 수 있으며, 수술 환자의 체력이나 면역기능을 유지시키는 능력이 우수한 이점이 있다. Laparoscopic surgery is an advanced surgical technique that inserts a laparoscope, which is an endoscope for inserting a 1 cm hole in the umbilicus and looks into the abdomen. A recent laparoscope is equipped with a computer chip to provide a sharper, more magnified image than is seen with the naked eye, and the laparoscopic surgical instruments specially designed by looking at the screen through the monitor have developed enough to perform any operation. In addition, laparoscopic surgery has the advantage of being less complicated than open surgery, initiating treatment within a very short time after surgery, and maintaining the physical strength and immune function of the surgical patients, have.

한편, 수술 로봇 시스템은 일반적으로 마스터 로봇과 슬레이브 로봇으로 구성된다. 수술자가 마스터 로봇에 구비된 조종 레버(예를 들어 핸들)를 조작하면, 슬레이브 로봇의 로봇 암에 결합되거나 로봇 암이 파지하고 있는 수술도구가 조작되어 수술이 수행된다. On the other hand, the surgical robot system generally comprises a master robot and a slave robot. When the operator manipulates a steering lever (for example, a steering wheel) provided on the master robot, the surgical tool held by the robot arm is coupled to the robot arm of the slave robot.

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.The above-described background technology is technical information that the inventor holds for the derivation of the present invention or acquired in the process of deriving the present invention, and can not necessarily be a known technology disclosed to the general public prior to the filing of the present invention.

본 발명은 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역 내에서 동작하거나 또는 기 설정된 소정의 동작을 수행할 경우, 사용자 조작부의 조작에 대해 로봇 암에서 감지된 반력을 일정 정도 변형 또는 증강시킨 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행하는 수술 로봇 시스템 및 그 제어 방법과, 이를 기록한 기록매체를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention relates to a robot arm that applies a predetermined reaction force to deform or enhance a reaction force detected by a robot arm with respect to an operation of a user's operating unit when the robot arm operates within a predetermined predetermined area or performs predetermined predetermined operations A surgical robot system that performs a force feedback function, a control method thereof, and a recording medium on which the robot system is recorded.

본 발명은 다자유도를 가지며 구동하는 로봇 암을 포함하는 슬레이브 로봇과, 상기 로봇 암을 조작하기 위한 제어 신호를 생성하는 사용자 조작부; 및 상기 사용자 조작부의 조작에 대해, 상기 로봇 암에서 감지된 반력을 일정 정도 변형 또는 증강시킨 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행하는 반력 제어부;를 포함하는 마스터 로봇을 포함하는 수술 로봇 시스템을 제공한다. The present invention relates to a slave robot including a robot arm having multiple degrees of freedom and being driven, a user operation unit for generating a control signal for operating the robot arm, And a reaction force control unit for performing a force feedback function to apply a predetermined reaction force to deform or increase the reaction force detected by the robot arm to a certain degree with respect to an operation of the user operation unit And provides a robot system.

본 발명에 있어서, 상기 반력 제어부는, 상기 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역 내에서 동작하거나, 상기 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역에 대해 인입, 인출 또는 접근하거나, 또는 상기 로봇 암이 기 설정된 소정의 동작을 수행할 경우, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 상기 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행할 수 있다. In the present invention, it is preferable that the reaction force control unit is configured to operate the robot arm such that the robot arm operates within a predetermined area, or the robot arm moves in, out, or approaches a predetermined area, It is possible to perform a force feedback function of applying the predetermined reaction force to the operation of the user's operating unit.

여기서, 상기 소정의 영역은 시술중인 수술 부위 전체일 수 있다. Here, the predetermined region may be the entire operation site being operated.

여기서, 상기 반력 제어부는 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 실제의 중력 방향, 수술 부위의 영상을 디스플레이하는 디스플레이 부재에 표시된 화면 상에서의 중력 방향, 또는 임의 설정된 가상의 중력 방향으로의 추가 반력을 가하는 고중력 모드를 수행할 수 있다. Here, the reaction force control unit may be configured to control the operation of the user's operating unit so that the gravity direction on the screen displayed on the display member displaying the image of the surgical site, or the gravity direction Mode can be performed.

여기서, 상기 반력 제어부는 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 상기 로봇 암의 진행 방향의 반대 방향으로의 추가 반력을 가하는 고마찰력 모드를 수행할 수 있다. Here, the reaction force control unit may perform a high frictional force mode in which an additional reaction force is applied to the operation of the user's operating unit in the direction opposite to the traveling direction of the robot arm.

여기서, 상기 반력 제어부는, 상기 로봇 암의 가속 동작에는 상기 사용자 조작부에 가해지는 반력을 소정의 기준값 보다 크게 부여하고, 상기 로봇 암의 감속 동작에는 상기 사용자 조작부에 가해지는 반력을 소정의 기준값과 같거나 기준값 보다 작게 부여하는 고마찰력 모드를 수행할 수 있다. Here, the reaction force control unit may set the reaction force applied to the user's operating unit to be greater than a predetermined reference value for the acceleration operation of the robot arm, and set the reaction force applied to the user's operation unit to a predetermined reference value Or less than the reference value.

본 발명에 있어서, 상기 슬레이브 로봇은 수술 부위를 조영하는 수술용 내시경을 더 포함할 수 있다. In the present invention, the slave robot may further include a surgical endoscope for scanning a surgical site.

여기서, 상기 소정의 영역은 상기 수술용 내시경으로부터 촬영된 수술 부위의 영상으로부터 산출된 조직 및 장기가 위치하는 하나 이상의 영역 중 적어도 일부를 포함할 수 있다. Here, the predetermined region may include at least a part of at least one region in which the tissue and the organ calculated from the image of the surgical site photographed from the surgical endoscope are located.

여기서, 상기 마스터 로봇은 상기 수술용 내시경을 통해 촬영되는 영상을 디스플레이하는 디스플레이 부재를 더 포함하고, 상기 소정의 영역은 상기 디스플레이 부재 상에서 사용자 입력에 의해 선택된 임의의 영역일 수 있다. Here, the master robot further includes a display member for displaying an image photographed through the surgical endoscope, and the predetermined region may be any region selected by a user input on the display member.

여기서, 상기 반력 제어부는 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 실제의 중력 방향, 수술 부위의 영상을 디스플레이하는 디스플레이 부재에 표시된 화면 상에서의 중력 방향, 또는 임의 설정된 가상의 중력 방향으로의 추가 반력을 가하는 고중력 모드를 수행할 수 있다. Here, the reaction force control unit may be configured to control the operation of the user's operating unit so that the gravity direction on the screen displayed on the display member displaying the image of the surgical site, or the gravity direction Mode can be performed.

여기서, 상기 반력 제어부는 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 상기 로봇 암의 진행 방향의 반대 방향으로의 추가 반력을 가하는 고마찰력 모드를 수행할 수 있다. Here, the reaction force control unit may perform a high frictional force mode in which an additional reaction force is applied to the operation of the user's operating unit in the direction opposite to the traveling direction of the robot arm.

여기서, 상기 반력 제어부는, 상기 산출 또는 선택된 소정의 영역 내에서 상기 로봇 암이 동작하거나, 상기 선택된 소정의 영역에 대해 상기 로봇 암이 인입, 인출 또는 접근할 때, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 추가 반력을 가하도록 제어할 수 있다. Here, the reaction force control unit may control the robot arm such that when the robot arm operates in the calculated or selected predetermined area, or when the robot arm moves in, out, or approaches the selected predetermined area, So as to apply an additional reaction force.

여기서, 상기 반력 제어부는, 상기 영역이 다수 개의 영역들을 포함할 경우, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 상기 다수 개의 영역별로 서로 상이한 추가 반력을 가하도록 제어할 수 있다. Here, the reaction force control unit may control the operation of the user manipulation unit to apply different reaction forces to the plurality of regions when the region includes a plurality of regions.

본 발명에 있어서, 상기 반력 제어부는, 상기 로봇 암의 첨부의 위치 및 속도의 일정시간 동안의 경로(trajectory)로부터 추출된 상기 로봇 암의 작업 영역으로부터 상기 로봇 암이 일정 간격 이상 이격되면, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 추가 반력을 가하도록 제어할 수 있다. In the present invention, when the robot arm is separated from a work area of the robot arm extracted from a trajectory of a position and velocity of the robot arm for a predetermined period of time, It is possible to control to apply a predetermined additional reaction force to the operation of the operation portion.

본 발명에 있어서, 상기 반력 제어부는, 상기 로봇 암의 가속도가 소정의 기준 값 이상일 경우, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 추가 반력을 가하도록 제어할 수 있다. In the present invention, the reaction force control section may control the robot to apply a predetermined additional reaction force to the operation of the user operation section when the acceleration of the robot arm is equal to or greater than a predetermined reference value.

본 발명에 있어서, 상기 디스플레이 부재는 입체 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. In the present invention, the display member may include a stereoscopic display device.

다른 측면에 따른 본 발명은, 마스터 로봇 및 슬레이브 로봇을 포함하는 수술 로봇 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 슬레이브 로봇의 수술용 내시경을 통해 촬영되는 영상이 상기 마스터 로봇의 디스플레이 부재 상에 디스플레이되는 단계; 상기 슬레이브 로봇의 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역 내에서 동작하거나, 상기 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역에 대해 인입, 인출 또는 접근하거나, 또는 상기 로봇 암이 기 설정된 소정의 동작을 수행하는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역 내에서 동작하거나, 상기 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역에 대해 인입, 인출 또는 접근하거나, 또는 상기 로봇 암이 기 설정된 소정의 동작을 수행할 경우, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해, 상기 로봇 암에서 감지된 반력을 일정 정도 변형 또는 증강시킨 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행하는 단계;를 포함하는 수술 로봇 시스템의 제어 방법을 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a control method of a surgical robot system including a master robot and a slave robot, the method comprising: displaying an image photographed through a surgical endoscope of the slave robot on a display member of the master robot; Whether or not the robot arm of the slave robot operates within a predetermined area or whether the robot arm is pulled in, drawn out, or accessed for a predetermined area, or whether the robot arm performs predetermined predetermined operations ; And when the robot arm operates within a predetermined area or when the robot arm moves in, out, or approaches a predetermined area, or when the robot arm performs predetermined operations, And performing a force feedback function to apply a predetermined reaction force to deform or increase the reaction force detected by the robot arm to a certain degree with respect to the operation of the operation unit.

본 발명에 있어서, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 반력을 가하는 단계는, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 실제의 중력 방향, 수술 부위의 영상을 디스플레이하는 디스플레이 부재에 표시된 화면 상에서의 중력 방향, 또는 임의 설정된 가상의 중력 방향으로의 추가 반력을 가하는 고중력 모드일 수 있다. In the present invention, the step of applying a predetermined reaction force to the operation of the user operating unit may include a step of applying a predetermined reaction force to the operation of the user's operating unit in accordance with the actual gravity direction, the gravity direction on the screen displayed on the display member, And may be a high gravity mode that applies an additional reaction force in the arbitrarily set imaginary gravity direction.

본 발명에 있어서, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 반력을 가하는 단계는, 상기 반력 제어부는 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 상기 로봇 암의 진행 방향의 반대 방향으로의 추가 반력을 가하는 고마찰력 모드일 수 있다. In the present invention, the step of applying a predetermined reaction force to the operation of the user's operating unit may include a step of applying a reaction force to the manipulation of the user's operating unit in a high frictional force mode that applies an additional reaction force in the direction opposite to the advancing direction of the robot arm .

본 발명에 있어서, 상기 소정의 영역은 상기 수술용 내시경으로부터 촬영된 수술 부위의 영상으로부터 산출된 조직 및 장기가 위치하는 하나 이상의 영역 중 적어도 일부를 포함할 수 있다. In the present invention, the predetermined region may include at least a part of at least one region in which the tissue and organs calculated from the image of the surgical site photographed from the surgical endoscope are located.

본 발명에 있어서, 상기 소정의 영역은 상기 디스플레이 부재 상에서 사용자 입력에 의해 선택된 하나 이상의 임의의 영역일 수 있다. In the present invention, the predetermined area may be one or more arbitrary areas selected by user input on the display member.

여기서, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 반력을 가하는 단계는, 상기 산출 또는 선택된 소정의 영역 내에서 상기 로봇 암이 동작하거나, 상기 선택된 소정의 영역에 대해 상기 로봇 암이 인입, 인출 또는 접근할 때, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 추가 반력을 가하도록 제어할 수 있다. Here, the step of applying a predetermined reaction force to the operation of the user's operation unit may include: operating the robot arm within the calculated or selected predetermined area; , It is possible to control so as to apply a predetermined additional reaction force to the operation of the user operation portion.

여기서, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 반력을 가하는 단계는, 상기 영역이 다수 개의 영역들을 포함할 경우, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 상기 다수 개의 영역별로 서로 상이한 추가 반력을 가하도록 제어할 수 있다. Here, the step of applying a predetermined reaction force to the operation of the user operating unit may control the operation of the user operating unit to apply different reaction forces to the plurality of areas when the area includes a plurality of areas have.

본 발명에 있어서, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 반력을 가하는 단계는, 상기 로봇 암의 첨부의 위치 및 속도의 일정시간 동안의 경로(trajectory)로부터 추출된 상기 로봇 암의 작업 영역으로부터 상기 로봇 암이 일정 간격 이상 이격되면, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 추가 반력을 가하도록 제어할 수 있다. In the present invention, the step of applying a predetermined reaction force to the manipulation of the user manipulation unit may include the step of: applying a predetermined reaction force to the manipulation of the robot manipulator from the manipulation area of the robot arm extracted from a trajectory When the arms are spaced apart from each other by a predetermined distance, it is possible to perform control so as to apply a predetermined additional reaction force to the operation of the user operation portion.

본 발명에 있어서, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 반력을 가하는 단계는, 상기 로봇 암의 가속도가 소정의 기준 값 이상일 경우, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 추가 반력을 가하도록 제어할 수 있다. In the present invention, the step of applying a predetermined reaction force to the operation of the user's operation unit may be controlled so as to apply a predetermined additional reaction force to the operation of the user's operation unit when the acceleration of the robot arm is a predetermined reference value or more have.

또 다른 측면에 관한 본 발명은 상기 중 어느 하나에 기재된 수술 로봇 시스템의 제어 방법을 수행하기 위하여 디지털 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있으며 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 프로그램을 기록한 기록매체를 제공한다. According to another aspect of the present invention, a program of instructions executable by a digital processing apparatus to perform a control method of a surgical robot system described in any one of the above is tangibly embodied and readable by a digital processing apparatus A recording medium on which a program is recorded is provided.

이와 같은 본 발명에 의해서, 수술자의 수술 작업에 대한 방해를 최소화하면서도, 수술 중 수술자의 의도하지 않은 오동작으로 인한 사고나 위해를 미리 방지하는 효과를 얻을 수 있다. According to the present invention, it is possible to obtain an effect of preventing an accident or a harm caused by an unintentional malfunction of a surgical operator during surgery while minimizing disturbance to a surgical operation of the operator.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템의 전체 구조를 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1의 수술 로봇 시스템의 마스터 로봇을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 구성을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 4는 복강경에서 촬영된 영상이 디스플레이 부재를 통해 출력되는 화면 표시 형태를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 디스플레이 부재에 조직 및 장기 영역이 중첩되어 디스플레이되는 화면 표시 형태를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4의 디스플레이 부재에 사용자 선택 영역이 중첩되어 디스플레이되는 화면 표시 형태를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템의 제어 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
1 is a plan view showing the entire structure of a surgical robot system according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view showing a master robot of the surgical robot system of FIG.
3 is a block diagram schematically showing the configuration of a master robot and a slave robot according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a view showing a screen display mode in which an image photographed by a laparoscope is output through a display member. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a screen display mode in which a tissue and a long-term area are superimposed and displayed on the display member of FIG. 4. FIG.
FIG. 6 is a view showing a screen display mode in which a user selection area is superimposed on a display member of FIG. 4; FIG.
7 is a flowchart schematically showing a control method of a surgical robot system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

여기서, 본 발명은 수술용 내시경(예를 들어, 복강경, 흉강경, 관절경, 비경 등)이 이용되는 수술들에 범용적으로 사용될 수 있는 기술적 사상이지만, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 설명의 편의를 위해 복강경이 이용되는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.Herein, the present invention is a technical idea that can be used universally for surgeries using surgical endoscopes (for example, laparoscopic, thoracoscopic, arthroscopic, non-rigid, etc.), but in describing the embodiments of the present invention, For convenience, a laparoscope is used as an example.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템의 전체 구조를 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1의 수술 로봇 시스템의 마스터 로봇을 나타낸 사시도이다. FIG. 1 is a plan view showing an overall structure of a surgical robot system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing a master robot of the surgical robot system of FIG.

도 1 및 도 2를 참조하면, 수술 로봇 시스템(1)은 수술대에 누워있는 환자에게 수술을 행하는 슬레이브 로봇(200)과, 상기 슬레이브 로봇(200)을 수술자가 원격 조종하도록 하는 마스터 로봇(100)을 포함한다. 마스터 로봇(100)과 슬레이브 로봇(200)이 반드시 물리적으로 독립된 별도의 장치로 분리되어야 하는 것은 아니며, 하나로 통합되어 일체형으로 구성될 수 있다.1 and 2, the surgical robot system 1 includes a slave robot 200 for performing surgery on a patient lying on the operating table, a master robot 100 for allowing the operator to remotely operate the slave robot 200, . The master robot 100 and the slave robot 200 are not necessarily separated from each other by a separate device that is physically independent and may be integrated into one unit.

마스터 로봇(100)은 조작 레버(110) 및 디스플레이 부재(120)를 포함하고, 슬레이브 로봇(200)은 로봇 암(210) 및 복강경(220)을 포함한다. The master robot 100 includes an operation lever 110 and a display member 120 and the slave robot 200 includes a robot arm 210 and a laparoscope 220.

상세히, 마스터 로봇(100)은 수술자가 양손에 각각 파지하여 조작할 수 있도록 조작 레버(110)를 구비한다. 조작 레버(110)는 도 1 및 도 2에 예시된 바와 같이 두 개 또는 그 이상의 수량의 핸들로 구현될 수 있으며, 수술자의 핸들 조작에 따른 조작 신호가 슬레이브 로봇(200)으로 유선 또는 무선 통신망을 통해 전송되어 로봇 암(210)이 제어된다. 즉, 수술자의 핸들 조작에 의해 로봇 암(210)의 위치 이동, 회전, 절단 작업 등의 수술 동작이 수행될 수 있다.In detail, the master robot 100 is provided with an operation lever 110 so that the operator can grasp and operate the operator's hands, respectively. The operation lever 110 may be implemented by two or more handles as illustrated in FIGS. 1 and 2. An operation signal according to a manipulation of a handle of a surgical operator may be transmitted to a slave robot 200 via a wired or wireless communication network And the robot arm 210 is controlled. That is, the operation of the robot arm 210, such as the movement, rotation, cutting, etc., of the robot arm 210 can be performed by operating the handle of the operator.

예를 들어, 수술자는 핸들 형태의 조작 레버를 이용하여 슬레이브 로봇 암(210)이나 복강경(220) 등을 조작할 수 있다. 이와 같은 조작 레버는 그 조작방식에 따라 다양한 기구적 구성을 가질 수 있으며, 슬레이브 로봇 암(210)이나 복강경(220) 등의 동작을 조작하는 마스터 핸들과, 전체 시스템의 기능을 조작하기 위해 마스터 로봇(100)에 부가된 조이스틱, 키패드, 트랙볼, 터치스크린과 같은 각종 입력도구와 같이, 슬레이브 로봇(200)의 로봇 암(210) 및/또는 기타 수술 장비를 작동시키기 위한 다양한 형태로 구비될 수 있다. 여기서, 조작 레버(110)는 핸들의 형상으로 제한되지 않으며, 유선 또는 무선 통신망과 같은 네트워크를 통해 로봇 암(210)의 동작을 제어할 수 있는 형태이면 아무런 제한 없이 적용될 수 있다.For example, the operator can manipulate the slave robot arm 210, the laparoscope 220, and the like using a handle-shaped operation lever. Such an operation lever may have various mechanical configurations according to its operation mode, and may include a master handle for operating operations of the slave robot arm 210 and the laparoscope 220 and the like, and a master robot Such as various input devices such as a joystick, a keypad, a trackball, and a touch screen, which are added to the slave robot 100, for operating the robot arm 210 and / or other surgical equipment of the slave robot 200 . Here, the operation lever 110 is not limited to the shape of the handle, and can be applied without any limitation as long as it can control the operation of the robot arm 210 through a network such as a wired or wireless communication network.

마스터 로봇(100)의 디스플레이 부재(120)에는 복강경(220)을 통해 촬영되는 영상이 화상 이미지로 표시된다. 또한 디스플레이 부재(120)는 터치스크린 기능을 구비하여, 복강경(220)을 통해 촬영되는 영상에서 반력 제어가 필요한 소정의 영역을 선택하는 기능을 제공할 수도 있다. 나아가, 디스플레이 부재(120)는 입체 디스플레이 장치로 구비되어, 관찰자가 3차원의 생동감과 현실감을 느낄 수 있게 할 수도 있다. An image photographed through the laparoscope 220 is displayed as an image image on the display member 120 of the master robot 100. In addition, the display member 120 may have a touch screen function to provide a function of selecting a predetermined region requiring reaction force control in an image photographed through the laparoscope 220. Further, the display member 120 may be provided as a stereoscopic display device so that an observer can feel a three-dimensional feeling of life and realism.

여기서, 디스플레이 부재(120)는 하나 이상의 모니터들로 구성될 수 있으며, 각 모니터에 수술시 필요한 정보들이 개별적으로 표시되도록 할 수 있다. 도 1 및 도 2에는 디스플레이 부재(120)가 세 개의 모니터를 포함하는 경우가 예시되었으나, 모니터의 수량은 표시를 요하는 정보의 유형이나 종류 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다.Here, the display member 120 may be constituted by one or more monitors, and information necessary for operation may be displayed on each monitor individually. Although FIGS. 1 and 2 illustrate the case where the display member 120 includes three monitors, the number of monitors can be variously determined according to the type and kind of information required to be displayed.

한편, 슬레이브 로봇(200)은 하나 이상의 로봇 암(210)을 포함할 수 있다. 일반적으로 로봇 암은 인간의 팔 및/또는 손목과 유사한 기능을 가지고 있으며 손목 부위에 소정의 도구를 부착시킬 수 있는 장치를 의미한다. 본 명세서에서 로봇 암(210)이란 상박, 하박, 손목, 팔꿈치 등의 구성 요소 및 상기 손목 부위에 결합되는 수술용 인스트루먼트 등을 모두 포괄하는 개념으로 정의할 수 있다. 이와 같은 슬레이브 로봇(200)의 로봇 암(210)은 다자유도를 가지며 구동되도록 구현될 수 있다. 로봇 암(210)은 예를 들어 환자의 수술 부위에 삽입되는 수술기구, 수술기구를 수술 위치에 따라 요(yaw)방향으로 회전시키는 요동 구동부, 요동 구동부의 회전 구동과 직교하는 피치(pitch) 방향으로 수술기구를 회전시키는 피치 구동부, 수술기구를 길이 방향으로 이동시키는 이송 구동부와, 수술기구를 회전시키는 회전 구동부, 수술기구의 끝단에 설치되어 수술 병변을 절개 또는 절단하는 수술기구 구동부를 포함하여 구성될 수 있다. 다만, 로봇 암(210)의 구성이 이에 제한되지는 않으며, 이러한 예시가 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 여기서, 수술자가 조작 레버(110)를 조작함에 의해 로봇 암(210)이 상응하는 방향으로 회전, 이동하는 등의 실제 제어 과정에 대한 구체적인 설명은 생략한다.Meanwhile, the slave robot 200 may include one or more robot arms 210. Generally, a robot arm has a function similar to a human arm and / or wrist, and means a device capable of attaching a predetermined tool to a wrist part. In the present specification, the robot arm 210 may be defined as a concept including both upper and lower components such as upper arm, lower arm, wrist, and elbow, and a surgical instrument coupled to the wrist. The robot arm 210 of the slave robot 200 may be configured to be driven with multiple degrees of freedom. For example, the robot arm 210 may include a surgical instrument inserted into a surgical site of a patient, a swinging drive unit that rotates the surgical instrument in a yaw direction according to a surgical position, a pitch direction , A pitch driving part for rotating the surgical instrument, a feed driving part for moving the surgical instrument in the longitudinal direction, a rotation driving part for rotating the surgical instrument, and a surgical instrument driving part installed at the end of the surgical instrument for cutting or cutting the surgical lesion. . However, the configuration of the robot arm 210 is not limited thereto, and it should be understood that these examples do not limit the scope of the present invention. Here, a detailed description of the actual control process, such as rotation and movement of the robot arm 210 in the corresponding direction by operating the operation lever 110 by the operator, will be omitted.

슬레이브 로봇(200)은 환자를 수술하기 위하여 하나 이상으로 이용될 수 있으며, 수술 부위가 디스플레이 부재(120)를 통해 화상 이미지로 표시되도록 하기 위한 복강경(220)은 독립된 슬레이브 로봇(200)으로 구현될 수도 있다. 또한, 앞서 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 복강경 이외의 다양한 수술용 내시경(예를 들어, 흉강경, 관절경, 비경 등)이 이용되는 수술들에 범용적으로 사용될 수 있다.
The slave robot 200 may be used more than once to perform a surgery on a patient and the laparoscope 220 for displaying a surgical site through a display member 120 as an image image may be implemented as an independent slave robot 200 It is possible. Further, as described above, the embodiments of the present invention can be widely used in surgeries in which a variety of surgical endoscopes other than laparoscopes (e.g., thoracoscopic, arthroscopic, non-circumferential, etc.) are used.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 구성을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.3 is a block diagram schematically showing the configuration of a master robot and a slave robot according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 마스터 로봇(100)은 영상 입력부(130), 화면 표시부(140), 사용자 조작부(150), 조작신호 생성부(160), 반력 제어부(170) 및 제어부(180)를 포함한다. 슬레이브 로봇(200)은 로봇 암(210) 및 복강경(220)을 포함한다. 3, the master robot 100 includes an image input unit 130, a screen display unit 140, a user operation unit 150, an operation signal generation unit 160, a reaction force control unit 170, and a control unit 180 do. The slave robot 200 includes a robot arm 210 and a laparoscope 220.

여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템(1)은 작업 중인 슬레이브 로봇(200)의 로봇 암(210)의 동작을 기 설정된 범위 내로 제한하기 위해, 사용자 조작부에 대해 로봇 암에서 감지된 반력을 일정 정도 변형 또는 증강시킨 소정의 반력을 가함으로써, 수술 중의 안전성을 향상시키는 것을 일 특징으로 한다. Here, the surgical robot system 1 according to an embodiment of the present invention may be configured to limit the operation of the robot arm 210 of the slave robot 200 in operation to a predetermined range, The present invention is characterized in that the safety during operation is improved by applying a predetermined reaction force in which the reaction force is deformed or augmented to a certain degree.

상세히, 마스터-슬레이브 구조의 수술 로봇 시스템에서, 작업 중인 슬레이브 로봇의 움직임 중 의도되지 아니한 움직임으로써 조직 및 장기 손상 등을 초래할 수 있는 오동작은 크게 두 가지 원인에 의해 발생한다. 첫 번째 원인은 제어 및 통신 등 시스템 자체 내의 오류로 인한 것이고, 두 번째 원인은 마스터 로봇을 통해 슬레이브 로봇을 조종하고 있는 수술자의 부주의한 혹은 미처 인식하지 못한 오동작이 그대로 슬레이브 로봇의 동작으로 전달됨으로 인한 것이다. 전자의 경우 시스템 자체의 안전성 강화를 위한 기술적 고려(예를 들어, 제어 시스템의 이중화, 통신오류 자동보정 체제, 전자기적 잡음에 대한 방지 대책 구현 등)에 의해 개선될 수 있을 것이다. 이에 반해, 후자의 경우는 시술자의 동작 중에 실제 시술자가 의도한 수술작업 동작과 시술자의 부주의로 인한 의도되지 않은 동작이 혼재되어 있기 때문에, 의도된 실제 수술 작업에 대한 지장을 최소화하는 가운데 오작동을 예방하기 위한 기제의 구현이 요청되었다. In detail, in a surgical robot system having a master-slave structure, a malfunction which may cause tissue or organ damage due to unintentional movement of a slave robot in operation is caused by two main causes. The first cause is due to errors in the system itself such as control and communication, and the second cause is the inadvertent or inadvertent malfunction of the operator who is manipulating the slave robot through the master robot. will be. In the former case, technical considerations for enhancing the safety of the system itself (for example, duplication of control systems, automatic correction of communication errors, implementation of countermeasures against electromagnetic noise, etc.) may be improved. On the contrary, in the latter case, since the operation operation intended by the practitioner and the unintended operation due to the carelessness of the operator are mixed during the operation of the practitioner, it is possible to prevent malfunction Implementation of a mechanism to do so has been requested.

이와 같이 시술자의 의도하지 않은 동작을 예방하기 위해, 가상 고정벽 (Virtual Fixture) 개념 및 원격현시(telepresence)를 위한 포스 피드백(force feedback) 개념이 제안되었다. In order to prevent the unintentional movement of the operator, a virtual fixture concept and force feedback concept for telepresence have been proposed.

먼저, 가상 고정벽이란 실제 존재하지 않으나 가상적으로 제한 영역 혹은 제한 경로를 설정하고, 로봇 암의 움직임이 설정된 영역이나 경로를 벗어나지 않도록, 제한하거나 가상의 반력을 주어 움직임을 방해하는 것이다. 예를 들어, 경계면에 가상의 벽(즉, virtual fixture)을 설정하고 그 경도(stiffness)(다시 말하면, 반력에 대한 가중치)를 임의로 주어, 로봇 암이 절대로 가상의 벽을 넘을 수 없게 하거나, 또는 로봇 암이 어느 정도 벽을 밀고 들어갈 수 있게 하되 실제보다 큰 힘을 주어야만 로봇 암을 조작할 수 있게 하는 등의 방식으로 로봇 암의 제어가 가능하게 한다. 이를 제어 원리의 면에서 살펴보면, 로봇 암에 부여되는 속도 명령에 가중치를 주는 것으로, 가중치가 1 혹은 단위행렬(identity matrix) 이면 일반적 제어에서와 같이 지정된 속도 명령을 로봇이 무조건 따르게 되며, 이 가중치 행렬을 여하히 조작하면 공간상의 특정 방향으로의 움직임에 대해 임의의 제한 조건을 주는 효과가 되어 가상 고정벽 효과를 얻는 것이다. First, the virtual fixed wall does not actually exist but virtually sets the restricted area or the restricted path, and restricts the movement of the robot arm so as not to deviate from the set area or the path, and gives a virtual reaction force to obstruct the movement. For example, a virtual wall (i.e., a virtual fixture) may be set at the interface and random stiffness (i.e., a weight for reaction force) may be arbitrarily set so that the robot arm never crosses a virtual wall, or It is possible to control the robot arm in such a manner as to allow the robot arm to push the wall to some extent but to allow the robot arm to be operated only by giving a force greater than the actual force. If the weight is 1 or an identity matrix, the robot is unconditionally followed by a speed command designated as in the general control. If the weight matrix is an identity matrix, The effect of giving an arbitrary restriction condition to the movement in a specific direction in space is obtained to obtain the virtual fixed wall effect.

한편, 마스터-슬레이브 구조 혹은 원격조종(teleoperation, telemanipulation) 구조의 로봇 시스템에서, 원격지의 슬레이브 로봇이 느끼는 반력을 마스터 로봇 측에서도 그대로 느끼게 해 주는 것, 혹은 보다 넓은 의미로 원격지 환경을 마스터 로봇 측에서 그대로 감각하게 해 주는 것을 총칭하여 원격현시(telepresence)라고 칭한다. 일반적으로 이와 같은 원격현시 제어에서 주된 목적은 '투명성 (transparency)'을 최대화하는 것, 즉 사용자가 원격지 느낌에 가장 가깝게 느끼게 하는 것을 목표로 한다. 수술 로봇의 경우에서는, 슬레이브 로봇이 작업 중 조직 혹은 주변 장기 등과 부딪히며 받게 되는 반력을 마스터 로봇 측에 최대한 투명하게 전달하는 것을 목표로 원격현시 기술이 구현된다. On the other hand, in a robot system of a master-slave structure or a telemanipulation structure, a reaction force felt by a slave robot at a remote location is felt on the side of the master robot, or in a wider sense, The senses are collectively referred to as telepresence. In general, the main purpose of such remote display control is to maximize "transparency," ie, to make the user feel closest to the remote feel. In the case of a surgical robot, the remote display technique is implemented with the aim of transmitting the reaction force received by the slave robot to the master robot in a transparent manner as much as possible when the slave robot hits the tissue or peripheral organs during operation.

이와 같은 원격현시 기술을 구현하기 위해 소위 포스 피드백 제어(force-feedback control)의 개념이 적용될 수 있다. 포스 피드백 제어(force-feedback control)의 기본 개념은, 슬레이브 로봇의 로봇 암의 첨부에서 센서 등으로 감지된 반력 값과 로봇 암의 첨부의 현재 위치 값을 마스터 로봇 측에 피드백하고, 마스터 로봇 측에서는 그 자체의 기구학적 구조를 감안하여 사용자가 상호작용하는 가장 말단에서 느끼게 되는 반력감이 슬레이브 로봇으로부터 피드백된 값과 최대한 유사하도록 제어하는 것이다. 일반적으로는 로컬에 로봇과 대상체가 함께 있을 때의 일반적 피드백 제어 구조를 확장하여, 로컬의 시스템과 원격지의 외부 환경이 서로 연결되어 피드백 제어구조가 되도록 하는, 소위 쌍방향 제어(bilateral control) 구조로 개념을 정의한다. 여기서, 반력 값을 측정하기 위한 센서는 슬레이브 로봇의 로봇 암의 첨부에 설치될 수도 있고, 또는 설치의 용이를 위해 로봇 암의 첨부로부터 일정 정도 이격된 위치에 설치되어 직접 또는 간접의 방법으로 반력 값을 측정할 수도 있을 것이다. The concept of so-called force-feedback control can be applied in order to implement such a remote display technique. The basic concept of force-feedback control is to feedback the reaction force value sensed by a sensor or the like and the present position value of the attachment of the robot arm to the side of the master robot in the attachment of the robot arm of the slave robot, Taking into account its own kinematic structure, the reaction force felt at the most distal end of the user interaction is controlled to be as close as possible to the feedback value from the slave robot. Generally, the general feedback control structure when a robot and an object are present together is extended, and a concept of a so-called bilateral control structure in which a local system and a remote environment of a remote place are connected to each other to become a feedback control structure . Here, the sensor for measuring the reaction force value may be attached to the robot arm of the slave robot, or may be installed at a position spaced apart from the attachment of the robot arm for easy installation, May be measured.

그런데, 이와 같이 시술자의 의도하지 않은 동작을 예방하기 위한 가상 고정벽 개념 및 포스 피드백 개념은 일정 부분 한계를 가진다. However, the virtual fixed wall concept and the force feedback concept for preventing unintentional movement of the operator have a certain limit.

상세히, 가상 고정벽 개념은 로봇의 동작 유도에 주안한 것으로, 특정 영역에의 침범 방지(보호 목적) 혹은 특정 영역으로부터의 이탈 방지(유도 목적)를 주목적으로 한다. 그러나, 로봇 수술에 있어서는 절대 침범 제한 영역 또는 이탈 방지 영역 등 고정된 제한 영역을 설정할 필요성도 있으나, 수술 작업이 이루어지고 있는 영역과 로봇 암의 동작 경로 상에서 안전한 작업을 수행하기 위해, 사용자가 수술 작업 중에 임의로 동작 제한 영역, 동작 제한 범위 또는 제한되어야 할 동작 등을 설정할 수 있도록 해야할 필요성이 존재한다. In detail, the virtual fixed wall concept is focused on induction of motion of a robot, and it mainly aims at prevention of invasion (protection purpose) in a specific area or prevention of departure from a specific area (induction purpose). However, in robotic surgery, it is necessary to set a fixed restricted area such as an absolute invasion restricted area or a departure-avoiding area. However, in order to perform a safe operation in the area where the operation is performed and the robot arm's operation path, There is a need to be able to arbitrarily set an operation restriction area, an operation restriction range, an operation to be restricted, and the like.

또한, 포스 피드백 기술은 투명한 원격현시감을 목적으로 하고, 이에 수반되어야할 제어의 안정성, 수렴성 보장 등에 대한 기술을 포함하고 있다. 그러나, 수술 로봇에서는 이러한 투명한 포스 피드백은 물론, 상기한 안전 기제 목적과 관련한 다양한 실제 수술 부위의 공간 환경 정보에 기반하되, 안전 동작을 위한 가상 장치나 환경 요소가 부가된 증강현실 형태의 가상 환경과의 상호작용을 위한 반력제어를 포함하는 포스 피드백기술로 확장될 필요가 있다. In addition, force feedback technology is aimed at transparent remote presence, and includes techniques for control stability, convergence guarantee, and so on. However, in the surgical robot, not only the transparent force feedback but also the virtual environment of the augmented reality type based on the spatial environment information of various actual surgery sites related to the above-mentioned purpose of the safety mechanism, Feedback control, which includes reaction force control for interaction with the force feedback mechanism.

즉, 사용자에 의해 임의 설정된 공간상 제한 영역의 구현이나, 슬레이브 로봇의 로봇 암에서 검출하는 반력에 대한 투명한 피드백에서 더욱 확장시켜, 수술 작업 중의 상황과 필요에 적응적이고 효율적으로 대응할 수 있도록, 내시경 영상으로부터 3차원 공간 정보를 인식하여 이와 연동시킨 증강현실 공간과의 상호작용이라는 포괄적 개념에서의 접근이 필요하다.That is, in order to adaptively and efficiently cope with the situation and necessity during the surgical operation by expanding from the implementation of the space limitation area arbitrarily set by the user or the transparent feedback on the reaction force detected by the robot arm of the slave robot, And the interaction with the augmented reality space in which the three - dimensional spatial information is recognized.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템(1)은 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역 내에서 동작하거나, 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역에 대해 인입, 인출 또는 접근하거나, 또는 로봇 암이 기 설정된 소정의 동작을 수행할 경우, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행하는 것을 일 특징으로 한다. 여기서, 소정의 반력이란 로봇 암에서 감지된 실제의 반력이 아니라, 로봇 암에서 감지된 반력을 일정 정도 변형 또는 증강시킨 반력을 의미하며, 이와 같이 일정 정도 변형 또는 증강된 반력이 사용자에게 주어짐으로써, 사용자의 주의를 환기하여 수술 중 안전성을 향상시키는 것이다. For this purpose, the surgical robot system 1 according to an embodiment of the present invention is configured to operate the robot arm such that the robot arm operates within a predetermined area, or the robot arm moves in, out, or approaches a predetermined area, And performs a force feedback function to apply a predetermined reaction force to the operation of the user's operation unit when the arm performs predetermined predetermined operations. Here, the predetermined reaction force refers not to the actual reaction force sensed by the robot arm, but to a reaction force that deforms or augments the reaction force sensed by the robot arm to a certain degree. The reaction force that is deformed or augmented to a certain degree is given to the user, And to improve the safety during surgery by drawing attention of the user.

다시 도 3을 참조하여 마스터 로봇(100)의 각 구성 요소를 상세히 설명한다. Referring again to FIG. 3, each component of the master robot 100 will be described in detail.

영상 입력부(130)는 슬레이브 로봇(200)의 복강경(220)에 구비된 카메라를 통해 촬영된 영상을 유선 또는 무선 통신망을 통해 수신한다.The image input unit 130 receives an image photographed through a camera provided in the laparoscope 220 of the slave robot 200 through a wired or wireless communication network.

화면 표시부(140)는 영상 입력부(130)를 통해 수신된 영상에 상응하는 화상 이미지를 시각(視覺)적 정보로 출력한다. 또한, 화면 표시부(140)는 슬레이브 로봇(200)으로부터 피시술자의 생체 정보가 입력되는 경우, 이에 상응하는 정보를 더 출력할 수 있다. 또한, 화면 표시부(140)는 수술 부위에 대한 환자의 관련 이미지 데이터(예를 들어, 엑스-레이(X-Ray) 영상, 컴퓨터단층촬영(CT) 영상, 자기공명영상촬영(MRI) 영상 및 상기 컴퓨터단층촬영(CT) 영상 데이터에 기반하여 재구성된 3차원 영상 자료 또는 수치화된 모델 등)를 더 출력할 수도 있다. 여기서, 화면 표시부(140)는 디스플레이 부재(도 2의 120 참조) 등의 형태로 구현될 수 있으며, 수신된 영상이 화면 표시부(140)를 통해 화상 이미지로 출력되도록 하기 위한 영상 처리 프로세스가 제어부(180), 반력 제어부(170) 또는 영상 처리부(도시되지 않음)에 의해 수행될 수 있다.The screen display unit 140 outputs visual images corresponding to the images received through the image input unit 130 as visual information. In addition, when biometric information of the subject is input from the slave robot 200, the screen display unit 140 can output more information corresponding to the biometric information. The screen display unit 140 may display the patient's related image data (for example, an X-ray image, a computed tomography (CT) image, a magnetic resonance imaging (MRI) A reconstructed three-dimensional image data or a numerical model based on computed tomography (CT) image data). Here, the screen display unit 140 may be implemented in the form of a display member (see 120 in FIG. 2), and an image processing process for causing the received image to be output as an image image through the screen display unit 140 may be performed by a control unit 180, a reaction force control unit 170, or an image processing unit (not shown).

여기서, 화면 표시부(140)(즉, 도 2의 디스플레이 부재(120))는 입체 디스플레이 장치로 구비될 수도 있다. 상세히, 입체 디스플레이 장치는 스테레오스코픽(stereoscopic) 기술을 적용하여 2차원 영상에 깊이(depth) 정보를 부가하고, 이 깊이 정보를 이용하여 관찰자가 3차원의 생동감과 현실감을 느낄 수 있게 하는 화상표시장치를 지칭한다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템(1)은 화면 표시부로 입체 디스플레이 장치를 구비하여 사용자에게 보다 실제적인 가상환경을 제공할 수 있다. Here, the screen display unit 140 (i.e., the display member 120 of FIG. 2) may be provided as a stereoscopic display device. In detail, the stereoscopic display device applies depth information to a two-dimensional image by applying a stereoscopic technique, and uses an image display device (not shown) to allow the observer to feel three- Quot; Herein, the surgical robot system 1 according to an embodiment of the present invention includes a stereoscopic display device as a screen display unit, thereby providing a more realistic virtual environment to a user.

사용자 조작부(150)는 슬레이브 로봇(200)의 로봇 암(210)의 위치 및 기능을 수술자가 조작할 수 있도록 하는 수단이다. 사용자 조작부(150)는 도 2에 예시된 바와 같이 핸들 형상의 조작 부재(도 2의 110 참조) 형태로 형성될 수 있으나, 그 형상이 이에 제한되지 않으며 동일한 목적 달성을 위한 다양한 형상으로 변형 구현될 수 있다. 또한, 예를 들어 일부는 핸들 형상으로, 다른 일부는 클러치 버튼 등의 상이한 형상으로 형성될 수도 있으며, 수술도구의 조작을 용이하도록 하기 위해 수술자의 손가락을 삽입 고정할 수 있도록 하는 손가락 삽입관 또는 삽입 고리가 더 형성될 수도 있다.The user manipulation unit 150 is a means for allowing an operator to manipulate the position and function of the robot arm 210 of the slave robot 200. 2, the user operation unit 150 may be formed in the form of a handle-like operating member (see 110 in FIG. 2), but the shape is not limited thereto and may be modified into various shapes for achieving the same purpose . Further, for example, a part of the finger may be formed in a handle shape and the other part may be formed in a different shape such as a clutch button, and a finger insertion tube or insertion More rings may be formed.

또한, 사용자 조작부(150)는 반력 제어부(170) 및 이와 연결된 제어부(180)의 제어 하에, 사용자로부터 입력되는 조작에 대해 소정의 반력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 사용자 조작부(150)를 파지한 상태에서 사용자 조작부(150)를 일정 방향으로 밀 경우, 사용자 조작부(150)는 상기 사용자가 미는 방향의 반대 방향으로 일정한 크기의 반력을 제공할 수 있다. 결과적으로 사용자는 사용자 조작부(150)를 조작하기 위하여 평소보다 더 큰 힘을 가하여야 하며, 이를 통해 사용자의 오작동 가능성에 대한 주의를 환기시킬 수 있는 것이다. The user operation unit 150 may provide a predetermined reaction force to the operation input by the user under the control of the reaction force control unit 170 and the control unit 180 connected thereto. For example, when the user grasps the user manipulation part 150 and the user manipulation part 150 is pushed in a certain direction, the user manipulation part 150 provides a reaction force of a certain magnitude in a direction opposite to the direction in which the user pushes the manipulation part 150 . As a result, the user must exert a greater force than usual in order to operate the user's operating unit 150, and this can draw attention to the possibility of malfunction of the user.

또는 사용자 조작부(150)는 반력 제어부(170) 및 이와 연결된 제어부(180)의 제어 하에, 사용자로부터 입력되는 조작에 대한 소정의 알람(alarm) 메시지를 발산할 수도 있다. 예를 들어, 사용자가 사용자 조작부(150)를 파지한 상태에서 사용자 조작부(150)를 조작하여 로봇 암(210)이 소정의 침범 제한 영역 내로 침입하게 될 경우, 사용자 조작부(150)는 소정의 알람(alarm) 메시지를 발산할 수 있으며, 이를 통해 사용자의 오작동 가능성에 대한 주의를 환기시킬 수 있는 것이다. Or the user operating unit 150 may emit a predetermined alarm message for the operation input by the user under the control of the reaction force control unit 170 and the control unit 180 connected thereto. For example, when the user manipulates the user's operation unit 150 while the user grasps the user's operation unit 150 and the robot arm 210 enters the predetermined restricted area, the user's operation unit 150 may generate a predetermined alarm the user can divert an alarm message to the user and thereby alert the user of the possibility of malfunction.

조작신호 생성부(160)는 로봇 암(210) 및/또는 복강경(220)의 위치 이동 또는 수술 동작에 대한 조작을 위해 수술자가 사용자 조작부(150)를 조작하는 경우, 이에 상응하는 조작신호를 생성하여 슬레이브 로봇(200)으로 전송한다. 조작신호는 유선 또는 무선 통신망을 통해 송수신될 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.The operation signal generating unit 160 generates an operation signal corresponding to the operation of the user operation unit 150 by the operator in order to move the robot arm 210 and / or the laparoscope 220, And transmits it to the slave robot 200. The operation signal can be transmitted and received through a wired or wireless communication network as described above.

반력 제어부(170)는 로봇 암(210)이 기 설정된 소정의 영역 내에서 동작하거나, 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역에 대해 인입, 인출 또는 접근하거나, 또는 로봇 암이 기 설정된 소정의 동작을 수행할 경우, 사용자 조작부(150)의 조작에 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행한다. 반력 제어부(170)의 구체적인 기능, 다양한 세부 구성 등은 이후 관련 도면을 참조하여 상세히 설명한다. The reaction force control unit 170 controls the reaction force of the robot arm 210 so that the robot arm 210 is operated within a predetermined area or the robot arm is moved in, out, or approach a predetermined region, or the robot arm performs predetermined operations A force feedback function for applying a predetermined reaction force to the operation of the user operation unit 150 is performed. Specific functions, various detailed configurations, and the like of the reaction force control unit 170 will be described in detail with reference to related drawings hereinafter.

제어부(180)는 상술한 기능이 수행될 수 있도록 각 구성 요소들의 동작을 제어한다. 제어부(180)는 영상 입력부(130)를 통해 입력되는 영상이 화면 표시부(140)를 통해 표시될 화상 이미지로 변환하는 기능을 수행할 수도 있다. 또한, 제어부(180)는 영상 입력부(130)에서 입력되는 영상을 반력 제어부(170)에 전달하고, 반력 제어부(170)에서 생성된 동작 구현 신호를 실행하는 역할을 수행할 수도 있다.
The control unit 180 controls the operation of each component so that the above-described functions can be performed. The control unit 180 may convert the image input through the image input unit 130 into an image to be displayed through the screen display unit 140. The control unit 180 may also transmit the image input from the image input unit 130 to the reaction force control unit 170 and execute the operation implementation signal generated by the reaction force control unit 170. [

이하에서는 반력 제어부(170)의 구성 및 기능에 대하여 더욱 상세히 설명하도록 한다. 상술한 바와 같이, 반력 제어부(170)는 로봇 암(210)이 기 설정된 소정의 영역 내에서 동작하거나, 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역에 대해 인입, 인출 또는 접근하거나, 또는 로봇 암이 기 설정된 소정의 동작을 수행할 경우, 사용자 조작부(150)의 조작에 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행한다. Hereinafter, the configuration and functions of the reaction force control unit 170 will be described in more detail. As described above, the reaction force control unit 170 controls the reaction force of the robot arm 210 so that the robot arm 210 is operated within a predetermined area or the robot arm is drawn in, drawn out, or approached to a preset predetermined area, And performs a force feedback function to apply a predetermined reaction force to the operation of the user operation unit 150 when performing a predetermined operation.

먼저, 반력 제어부(170)는 로봇 암(210)이 기 설정된 소정의 영역 내에서 동작할 경우, 사용자 조작부(150)의 조작에 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행한다. 여기서 포스 피드백(force feedback) 기능이란, 로봇 암(210) 단부나 또는 이로부터 일정 정도 이격된 위치에 구비된 촉각센서(미도시)로부터 수신된 신호 등에 따라 조작 레버(도 2의 110 참조)와 같은 사용자 조작부(150)의 조작에 대해 반력이 가해지도록 함으로써, 의사가 손으로 시술할 때의 느낌을 재현하도록 하는 기능을 의미한다. 즉, 기구를 조작하는 측에 그 조작 결과를 힘의 정보로 되돌려 보내는 기능이나 그 기능을 이용한 시스템을 의미하며, 이와 같은 포스 피드백(force feedback) 기능을 이용하여 마치 의사가 직접 손으로 시술하는 것과 같은 느낌이 재현되도록 할 수 있다.First, the reaction force control unit 170 performs a force feedback function to apply a predetermined reaction force to the operation of the user operation unit 150 when the robot arm 210 operates within a predetermined predetermined area. Here, the force feedback function refers to an operation lever (see 110 in Fig. 2) and a signal from a tactile sensor (not shown) provided at the end of the robot arm 210 or a predetermined distance therefrom And a reaction force is applied to the operation of the same user operation unit 150 to thereby reproduce the feeling when the doctor performs the operation with the hand. In other words, this means a function of returning the result of the operation back to the information of the force to the side of operating the mechanism, or a system using the function. Such a force feedback function can be used to perform a manual operation The same feeling can be reproduced.

여기서, 기 설정된 소정의 영역은 수술 부위 전체일 수 있다. 즉, 반력 제어부(170)는 로봇 암(210)의 모든 동작에 대해서 사용자 조작부(150)의 조작에 소정의 반력을 가하도록 제어할 수 있는 것이다. 이와 같이 기 설정된 소정의 영역이 수술 부위 전체일 경우, 사용자는 고중력 모드 또는 고마찰력 모드를 설정할 수 있다. Here, the predetermined region may be the entire surgical site. That is, the reaction force control unit 170 can control the robot arm 210 to apply a predetermined reaction force to the operation of the user operation unit 150 with respect to all operations of the robot arm 210. When the predetermined region is the entire operation region, the user can set the high gravity mode or the high friction mode.

이중 고중력 모드란, 수술도구가 실제보다 무겁게 느껴지게 하여 수술자가 보다 주의 깊게 동작을 취하도록 하는 기능을 의미한다. 이때, 사용자 조작부에 가해지는 추가 반력은 중력 방향에 한하고, 반력의 크기는 수술도구의 중량과 자세에 따른다. The dual high gravity mode means that the surgical tool feels heavier than it actually is, thus allowing the operator to take more careful action. At this time, the additional reaction force applied to the user manipulation unit is limited to the direction of gravity, and the magnitude of the reaction force depends on the weight and posture of the surgical tool.

여기서, 고중력 모드에서의 중력 방향은 실제의 중력 방향(일반적으로, 디스플레이 부재(120)의 수직 하방)일 수 있다. 또는, 고중력 모드에서의 중력 방향은 디스플레이 부재(120)에 표시된 화면 상에서의 중력 방향일 수도 있다. 상세히, 실제 중력 방향과 디스플레이 부재를 통해 사용자가 인지하는 중력 방향이 서로 상이할 수도 있다. 예를 들어, 사용자가 수술 부위의 영상을 촬영하는 복강경(220)을 회전시키면, 디스플레이 부재(120)에 표시되는 화면도 회전할 것이며, 따라서 실제의 중력 방향과 디스플레이 부재(120) 상에 표시되는 화면 상에서의 중력 방향이 서로 달라질 수 있다. 이 경우, 디스플레이 부재(120)에 소정의 중력 방향 표시 마크를 표시해두고, 디스플레이 부재(120)에 표시되는 화면이 회전함에 따라 중력 방향 표시 마크 함께 회전하도록 하며, 이 중력 방향 표시 마크 방향으로 추가 반력이 주어지도록 사용자 조작부(150)를 제어할 수도 있다. 또한, 사용자가 고중력 모드에서의 추가 반력의 방향을 실제의 중력 방향이 아닌 다른 방향(예를 들면, 중력의 반대 방향)으로 임의로 설정하고자 할 수도 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에서 고중력 모드에서의 중력 방향은 실제의 중력 방향과, 디스플레이 부재(120)에 표시된 화면 상에서의 중력 방향과, 사용자가 임의로 설정한 가상의 중력 방향을 모두 포함하는 것으로 정의할 수 있을 것이다. Here, the gravitational direction in the high gravity mode may be the actual gravity direction (generally, vertically below the display member 120). Alternatively, the gravitational direction in the high gravity mode may be the gravitational direction on the screen displayed on the display member 120. In detail, the actual gravity direction and the gravity direction recognized by the user through the display member may be different from each other. For example, when the user rotates the laparoscope 220 that captures an image of the surgical site, the screen displayed on the display member 120 will also rotate, and therefore, The directions of gravity on the screen can be different from each other. In this case, a predetermined gravitational direction display mark is displayed on the display member 120, the gravitational direction display mark is rotated together with the screen displayed on the display member 120, and the additional reaction force The user operation unit 150 may be controlled so as to be provided with the user. Further, the user may desire to arbitrarily set the direction of the additional reaction force in the high gravity mode in a direction other than the direction of the actual gravity (for example, the opposite direction of gravity). Thus, the gravitational direction in the high gravity mode herein can be defined as including both the actual gravitational direction, the gravitational direction on the screen displayed on the display member 120, and the imaginary gravitational direction arbitrarily set by the user There will be.

한편, 고마찰력 모드란, 마치 얕은 수중 공간에 있거나 부드러운 진흙 속에 있는 물체를 다루는 듯한 느낌을 주는 기능을 의미한다. 즉, 수술자가 보다 힘을 많이 들여 주의 깊게 동작을 수행하도록 하는 모드이며, 사용자 조작부에 가해지는 추가 반력은 동작의 진행 방향에 대해 3차원 상에서의 반력이 되며, 이때 반력의 크기는 임의의 비례 인자 또는 임의의 함수로 지정할 수 있다. 여기서 마찰력은 속도에 비례하는 관성력과는 구별되어야하는 개념으로, 감속은 쉽게 하고 가속만 어렵게 하여, 정지동작은 민첩하나 적극적 조작을 가하기 위한 가속운동만 제한을 가하는 개념이다. 다시 말하면, 고마찰력 모드란 로봇 암(210)의 가속 동작에는 사용자 조작부(150)에 가해지는 반력을 기준값 보다 크게 부여하고, 로봇 암(210)의 감속 동작에는 사용자 조작부(150)에 가해지는 반력을 기준값과 같거나 기준값 보다 작게 부여하는 기능을 의미한다. On the other hand, the high frictional force mode is a function that gives a feeling of being in a shallow underwater space or treating an object in soft mud. That is, the operation mode is a mode in which the operator performs a more careful operation with a lot of force, and the additional reaction force applied to the user manipulation unit becomes a reaction force in the three-dimensional direction with respect to the movement direction of the operation, Or any function. Here, the concept of frictional force must be distinguished from the inertial force proportional to the speed. It is a concept that makes the deceleration easy and makes it difficult to accelerate, and restricts only the acceleration movement for agile but aggressive operation. In other words, in the high frictional force mode, the reaction force applied to the user manipulation part 150 is set to be larger than the reference value in the acceleration operation of the robot arm 210, and the reaction force applied to the user manipulation part 150 Is equal to or smaller than the reference value.

한편, 기 설정된 소정의 영역은 마스터 로봇에서 자동으로 인식하거나 또는 사용자에 의해 지정된 특정 영역일 수 있다. On the other hand, the predetermined area may be automatically recognized by the master robot or may be a specific area designated by the user.

먼저, 제어부(180)는 복강경(220)으로부터 촬영된 수술 부위의 영상으로부터 자동으로 각종 조직 및 장기의 위치와 경계를 산출함으로써, 작동영역이 자동으로 지정되도록 할 수도 있다. First, the control unit 180 may automatically specify the operation region by calculating positions and boundaries of various tissues and organs from the image of the surgical site photographed from the laparoscope 220. [

다시 말하면, 복강경에서 촬영된 영상이 디스플레이 부재를 통해 출력되는 화면 표시 형태를 나타내는 도면인 도 5에 도시된 바와 같이, 슬레이브 로봇(200)의 복강경(220)에 구비된 카메라를 통해 촬영된 영상은 마스터 로봇(100)의 영상 입력부(130)를 통해 디스플레이 부재(120)에 출력된다. 이때, 도 6에 굵은 실선(HL)으로 표시된 바와 같이, 마스터 로봇(100)의 제어부(180)는 상기 영상을 이미지 프로세싱하여 자동으로 각종 조직 및 장기의 위치와 경계를 산출하여, 이를 디스플레이 부재(120)에 디스플레이할 수 있다. 5, which is a diagram showing a screen display mode in which an image photographed by a laparoscope is output through a display member, an image photographed through a camera provided in the laparoscope 220 of the slave robot 200 And is output to the display member 120 through the image input unit 130 of the master robot 100. 6, the control unit 180 of the master robot 100 performs image processing on the image, automatically calculates the positions and boundaries of various tissues and organs, and outputs it to a display member (not shown) 120).

이때, 제어부(180)는 산출된 모든 조직 및 장기 영역에 대해 사용자 조작부(150)의 조작에 소정의 반력을 가하도록 반력 제어부(170)를 제어할 수도 있다. At this time, the control unit 180 may control the reaction force control unit 170 to apply a predetermined reaction force to the operation of the user operation unit 150 for all the calculated tissue and organ area.

또는 제어부(180)는 도 6과 같이 디스플레이 부재 상에 산출된 모든 조직 및 장기 영역이 표시된 상태에서, 사용자가 상기 디스플레이 부재 상에 표시된 조직 및 장기 영역 중 실제보다 큰 반력을 가하고 싶은 조직 및 장기만을 터치 등의 방법으로 선택하여, 상기 선택된 조직 및 장기 영역에 대해서만 사용자 조작부(150)의 조작에 소정의 반력을 가하도록 반력 제어부(170)를 제어할 수도 있다. Alternatively, the control unit 180 may display only the tissues and organs to which the user wants to apply a reaction force larger than the actual one of the tissue and organ parts displayed on the display member, in a state where all the tissues and organ parts calculated on the display member are displayed, Touch, or the like, and controls the reaction force control unit 170 to apply a predetermined reaction force to the operation of the user operation unit 150 only for the selected tissue or organ area.

또는 도 7에 도시된 바와 같이, 디스플레이 부재 상에 사용자가 임의로 구, 입방체, 실린더와 같은 3차원 입체 도형 모양(DL)을 그려서, 상기 그려진 도형 내부의 영역에 대해서만 사용자 조작부(150)의 조작에 소정의 반력을 가하도록 반력 제어부(170)를 제어할 수도 있다. 7, the user arbitrarily draws a three-dimensional solid figure DL such as a sphere, a cube, or a cylinder on the display member so that only the area inside the drawn figure can be manipulated by the operation of the user manipulation part 150 The reaction force control unit 170 may be controlled to apply a predetermined reaction force.

한편, 마스터 로봇에서 자동으로 인식하거나 또는 사용자에 의해 지정된 소정의 영역에 대하여 사용자 조작부(150)의 조작에 소정의 반력을 가하도록 제어할 경우, 사용자는 고중력 모드, 고마찰력 모드 또는 배수 강화 모드를 설정할 수 있다. 여기서, 고중력 모드 및 고마찰력 모드는 상기에서 설명한 바와 동일한 모드이다. On the other hand, when the master robot automatically recognizes or controls the user operation unit 150 to apply a predetermined reaction force to a predetermined area designated by the user, the user may select a high gravity mode, a high friction mode, Can be set. Here, the high gravity mode and the high frictional force mode are the same modes as described above.

그리고, 배수 강화 모드란 슬레이브 로봇에서 측정 혹은 추정된 반력을 일정 배수로 증가시킨 값을 마스터 로봇에 피드백시키는 모드이다. 즉, 작업이 없는 공간을 이동할 때에는 동작에 제한이 없고(즉, 사용자 조작부에 추가적인 반력을 가하지 않고), 상대 물체와 상호 작용이 있는 경우(예를 들어, 로봇 암이 특정 조직 또는 장기 등에 접촉하였을 경우)에만 실제보다 조작에 힘을 많이 요하게 하여, 수술자의 주의를 환기시키는 모드이다. 나아가, 이와 같은 배수 강화 모드에서도 특정 영역 혹은 특정 조직 부위나 장기에 대해 반력의 가중치를 다르게 지정하여, 주의 깊은 조작을 요하는 영역 또는 부위에 대해서만 효과를 강조하도록 할 수도 있다. The drainage enhancement mode is a mode in which a value obtained by increasing or decreasing the reaction force measured or estimated by the slave robot is fed back to the master robot. In other words, there is no limitation in the operation when moving a space without work (i.e., the robot does not have any additional reaction force to the user's manipulation part) and interacts with the object (for example, , It is a mode for attracting the operator's attention by requiring a lot of operation force than the actual operation. Furthermore, even in such drainage enhancement mode, the weight of the reaction force may be differently assigned to a specific region or a specific tissue region or organ, so that the effect can be emphasized only on a region or region requiring careful manipulation.

한편, 반력 제어부(170)는 로봇 암(210)이 기 설정된 소정의 동작을 수행할 경우, 사용자 조작부(150)의 조작에 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행한다. 이를 동작 제한 모드라 정의한다. The reaction force control unit 170 performs a force feedback function to apply a predetermined reaction force to the operation of the user operation unit 150 when the robot arm 210 performs predetermined predetermined operations. This is defined as the operation restriction mode.

상세히, 동작 제한 모드는 로봇 암(210)의 동작의 경로에 따라 로봇 암(210)의 동작을 제한하는 모드이다. 상술한 바와 같이 로봇 암(210)이 기 설정된 소정의 영역 내에서 동작할 경우에는, 로봇 암(210)이 작업하는 공간을 기준으로 반력을 계산해 내는 것이나, 이 모드에서는 로봇 암(210)의 동작 자체의 경로로부터 추출한 정보에 기반하여 로봇 암(210)에 제한 반력을 가하는 것이다. 즉, 제어부(180)는 사용자의 조종에 따라 움직이고 있는 로봇 암(210)의 첨부의 위치 및 속도의 최근 일정시간(대략 수십 밀리 초에서 수 초 정도 사이) 동안의 경로(trajectory), 다시 말하면 로봇 암(210)의 첨부의 변화 과정 추이를 관찰한다. 그리고, 이로부터 현재 주된 작업이 이루어지고 있는 영역을 파악한 후, 이 작업 영역으로부터 멀어질 때는 그 멀어지는 정도에 따라 임의의 배가된 반력을 주거나, 또는 동작이 급하게 가속될 때는 임의로 가속을 제한하는 반력을 가하도록 반력 제어부(170)를 제어할 수도 있다. 이와 같은 본 발명에 의해서, 수술자가 디스플레이 부재(120) 상에 표시되는 영역에 집중하고, 속도 면에서 급가감속이 없는, 효율적이고 안정된 작업 동작을 취하도록 유도해 주는 것이다.In detail, the operation restriction mode is a mode for restricting the operation of the robot arm 210 according to the path of the operation of the robot arm 210. In the case where the robot arm 210 operates in a predetermined area as described above, the reaction force is calculated on the basis of the space in which the robot arm 210 works, but in this mode, And applies a limiting reaction force to the robot arm 210 based on information extracted from its own path. That is, the control unit 180 controls a trajectory for a recent predetermined time (approximately several tens of milliseconds to several seconds) of the attached position and speed of the moving robot arm 210 according to the user's manipulation, Observe the change process of the attachment of the arm 210. Then, after grasping the area where the main work is currently performed, when the work area is far from the work area, it is given a reaction force which is doubled according to the distance from the work area, or a reaction force that arbitrarily restricts the acceleration when the operation is rapidly accelerated The reaction force control unit 170 may be controlled. According to the present invention as described above, the operator concentrates on the area displayed on the display member 120, and induces an efficient and stable work operation without a rapid deceleration in terms of speed.

이와 같은 본 발명에 의해서, 수술자의 수술 작업에 대한 방해를 최소화하면서도, 수술 중 수술자의 의도하지 않은 오동작으로 인한 사고나 위해를 미리 방지하는 효과를 얻을 수 있다. 나아가, 본 발명의 동작 제한 모드를 사용하여, 수술자의 수술 동작을 보다 효율적인 형태로 개선하는 훈련의 효과를 얻을 수도 있을 것이다.
According to the present invention, it is possible to obtain an effect of preventing an accident or a harm caused by an unintentional malfunction of a surgical operator during surgery while minimizing disturbance to a surgical operation of the operator. Further, by using the operation restriction mode of the present invention, it is possible to obtain the effect of training to improve the operative operation of the operator in a more efficient form.

이하에서는 관련 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템의 제어 방법에 대해 설명한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템의 제어 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. Hereinafter, a method of controlling a surgical robot system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to related drawings. 7 is a flowchart schematically showing a control method of a surgical robot system according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템의 제어 방법은 슬레이브 로봇(200)의 복강경(220)을 통해 촬영되는 영상이 마스터 로봇(100)의 디스플레이 부재(120) 상에 디스플레이되는 단계(S110 단계), 로봇 암(210)이 기 설정된 소정의 영역 내에서 동작하거나, 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역에 대해 인입, 인출 또는 접근하거나, 또는 로봇 암이 기 설정된 소정의 동작을 수행하는지 여부를 판단하는 단계(S120 단계) 및 로봇 암(210)이 기 설정된 소정의 영역 내에서 동작하거나 또는 기 설정된 소정의 동작을 수행할 경우, 사용자 조작부(110)의 조작에 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행하는 단계(S130 단계)를 포함한다. 7, an image captured through the laparoscope 220 of the slave robot 200 is displayed on the display member 120 of the master robot 100. In the control method of the surgical robot system according to the embodiment of the present invention, (Step S110), the robot arm 210 is operated within a predetermined area, or the robot arm moves in, out, or approaches a predetermined area, or the robot arm moves to a predetermined motion (Step S120). When the robot arm 210 is operated within a preset predetermined area or performs predetermined predetermined operations, it is determined whether or not a predetermined reaction force And performing a force feedback function to apply a force feedback function (step S 130).

먼저, 슬레이브 로봇(200)의 복강경(220)을 통해 촬영되는 영상이 마스터 로봇(100)의 디스플레이 부재(120) 상에 디스플레이(S110 단계)된다. 이와 같이 복강경(220)에서 촬영된 영상이 디스플레이 부재(120)를 통해 출력되는 화면 표시 형태가 도 4에 도시되어 있다. First, an image photographed through the laparoscope 220 of the slave robot 200 is displayed on the display member 120 of the master robot 100 (step S110). A screen display mode in which an image photographed by the laparoscope 220 is output through the display member 120 is shown in FIG.

다음으로, 로봇 암(210)이 기 설정된 소정의 영역 내에서 동작하거나, 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역에 대해 인입, 인출 또는 접근하거나, 또는 로봇 암이 기 설정된 소정의 동작을 수행하는지 여부를 판단(S120 단계)한다. 상기 판단 결과, 로봇 암(210)이 기 설정된 소정의 영역 내에서 동작하거나, 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역에 대해 인입, 인출 또는 접근하거나, 또는 기 설정된 소정의 동작을 수행할 경우, 사용자 조작부(110)의 조작에 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행(S130 단계)한다. Next, it is determined whether the robot arm 210 is operating within a predetermined area or whether the robot arm is pulled in, pulled out, or approached for a predetermined area, or whether the robot arm performs predetermined predetermined operations (Step S120). As a result of the determination, when the robot arm 210 operates within a predetermined area, or when the robot arm moves in, out, approaches, or performs a preset predetermined operation, A force feedback function for applying a predetermined reaction force to the operation of the operation unit 110 is performed in step S130.

여기서, 기 설정된 소정의 영역은 수술 부위 전체일 수도 있고, 또는 기 설정된 소정의 영역은 마스터 로봇에서 자동으로 인식하거나 또는 사용자에 의해 지정된 특정 영역일 수도 있다. Here, the predetermined area may be the entire operation site, or a predetermined area may be automatically recognized by the master robot or may be a specific area designated by the user.

기 설정된 소정의 영역은 수술 부위 전체일 경우, 반력 제어부(170)는 로봇 암(210)의 모든 동작에 대해서 사용자 조작부(150)의 조작에 소정의 반력을 가하도록 제어할 수 있는 것이다. 이와 같이 기 설정된 소정의 영역이 수술 부위 전체일 경우, 사용자는 고중력 모드 또는 고마찰력 모드를 설정할 수 있다. 여기서, 고중력 모드 및 고마찰력 모드는 위에서 상세히 설명하였으므로, 여기서는 그 상세한 설명은 생략하도록 한다. The reaction force control unit 170 can control the robot arm 210 to apply a predetermined reaction force to the operation of the user operation unit 150 when the predetermined region is the entire operation region. When the predetermined region is the entire operation region, the user can set the high gravity mode or the high friction mode. Here, since the high gravity mode and the high frictional force mode have been described in detail above, detailed description thereof will be omitted here.

한편, 기 설정된 소정의 영역은 마스터 로봇에서 자동으로 인식하거나 또는 사용자에 의해 지정된 특정 영역일 경우, 반력 제어부(170)는 로봇 암(210)이 상기 특정 영역 내에서 수행하는 동작에 대해서만 사용자 조작부(150)의 조작에 소정의 반력을 가하도록 제어할 수 있는 것이다. 이와 같이 기 설정된 소정의 영역이 마스터 로봇에서 자동으로 인식하거나 또는 사용자에 의해 지정된 특정 영역일 경우, 사용자는 고중력 모드, 고마찰력 모드 또는 배수 강화 모드를 설정할 수 있다. 여기서, 고중력 모드, 고마찰력 모드 및 배수 강화 모드는 위에서 상세히 설명하였으므로, 여기서는 그 상세한 설명은 생략하도록 한다. On the other hand, when the preset predetermined area is automatically recognized by the master robot or is a specific area designated by the user, the reaction force control unit 170 controls the robot arm 210 to move only the operation performed within the specific area by the user operation unit 150 so that a predetermined reaction force is exerted on the operation of the control device. In the case where the preset predetermined area is automatically recognized by the master robot or is a specific area designated by the user, the user can set a high gravity mode, a high friction mode, or a multiple reinforcement mode. Here, since the high gravity mode, the high frictional force mode, and the multiple reinforcement mode have been described in detail above, detailed description thereof will be omitted here.

이때, 제어부(180)는 복강경(220)으로부터 촬영된 수술 부위의 영상으로부터 자동으로 각종 조직 및 장기의 위치와 경계를 산출하고, 산출된 모든 조직 및 장기 영역에 대해 사용자 조작부(150)의 조작에 소정의 반력을 가하도록 반력 제어부(170)를 제어할 수도 있다. 또는 디스플레이 부재 상에 산출된 모든 조직 및 장기 영역이 표시된 상태에서, 사용자가 상기 디스플레이 부재 상에 표시된 조직 및 장기 영역 중 실제보다 큰 반력을 가하고 싶은 조직 및 장기만을 터치 등의 방법으로 선택하여, 상기 선택된 조직 및 장기 영역에 대해서만 사용자 조작부(150)의 조작에 소정의 반력을 가하도록 반력 제어부(170)를 제어할 수도 있다. 또는 디스플레이 부재 상에 사용자가 임의로 구, 입방체, 실린더와 같은 3차원 입체 도형 모양을 그려서, 상기 그려진 도형 내부의 영역에 대해서만 사용자 조작부(150)의 조작에 소정의 반력을 가하도록 반력 제어부(170)를 제어할 수도 있다. At this time, the control unit 180 automatically calculates the positions and boundaries of various tissues and organs from the images of the surgical site photographed from the laparoscope 220, and controls the operation of the user manipulation unit 150 The reaction force control unit 170 may be controlled to apply a predetermined reaction force. Or all tissues and long-term areas calculated on the display member are displayed, the user selects only the tissues and organs of the tissue and long-term areas displayed on the display member, The reaction force control unit 170 may be controlled so as to apply a predetermined reaction force to the operation of the user manipulation unit 150 only for the selected tissue or organ region. A reaction force control unit 170 for applying a predetermined reaction force to the operation of the user operating unit 150 only for the area inside the drawn figure by drawing a three-dimensional solid figure such as a sphere, a cube, .

한편, 반력 제어부(170)는 로봇 암(210)이 기 설정된 소정의 동작을 수행할 경우, 사용자 조작부(150)의 조작에 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행할 수도 있다. 이를 동작 제한 모드라 정의하며, 이와 같은 동작 제한 모드는 위에서 상세히 설명하였으므로, 여기서는 그 상세한 설명은 생략하도록 한다. The reaction force control unit 170 may perform a force feedback function to apply a predetermined reaction force to the operation of the user operation unit 150 when the robot arm 210 performs predetermined predetermined operations. This operation mode is defined as an operation restriction mode. Since the operation restriction mode has been described in detail above, detailed description thereof will be omitted here.

마지막으로, 사용자 조작부(110)로부터 종료 신호가 수신되었는지 여부를 판단(S140 단계)하여, 사용자 조작부(110)로부터 종료 신호가 수신되지 않았을 경우에는 상기 S110 ~ S130 단계를 다시 수행한다. Finally, it is determined whether a termination signal is received from the user operation unit 110 (step S140). If the termination signal is not received from the user operation unit 110, steps S110 to S130 are performed again.

이와 같은 본 발명에 의해서, 수술자의 수술 작업에 대한 방해를 최소화하면서도, 수술 중 수술자의 의도하지 않은 오동작으로 인한 사고나 위해를 미리 방지하는 효과를 얻을 수 있다. 나아가, 본 발명의 동작 제한 모드를 사용하여, 수술자의 수술 동작을 보다 효율적인 형태로 개선하는 훈련의 효과를 얻을 수도 있을 것이다. According to the present invention, it is possible to obtain an effect of preventing an accident or a harm caused by an unintentional malfunction of a surgical operator during surgery while minimizing disturbance to a surgical operation of the operator. Further, by using the operation restriction mode of the present invention, it is possible to obtain the effect of training to improve the operative operation of the operator in a more efficient form.

본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the limited embodiments, various embodiments are possible within the scope of the present invention. It will also be understood that, although not described, equivalent means are also incorporated into the present invention. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined by the following claims.

1: 수술 로봇 시스템 100: 마스터 로봇
110: 조작 레버 120: 디스플레이 부재
200: 슬레이브 로봇 210: 로봇 암
220: 복강경
1: Surgical robot system 100: Master robot
110: Operation lever 120: Display member
200: Slave robot 210: Robot arm
220: Laparoscopic

Claims (26)

다자유도를 가지며 구동하는 로봇 암을 포함하는 슬레이브 로봇과,
상기 로봇 암을 조작하기 위한 제어 신호를 생성하는 사용자 조작부; 및
상기 사용자 조작부의 조작에 대해, 상기 로봇 암에서 감지된 반력을 일정 정도 변형 또는 증강시킨 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행하는 반력 제어부;를 포함하고,
상기 반력 제어부는 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 실제의 중력 방향, 수술 부위의 영상을 디스플레이하는 디스플레이 부재에 표시된 화면 상에서의 중력 방향, 또는 임의 설정된 가상의 중력 방향으로의 추가 반력을 가하는 고중력 모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 마스터 로봇을 포함하는 수술 로봇 시스템.
A slave robot including a robot arm driving with multiple degrees of freedom,
A user operation unit for generating a control signal for operating the robot arm; And
And a reaction force control unit for performing a force feedback function to apply a predetermined reaction force to deform or increase the reaction force detected by the robot arm to a certain degree with respect to the operation of the user operation unit,
The reaction force control unit controls the operation of the user's operating unit in a gravity mode in which an additional reaction force is applied in an actual gravity direction, a gravity direction on a screen displayed on a display member for displaying an image of a surgical site, Wherein the master robot comprises:
제 1 항에 있어서,
상기 반력 제어부는, 상기 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역 내에서 동작하거나, 상기 로봇 암이 기 설정된 소정의 영역에 대해 인입, 인출 또는 접근하거나, 또는 상기 로봇 암이 기 설정된 소정의 동작을 수행할 경우, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 상기 소정의 반력을 가하는 포스 피드백(force feedback) 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
The method according to claim 1,
The reaction force control unit may control the robot arm such that the robot arm operates within a predetermined area or the robot arm moves in, out, or approaches a predetermined area, or the robot arm performs predetermined operations And performs a force feedback function to apply the predetermined reaction force to the operation of the user operation unit.
제 2 항에 있어서,
상기 소정의 영역은 시술중인 수술 부위 전체인 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the predetermined region is the entire surgical site to be operated.
삭제delete 제 3 항에 있어서,
상기 반력 제어부는 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 상기 로봇 암의 진행 방향의 반대 방향으로의 추가 반력을 가하는 고마찰력 모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
The method of claim 3,
Wherein the reaction force control unit performs a high frictional force mode in which an additional reaction force is applied to the operation of the user's operation unit in a direction opposite to the traveling direction of the robot arm.
제 3 항에 있어서,
상기 반력 제어부는, 상기 로봇 암의 가속 동작에는 상기 사용자 조작부에 가해지는 반력을 소정의 기준값 보다 크게 부여하고, 상기 로봇 암의 감속 동작에는 상기 사용자 조작부에 가해지는 반력을 소정의 기준값과 같거나 기준값 보다 작게 부여하는 고마찰력 모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
The method of claim 3,
Wherein the reaction force control unit applies a reaction force applied to the user's operating unit to an accelerating operation of the robot arm larger than a predetermined reference value and sets a reaction force applied to the user's operating unit to a predetermined reference value, Wherein the high frictional force mode is performed in a state in which the robot is in a high frictional force mode.
제 2 항에 있어서,
상기 슬레이브 로봇은 수술 부위를 조영하는 수술용 내시경을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the slave robot further comprises a surgical endoscope for scanning a surgical site.
제 7 항에 있어서,
상기 소정의 영역은 상기 수술용 내시경으로부터 촬영된 수술 부위의 영상으로부터 산출된 조직 및 장기가 위치하는 하나 이상의 영역 중 적어도 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
8. The method of claim 7,
Wherein the predetermined region includes at least a part of at least one region in which a tissue and organ calculated from an image of a surgical site photographed from the surgical endoscope are located.
제 7 항에 있어서,
상기 마스터 로봇은 상기 수술용 내시경을 통해 촬영되는 영상을 디스플레이하는 디스플레이 부재를 더 포함하고,
상기 소정의 영역은 상기 디스플레이 부재 상에서 사용자 입력에 의해 선택된 임의의 영역인 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
8. The method of claim 7,
Wherein the master robot further comprises a display member for displaying an image photographed through the surgical endoscope,
Wherein the predetermined area is an arbitrary area selected by user input on the display member.
제 8 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반력 제어부는 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 실제의 중력 방향, 수술 부위의 영상을 디스플레이하는 디스플레이 부재에 표시된 화면 상에서의 중력 방향, 또는 임의 설정된 가상의 중력 방향으로의 추가 반력을 가하는 고중력 모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
10. A method according to any one of claims 8 to 9,
The reaction force control unit controls the operation of the user's operating unit in a gravity mode in which an additional reaction force is applied in an actual gravity direction, a gravity direction on a screen displayed on a display member for displaying an image of a surgical site, Wherein the surgical robot system comprises:
제 8 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반력 제어부는 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 상기 로봇 암의 진행 방향의 반대 방향으로의 추가 반력을 가하는 고마찰력 모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
10. A method according to any one of claims 8 to 9,
Wherein the reaction force control unit performs a high frictional force mode in which an additional reaction force is applied to the operation of the user's operation unit in a direction opposite to the traveling direction of the robot arm.
제 9 항에 있어서,
상기 반력 제어부는, 상기 선택된 소정의 영역 내에서 상기 로봇 암이 동작하거나, 상기 선택된 소정의 영역에 대해 상기 로봇 암이 인입, 인출 또는 접근할 때, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 추가 반력을 가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
10. The method of claim 9,
The reaction force control unit may control the robot arm such that when the robot arm operates in the selected predetermined area or when the robot arm moves in, out or approaches the selected predetermined area, a predetermined additional reaction force is applied to the operation of the user's operation unit And a control unit for controlling the operation of the robot.
제 8 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반력 제어부는, 상기 영역이 다수 개의 영역들을 포함할 경우, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 상기 다수 개의 영역별로 서로 상이한 추가 반력을 가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
10. A method according to any one of claims 8 to 9,
Wherein the reaction force control unit performs control so that when the region includes a plurality of regions, an additional reaction force different from each other is applied to the operation of the user operation unit.
제 2 항에 있어서,
상기 반력 제어부는, 상기 로봇 암의 첨부의 위치 및 속도의 일정시간 동안의 경로(trajectory)로부터 추출된 상기 로봇 암의 작업 영역으로부터 상기 로봇 암이 일정 간격 이상 이격되면, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 추가 반력을 가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
3. The method of claim 2,
When the robot arm is separated from a work area of the robot arm extracted from a trajectory of a position and a speed of the robot arm for a predetermined time interval by a predetermined distance or more, So as to apply a predetermined additional reaction force.
제 2 항에 있어서,
상기 반력 제어부는, 상기 로봇 암의 가속도가 소정의 기준 값 이상일 경우, 상기 사용자 조작부의 조작에 대해 소정의 추가 반력을 가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the reaction force control unit performs control so as to apply a predetermined additional reaction force to the operation of the user operation unit when the acceleration of the robot arm is equal to or greater than a predetermined reference value.
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