KR101812297B1 - 로봇의 마스터 조작 디바이스 및 이를 구비한 수술용 로봇의 제어방법 - Google Patents

Abstract

로봇의 마스터 조작 디바이스 및 이를 구비한 수술용 로봇의 제어방법이 개시된다. 로봇을 조작하기 위한 마스터(master) 조작 디바이스로서, 사용자에 의해 조작되는 짐벌(gimbal)과, 로봇에 회전가능하도록 결합되며, 그 구동에 따라 짐벌의 x-y평면상의 위치를 규정하는 제1 링크부와, 제1 링크부에 결합되며, 그 구동에 따라 짐벌의 z축상의 위치를 규정하는 제2 링크부를 포함하되, 제1 링크부와 제2 링크부의 구동에 의해 짐벌은 공간상의 임의의 위치로 이동하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스는, 절점에서 구부러지는 다관절 링크 대신 길이방향으로 신축되는 시저형 링크 또는 텔레스코픽 링크를 적용함으로써, 마스터 조작 디바이스 주변에 많은 공간(접철되는 다관절 링크를 수용하기 위한 공간)을 확보할 필요가 없게 된다.

Description

로봇의 마스터 조작 디바이스 및 이를 구비한 수술용 로봇의 제어방법{Master manipulation device for robot and control method of surgical robot having the same}

본 발명은 로봇의 마스터 조작 디바이스 및 이를 구비한 수술용 로봇의 제어방법에 관한 것이다.

의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기계를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 말한다. 특히, 수술부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제로 인하여 최근에는 로봇(robot)을 사용한 수술이 대안으로서 각광받고 있다.

이러한 수술용 로봇은 의사의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터(master)부와, 조작부로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave)부로 구분될 수 있는데, 마스터부와 슬레이브부는 하나의 수술용 로봇의 각 부분으로서 구분되거나, 각각 별도의 장치로, 즉 조작부는 마스터 로봇으로, 구동부는 슬레이브 로봇으로 구분되어 수술실에 각각 배치될 수도 있다.

수술용 로봇, 특히 마스터부에는 의사의 조작을 위한 디바이스가 설치되는데, 로봇 수술의 경우 집도의는 수술에 필요한 인스트루먼트를 직접 조작하는 것이 아니라, 전술한 디바이스를 조작하여 로봇에 장착된 각종 인스트루먼트가 수술에 필요한 동작을 수행하도록 한다.

이를 위해 마스터 조작 디바이스는 의사가 직접 수술을 진행하는 것과 마찬가지의 동작을 구현할 수 있도록 다관절 링크 등의 구조로 구성되며, 마스터 조작 디바이스에 대한 의사의 조작에 따라 그에 상응하는 신호가 생성되어 로봇의 슬레이브부로 전송된다.

종래의 마스터 조작 디바이스는 2축 이상의 방향으로 회전되도록 결합된 복수의 링크부재와, 링크부재의 말단에 결합되는 짐벌(gimbal)로 이루어져, 의사가 손으로 짐벌을 잡고 공간상의 임의의 위치로 이동시킬 수 있도록 구성된다.

그러나, 종래의 마스터 조작 디바이스는 그 조작에 따라 다관절 링크가 회동하게 되는데, 이에 따라 디바이스 주변에는 접철되는 다관절 링크를 수용하기 위한 공간이 필요하게 되며, 이는 마스터 로봇의 설계 과정에서 하나의 제약조건으로 작용하게 된다.

또한, 종래의 디바이스는 사용하지 않을 때에 특정 위치에 고정시켜 놓지 않으면 짐벌의 자중으로 인하여 짐벌이 링크부재에 대해 회전하여 아래쪽으로 떨어질 수 있으며, 짐벌 및 링크부재의 자중에 의해 마스터 조작 디바이스가 중력 방향으로 회동하려는 힘, 즉 회전 모멘트(moment)가 발생하여, 중력 방향으로는 힘을 가하지 않더라도 디바이스가 움직이거나, 중력 반대 방향으로는 디바이스를 조작하는 데에 더 많은 힘이 필요하게 되는 등의 문제가 발생할 수 있다.

특히, 마스터 조작 디바이스의 움직임이 그대로 로봇 암 및 인스트루먼트의 움직임으로 전달되는 수술용 로봇의 경우, 짐벌이나 링크부재가 자중으로 인하여 의도치 않게 움직이면, 그에 따라 로봇 암이나 인스트루먼트가 의도되지 않은 동작을 수행하게 되어, 경우에 따라서는 의료사고로까지 이어질 수 있다는 문제가 있다.

또한, 종래의 마스터 조작 디바이스는, 각 관절에서 링크부재가 이루는 각도에 따라 링크를 회동시키는데 드는 힘이 달라지기 때문에, 수술자가 핸들을 잡고 공간상의 소정의 지점으로 핸들을 이동시키는 과정에서 핸들의 이동이 불가능하거나, 핸들이 부드럽게 이동하지 못하고 필요 이상의 힘을 가해야 이동이 가능한 이른바 '싱귤러 포인트(singular point)'가 다수 존재할 수 있다는 문제가 있다.

종래에는, 이러한 싱귤러 포인트에 대비하기 위하여, 짐벌에 '리던던트 조인트(redundant joint)', 즉 여분의 조인트를 설치하였다. 예를 들어, 짐벌에 3 자유도의 움직임이 필요한 경우, 실제로는 짐벌이 4 자유도로 움직이도록 리던던트 조인트를 설치하고, 짐벌의 조작 과정에서 가능한 한 싱귤러 포인트가 생기지 않도록 리던던트 조인트를 작동시켰다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

본 발명은, 그 조작에 있어서 주변의 공간을 많이 차지하지 않고, 짐벌이 자중에 의해 아래로 떨어지지 않고, 짐벌을 공간상의 임의의 위치로 이동시킴에 있어서 필요한 힘의 양을 어느 정도 일정하게(특정 방향으로 너무 차이가 나지 않게) 할 수 있으며, 핸들의 조작이 원활하지 못하게 되는 '싱귤러 포인트'를 회피할 수 있는 마스터 조작 디바이스 및 이를 구비한 수술용 로봇의 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 로봇을 조작하기 위한 마스터(master) 조작 디바이스로서, 사용자에 의해 조작되는 짐벌(gimbal)과, 로봇에 회전가능하도록 결합되며, 그 구동에 따라 짐벌의 x-y평면상의 위치를 규정하는 제1 링크부와, 제1 링크부에 결합되며, 그 구동에 따라 짐벌의 z축상의 위치를 규정하는 제2 링크부를 포함하되, 제1 링크부와 제2 링크부의 구동에 의해 짐벌은 공간상의 임의의 위치로 이동하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스가 제공된다.

x-y평면은 수평면이고, z축은 연직축일 수 있으며, 이 경우 제1 링크부는 z축을 중심으로 회전가능하도록 로봇에 결합될 수 있다. 제1 링크부는, 그 구동에 따라 길이방향으로 신축되는 시저(scissors)형 링크, 텔레스코픽(telescopic) 링크, LM(linear motor)형 링크 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

시저형 링크는, x-y평면 내에서 작동되며 수직 방향(z축 방향)으로의 회전이 구속되는 구조로 이루어질 수 있는데, 제1 피봇핀에 의해 서로 가위식으로 연결되는 제1 링크부재와 제2 링크부재의 결합체가, 제2 피봇핀에 의해 길이방향으로 연쇄적으로 연결되는 구조로 이루어질 수 있다. 이 경우, 제1 피봇핀 및 제2 피봇핀은 수직 방향으로 설치되어, 제1 링크부재와 제2 링크부재는 x-y평면 내에서 회동할 수 있다.

또한, 텔레스코픽 링크는, 어느 하나의 링크부재가 그에 인접한 다른 하나의 링크부재에 삽입, 인출되는 구조로서, x-y평면 내에서 작동되며 수직 방향으로의 회전이 구속되는 구조로 이루어질 수 있다. LM형 링크 또한, 어느 하나의 링크부재가 그에 인접한 다른 하나의 링크부재에 대해 길이방향으로 이동하는 구조로서, x-y평면 내에서 작동되며 수직 방향으로의 회전이 구속되는 구조로 이루어질 수 있다.

제2 링크부는 패러랠 링크(parallel link)를 포함할 수 있고, 패러랠 링크는, 수직 방향으로 작동되며 수평 방향(x축 방향이나 y축 방향)으로의 회전이 구속되는 구조로 이루어질 수 있는데, 제1 링크부에 결합되는 제1 링크부재와, 제1 피봇핀에 의해 제1 링크부재에 회전가능하게 결합되는 제2 링크부재와, 제2 피봇핀에 의해 제2 링크부재에 회전가능하게 결합되는 제3 링크부재와, 제3 피봇핀에 의해 제3 링크부재에 회전가능하게 결합되며 제4 피봇핀에 의해 제1 링크부재에 회전가능하게 결합되는 제4 링크부재를 포함하되, 제1 링크부재와 제3 링크부재는 서로 평행하며, 제2 링크부재와 제4 링크부재는 서로 평행한 구조로 이루어질 수 있다. 이 경우, 피봇핀들은 각각 z축에 수직한 방향으로 설치되어, 링크부재들은 각각 수직 방향으로 회동할 수 있다.

또한, 패러랠 링크에는, 패러랠 링크가 짐벌에 작용하는 중력에 의해 작동되는 것을 방지할 수 있도록 모멘트 평형 기구가 설치될 수 있다.

제2 링크부는, 제1 링크부에 대한 회전이 구속되도록 제1 링크부에 고정될 수 있으며, 이 경우 짐벌은, z축을 중심으로 회전가능하도록 제2 링크부에 결합되는 제1 짐벌부재와, a축을 중심으로 회전가능하도록 제1 짐벌부재에 결합되는 제2 짐벌부재와, a축에 직교하는 b축을 중심으로 회전가능하도록 제2 짐벌부재에 결합되는 제3 짐벌부재와, b축에 직교하는 c축을 중심으로 회전가능하도록 제3 짐벌부재에 결합되며 사용자가 손으로 잡고 조작하는 핸들부재를 포함할 수 있다. 이 때, 제1 짐벌부재와 제2 링크부 간의 회전 조인트는, 짐벌에 대해 리던던트(redundant) 조인트 역할을 할 수 있다.

또한, 제2 링크부는, z축을 중심으로 회전가능하도록 제1 링크부에 결합될 수 있으며, 이 경우 짐벌은, 제2 링크부에 대한 회전이 구속되도록 제2 링크부에 고정되는 제1 짐벌부재와, a축을 중심으로 회전가능하도록 제1 짐벌부재에 결합되는 제2 짐벌부재와, a축에 직교하는 b축을 중심으로 회전가능하도록 제2 짐벌부재에 결합되는 제3 짐벌부재와, b축에 직교하는 c축을 중심으로 회전가능하도록 제3 짐벌부재에 결합되며 사용자가 손으로 잡고 조작하는 핸들부재를 포함할 수 있다.

이 때, 제2 링크부와 제1 링크부 간의 회전 조인트는, 짐벌에 대해 리던던트 조인트 역할을 할 수 있다. 즉, 사용자에 의한 핸들부재의 조작 과정에서 짐벌의 상태가 싱귤러 포인트(singular point)에 근접하는 것을 회피할 수 있도록, 제2 링크부는 제1 링크부에 대해 회전할 수 있다. 싱귤러 포인트는, 사용자에 의한 핸들부재의 조작 과정에서 a축과 c축이 서로 근접하여, 제1 짐벌부재가 제2 짐벌부재의 회전을 억제하는 상태일 수 있다. 제2 링크부의 회전에 상응하여, 짐벌의 위치가 유지되도록 제1 링크부가 신축될 수 있다.

또한, 제2 링크부는, z축을 중심으로 회전가능하도록 제1 링크부에 결합되고, 짐벌은, z축을 중심으로 회전가능하도록 제2 링크부에 결합되는 제1 짐벌부재와, a축을 중심으로 회전가능하도록 제1 짐벌부재에 결합되는 제2 짐벌부재와, a축에 직교하는 b축을 중심으로 회전가능하도록 제2 짐벌부재에 결합되는 제3 짐벌부재와, b축에 직교하는 c축을 중심으로 회전가능하도록 제3 짐벌부재에 결합되며 사용자가 손으로 잡고 조작하는 핸들부재를 포함할 수 있다.

이 때, 제2 링크부와 제1 링크부 간의 회전 조인트 및 제1 짐벌부재와 제2 링크부 간의 회전 조인트는, 짐벌에 대해 리던던트 조인트 역할을 할 수 있다. 즉, 사용자에 의한 핸들부재의 조작 과정에서 짐벌의 상태가 싱귤러 포인트에 근접하는 것을 회피할 수 있도록, 제2 링크부는 제1 링크부에 대해 회전하고, 그에 상응하여 제1 짐벌부재는 제2 링크부에 대해 회전할 수 있다. 싱귤러 포인트는, 사용자에 의한 핸들부재의 조작 과정에서 a축과 c축이 서로 근접하여, 제1 짐벌부재가 제2 짐벌부재의 회전을 억제하는 상태일 수 있다. 제2 링크부의 회전에 상응하여, 짐벌의 위치가 유지되도록 제1 링크부가 신축될 수 있다.

제1 짐벌부재의 제2 링크부에 대한 회전 각도는, 제2 링크부의 제1 링크부에 대한 회전 각도에 소정의 비율을 곱하거나, 또는 미리 설정된 목표 각도와 제2 링크부의 제1 링크부에 대한 회전 각도 간의 차이값에 상응하도록 산정될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 사용자에 의해 조작되는 짐벌과, 그 구동에 따라 짐벌의 x-y평면상의 위치를 규정하는 제1 링크부와, 제1 링크부에 z축을 중심으로 회전가능하도록 결합되며 그 구동에 따라 짐벌의 z축상의 위치를 규정하는 제2 링크부를 포함하는 마스터 조작 디바이스를 구비하는 수술용 로봇을 제어하는 방법으로서, (a) 짐벌에 대한 사용자 조작에 따른 짐벌의 상태에 관한 정보를 획득하는 단계, (b) 미리 설정된 기준에 따라 짐벌의 상태가 싱귤러 포인트를 회피하는 최적의 위치인지 여부를 판단하는 단계, 및 (c) 짐벌의 상태가 싱귤러 포인트를 회피하는 최적의 위치가 아닌 경우, 짐벌의 상태가 미리 설정된 최적 작동원활 상태가 되도록, 제2 링크부를 제1 링크부에 대해 회전시키는 단계를 포함하는 수술용 로봇의 제어방법이 제공된다.

단계 (c)는, 제2 링크부의 회전에 상응하여, 짐벌의 위치가 유지되도록 제1 링크부를 신축시키는 단계를 포함할 수 있다.

짐벌은 z축을 중심으로 회전가능하도록 제2 링크부에 결합되며, 이 경우 단계 (c)는, 제2 링크부의 제1 링크부에 대한 회전에 상응하여 짐벌을 제2 링크부에 대해 회전시키는 단계를 포함할 수 있다.

짐벌을 제2 링크부에 대해 회전시키는 각도는, 제2 링크부의 제1 링크부에 대한 회전 각도에 소정의 비율을 곱하여 산정되거나, 미리 설정된 목표 각도와 제2 링크부의 제1 링크부에 대한 회전 각도 간의 차이값에 상응하도록 산정될 수 있다.

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

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 절점에서 구부러지는 다관절 링크 대신 길이방향으로 신축되는 시저형 링크 또는 텔레스코픽 링크를 적용함으로써, 마스터 조작 디바이스 주변에 많은 공간(접철되는 다관절 링크를 수용하기 위한 공간)을 확보할 필요가 없게 된다.

또한, 짐벌의 수평 위치는 시저형 링크가, 짐벌의 수직 위치는 패러랠 링크가 규정하도록 함으로써, 짐벌이 자중에 의해 의도치 않게 아래로 떨어지는 현상을 방지할 수 있으며, 패러랠 링크에는 모멘트 평형 기구를 적용함으로써, 패러랠 링크가 중력에 의해 아래로 처지지 않도록 할 수 있으며, 짐벌을 이동시킴에 있어서 중력의 영향을 받지 않고 어느 방향으로든 큰 차이 없이 어느 정도 일정한 힘이 가해지도록 할 수 있다.

또한, 시저형 링크와 패러랠 링크 간의 결합 부분에 회전 조인트를 설치하고, 회전 조인트가 리던던트 조인트 역할을 하도록 함으로써, 짐벌의 조작이 원활하지 못하게 되는 싱귤러 포인트를 최대한 회피할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 마스터 조작 디바이스를 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 마스터 조작 디바이스를 나타낸 도면.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇의 마스터 조작 디바이스를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 패러랠 링크를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구를 개념도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇의 마스터 조작 디바이스를 나타낸 도면.
도 7a 내지 도 7b는 도 6에 도시된 로봇의 마스터 조작 디바이스의 작동 상태를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇의 마스터 조작 디바이스를 나타낸 도면.
도 9는 도 8에 도시된 로봇의 마스터 조작 디바이스의 작동 상태를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 제어방법을 나타낸 순서도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 마스터 조작 디바이스를 나타낸 개념도이다. 도 1을 참조하면, 로봇(1), 제1 링크부(3), 제2 링크부(5), 짐벌(10)이 도시되어 있다.

본 실시예는, 수술용 로봇의 마스터 조작 디바이스에 있어서, 수평 방향으로의 움직임은 시저형 링크(또는 텔레스코픽 링크)로 담당시키고 수직 방향으로의 움직임은 패러랠 링크로 담당시키되 패러랠 링크에는 모멘트 평형 기구를 설치함으로써, 마스터 핸들이 중력의 영향을 받지 않고 3차원 공간상에서 안정적으로 움직일 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

즉, 본 실시예에 따른 마스터 조작 디바이스는 수술용 로봇을 작동시키기 위해 사용자에 의해 조작되는 디바이스로서, 사용자가 손으로 잡고 움직이는 부분인 짐벌(10)을 포함한다. 짐벌(10)은 링크 구조에 의해 로봇(1)에 결합되는데, 링크 구조는 제1 링크부(3)와 제2 링크부(5)로 이루어진다.

본 실시예에 따른 제1 링크부(3)는 그 구동에 의해 짐벌(10)의 x-y평면상의 위치가 규정된다. 예를 들어, 짐벌(10)의 공간상의 위치를 (x, y, z)와 같은 3차원 좌표의 형태로 표현한다고 할 때, 제1 링크부(3)를 구동시킴으로써 짐벌(10)의 x좌표와 y좌표가 결정될 수 있다.

이를 위해, 제1 링크부(3)로서 일단부가 로봇(1)에 회전가능하도록 결합되고 길이방향으로 신축되는 구조의 링크(예를 들면, 시저형 링크)가 사용될 수 있다. 즉, 제1 링크부(3)의 로봇(1)에 대한 회전 정도와 길이방향으로의 신축 정도를 조절함으로써, 제1 링크부(3)의 타단부가 x-y평면상에서 원하는 위치로 이동하도록 할 수 있다. 예를 들어, 제1 링크부(3)의 타단부에 짐벌(10)이 결합되어 있다고 하면, 제1 링크부(3)의 구동(회전 정도와 신축 정도의 조절)에 의해 짐벌(10)의 x-y평면상의 위치가 정해질 수 있는 것이다.

다관절식 링크를 사용한 종래의 마스터 조작 디바이스의 경우 짐벌(10)의 위치를 이동시키는 과정에서 접철되는 링크를 수용하기 위한 공간이 필요하였으나, 본 실시예와 같이 길이방향으로 신축되는 구조의 링크를 제1 링크부(3)로서 사용하면, 짐벌(10)의 위치를 이동시킴에 따라 제1 링크부(3)는 그 길이가 늘어나거나 줄어드는 것뿐이므로, 링크가 자유롭게 작동되도록 하기 위해 종래와 같이 큰 공간이 필요하지 않다는 장점이 있다.

본 실시예에서 x-y평면은 직교 좌표계의 수평면이고, z축은 연직 방향의 축이며, 제1 링크부(3)는 z축을 중심으로 회전가능하도록 로봇(1)에 결합될 수 있다. 이에 따라, 제1 링크부(3)는 짐벌(10)의 수평면상의 위치를 결정하는 역할을 할 수 있다.

이 경우, 제1 링크부(3)는 수평면상에서만 작동되고 수직 방향으로는 작동되지 않으며, 중력 등의 외력에 의해서도 수직 방향으로 변형되지 않는 구조로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제1 링크부(3)의 타단에 결합된 다른 구성요소(짐벌(10) 등)가 중력 등에 의해 수직 방향으로 처지거나 떨어지는 문제를 방지할 수 있다.

본 실시예에 따른 제2 링크부(5)는 그 구동에 의해 짐벌(10)의 z축상의 위치가 규정된다. 예를 들어, 짐벌(10)의 공간상의 위치를 (x, y, z)와 같은 3차원 좌표의 형태로 표현한다고 할 때, 제2 링크부(5)를 구동시킴으로써 짐벌(10)의 z좌표가 결정될 수 있다.

이를 위해, 제2 링크부(5)로서 일단부가 제1 링크부(3)에 결합되고 수직 방향으로 작동되는 구조의 링크(예를 들면, 패러랠 링크)가 사용될 수 있다. 즉, 제2 링크부(5)를 작동시킴으로써 제2 링크부(5)의 타단부가 z축에서 원하는 위치로 이동하도록 할 수 있다. 예를 들어, 제2 링크부(5)의 타단부에 짐벌(10)이 결합되어 있다고 하면, 제2 링크부(5)의 구동에 의해 짐벌(10)의 z축상의 위치가 정해질 수 있는 것이다.

이처럼, 제1 링크부(3)를 구동시켜 짐벌(10)의 수평면상의 위치를 결정하고, 제2 링크부(5)를 구동시켜 짐벌(10)의 연직 방향의 높이를 결정할 수 있으며, 제1 링크부(3)와 제2 링크부(5)의 구동을 조합함으로써, 짐벌(10)이 3차원 공간상에서 임의의 위치로 이동하도록 할 수 있다. 역으로, 사용자가 짐벌(10)을 3차원 공간상에서 원하는 위치로 이동시킬 경우, 짐벌(10)의 수평면상의 위치에 상응하여 제1 링크부(3)가 구동되고, 짐벌(10)의 높이에 상응하여 제2 링크부(5)가 구동될 수 있다.

도 1에 예시된 마스터 조작 디바이스의 경우, 제1 링크부(3) 및 제2 링크부(5)의 구동의 조합에 의해, 도 1에 점선으로 도시한 것처럼, 짐벌(10)은 공간상의 소정의 영역(도 1의 'S' 참조) 내에서 이동이 가능하게 된다.

한편, 도 1에는 수술용 로봇에 시저형 링크가 결합되고 시저형 링크에 패러랠 링크가 결합된 경우가 예시되어 있으나, 이와는 반대로, 수술용 로봇에 패러랠 링크를 결합하고 패러랠 링크에 시저형 링크를 결합하여, 시저형 링크에 결합된 짐벌을 소정의 공간(도 1의 'S' 참조) 내의 임의의 위치로 이동시킬 수 있도록 구성할 수도 있음은 물론이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 마스터 조작 디바이스를 나타낸 도면이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇의 마스터 조작 디바이스를 나타낸 도면이다. 도 2 내지 도 3b를 참조하면, 로봇(1), 짐벌(10), 시저형 링크(20), 링크부재(22, 24), 피봇핀(26, 28), 텔레스코픽 링크(30), 링크부재(32, 34, 36, 38), LM형 링크(35), 패러랠 링크(40)가 도시되어 있다.

이하, 도 2 내지 도 3b를 참조하여, 본 실시예에 따른 제1 링크부(3)의 구체적인 실시예에 관하여 설명한다. 제1 링크부(3)로는 그 구동에 따라 길이방향으로 신축되는 시저(scissors)형 링크나, 텔레스코픽(telescopic) 링크, LM(linear motor)형 링크 등이 사용될 수 있다.

시저형 링크(20)는, 마치 '가위'와 같은 형상으로 결합된 복수의 링크부재가 연쇄적으로 연결된 구조의 링크로서, 2차원 평면 내에서만 작동되도록, 즉 x-y평면 내에서 작동되고 수직 방향으로의 회전이 구속되도록 구성될 수 있다.

도 2에 도시된 것처럼, 본 실시예에 따른 시저형 링크(20)는 한 쌍의 링크부재(22, 24)가 제1 피봇핀(26)에 의해 서로 가위식으로 결합되고, 이러한 단위 구조(제1 링크부재(22)와 제2 링크부재(24)의 결합체)가 제2 피봇핀(28)에 의해 길이방향으로 연쇄적으로 연결된 구조로 이루어질 수 있다.

이 경우, 피봇핀(26, 28)이 z축 방향으로 설치되도록 함으로써, 시저형 링크(20)를 구성하는 링크부재(22, 24)가 x-y평면 내에서만 회동되고 수직 방향으로는 이동하거나 회전하지 않도록 할 수 있다.

텔레스코픽 링크(30)는, 마치 '망원경'과 같은 형상으로 결합된 복수의 링크부재가 연쇄적으로 연결된 구조의 링크로서, 전술한 시저형 링크(20)와 마찬가지로 2차원 평면 내에서만 작동되도록(즉 x-y평면 내에서 작동되고 수직 방향으로의 회전이 구속되도록) 구성될 수 있다.

즉, 도 3a에 도시된 것처럼, 본 실시예에 따른 텔레스코픽 링크(30)는 어느 하나의 링크부재(32)가 그에 인접한 다른 하나의 링크부재(34)에 삽입, 인출되도록 결합되고, 이러한 단위 구조가 길이방향으로 연쇄적으로 연결된 구조로 이루어질 수 있다.

이 경우, 링크부재(32, 34)가 x-y평면 내에서 삽입, 인출되는 구조로 구성함으로써, 텔레스코픽 링크(30)를 구성하는 링크부재(32, 34)가 x-y평면 내에서만 움직이고 수직 방향으로는 움직이지 않도록 할 수 있다.

LM형 링크(35)는, 리니어 모터(linear motor)와 유사한 구조의 링크로서, 전술한 시저형 링크(20)나 텔레스코픽 링크(30)와 마찬가지로 2차원 평면 내에서만 작동되도록(즉 x-y평면 내에서 작동되고 수직 방향으로의 회전이 구속되도록) 구성될 수 있다.

즉, 도 3b에 도시된 것처럼, 본 실시예에 따른 LM형 링크(35)는 어느 하나의 링크부재(36)가 그에 인접한 다른 하나의 링크부재(38)에 대해 길이방향으로 이동하여 중첩되거나(수축) 펼쳐지도록(신장) 결합되고, 이러한 단위 구조가 길이방향으로 연쇄적으로 연결된 구조로 이루어질 수 있다.

이 경우, 링크부재(36, 38)가 x-y평면 내에서 신장, 수축되는 구조로 구성함으로써, LM형 링크(35)를 구성하는 링크부재(36, 38)가 x-y평면 내에서만 움직이고 수직 방향으로는 움직이지 않도록 할 수 있다.

본 실시예에서도 x-y평면은 직교 좌표계의 수평면이고, z축은 연직 방향의 축이며, 시저형 링크(20), 텔레스코픽 링크(30) 또는 LM형 링크(35)는 z축을 중심으로 회전가능하도록 로봇(1)에 결합될 수 있으며, 이에 따라 시저형 링크(20), 텔레스코픽 링크(30) 또는 LM형 링크(35)는 짐벌(10)의 수평면상의 위치를 규정하고, 짐벌(10)이 중력에 의해 수직 방향으로 떨어지는 것을 방지할 수 있음은 전술한 바와 같다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 패러랠 링크를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구를 개념도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 제1 링크부(3), 짐벌(10), 패러랠 링크(40), 피봇핀(41, 43, 45, 47), 링크부재(42, 44, 46, 48), 모멘트 평형 기구(49)가 도시되어 있다.

이하, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 실시예에 따른 제2 링크부(5)의 구체적인 실시예에 관하여 설명한다. 제2 링크부(5)로는 수직 방향(z축 방향)으로 작동되는 패러랠 링크(parallel link)(40) 등이 사용될 수 있다.

패러랠 링크(40)는, 복수의 링크부재(42, 44, 46, 48)가 평행사변형을 이루면서 작동되는 구조의 링크로서, z축에 평행한 평면 내에서만 작동되도록, 즉 수직 방향으로 작동되며 수평 방향으로의 회전이 구속되도록 구성될 수 있다.

도 4에 도시된 것처럼, 본 실시예에 따른 패러랠 링크(40)는 4개의 링크부재(42, 44, 46, 48)가 각각 4개의 피봇핀(41, 43, 45, 47)에 의해 서로 회전가능하게 결합되되, 서로 마주보는 링크부재(예를 들면, 제1 링크부재(42)와 제3 링크부재(46), 및 제2 링크부재(44)와 제4 링크부재(48))가 서로 평행하게 되는 구조로 이루어질 수 있다.

본 실시예에 따른 패러랠 링크(40)는 제2 링크부(5)로서, 제1 링크부(3)와 짐벌(10) 사이에 개재되므로, 패러랠 링크(40)의 일단부는 제1 링크부(3)에 결합되고, 타단부에는 짐벌(10)이 결합될 수 있다. 패러랠 링크(40)는 링크부재가 평행사변형을 이루는 구조이므로, 평행사변형의 한 쪽 꼭짓점이 제1 링크부(3) 쪽에 위치하도록 하고, 한 쪽 꼭짓점과 대각선으로 마주보는 꼭짓점이 짐벌(10) 쪽에 위치하도록 함으로써, 패러랠 링크(40)의 작동에 의해 짐벌(10)이 평행사변형의 면내 방향으로 움직이도록 할 수 있다.

이 경우, 피봇핀(41, 43, 45, 47)이 z축에 수직한 방향으로 설치되도록 함으로써, 패러랠 링크(40)를 구성하는 링크부재(42, 44, 46, 48)는 z축에 평행한 평면(패러랠 링크(40)에 의해 형성되는 평행사변형을 포함하는 평면) 내에서만 회동되고 수평 방향으로는 회동되지 않도록 할 수 있다.

한편, 패러랠 링크(40)에 외력이 작용할 경우, 예를 들어 짐벌(10)의 자중에 의한 중력이 작용할 경우, 패러랠 링크(40)는 의도치 않게 아래쪽(-z 방향)으로 움직일 우려가 있다. 이에, 본 실시예에 따른 패러랠 링크(40)에는, 패러랠 링크(40)에 작용하는 외력(링크 자체의 자중 및/또는 짐벌(10)에 작용하는 중력 등)에 의해 링크가 의도치 않게 작동되는 것을 방지할 수 있도록 모멘트 평형 기구(49)가 설치될 수 있다.

모멘트 평형 기구(49)는, 패러랠 링크(40)에 하중이 작용함에 따라 회전 중심점(도 5의 'C' 참조)에 발생하는 회전 모멘트(이하, '정모멘트'라 함)를 상쇄시키도록 모멘트(이하, '부모멘트'라 함)를 발생시켜 모멘트 평형이 이루어지도록 함으로써, 패러랠 링크(40)가 어느 방향으로든(+z 방향, -z 방향) 큰 차이 없이 일정한 힘으로 작동되도록 하는 역할을 한다.

나아가, 본 실시예에 따른 모멘트 평형 기구(49)는, 패러랠 링크(40)가 작동된 상태에 상관없이 부모멘트의 크기가 정모멘트의 크기와 같아 모멘트 평형을 이루도록 할 수도 있다. 이를 위해, 도 5에 도시된 것처럼, 모멘트 평형 기구(49)에 캠 구조를 적용할 수 있다.

즉, 제1 링크부(3)와 패러랠 링크(40)가 결합되는 부분에 플레이트 캠을 천공하고, 플레이트 캠에 의해 그 이동 경로가 구속되는 캠 팔로워를 패러랠 링크(40)에 구비시킴으로써, 패러랠 링크(40)가 제1 링크부(3)에 대해 움직인 정도에 상관없이 항상 모멘트 평형이 이루어지도록 할 수 있다.

캠 팔로워(122)에는 탄성체(130)가 결합되고, 탄성체(130)에 의해 캠 팔로워(122)에 장력이 인가되며, 탄성체(130)의 타단부는 패러랠 링크(40)의 링크부재에 고정될 수 있다. 탄성체(130)에 의한 인장력에 의해 캠 팔로워(122)는 잡아 당겨지게 되는데, 제1 링크부(3)에 대해 패러랠 링크(40)가 작동됨에 따라 캠 팔로워(122)가 플레이트 캠(112)에 구속되어, 캠 팔로워(122)가 잡아 당겨지는 거리가 달라지게 된다.

이처럼, 캠 팔로워(122)가 장력이 가해진 방향으로 이동되는 거리가 달라지면, 그에 따라 탄성체(130)의 변위도 달라지게 되며, 이에 따라 탄성체(130)의 장력에 의해 생성되는 발생되는 부모멘트의 크기가 달라지게 된다.

제1 링크부(3)를 기준으로 패러랠 링크(40)가 작동됨에 따라 정모멘트의 크기가 달라지는데, 전술한 바와 같이 캠 구조에 의해 부모멘트의 크기 또한 달라지게 되므로, 항상 부모멘트가 정모멘트와 상쇄되는 결과를 가져올 수 있다.

이처럼, 부모멘트가 정모멘트와 항상 상쇄되도록 하기 위해서는, 캠 팔로워(122)의 이동을 구속하는 플레이트 캠(112)의 경로의 형상이 적절하게 설계되어야 하는데, 패러랠 링크(40)에 작용하는 모멘트의 크기는 패러랠 링크(40)의 링크부재(제1 링크부재(42))가 제1 링크부(3)에 대해 회전한 각도(이하, 'θ'라 할 수 있음)에 따라 달라지므로, 플레이트 캠(112)의 경로의 형상 또한 θ에 대한 함수관계에 따라 형성할 수 있다. 여기에서는 플레이트 캠의 경로의 형상에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

이처럼, 패러랠 링크(40)에 모멘트 평형 기구(49)를 설치하여, 짐벌(10) 및 패러랠 링크(40)의 자중에 의한 회전 모멘트를 상쇄시킬 수 있으므로, 사용자는 공간상의 어느 방향으로든지 큰 차이 없이 어느 정도 일정한 힘으로 짐벌(10)을 움직일 수 있고, 사용자가 짐벌(10)에서 손을 떼더라도 짐벌(10)이 자중에 의해 회전하거나 하강하지 않고 조작되었던 최종 위치를 고수할 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇의 마스터 조작 디바이스를 나타낸 도면이고, 도 7a 내지 도 7b는 도 6에 도시된 로봇의 마스터 조작 디바이스의 작동 상태를 나타낸 도면이다. 도 6 내지 도 7b를 참조하면, 로봇(1), 짐벌(10), 짐벌부재(12, 14, 16), 핸들부재(18), 시저형 링크(20), 패러랠 링크(40), 회전 조인트(50)가 도시되어 있다.

본 실시예에서는, 제1 링크부(시저형 링크(20))(3)와 제2 링크부(패러랠 링크(40))(5)를 회전 조인트(50)로 결합시킴으로써, 짐벌(10)에 별도의 리던던트 조인트를 부가할 필요 없이 제1 링크부와 제2 링크부 간의 회전 조인트(50)가 짐벌(10)의 리던던트 조인트 역할을 하도록 한 것을 특징으로 한다. 즉, 본 실시예에 따른 제2 링크부는 z축을 중심으로 회전가능하도록 제1 링크부에 결합될 수 있다.

본 실시예에 따른 짐벌(10)은 공간상에서 임의의 방향으로 회전시키는 조작을 할 수 있도록 적어도 3개의 축을 중심으로 회전하는 적어도 3개의 부재의 축결합에 의해 구성될 수 있다.

즉, 도 4나 도 6에 도시된 것처럼, 제2 링크부에 제1 짐벌부재(12)가 결합되고, 제1 짐벌부재(12)에 제2 짐벌부재(14)가 결합되며, 제2 짐벌부재(14)에 제3 짐벌부재(16)가 결합되고, 제3 짐벌부재(16)에는 핸들부재(18)가 결합된 구조로 짐벌(10)이 구성될 수 있다. 핸들부재(18)는 사용자가 손으로 잡고 조작하는 부분이다.

여기서, 제2 짐벌부재(14)는 a축을 중심으로 회전가능하도록 결합되고, 제3 짐벌부재(16)는 b축을 중심으로 회전가능하도록 결합되며, 핸들부재(18)는 c축을 중심으로 회전가능하도록 결합됨으로써, 공간상에서 짐벌(10)을 임의의 방향으로 회전시킬 수 있다.

b축은 a축에 직교하고, c축은 b축에 직교하는 축일 수 있으며, 이에 따라 a, b, c축은 직교좌표계의 x, y, z축에 해당할 수도 있다. 다만, 짐벌(10)의 조작 과정에서 제3 짐벌부재(16)가 b축을 중심으로 회전함에 따라 c축의 방향이 변경될 수 있으며, 경우에 따라서는 c축이 a축에 근접(나아가, 중첩)할 수도 있다.

이처럼, 본 실시예에 따른 짐벌(10)은 핸들부재(18)를 3개의 축(a, b, c축) 방향으로 회전시킬 수 있도록 3 자유도를 가지는데, 전술한 것처럼 경우에 따라서는 짐벌(10)의 조작 과정에서 2개의 축(예를 들면, a축과 c축)이 서로 근접하게 되어 어느 축(예를 들면, a축) 방향으로는 핸들부재를 회전시키는데 드는 힘이 달라질 수 있으며, 이에 따라 사용자가 짐벌(10)을 잡고 움직이는 과정에서 필요 이상의 힘을 가해야 하거나 짐벌(10)을 작동시킬 수 없는, 이른바 '싱귤러 포인트(singular point)'가 존재할 수 있다.

이에 대해, 본 실시예에 따른 링크 구조에는 짐벌(10)에 여분의 자유도를 제공하기 위한 리던던트 조인트(redundant joint)가 부가될 수 있다.

도 4에 도시된 실시예에서는, 제1 링크부재(12)와 제2 링크부 간의 회전 조인트(도 4의 'R' 참조)가 짐벌(10)에 대해 리던던트 조인트 역할을 하도록 할 수 있다. 리던던트 조인트는 짐벌(10)을 공간상에서 특정 방향(예를 들면, 사용자 손목의 직교 방향)으로 회전시킴에 있어서, 짐벌(10)의 조작이 힘들거나 불가능해지는 싱귤러 포인트를 회피하는 기능을 수행한다.

즉, 도 4를 예로 들어 설명하면, 핸들부재(18)를 조작하다가 c축이 a축에 근접하면, 사용자가 핸들부재(18)를 a축을 중심으로 회전시키는 것이 힘들거나 불가능해지는 싱귤러 포인트에 해당할 수 있는데, 이 경우를 미리 회피하기 위해, 핸들부재(18)를 조작하다가 c축이 a축 쪽으로 이동할 때, a축을 동시에 최적의 위치로(예를 들면 a축이 c축과 직교하도록) 이동시킴으로서, 핸들부재(18)가 항상 원활하게 작동될 수 있는 최적의 상태를 만들 수 있다. 즉, 제1 짐벌부재(12)를 리던던트 조인트(R)에 대해 회전시킴으로써, 짐벌(10)이 싱귤러 포인트에 근접하는 것을 회피할 수 있다.

도 4에는, 제2 링크부와 제1 링크부가 서로 고정된 상태(서로 회전가능하지 않은 상태)이고, 제1 짐벌부재(12)가 z축을 중심으로 회전가능하도록 제2 링크부에 결합되어, 그 결합 조인트(R)가 리던던트 조인트 역할을 하는 경우가 예시되어 있다.

나아가, 본 실시예에 따른 링크 구조는, 도 6에 도시된 것처럼, 제1 링크부와 제2 링크부 간의 회전 조인트(50)가 짐벌(10)에 대해 리던던트 조인트 역할을 하도록 할 수도 있다. 이 경우에도 리던던트 조인트는 짐벌(10)을 공간상에서 임의의 방향으로 회전시킴에 있어서, 짐벌(10)의 조작이 힘들거나 불가능해지는 싱귤러 포인트를 회피하는 기능을 수행한다.

도 6에 예시된 링크 구조는, 제2 링크부는 z축을 중심으로 회전가능하도록 제1 링크부에 결합되고, 제1 짐벌부재(12)는 제2 링크부에 고정된 상태(회전가능하지 않은 상태)로서, 제1 링크부와 제2 링크부 간의 결합 조인트(50)가 리던던트 조인트 역할을 하는 경우이다.

즉, 핸들부재(18)를 조작하다가 c축이 a축에 근접하면, 사용자가 핸들부재(18)를 a축을 중심으로 회전시키는 것이 힘들거나 불가능해지는 싱귤러 포인트(도 7a 참조)에 해당할 수 있는데, 이 경우 도 7b와 같이 제2 링크부를 제1 링크부에 대해 회전시켜, a축을 동시에 최적의 위치로(예를 들면 a축이 c축과 직교하도록) 이동시킴으로서, 핸들부재(18)가 항상 원활하게 작동될 수 있는 최적의 상태를 만들 수 있다.

제2 링크부를 제1 링크부에 대해 회전시킴에 따라, 결과적으로 제1 짐벌부재(12)가 리던던트 조인트(50)에 대해 회전하게 되며, 따라서 짐벌(10)이 싱귤러 포인트에 근접하는 것을 회피할 수 있다.

싱귤러 포인트는, 사용자에 의한 핸들부재의 조작 과정에서 a축과 c축이 서로 근접하여, 제1 짐벌부재가 제2 짐벌부재의 회전을 억제하는 상태로서, 여기에서 '근접'한다는 것은, 2개의 축이 서로 중첩되어 일치하게 되는 경우뿐만 아니라, 2개의 축이 이루는 각도가 매우 작아 핸들부재를 어느 한 축에 대해 회전시키는 것이 실질적으로 어려워질 정도로 2개의 축이 서로 가까워지는 경우를 포함하는 개념이다.

한편, 제1 링크부에 대해 z축을 중심으로 제2 링크부를 회전시킬 경우, 짐벌(10)의 x-y평면상의 위치가 변경될 수 있으므로, 제2 링크부의 회전에 상응하여, 제1 링크부를 신장 또는 수축시킴으로써 짐벌(10)의 위치(x-y평면상의 위치)가 유지되도록 할 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇의 마스터 조작 디바이스를 나타낸 도면이고, 도 9는 도 8에 도시된 로봇의 마스터 조작 디바이스의 작동 상태를 나타낸 도면이다. 도 8 내지 도 9를 참조하면, 로봇(1), 짐벌(10), 짐벌부재(12, 14, 16), 핸들부재(18), 시저형 링크(20), 패러랠 링크(40), 회전 조인트(50)가 도시되어 있다.

전술한 도 7b와 같이 제2 링크부를 제1 링크부에 대해 회전시키더라도 a축이 c축으로부터 충분히 멀어지지 않을 경우도 있다. 예를 들어, 리던던트 조인트를 작동시켜 a축이 c축과 직교하도록 하고자 하는 경우, 제2 링크부를 제1 링크부에 대해 회전시키는 것만으로는 제1 짐벌부재(12)가 충분히 회전되지 않을 수도 있다. 이 경우, 도 8 및 도 9에 도시된 것처럼 제1 짐벌부재(12)를 제2 링크부에 대해 추가적으로 회전시켜 싱귤러 포인트를 확실하게 회피하도록 할 수도 있다.

도 8에 예시된 링크 구조는, 제2 링크부가 z축을 중심으로 회전가능하도록 제1 링크부에 결합될 뿐만 아니라, 제1 짐벌부재(12)도 z축을 중심으로 회전가능하도록 제2 링크부에 결합되어, 제1 링크부와 제2 링크부 간의 회전 조인트(50) 및 제1 짐벌부재(12)와 제2 링크부 간의 회전 조인트(도 8의 'R' 참조)가 모두 리던던트 조인트 역할을 하는 경우이다.

즉, 핸들부재(18)를 조작하다가 c축이 a축에 근접하면, 짐벌의 상태가 싱귤러 포인트에 근접할 수 있는데, 이 경우 도 9에 도시된 것처럼, 제2 링크부를 제1 링크부에 대해 회전시켜 a축이 c축으로부터 멀어지도록 하고, 나아가 제1 짐벌부재(12)도 제2 링크부에 대해 회전시켜 a축이 c축으로부터 충분히 멀어지도록(예를 들면 a축이 c축과 직교하도록) 함으로써, 짐벌(10)이 싱귤러 포인트에 근접하는 것을 회피할 수 있다.

제2 링크부를 회전시킬 경우, 짐벌(10)의 x-y평면상의 위치가 변경될 수 있으므로, 제2 링크부의 회전에 상응하여, 제1 링크부를 신장 또는 수축시킴으로써 짐벌(10)의 위치가 유지되도록 할 수 있음은 도 7b의 경우와 마찬가지이다.

이 때, 제1 짐벌부재(12)의 제2 링크부에 대한 회전이, 제2 링크부의 제1 링크부에 대한 회전에 연동되도록 할 수 있다. 즉, 제2 링크부가 회전한 각도에 소정의 비율을 곱하여 제1 짐벌부재(12)의 회전 각도를 산정할 수도 있고, 미리 설정된 목표 각도에서 제2 링크부의 회전 각도를 뺀 값으로 제1 짐벌부재(12)의 회전 각도를 산정할 수도 있다.

예를 들어, 제2 링크부의 회전 각도와 제1 짐벌부재의 회전 각도의 비율이 0.5로 설정되었다고 가정하면, 싱귤러 포인트를 회피하기 위해 제2 링크부가 45도만큼 제1 링크부에 대해 회전한 경우, 제1 짐벌부재는 22.5도(= 45도 X 0.5)만큼 제2 링크부에 대해 회전하여, 결과적으로 a축은 c축으로부터 67.5도(= 45도 + 22.5도)만큼 멀어지게 될 수 있다.

또는, 싱귤러 포인트를 회피하기 위해 a축이 c축으로부터 멀어지는 목표 각도가 90도로 설정되었다고 가정하면, 제2 링크부가 60도만큼 제1 링크부에 대해 회전한 경우, 제1 짐벌부재는 30도(= 90도 - 60도)만큼 제2 링크부에 대해 회전하여, 결과적으로 a축은 목표 각도인 90도만큼 c축으로부터 멀어지게 될 수 있다.

한편, 짐벌(10)의 싱귤러 포인트를 회피하기 위한 제2 링크부의 회전, 제1 링크부의 신축, 및 제1 짐벌부재(12)의 회전 작동은, 짐벌(10)에 대한 사용자의 조작 상황에 상응하여 자동으로 구현되도록 제어될 수 있다.

예를 들어, 사용자가 짐벌(10)을 조작하는 과정에서 짐벌(10)이 싱귤러 포인트에 근접하게 된 경우, 수술용 로봇(1)이 이를 감지하여 링크 구조(제1 링크부, 제2 링크부)나 제1 짐벌부재(12)를 자동으로 작동시킴으로써, 제1 짐벌부재(12)가 사용자의 조작에 방해가 되지 않도록 제어할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 10을 참조하여 후술한다.

이상으로 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 마스터 조작 디바이스는, x-y평면상의 움직임을 담당하는 시저형 링크(20)(또는 텔레스코픽 링크(30)나 LM형 링크(35))와 수직 방향의 움직임을 담당하는 패러랠 링크(40)를 조합하고, 패러랠 링크(40)에는 모멘트 평형 기구(49)를 적용함으로써, 짐벌(10)을 3차원 공간상에서 원하는 위치로 안정적으로 이동시킬 수 있도록 한 것이다.

나아가, 본 실시예에 따른 마스터 조작 디바이스는 짐벌 구조에 별도의 리던던트 조인트를 추가할 필요 없이, 제1 링크부와 제2 링크부의 결합 부위에 회전 조인트(50)를 설치하여, 링크부 간의 회전 조인트(50)가 짐벌(10)의 조작에 있어서 리던던트 조인트 역할을 하도록 할 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 제어방법을 나타낸 순서도이다.

전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 링크 구조에는 리던던트 조인트가 부가될 수 있으며, 이러한 리던던트 조인트(제1 링크부와 제2 링크부 간의 회전 조인트(50))는 짐벌(10)의 작동에 있어서 여분의 자유도를 제공하는 역할을 한다.

평소에는 사용자가 핸들부재(18)를 손으로 잡고 임의의 방향으로 회전시키는 과정에서 리던던트 조인트가 작동되어야 하는 것은 아니나, 짐벌(10)의 상태가 싱귤러 포인트에 근접할 경우에는 리던던트 조인트가 작동되어(제2 링크부가 제1 링크부에 대해 회전하여) 짐벌(10)의 조작이 원활한 상태가 되도록 할 수 있다.

이를 위해, 본 실시예에 따른 마스터 조작 디바이스를 구비한 수술용 로봇(1)에서는 짐벌(10)의 조작 상태에 상응하여 자동으로 리던던트 조인트가 작동되도록 할 수 있다. 즉, 수술용 로봇(1)에 구비되어 있는 제어부는, 짐벌(10)의 상태를 감지하고, 감지된 짐벌(10)의 상태가 싱귤러 포인트를 회피하는 최적의 위치가 되도록 자동으로 리던던트 조인트가 작동되도록 함으로써, 싱귤러 포인트를 회피하는 기능을 수행할 수 있다.

본 실시예에 따른 마스터 조작 디바이스는, 수술용 로봇(1)에 결합되는 제1 링크부, 제1 링크부에 결합되는 제2 링크부, 제2 링크부에 결합되는 짐벌(10)로 이루어지고, 제1 링크부는 짐벌(10)의 x-y평면상의 위치를 규정하고, 제2 링크부는 짐벌(10)의 z축상의 위치를 규정하며, 제2 링크부는 z축을 중심으로 회전가능하도록 제1 링크부에 결합되어 그 회전 조인트(50)가 리던던트 조인트 역할을 하도록 구성될 수 있은 전술한 바와 같다.

도 10은, 이러한 마스터 조작 디바이스를 구비하는 수술용 로봇(1)에 있어서, 짐벌(10)의 상태가 싱귤러 포인트에 근접할 경우 링크 구조(3, 5)를 자동으로 작동시켜 싱귤러 포인트를 회피하기 위한 제어방법으로서, 수술용 로봇(1)에 구비되어 있는 제어부를 통해 수행될 수 있다.

예를 들어, 사용자가 짐벌(10)을 조작하는 과정에서 짐벌(10)의 상태가 싱귤러 포인트에 근접할 경우, 수술용 로봇(1)은 이를 감지하여 리던던트 조인트가 자동으로 작동되도록(제2 링크부가 제1 링크부에 대해 회전하도록) 함으로써, 짐벌(10)이 원활하게 작동되도록 제어할 수 있다. 즉, 싱귤러 포인트를 회피하도록 할 수 있다.

이를 위해, 수술용 로봇(1)에는, 사용자에 의한 짐벌(10)의 조작 상태를 감지하는 센서, 센싱된 결과로부터 짐벌(10)이 싱귤러 포인트에 근접하는지 여부를 판단하고 그 결과에 따라 리던던트 조인트가 작동되어야 하는 정도를 연산하는 프로세서, 연산 결과에 따라 리던던트 조인트를 작동시키는 구동모터 등의 구성요소가 구비될 수 있다.

싱귤러 포인트를 회피하기 위해 리던던트 조인트를 자동으로 작동시키는 수술용 로봇의 제어 과정을 구체적으로 살펴보면, 먼저, 짐벌(10)의 현재 상태에 관한 정보를 획득하고(S10), 획득된 짐벌(10)의 현재 상태가 싱귤러 포인트에 근접하는지 여부를 판단한다(S20).

싱귤러 포인트는, 사용자에 의한 핸들부재의 조작 과정에서 a축과 c축이 서로 근접하여 제1 짐벌부재가 제2 짐벌부재의 회전을 억제하는 상태임은 전술한 바와 같으며, 싱귤러 포인트에 근접하는지 여부를 판단하기 위해, 미리 소정의 기준을 설정해 놓을 수 있다. 예를 들어, c축이 a축에 대해 45도 이하(또는 135도 이상)의 각도를 이루도록 핸들부재가 조작된 경우를 싱귤러 포인트에 근접하는 것으로 판단하도록 기준을 설정해 놓을 수 있다.

짐벌(10)의 상태가 싱귤러 포인트에 근접하는 것으로 판단될 경우에는, 싱귤러 포인트를 회피하기 위해 리던던트 조인트를 작동시킨다. 즉, 제2 링크부를 제1 링크부에 대해 회전시킨다(S30).

제2 링크부는 이른바 '작동원활' 상태가 될 때까지 회전시킬 수 있는데, 여기서 작동원활 상태는 제2 링크부가 충분히 회전하여 짐벌(10)이 원활하게 조작될 수 있는 상태를 의미한다.

짐벌(10)의 상태가 작동원활 상태인지 여부 또한 미리 설정된 소정의 기준에 따라 판단될 수 있다. 예를 들어, c축이 a축에 대해 45도∼135도의 각도를 이루도록 제1 짐벌부재가 회전된 경우를 작동원활 상태에 해당하는 것으로 판단하도록 기준을 설정해 놓을 수 있다.

나아가, 어떤 경우에서든, 싱귤러 포인트에서 최대한 멀어질 수 있도록 리던던트 조인트의 작동을 제어할 수 있다.

제1 링크부에 대해 z축을 중심으로 제2 링크부를 회전시킬 경우, 짐벌(10)의 x-y평면상의 위치가 변경될 수 있으므로, 제2 링크부의 회전에 상응하여, 제1 링크부를 신장 또는 수축시킴으로써(S32), 짐벌(10)의 위치(x-y평면상의 위치)가 변경되지 않고 유지되도록 할 수 있음은 전술한 바와 같다.

한편, 제2 링크부를 제1 링크부에 대해 회전시키더라도 a축이 c축으로부터 충분히 멀어지지 않을 수도 있으며, 이 경우 짐벌(구체적으로는, 제1 짐벌부재(12))를 제2 링크부에 대해 추가적으로 회전시켜(S40) 싱귤러 포인트가 확실하게 회피되도록 할 수 있다. 이를 위해 짐벌(10) 또한 z축을 중심으로 회전가능하도록 제2 링크부에 결합할 수 있음은 도 9에 대한 설명에서와 마찬가지이다.

이에 따라, 짐벌(10)의 상태가 싱귤러 포인트에 근접할 경우, 제2 링크부를 제1 링크부에 대해 회전시킬 뿐만 아니라, 이에 상응하여 짐벌(10)도 제2 링크부에 대해 회전시킴으로써, a축이 c축으로부터 충분히 멀어져 짐벌(10)이 싱귤러 포인트에 근접하는 것을 보다 효과적으로 회피할 수 있다.

이 때, 짐벌(10)의 회전 각도는 제2 링크부의 회전 각도에 소정의 비율을 곱하여 산정될 수도 있고, 미리 설정된 목표 각도에서 제2 링크부의 회전 각도를 뺀 값으로 산정될 수도 있음은 전술한 바와 같다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1 : 로봇 3 : 제1 링크부
5 : 제2 링크부 10 : 짐벌
12, 14, 16 : 짐벌부재 18 : 핸들부재
20 : 시저형 링크 22, 24 : 링크부재
26, 28 : 피봇핀 30 : 텔레스코픽 링크
32, 34, 36, 38 : 링크부재 35 : LM형 링크
40 : 패러랠 링크 41, 43, 45, 47 : 피봇핀
42, 44, 46, 48 : 링크부재 49 : 모멘트 평형 기구
50 : 회전 조인트 112 : 플레이트 캠
122 : 캠 팔로워 130 : 탄성체

Claims (38)

1. 로봇을 조작하기 위한 마스터(master) 조작 디바이스로서,
   사용자에 의해 조작되는 짐벌(gimbal)과;
   상기 로봇에 회전가능하도록 결합되며, 그 구동에 따라 상기 짐벌의 x-y평면상의 위치를 규정하는 제1 링크부와;
   상기 제1 링크부에 결합되며, 그 구동에 따라 상기 짐벌의 z축상의 위치를 규정하는 제2 링크부를 포함하되,
   상기 제1 링크부와 상기 제2 링크부의 구동에 의해 상기 짐벌은 공간상의 임의의 위치로 이동하고,
   상기 x-y평면은 수평면이며, 상기 z축은 연직축이고,
   상기 제1 링크부는 z축을 중심으로 회전가능하도록 상기 로봇에 결합되며,
   상기 제1 링크부는, 그 구동에 따라 길이방향으로 신축되는 시저(scissors)형 링크를 포함하되,
   상기 시저형 링크는, x-y평면 내에서 작동되며 수직 방향으로의 회전이 구속되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 시저형 링크는, 제1 피봇핀에 의해 서로 가위식으로 연결되는 제1 링크부재와 제2 링크부재의 결합체가, 제2 피봇핀에 의해 길이방향으로 연쇄적으로 연결되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 피봇핀 및 상기 제2 피봇핀은 수직 방향으로 설치되어, 상기 제1 링크부재와 상기 제2 링크부재는 x-y평면 내에서 회동하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 링크부는 패러랠 링크(parallel link)를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 패러랠 링크는, 수직 방향으로 작동되며 수평 방향으로의 회전이 구속되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 패러랠 링크는, 상기 제1 링크부에 결합되는 제1 링크부재와, 제1 피봇핀에 의해 상기 제1 링크부재에 회전가능하게 결합되는 제2 링크부재와, 제2 피봇핀에 의해 상기 제2 링크부재에 회전가능하게 결합되는 제3 링크부재와, 제3 피봇핀에 의해 상기 제3 링크부재에 회전가능하게 결합되며 제4 피봇핀에 의해 상기 제1 링크부재에 회전가능하게 결합되는 제4 링크부재를 포함하되, 상기 제1 링크부재와 상기 제3 링크부재는 서로 평행하며, 상기 제2 링크부재와 상기 제4 링크부재는 서로 평행한 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 피봇핀, 상기 제2 피봇핀, 상기 제3 피봇핀 및 상기 제4 피봇핀은 각각 z축에 수직한 방향으로 설치되어, 상기 제1 링크부재, 상기 제2 링크부재, 상기 제3 링크부재 및 상기 제4 링크부재는 수직 방향으로 회동하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
16. 제12항에 있어서,
    상기 패러랠 링크에는, 상기 패러랠 링크가 상기 짐벌에 작용하는 중력에 의해 작동되는 것을 방지할 수 있도록 모멘트 평형 기구가 설치되는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
17. 제1항에 있어서,
    상기 제2 링크부는, 상기 제1 링크부에 대한 회전이 구속되도록 상기 제1 링크부에 고정되는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
18. 제17항에 있어서, 상기 짐벌은,
    z축을 중심으로 회전가능하도록 상기 제2 링크부에 결합되는 제1 짐벌부재와;
    a축을 중심으로 회전가능하도록 상기 제1 짐벌부재에 결합되는 제2 짐벌부재와;
    상기 a축에 직교하는 b축을 중심으로 회전가능하도록 상기 제2 짐벌부재에 결합되는 제3 짐벌부재와;
    상기 b축에 직교하는 c축을 중심으로 회전가능하도록 상기 제3 짐벌부재에 결합되며 사용자가 손으로 잡고 조작하는 핸들부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 짐벌부재와 상기 제2 링크부 간의 회전 조인트는, 상기 짐벌에 대해 리던던트(redundant) 조인트 역할을 하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
20. 제1항에 있어서,
    상기 제2 링크부는, z축을 중심으로 회전가능하도록 상기 제1 링크부에 결합되는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
21. 제20항에 있어서, 상기 짐벌은,
    상기 제2 링크부에 대한 회전이 구속되도록 상기 제2 링크부에 고정되는 제1 짐벌부재와;
    a축을 중심으로 회전가능하도록 상기 제1 짐벌부재에 결합되는 제2 짐벌부재와;
    상기 a축에 직교하는 b축을 중심으로 회전가능하도록 상기 제2 짐벌부재에 결합되는 제3 짐벌부재와;
    상기 b축에 직교하는 c축을 중심으로 회전가능하도록 상기 제3 짐벌부재에 결합되며 사용자가 손으로 잡고 조작하는 핸들부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
22. 제21항에 있어서,
    상기 제2 링크부와 상기 제1 링크부 간의 회전 조인트는, 상기 짐벌에 대해 리던던트 조인트 역할을 하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
23. 제22항에 있어서,
    사용자에 의한 상기 핸들부재의 조작 과정에서 상기 짐벌의 상태가 싱귤러 포인트(singular point)에 근접하는 것을 회피할 수 있도록, 상기 제2 링크부는 상기 제1 링크부에 대해 회전하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
24. 제23항에 있어서,
    상기 싱귤러 포인트는, 사용자에 의한 상기 핸들부재의 조작 과정에서 상기 a축과 상기 c축이 서로 근접하여, 상기 제1 짐벌부재가 상기 제2 짐벌부재의 회전을 억제하는 상태인 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
25. 제23항에 있어서,
    상기 제2 링크부의 회전에 상응하여, 상기 짐벌의 위치가 유지되도록 상기 제1 링크부가 신축되는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
26. 제1항에 있어서,
    상기 제2 링크부는, z축을 중심으로 회전가능하도록 상기 제1 링크부에 결합되고,
    상기 짐벌은,
    z축을 중심으로 회전가능하도록 상기 제2 링크부에 결합되는 제1 짐벌부재와;
    a축을 중심으로 회전가능하도록 상기 제1 짐벌부재에 결합되는 제2 짐벌부재와;
    상기 a축에 직교하는 b축을 중심으로 회전가능하도록 상기 제2 짐벌부재에 결합되는 제3 짐벌부재와;
    상기 b축에 직교하는 c축을 중심으로 회전가능하도록 상기 제3 짐벌부재에 결합되며 사용자가 손으로 잡고 조작하는 핸들부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
27. 제26항에 있어서,
    상기 제2 링크부와 상기 제1 링크부 간의 회전 조인트 및 상기 제1 짐벌부재와 상기 제2 링크부 간의 회전 조인트는, 상기 짐벌에 대해 리던던트 조인트 역할을 하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
28. 제27항에 있어서,
    사용자에 의한 상기 핸들부재의 조작 과정에서 상기 짐벌의 상태가 싱귤러 포인트에 근접하는 것을 회피할 수 있도록, 상기 제2 링크부는 상기 제1 링크부에 대해 회전하고, 그에 상응하여 상기 제1 짐벌부재는 상기 제2 링크부에 대해 회전하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
29. 제28항에 있어서,
    상기 싱귤러 포인트는, 사용자에 의한 상기 핸들부재의 조작 과정에서 상기 a축과 상기 c축이 서로 근접하여, 상기 제1 짐벌부재가 상기 제2 짐벌부재의 회전을 억제하는 상태인 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
30. 제28항에 있어서,
    상기 제2 링크부의 회전에 상응하여, 상기 짐벌의 위치가 유지되도록 상기 제1 링크부가 신축되는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
31. 제28항에 있어서,
    상기 제1 짐벌부재의 상기 제2 링크부에 대한 회전 각도는, 상기 제2 링크부의 상기 제1 링크부에 대한 회전 각도에 소정의 비율을 곱하여 산정되는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
32. 제28항에 있어서,
    상기 제1 짐벌부재의 상기 제2 링크부에 대한 회전 각도는, 미리 설정된 목표 각도와 상기 제2 링크부의 상기 제1 링크부에 대한 회전 각도 간의 차이값에 상응하도록 산정되는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
    
33. 사용자에 의해 조작되는 짐벌과, 그 구동에 따라 상기 짐벌의 x-y평면상의 위치를 규정하는 제1 링크부와, 상기 제1 링크부에 z축을 중심으로 회전가능하도록 결합되며 그 구동에 따라 상기 짐벌의 z축상의 위치를 규정하는 제2 링크부를 포함하는 마스터 조작 디바이스를 구비하는 수술용 로봇을 제어하는 방법으로서,
    (a) 상기 짐벌에 대한 사용자 조작에 따른 상기 짐벌의 상태에 관한 정보를 획득하는 단계;
    (b) 미리 설정된 기준에 따라 상기 짐벌의 상태가 싱귤러 포인트를 회피하는 최적의 위치인지 여부를 판단하는 단계; 및
    (c) 상기 짐벌의 상태가 싱귤러 포인트를 회피하는 최적의 위치가 아닌 경우, 상기 제2 링크부를 상기 제1 링크부에 대해 회전시키는 단계를 포함하는 수술용 로봇의 제어방법.
    
34. 제33항에 있어서,
    상기 단계 (c)는, 상기 짐벌의 상태가 미리 설정된 작동원활 상태가 되도록, 상기 제2 링크부를 상기 제1 링크부에 대해 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 제어방법.
    
35. 제33항에 있어서,
    상기 단계 (c)는, 상기 제2 링크부의 회전에 상응하여, 상기 짐벌의 위치가 유지되도록 상기 제1 링크부를 신축시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 제어방법.
    
36. 제33항에 있어서,
    상기 짐벌은 z축을 중심으로 회전가능하도록 상기 제2 링크부에 결합되며,
    상기 단계 (c)는, 상기 제2 링크부의 상기 제1 링크부에 대한 회전에 상응하여 상기 짐벌을 상기 제2 링크부에 대해 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 제어방법.
    
    
37. 제36항에 있어서,
    상기 단계 (c)는, 상기 제2 링크부의 상기 제1 링크부에 대한 회전 각도에 소정의 비율을 곱하여 산정된 각도만큼 상기 짐벌을 상기 제2 링크부에 대한 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 제어방법.
    
38. 제36항에 있어서,
    상기 단계 (c)는, 미리 설정된 목표 각도와 상기 제2 링크부의 상기 제1 링크부에 대한 회전 각도 간의 차이값에 상응하는 각도만큼 상기 짐벌을 상기 제2 링크부에 대한 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 제어방법.

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