KR102116119B1 - Master robot and control method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 짐벌락이 방지되면서 오퍼레이터가 부드럽게 조작할 수 있는 마스터 로봇 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 여유 각도를 결정하기 위하여 자코비안(jacobian)을 영공간(null-space)에 투영하는 방법을 사용하지 않고, 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도에 비례하도록 결정하는 방법을 사용하므로, 특정 방향에서 방향 자유도를 상실하여 짐벌락에 빠지는 문제를 해결할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워지면 제1 각도에 비례하도록 여유 각도를 결정하므로, 오퍼레이터가 부드럽게 핸들을 조작할 수 있다.
The present invention relates to a master robot that can be operated smoothly by an operator while preventing gimbal lock, and a control method thereof.
According to the present invention, a method of determining a proportion to the first angle and the second angle is used instead of using a method of projecting a Jacobian to a null-space in order to determine an allowance angle. , It can solve the problem of falling into the gimbal by losing the degree of freedom in direction in a specific direction. Further, according to the present invention, when the third angle approaches 90 degrees or -90 degrees, the clearance angle is determined to be proportional to the first angle, so that the operator can operate the handle smoothly.

Description

마스터 로봇 및 그 제어 방법{Master robot and control method thereof}Master robot and control method thereof

본 발명은 짐벌락이 방지되면서 오퍼레이터가 부드럽게 조작할 수 있는 마스터 로봇 및 그 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a master robot that can be operated smoothly by an operator while preventing gimbal lock, and a control method thereof.

의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기계를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 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.Medically, surgery refers to healing of the skin, mucous membranes, or other tissues by cutting, slitting or manipulating them using a medical machine. Particularly, open surgery to open and cut the skin on the surgical site to treat, shape, or remove the organs in the surgery area has recently been performed using robots due to problems such as bleeding, side effects, patient pain, and scars. It is spotlighted as an alternative.

이러한 수술용 로봇은 의사의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터(master) 로봇과, 조작부로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave) 로봇으로 구분될 수 있는데, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇은 하나의 수술용 로봇의 각 부분으로서 구분되거나, 별도의 장치로 구성되어 수술실에 각각 배치될 수도 있다.The surgical robot may be divided into a master robot that generates and transmits a signal required by a doctor's manipulation, and a slave robot that receives a signal from the manipulation unit and directly applies a surgical operation to a patient. The robot and the slave robot may be classified as parts of one surgical robot, or may be configured as separate devices and disposed in the operating room.

수술용 마스터 로봇에는 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.The master robot for surgery is equipped with a device for doctor's manipulation. In the case of robotic surgery, the surgeon does not directly manipulate the instruments necessary for surgery, but manipulates the above-described devices to perform various operations required for surgery on the robot. Do it.

통상 마스터 로봇에 설치되는 마스터 디바이스는 의사가 손으로 잡고 움직이는 핸들과, 핸들과 로봇 본체를 매개하는 마스터 암으로 이루어지는데, 마스터 암은 의사가 핸들을 잡고 이동, 회전 등의 조작행위를 할 때 핸들의 움직임을 서포트할 수 있도록 로봇 본체와 핸들을 연결하는 다관절 링크 형태의 암(arm)으로 구성된다.The master device, which is usually installed on the master robot, consists of a handle that the doctor holds by hand and moves, and a master arm that mediates the handle and the robot body, and the master arm handles when the doctor holds the handle and performs operations such as movement and rotation. It is composed of an arm in the form of a multi-joint link connecting the robot body and the handle to support the movement of the robot.

한편, 마스터 암은 조작자의 손목 가동범위보다 충분한 범위를 움직일 수 있도록 설계되는데, 이를 위해 기본 관절에 여유 관절이 추가로 구성된다. 여유 관절은 조작자의 손목 움직임을 적절한 위치와 속도로 추종하여 움직인다.On the other hand, the master arm is designed to be able to move a sufficient range than the range of movement of the wrist of the operator. To this end, a free joint is additionally configured in the basic joint. The slack joint moves by following the operator's wrist movement at the proper position and speed.

수술용 로봇의 성능 향상을 위해, 마스터 암에서 조작자의 손목 가동범위를 확보하고 저항감을 주지 않으며, 짐벌락(gimbal-lock)에 걸리지 않는 여유 관절의 추종각(이하, 여유 각도)을 결정하는 방법이 요구된다.In order to improve the performance of the surgical robot, a method for determining the follow angle (hereinafter, the angle of clearance) of the marginal joint that secures the operator's wrist movement range in the master arm, does not give resistance, and does not suffer from gimbal-lock Is required.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 복수의 로봇 암으로 구성된 마스터 로봇에서 짐벌락 방지가 가능하도록 여유 각도를 결정하는 방법을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a method for determining a clearance angle to prevent gimbal from a master robot composed of a plurality of robot arms.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 오퍼레이터의 움직임에 방해가 되지 않도록 여유 각도를 결정하는 방법을 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a method for determining a clearance angle so as not to interfere with an operator's movement.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 일 실시예에 따른 마스터 로봇은 요축으로 회전 가능하도록 베이스부에 장착되는 하측 암(lower arm); 피치축으로 회전 가능하도록 상기 하측 암에 장착되는 중간 암(middle arm); 상기 요축으로 회전 가능하도록 상기 중간 암에 장착되는 상측 암(upper arm); 롤축으로 회전 가능하도록 상기 상측 암에 장착되는 핸들; 및 상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 제1 각도, 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 제2 각도, 및 상기 중간 암이 상기 하측 암에 대하여 회전하는 제3 각도로부터 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하는 제4 각도를 결정하는 제어부를 포함한다.As a means for solving the above-described technical problem, the master robot according to an embodiment includes a lower arm mounted on a base portion to be rotatable with a yaw axis; A middle arm mounted on the lower arm to be rotatable on a pitch axis; An upper arm mounted on the intermediate arm to be rotatable with the yaw axis; A handle mounted to the upper arm to be rotatable with a roll shaft; And the lower arm from a first angle at which the handle rotates relative to the upper arm, a second angle at which the upper arm rotates relative to the intermediate arm, and a third angle at which the intermediate arm rotates relative to the lower arm. It includes a control unit for determining a fourth angle of rotation relative to the base portion.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제어부는, 상기 제3 각도가 0도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제2 각도로부터 상기 제4 각도를 결정한다.In the master robot according to an embodiment, when the third angle has a value similar to 0 degrees, the controller determines the fourth angle from the second angle.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제어부는, 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제1 각도로부터 상기 제4 각도를 결정한다.In the master robot according to an embodiment, when the third angle has a value similar to 90 degrees or -90 degrees, the controller determines the fourth angle from the first angle.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제어부는, 상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제1 각속도 및 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제2 각속도로부터 상기 제4 각도를 결정한다.In a master robot according to an embodiment, the control unit may include: a first angular velocity of the angular velocity of the angular velocity at which the handle rotates with respect to the upper arm and a second axial velocity of the angular velocity at which the upper arm rotates about the intermediate arm; The fourth angle is determined from the angular velocity.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제어부는, 상기 제1 각속도 및 상기 제2 각속도에 비례하도록 상기 제4 각도를 결정한다.In the master robot according to an embodiment, the control unit determines the fourth angle to be proportional to the first angular velocity and the second angular velocity.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제어부는, 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도에 비례하도록 상기 제4 각도를 결정한다.In a master robot according to an embodiment, the control unit determines the fourth angle to be proportional to the first angle and the second angle.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제어부는, 상기 제3 각도가 0도에 가까워질수록 상기 제1 각도보다 상기 제2 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록 상기 제4 각도를 결정하고, 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워질수록 상기 제2 각도보다 상기 제1 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록 상기 제4 각도를 결정한다.In the master robot according to an embodiment, the control unit determines the fourth angle to be proportional to the second angle with a greater weight than the first angle as the third angle approaches 0 degree. The fourth angle is determined such that the third angle approaches 90 degrees or -90 degrees and the weight is proportional to the first angle than the second angle.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제어부는, 하기 수학식에 의해 상기 제4 각도인 θ4를 결정하고, In the master robot according to an embodiment, the control unit determines the fourth angle θ 4 by the following equation,

(수학식)(Mathematics)

θ4=k1*W1* θ1+ k2*W2* θ2 θ 4 = k 1 * W 1 * θ 1 + k 2 * W 2 * θ 2

상기 수학식에서 상기 θ1는 상기 제1 각도를, 상기 θ2는 상기 제2 각도를, 상기 k1는 상기 제1 각도에 대한 상기 제4 각도의 비율을 조정하기 위한 비례상수를, 상기 k2는 상기 제2 각도에 대한 상기 제4 각도의 비율을 조정하기 위한 비례상수를, 상기 W1는 상기 제1 각도에 대한 가중치를, 상기 W2는 상기 제2 각도에 대한 가중치를 나타낸다.In the above equation, θ 1 is the first angle, θ 2 is the second angle, k 1 is a proportionality constant for adjusting the ratio of the fourth angle to the first angle, k 2 Is a proportionality constant for adjusting the ratio of the fourth angle to the second angle, W 1 is a weight for the first angle, and W 2 is a weight for the second angle.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제3 각도가 0도에 가까워질수록, 상기 W1는 0에 가까운 값을, 상기 W2는 1에 가까운 값을 갖고, 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워질수록, 상기 W1는 1에 가까운 값을, 상기 W2는 0에 가까운 값을 갖는다.In the master robot according to an embodiment, as the third angle approaches 0 degrees, the W 1 has a value closer to 0, the W 2 has a value closer to 1, and the third angle is 90 degrees or As it approaches -90 degrees, W 1 has a value closer to 1 and W 2 has a value closer to 0.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 W2는 상기 제3 각도에 대한 cos함수로 결정되고, 상기 W1는 상기 W2와 합이 1이 되도록 결정된다.In the master robot according to an embodiment, the W 2 is determined as a cos function for the third angle, and the W 1 is determined such that the sum of the W 2 is 1.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 W2는 상기 제3 각도에 대한 다항함수로 결정되고, 상기 W1는 상기 W2와 합이 1이 되도록 결정된다.In the master robot according to an embodiment, the W 2 is determined as a polynomial function for the third angle, and the W 1 is determined such that the sum of the W 2 is 1.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 핸들의 조작에 따라 수술 도구가 장착되는 슬레이브 암이 조종된다.In a master robot according to an embodiment, a slave arm on which a surgical tool is mounted is steered according to the manipulation of the handle.

일 실시예에 따른 마스터 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 마스터 로봇은 요축으로 회전 가능하도록 베이스부에 장착되는 하측 암(lower arm), 피치축으로 회전 가능하도록 상기 하측 암에 장착되는 중간 암(middle arm), 상기 요축으로 회전 가능하도록 상기 중간 암에 장착되는 상측 암(upper arm), 롤축으로 회전 가능하도록 상기 상측 암에 장착되는 핸들을 포함하고, 상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 제1 각도를 획득하는 단계; 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 제2 각도를 획득하는 단계; 상기 중간 암이 상기 하측 암에 대하여 회전하는 제3 각도를 획득하는 단계; 상기 제1 각도, 상기 제2 각도, 및 상기 제3 각도로부터 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하는 제4 각도를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 제4 각도로 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하도록 제어하는 단계를 포함한다.In the control method of the master robot according to an embodiment, the master robot is mounted on the lower arm (lower arm) mounted on the base portion to be rotatable on the yaw axis, and the middle arm mounted on the lower arm to be rotatable on the pitch axis arm), an upper arm mounted to the intermediate arm to be rotatable with the yaw axis, and a handle mounted to the upper arm to be rotatable with a roll axis, wherein the handle is rotated relative to the upper arm Obtaining an angle; Obtaining a second angle at which the upper arm rotates relative to the intermediate arm; Obtaining a third angle at which the intermediate arm rotates relative to the lower arm; Determining a fourth angle at which the lower arm rotates with respect to the base portion from the first angle, the second angle, and the third angle; And controlling the lower arm to rotate relative to the base portion at the determined fourth angle.

일 실시예에 따른 마스터 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 제4 각도는 상기 제3 각도가 0도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제2 각도로부터 결정되는, 마스터 로봇의 제어 방법.In the control method of the master robot according to an embodiment, the fourth angle is determined from the second angle when the third angle has a value similar to 0 degrees, the control method of the master robot.

일 실시예에 따른 마스터 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 제4 각도는 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제1 각도로부터 결정된다.In the control method of the master robot according to an embodiment, the fourth angle is determined from the first angle when the third angle has a value similar to 90 degrees or -90 degrees.

일 실시예에 따른 마스터 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 제4 각도는 상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제1 각속도 및 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제2 각속도로부터 결정된다.In the control method of the master robot according to an embodiment, the fourth angle is a first angular velocity that is a yaw axis component of an angular velocity at which the handle rotates with respect to the upper arm and an angular velocity at which the upper arm rotates with respect to the intermediate arm. It is determined from the second angular velocity which is the yaw axis component.

일 실시예에 따른 마스터 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 제4 각도는 상기 제1 각속도 및 상기 제2 각속도에 비례하도록 결정된다.In the control method of the master robot according to an embodiment, the fourth angle is determined to be proportional to the first angular velocity and the second angular velocity.

일 실시예에 따른 마스터 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 제4 각도는 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도에 비례하도록 결정된다.In the control method of the master robot according to an embodiment, the fourth angle is determined to be proportional to the first angle and the second angle.

일 실시예에 따른 마스터 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 제4 각도는 상기 제3 각도가 0도에 가까워질수록 상기 제1 각도보다 상기 제2 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록, 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워질수록 상기 제2 각도보다 상기 제1 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록 결정된다.In the control method of the master robot according to an embodiment, the fourth angle is proportional to the third angle as the second angle approaches 0 degrees, with a greater weight to the second angle than the first angle. It is determined that the closer the angle is to 90 degrees or -90 degrees, the more the first angle is weighted and proportional to the second angle.

다른 실시예에 따른 마스터 로봇에 있어서, 요축으로 회전 가능하도록 베이스부에 장착되는 하측 암(lower arm); 피치축으로 회전 가능하도록 상기 하측 암에 장착되는 중간 암(middle arm); 상기 요축으로 회전 가능하도록 상기 중간 암에 장착되는 상측 암(upper arm); 롤축으로 회전 가능하도록 상기 상측 암에 장착되는 핸들; 및 상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제1 각속도 및 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제2 각속도로부터 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하는 제4 각도를 결정하는 제어부를 포함한다.In a master robot according to another embodiment, the lower arm (lower arm) mounted to the base portion to be rotatable in the yaw axis; A middle arm mounted on the lower arm to be rotatable on a pitch axis; An upper arm mounted on the intermediate arm to be rotatable with the yaw axis; A handle mounted to the upper arm to be rotatable with a roll shaft; And the lower arm rotates with respect to the base portion from a first angular velocity that is a yaw axis component of an angular velocity at which the handle rotates with respect to the upper arm and a second angular velocity that is a yaw axis component of an angular velocity at which the upper arm rotates with respect to the intermediate arm. It includes a control unit for determining the fourth angle.

다른 실시예에 따른 마스터 로봇에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1 각속도 및 상기 제2 각속도에 비례하도록 상기 제4 각도를 결정한다.In a master robot according to another embodiment, the control unit determines the fourth angle to be proportional to the first angular velocity and the second angular velocity.

본 발명에 따르면 여유 각도를 결정하기 위하여 자코비안(jacobian)을 영공간(null-space)에 투영하는 방법을 사용하지 않고, 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도에 비례하도록 결정하는 방법을 사용하므로, 특정 방향에서 방향 자유도를 상실하여 짐벌락에 빠지는 문제를 해결할 수 있다.According to the present invention, a method of determining a proportion to the first angle and the second angle is used instead of using a method of projecting a Jacobian to a null-space in order to determine an allowance angle. , It can solve the problem of falling into the gimbal by losing the degree of freedom in direction in a specific direction.

또한 본 발명에 따르면 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워지면 제1 각도에 비례하도록 여유 각도를 결정하므로, 오퍼레이터가 부드럽게 핸들을 조작할 수 있다.Further, according to the present invention, when the third angle approaches 90 degrees or -90 degrees, the clearance angle is determined to be proportional to the first angle, so that the operator can operate the handle smoothly.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.The effects according to the present invention are not limited by the contents exemplified above, and more various effects are included in the present specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇의 전체 구조를 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇을 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 마스터 로봇에서 각 구성요소들 및 그 연결관계를 간략하게 표현한 도면이다.
도 4는 짐벌락 상태를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 제3 각도가 90도 또는 -90인 상태를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 제어부가 여유 각도(제4 각도)를 결정하는 방법의 일 예를 나타낸 순서도이다.
도 9는 제어부가 여유 각도(제4 각도)를 결정하는 방법의 다른 예를 나타낸 순서도이다.
1 is a plan view showing the overall structure of a surgical robot according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows a master robot according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram briefly expressing each component and its connection relationship in the master robot illustrated in FIG. 2.
4 is a view showing a gimbal lock state.
5 and 6 are views showing a state in which the third angle is 90 degrees or -90 degrees.
7 and 8 are flowcharts illustrating an example of a method in which the control unit determines a clearance angle (fourth angle).
9 is a flowchart illustrating another example of a method in which the control unit determines a clearance angle (fourth angle).

이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 하기 설명은 실시예들을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 당해 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It goes without saying that the following description is only for the purpose of embodying the embodiments and does not limit or limit the scope of the invention. From the detailed description and examples, what can be easily inferred by experts in the art is interpreted as belonging to the scope of rights.

본 명세서에서 사용되는 '구성된다' 또는 '포함한다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.As used herein, terms such as 'consist of' or 'comprises' are not to be construed as including all of the various components or various steps described in the specification, and some components or some of them. It should be construed that they may not be included, or may further include additional components or steps.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the present specification have selected general terms that are currently widely used as possible while considering functions in the present invention, but this may be changed according to the intention or precedent of a person skilled in the art or the appearance of new technologies. In addition, in certain cases, some terms are arbitrarily selected by the applicant, and in this case, their meanings will be described in detail in the description of the applicable invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meanings of the terms and the contents of the present invention, not simply the names of the terms.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇의 전체 구조를 나타내는 평면도이다.1 is a plan view showing the overall structure of a surgical robot according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 수술용 로봇(1)은 수술대(2)에 누워있는 환자(P)에게 수술을 행하는 슬레이브 로봇(10)과, 슬레이브 로봇(10)을 오퍼레이터(O)가 원격 조종하도록 하는 마스터 콘솔(20)을 포함한다. 또한, 수술용 로봇(1)은 비전 카트(30)를 포함할 수 있다. 비전 카트(30)의 표시부(35)를 통해서, 보조자(A)가 수술의 진행 상황을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 1, the surgical robot 1 allows the operator O to remotely control the slave robot 10 and the slave robot 10 performing surgery on the patient P lying on the operating table 2. It includes a master console (20). In addition, the surgical robot 1 may include a vision cart 30. Through the display unit 35 of the vision cart 30, the assistant A can check the progress of the surgery.

슬레이브 로봇(10)은 하나 이상의 로봇 암(11)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(11)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(10)의 로봇 암(11)은 다자유도를 가지며 구동되도록 구현될 수 있다. 로봇 암(11)은 예를 들어 환자(P)의 수술 부위에 삽입되는 수술기구, 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(11)의 구성이 이에 제한되지는 않으며, 이러한 예시가 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 여기서, 오퍼레이터(O)가 조작 레버를 조작함에 의해 로봇 암(11)이 상응하는 방향으로 회전, 이동하는 등의 실제 제어 과정에 대한 구체적인 설명은 생략한다.The slave robot 10 may include one or more robot arms 11. In general, a robot arm refers to a device having a function similar to a human arm and / or wrist and capable of attaching a predetermined tool to the wrist. In this specification, the robot arm 11 may be defined as a concept encompassing all components such as upper arm, lower arm, wrist, and elbow, and surgical instruments coupled to the wrist. As such, the robot arm 11 of the slave robot 10 may be implemented to be driven with multiple degrees of freedom. The robot arm 11 is, for example, a surgical instrument that is inserted into the surgical site of the patient P, a transport drive unit that moves the surgical instrument in the longitudinal direction, a rotary drive unit that rotates the surgical instrument, and is installed at the end of the surgical instrument to perform surgery It may be configured to include a surgical instrument drive for cutting or cutting the lesion. However, the configuration of the robot arm 11 is not limited to this, it should be understood that these examples do not limit the scope of the present invention. Here, the detailed description of the actual control process such as the robot arm 11 rotates and moves in the corresponding direction by the operator O operating the operation lever is omitted.

슬레이브 로봇(10)은 환자(P)를 수술하기 위하여 하나 이상으로 이용될 수 있으며, 수술 부위가 디스플레이 부재(미도시)를 통해 화상 이미지로 표시되 도록 하기 위한 수술 도구(12)는 독립된 슬레이브 로봇(10)으로 구현될 수도 있다.The slave robot 10 may be used as one or more to operate the patient P, and the surgical tool 12 for allowing the surgical site to be displayed as an image image through a display member (not shown) is an independent slave robot. (10).

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.In addition, as described above, embodiments of the present invention can be used universally for surgery using various surgical endoscopes (eg, thoracoscopy, arthroscopy, parenteral, etc.) other than laparoscopic.

마스터 콘솔(20)과 슬레이브 로봇(10)이 반드시 물리적으로 독립된 별도의 장치로 분리되어야 하는 것은 아니며, 하나로 통합되어 일체형으로 구성될 수 있다.The master console 20 and the slave robot 10 do not necessarily need to be separated into separate physically independent devices, and can be integrated into one and configured integrally.

마스터 콘솔(20)은 마스터 로봇(도 2의 100) 및 디스플레이 부재(미도시)를 포함한다. 또한, 마스터 콘솔(20)은 추가적으로 외측에 오퍼레이터(O)의 상태를 표시할 수 있는 외부의 디스플레이 장치(25)를 더 구비할 수 있다.The master console 20 includes a master robot (100 in FIG. 2) and a display member (not shown). In addition, the master console 20 may further include an external display device 25 capable of displaying the state of the operator O on the outside.

상세히, 마스터 콘솔(20)은 오퍼레이터(O)가 조작할 수 있도록 마스터 로봇을 구비한다. 마스터 로봇은 한 개 또는 그 이상의 수량의 핸들로 구현될 수 있으며, 오퍼레이터(O)의 핸들 조작에 따른 조작 신호가 유선 또는 무선 통신망을 통해 슬레이브 로봇(10)으로 전송되어 로봇 암(11)이 제어된다. 즉, 오퍼레이터(O)의 핸들 조작에 의해 로봇 암(11)의 위치 이동, 회전, 절단 작업 등의 수술 동작이 수행될 수 있다.In detail, the master console 20 is equipped with a master robot so that the operator O can operate. The master robot may be implemented with one or more handles, and an operation signal according to the handle manipulation of the operator O is transmitted to the slave robot 10 through a wired or wireless communication network, and the robot arm 11 is controlled. do. That is, a surgical operation such as a position movement, rotation, or cutting operation of the robot arm 11 may be performed by operating the handle of the operator O.

예를 들어, 오퍼레이터(O)는 핸들 형태의 조작 레버를 이용하여 슬레이브 로봇 암(11)이나 수술 도구(12) 등을 조작 할 수 있다. 이와 같은 조작 레버는 그 조작방식에 따라 다양한 기구적 구성을 가질 수 있으며, 슬레이브 로봇 암(11)이나 수술 도구(12) 등의 동작을 조작하는 마스터 핸들과, 전체 시스템의 기능을 조작하기 위해 마스터 콘솔(20)에 부가된 조이스틱, 키패드, 트랙볼, 터치스크린과 같은 각종 입력도구와 같이, 슬레이브 로봇(10)의 로봇 암(11) 및/또는 기타 수술 장비를 작동시키기 위한 다양한 형태로 구비될 수 있다.For example, the operator O can operate the slave robot arm 11 or the surgical tool 12 using a handle-type operation lever. Such an operation lever may have various mechanical configurations according to its operation method, a master handle for operating operations such as a slave robot arm 11 or a surgical tool 12, and a master for operating functions of the entire system. Various types of input tools such as joysticks, keypads, trackballs, and touch screens added to the console 20 may be provided in various forms for operating the robot arm 11 and / or other surgical equipment of the slave robot 10. have.

마스터 콘솔(20)의 디스플레이 부재에는 수술 도구(12)를 통해 촬영되는 영상이 화상 이미지로 표시된다. 또한 디스플레이 부재에는 소정의 가상 조작판이 상기 수술 도구(12)를 통해 촬영되는 영상과 함께 표시되거나 또는 독립적으로 표시될 수 있다.The image captured through the surgical tool 12 is displayed on the display member of the master console 20 as an image image. In addition, a predetermined virtual operation panel may be displayed on the display member together with an image photographed through the surgical tool 12 or may be displayed independently.

디스플레이 부재는 오퍼레이터(O)가 영상을 확인할 수 있는 다양한 형태로 구비될 수 있다. 예를 들어, 오퍼레이터(O)의 양안에 대응하도록 디스플레이 장치가 설치될 수 있다. 다른 예로, 하나 이상의 모니터들로 구성될 수 있으며, 각 모니터에 수술시 필요한 정보들이 개별적으로 표시되도록 할 수 있다. 디스플레이 부재의 수량은 표시를 요하는 정보의 유형이나 종류 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다.The display member may be provided in various forms in which the operator O can check the image. For example, a display device may be installed to correspond to both eyes of the operator O. As another example, one or more monitors may be configured, and information necessary for surgery may be individually displayed on each monitor. The number of display members may be variously determined according to the type or type of information requiring display.

비전 카트(30)는 슬레이브 로봇(10)이나 마스터 콘솔(20)에 이격되게 설치되고, 외부에서 수술의 진행상황을 표시부(35)를 통해서 확인할 수 있다.The vision cart 30 is installed spaced apart from the slave robot 10 or the master console 20, and the progress of the operation can be checked from the outside through the display unit 35.

표시부(35)에서 디스플레이되는 영상은 오퍼레이터(O)의 디스플레이 부재에서 디스플레이 되는 영상과 동일할 수 있다. 보조자(A)는 표시부(35)의 영상을 확인하면서, 오퍼레이터(O)의 수술 작업을 보조할 수 있다. 예를 들어, 보조자(A)는 수술의 진행상태에 따라 수술 도구(12)를 인스트루먼트 카트(3)에서 교체할 수 있다.The image displayed on the display unit 35 may be the same as the image displayed on the display member of the operator O. The assistant A may assist the operator O with the surgical operation while checking the image of the display unit 35. For example, the assistant A can replace the surgical tool 12 in the instrument cart 3 according to the progress of the surgery.

중앙 제어부(40)는 슬레이브 로봇(10), 마스터 콘솔(20) 및 비전 카트(30)와 연결되어, 각각의 신호를 송수신 할 수 있다.The central control unit 40 is connected to the slave robot 10, the master console 20 and the vision cart 30 to transmit and receive each signal.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇을 나타낸다. 일 실시예에 따른 마스터 로봇은 하측 암(lower arm, 140), 중간 암(middle arm, 130), 상측 암(upper arm, 120), 핸들(110), 및 제어부(미도시)를 포함한다.Figure 2 shows a master robot according to an embodiment of the present invention. The master robot according to an embodiment includes a lower arm (140), a middle arm (130), an upper arm (upper arm 120), a handle 110, and a control unit (not shown).

마스터 로봇(100)의 움직임을 해석하기 위한 관성 좌표계의 롤축(y), 피치축(x), 및 요축(z)에서, 하측 암(140)은 요축으로 회전 가능하도록 베이스부(200)에 장착된다. 또한 중간 암(130)은 피치축으로 회전 가능하도록 하측 암(140)에 장착된다. 또한 상측 암(120)은 요축으로 회전 가능하도록 중간 암(130)에 장착된다. 또한 핸들(110)은 롤축으로 회전 가능하도록 상측 암(120)에 장착된다.On the roll axis (y), the pitch axis (x), and the yaw axis (z) of the inertial coordinate system for analyzing the movement of the master robot 100, the lower arm 140 is mounted on the base portion 200 so as to be rotatable with the yaw axis do. In addition, the middle arm 130 is mounted to the lower arm 140 to be rotatable with a pitch axis. In addition, the upper arm 120 is mounted on the intermediate arm 130 to be rotatable with the yaw axis. In addition, the handle 110 is mounted to the upper arm 120 to be rotatable with a roll axis.

도 3은 도 2에 도시된 마스터 로봇(100)에서 각 구성요소들 및 그 연결관계를 간략하게 표현한 도면이다.3 is a diagram briefly expressing each component and a connection relationship in the master robot 100 shown in FIG. 2.

도 3을 참조하면, 하측 암의 일단(140a)은 베이스부(200)에 연결되고, 중간 암의 일단(130a)은 하측 암의 타단(140b)에 연결되고, 상측 암의 일단(120a)은 중간 암의 타단(130b)에 연결되고, 핸들(110)은 상측 암의 타단(120b)에 연결되어 있다.3, one end 140a of the lower arm is connected to the base portion 200, one end 130a of the middle arm is connected to the other end 140b of the lower arm, and one end 120a of the upper arm is It is connected to the other end 130b of the middle arm, and the handle 110 is connected to the other end 120b of the upper arm.

도 2 및 도 3은 마스터 로봇(100)의 초기자세를 도시한 도면들로, 마스터 로봇(100)의 핸들(110), 상측 암(120), 중간 암(130), 및 하측암(140)이 서로에 대해 회전 자유도를 갖도록 구성되므로, 오퍼레이터가 핸들(110)을 조작함에 따라 마스터 로봇(100)의 자세가 변경될 수 있다.2 and 3 are views showing the initial posture of the master robot 100, the handle 110, the upper arm 120, the middle arm 130, and the lower arm 140 of the master robot 100 Since they are configured to have rotational degrees of freedom with respect to each other, the posture of the master robot 100 can be changed as the operator operates the handle 110.

예를 들어, 오퍼레이터는 핸들(110)을 롤축, 요축, 및 피치축으로 회전시킬 수 있는데, 핸들(110)을 롤축으로 회전시키면 핸들(110)이 상측 암(120)에 대하여 제1 각도(θ1)만큼 회전하게 되고, 핸들(110)을 요축으로 회전시키면 상측 암(120)이 중간 암(130)에 대하여 제2 각도(θ2)만큼 회전하게 되고, 핸들(110)을 피치축으로 회전시키면 중간 암(130)이 하측 암(140)에 대하여 제3 각도(θ3)만큼 회전하게 된다.For example, the operator can rotate the handle 110 by a roll axis, a yaw axis, and a pitch axis. When the handle 110 is rotated by a roll axis, the handle 110 is rotated by a first angle θ1 with respect to the upper arm 120. ), And when the handle 110 is rotated on the yaw axis, the upper arm 120 rotates by a second angle θ2 with respect to the middle arm 130, and when the handle 110 is rotated on the pitch axis, the middle The arm 130 is rotated by the third angle θ3 with respect to the lower arm 140.

이때, 오퍼레이터가 핸들(110)로 조작 가능한 범위를 확장하기 위해, 제어부는 하측 암(140)이 베이스부(200)에 대하여 회전하도록 여유 각도(제4 각도)를 결정하며, 결정된 제4 각도(θ4)로 하측 암(140)이 베이스부(200)에 대하여 회전하도록 제어한다.At this time, in order to extend the range that the operator can operate with the handle 110, the control unit determines the clearance angle (fourth angle) so that the lower arm 140 rotates relative to the base unit 200, and the determined fourth angle ( The lower arm 140 is controlled to rotate relative to the base portion 200 with θ4).

여기서, 제1 각도(θ1), 제2 각도(θ2), 및 제4 각도(θ4)의 부호는 초기자세를 기준으로 롤축 또는 요축에 대해 동일한 방향으로 회전하였을 때, 모두 동일하도록 설정된다. 제3 각도(θ3) 또한 다른 각도들과 동일한 회전방향에 대하여 동일한 부호를 갖도록 설정될 수 있다.Here, the signs of the first angle θ1, the second angle θ2, and the fourth angle θ4 are all set to be the same when rotated in the same direction with respect to the roll axis or the yaw axis based on the initial posture. The third angle θ3 may also be set to have the same sign for the same rotation direction as other angles.

예를 들어 초기자세를 기준으로, 핸들(110)이 롤축에 대해 시계방향으로 회전하면 제1 각도(θ1)는 양의 값을 갖고, 상측 암(120)이 요축에 대해 시계방향으로 회전하면 제2 각도(θ2)는 양의 값을 갖고, 하측 암(140)이 요축에 대해 시계방향으로 회전하면 제4 각도(θ4)는 양의 값을 갖게 된다. 이때, 시계방향이란 각축이 향하는 방향에 오른손 엄지손가락이 향하도록 두었을 때, 오른손 나머지 손가락들이 감기는 방향을 의미한다.For example, based on the initial posture, when the handle 110 rotates clockwise with respect to the roll axis, the first angle θ1 has a positive value, and the upper arm 120 rotates clockwise with respect to the yaw axis. 2 The angle θ2 has a positive value, and when the lower arm 140 rotates clockwise with respect to the yaw axis, the fourth angle θ4 has a positive value. In this case, the clockwise direction means a direction in which the fingers of the right hand are wound when the thumb of the right hand is placed in the direction that each axis is facing.

제어부는 기본적인 논리 연산이 가능해야 하므로 central processing unit(CPU), micro controller unit(MCU), 마이크로프로세서, field programmable gate array(FPGA), application specific integrated circuit(ASIC) 등 논리 연산이 가능한 반도체 소자를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.Since the controller must be able to perform basic logic operations, it is possible to use semiconductor devices capable of logic operations such as central processing unit (CPU), micro controller unit (MCU), microprocessor, field programmable gate array (FPGA), and application specific integrated circuit (ASIC). However, it is not limited thereto.

종래에는 여유 각도를 계산하기 위하여, 카테시안(cartesian) 공간 속도와 관절(joint) 공간 속도간의 도함수 매핑관계인 자코비안(jacobian)을 영공간(null-space)에 투영하는 방법을 사용하였다. 이 방법은 로봇공학에서 일반적으로 잘 사용되는 방법이지만 연산량이 많고, 도 4에 도시된 것과 같이 특정 방향에서 방향 자유도를 상실하는 짐벌락에 빠지는 문제가 있다.Conventionally, in order to calculate the clearance angle, a method of projecting Jacobian, which is a derivative mapping relationship between a Cartesian space velocity and a joint space velocity, into a null-space was used. This method is generally used well in robotics, but has a large amount of computation, and has a problem of falling into a gimbal that loses directional freedom in a specific direction as shown in FIG. 4.

또한 종래 방법은 도 5 및 도 6과 같이, 하측 암(140)에 대해 중간 암(130)이 90도 또는 -90도 정도로 회전하는 경우, 오퍼레이터가 핸들(110)을 조작하는데 저항감을 느끼는 문제가 있다.In addition, the conventional method, as shown in Figures 5 and 6, when the middle arm 130 rotates about 90 or -90 degrees relative to the lower arm 140, there is a problem that the operator feels resistance to operate the handle 110 have.

본 발명에서 제어부는 마스터 로봇(100)에 짐벌락이 발생하지 않으면서 오퍼레이터가 핸들(110)을 부드럽게 조작 가능하도록 여유 각도, 즉 제4 각도(θ4)를 결정하며, 이하에서는 도 2에 도시된 마스터 로봇(100)의 구성을 토대로 여유 각도의 결정 방법에 대해 살펴본다.In the present invention, the control unit determines the clearance angle, that is, the fourth angle θ4, so that the operator can smoothly operate the handle 110 without generating gimbal in the master robot 100. Hereinafter, the master shown in FIG. 2 Based on the configuration of the robot 100 looks at how to determine the clearance angle.

도 7은 제어부가 여유 각도(제4 각도)를 결정하는 방법의 일 예를 나타낸 순서도이다.7 is a flowchart illustrating an example of a method in which the control unit determines a clearance angle (fourth angle).

먼저, 핸들(110)의 상측 암(120)에 대한 회전 각도인 제1 각도(θ1), 상측 암(120)의 중간 암(130)에 대한 회전 각도인 제2 각도(θ2), 및 중간 암(130)의 하측 암(140)에 대한 회전 각도인 제3 각도(θ3)를 획득한다(S11, S12, S13). First, a first angle θ1 that is a rotation angle with respect to the upper arm 120 of the handle 110, a second angle θ2 that is a rotation angle with respect to the middle arm 130 of the upper arm 120, and a middle arm A third angle θ3, which is a rotation angle with respect to the lower arm 140 of 130, is obtained (S11, S12, S13).

이때, 회전 각도는 엔코더에 의해 검출될 수 있다. 각도 검출을 위해 증분형 인코더(Incremental Encoder), 절대형 인코더(Absolute Encoder), 자기식 인코더(Magnetic Encoder), 및 퍼텐쇼미터(Potentiometer) 등 다양한 종류의 엔코더가 사용될 수 있다.At this time, the rotation angle can be detected by the encoder. Various types of encoders, such as incremental encoders, absolute encoders, magnetic encoders, and potentiometers, can be used for angle detection.

다음으로, 획득한 제1 각도(θ1), 제2 각도(θ2), 및 제3 각도(θ3)로부터 제4 각도(θ4)를 결정한다(S14). 결정된 제4 각도(θ4)로 회전하도록 하측 암(140)이 제어될 수 있다(S15).Next, the fourth angle θ4 is determined from the obtained first angle θ1, second angle θ2, and third angle θ3 (S14). The lower arm 140 may be controlled to rotate at the determined fourth angle θ4 (S15).

단계 14(S14)를 보다 상세하게 살펴보기 위해 도 8을 참조하면, 제어부는 제3 각도(θ3)가 0도와 유사한 값을 갖는지 여부를 판단한다(S141). 0도와 유사한 값을 갖는지 여부는 제3 각도(θ3)가 -a도~+a도 범위에 속하는지 여부로 판단할 수 있으며, 이때 a는 0 또는 그 부근의 값을 갖는 임의의 상수이다.Referring to FIG. 8 to look at step 14 (S14) in more detail, the control unit determines whether the third angle θ3 has a value similar to 0 degrees (S141). Whether it has a value similar to 0 degree can be determined as whether the third angle θ3 is within the range of -a degree to + a degree, where a is any constant having a value of 0 or its vicinity.

제3 각도(θ3)가 0도와 유사한 값을 가지면, 제4 각도(θ4)를 제2 각도(θ2)에 비례하도록 결정한다(S142). 이때, 제4 각도(θ4)는 제2 각도(θ2)와 같은 부호를 갖도록 결정된다.If the third angle θ3 has a value similar to 0 degrees, it is determined that the fourth angle θ4 is proportional to the second angle θ2 (S142). At this time, the fourth angle θ4 is determined to have the same sign as the second angle θ2.

제3 각도(θ3)가 0도와 유사한 값을 갖지 않으면, 제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖는지 여부를 판단한다(S143). 제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖는지 여부는 단계 141(S141)과 유사한 방식으로 판단할 수 있다.If the third angle θ3 does not have a value similar to 0 degrees, it is determined whether the third angle θ3 has a value similar to 90 degrees or -90 degrees (S143). Whether the third angle θ3 has a value similar to 90 degrees or -90 degrees may be determined in a similar manner to step 141 (S141).

제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 가지면, 제4 각도(θ4)를 제1 각도(θ1)에 비례하도록 결정한다(S144). 이때, 제4 각도(θ4)는 제1 각도(θ1)와 같은 부호를 갖도록 결정된다.If the third angle θ3 has a value similar to 90 degrees or -90 degrees, it is determined that the fourth angle θ4 is proportional to the first angle θ1 (S144). At this time, the fourth angle θ4 is determined to have the same sign as the first angle θ1.

이와 같이 제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖는 경우, 즉 도5 및 도 6에 도시된 자세로 마스터 로봇(100)이 조작된 경우에, 여유 각도(제4 각도)를 제2 각도(θ2)가 아닌 제1 각도(θ1)에 비례하도록 결정하면, 마스터 로봇(100)의 자세가 변하더라도 요축에 대한 회전 성분으로부터 여유 각도(제4 각도)를 결정하게 되므로, 오퍼레이터가 부드럽게 마스터 로봇(100)을 조작하는 것이 가능하다.As such, when the third angle θ3 has a value similar to 90 degrees or -90 degrees, that is, when the master robot 100 is operated in the posture shown in FIGS. 5 and 6, the clearance angle (fourth angle) If is determined to be proportional to the first angle (θ1) rather than the second angle (θ2), even if the posture of the master robot 100 changes, the clearance angle (fourth angle) is determined from the rotational component about the yaw axis. It is possible to operate the master robot 100 smoothly.

제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖지 않으면, 제4 각도(θ4)를 제1 각도(θ1) 및 제2 각도(θ2)에 모두 비례하도록 결정한다(S145). 이때, 제3 각도(θ3)가 0에 가까운 값을 가질수록 제1 각도(θ1)보다 제2 각도(θ2)의 가중치를 크게 하여 제4 각도(θ4)를 결정하고, 제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도에 가까운 값을 가질수록 제2 각도(θ2)보다 제1 각도(θ1)의 가중치를 크게 하여 제4 각도(θ4)를 결정할 수 있다.If the third angle θ3 does not have a value similar to 90 degrees or -90 degrees, it is determined that the fourth angle θ4 is proportional to both the first angle θ1 and the second angle θ2 (S145). At this time, as the third angle θ3 has a value close to 0, the fourth angle θ4 is determined by increasing the weight of the second angle θ2 rather than the first angle θ1, and the third angle θ3 As the value has a value close to 90 degrees or -90 degrees, the fourth angle θ4 may be determined by increasing the weight of the first angle θ1 rather than the second angle θ2.

이상의 설명에 따른 제어부가 여유 각도(제4 각도)를 결정하는 방법을 다음의 수학식 1로 표현할 수 있다.A method of determining the clearance angle (fourth angle) by the controller according to the above description may be expressed by the following equation (1).

(수학식 1)(Equation 1)

θ4=k1*W1* θ1+ k2*W2* θ2θ4 = k1 * W1 * θ1 + k2 * W2 * θ2

수학식 1에서 k1는 제1 각도(θ1)에 대한 제4 각도(θ4)의 비율을 조정하기 위한 비례상수를, k2는 제2 각도(θ2) 에 대한 제4 각도(θ4)의 비율을 조정하기 위한 비례상수를, W1는 제1 각도(θ1)에 대한 가중치를, 상기 W2는 제2 각도(θ2) 에 대한 가중치를 나타낸다. 또한 k1, k2, W1, 및 W2는 양수로 구성된다.In Equation 1, k1 is a proportionality constant for adjusting the ratio of the fourth angle θ4 to the first angle θ1, and k2 is the ratio of the fourth angle θ4 to the second angle θ2. The proportional constant for doing so, W1 represents the weight for the first angle θ1, and W2 represents the weight for the second angle θ2. Also, k1, k2, W1, and W2 are positive numbers.

W1 및 W2는 제3 각도(θ3)에 의해 결정되며, 상세하게 제3 각도(θ3)가 0도에 가까워질수록, W1는 0에 가까운 값을 W2는 1에 가까운 값을 갖고, 제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도에 가까워질수록, W1는 1에 가까운 값을 W2는 0에 가까운 값을 갖도록 결정될 수 있다.W1 and W2 are determined by the third angle θ3, and in detail, as the third angle θ3 approaches 0 degree, W1 has a value close to 0, W2 has a value close to 1, and a third angle As (θ3) approaches 90 degrees or -90 degrees, W1 may be determined to have a value close to 1 and W2 to a value close to 0.

예를 들어, W1, W2, 및 제3 각도(θ3)의 관계는 다음의 수학식 2로 결정될 수 있다.For example, the relationship between W1, W2, and the third angle θ3 may be determined by Equation 2 below.

(수학식 2)(Equation 2)

W2=k*cos(θ3)W2 = k * cos (θ3)

W1=1 - W2W1 = 1-W2

또 다른 예로, W1, W2, 및 제3 각도(θ3)의 관계는 다음의 수학식 3으로 결정될 수 있다.As another example, the relationship between W1, W2, and the third angle θ3 may be determined by Equation 3 below.

(수학식 3)(Equation 3)

W2=b0*(θ3)n + b1*(θ3)n-1 +

Figure 112018104306210-pat00001
+ bn-1*(θ3) + bnW2 = b0 * (θ3) n + b1 * (θ3) n-1 +
Figure 112018104306210-pat00001
+ bn-1 * (θ3) + bn

W1=1-W2W1 = 1-W2

상기 수학식 1 내지 3을 이용하여 여유 각도(제4 각도)를 결정하면, 제3 각도(θ3)가 0도에 가까워질수록 제4 각도(θ4)를 결정하기 위한 제2 각도(θ2)의 비중이 높아지고, 제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도에 가까워질수록 제4 각도(θ4)를 결정하기 위한 제1 각도(θ1)의 비중이 높아지게 된다.When the clearance angle (fourth angle) is determined using Equations 1 to 3, as the third angle θ3 approaches 0 degree, the second angle θ2 for determining the fourth angle θ4 The specific gravity increases, and as the third angle θ3 approaches 90 degrees or -90 degrees, the specific gravity of the first angle θ1 for determining the fourth angle θ4 increases.

따라서 제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도와 가까워질수록, 즉 도5 및 도 6에 도시된 자세로 마스터 로봇(100)이 조작되는 경우에, 제2 각도(θ2)의 비중을 낮추고 제1 각도(θ1)의 비중을 높여 여유 각도(제4 각도)를 결정하게 되므로, 오퍼레이터가 부드럽게 마스터 로봇(100)을 조작하는 것이 가능하다.Therefore, as the third angle θ3 approaches 90 degrees or -90 degrees, that is, when the master robot 100 is operated in the posture shown in FIGS. 5 and 6, the specific gravity of the second angle θ2 is lowered and Since the specific gravity is increased by increasing the specific gravity of the first angle θ1, the operator can smoothly operate the master robot 100.

도 9는 제어부가 여유 각도(제4 각도)를 결정하는 방법의 다른 예를 나타낸 순서도이다.9 is a flowchart illustrating another example of a method in which the control unit determines the clearance angle (fourth angle).

먼저 핸들(110)의 상측 암(120)에 대한 회전 각속도에서 요축 각속도 성분인 제1 각속도(w1) 및 상측 암(120)의 중간 암(130)에 대한 회전 각속도에서 요축 각속도 성분인 제2 각속도(w2)를 획득한다(S21, S22).First, the first angular velocity component w1 of the yaw axis angular velocity component at the rotational angular velocity with respect to the upper arm 120 of the handle 110 and the second angular velocity component of the yaw axis angular velocity component at the rotational angular velocity of the upper arm 120 with respect to the middle arm 130 (w2) is obtained (S21, S22).

이때, 제1 각속도 및 제2 각속도는 엔코더에 의해 검출된 회전 각도를 이용하여 산출되거나 또는 관성 센서에 의해 센싱된 값으로부터 획득될 수 있다.At this time, the first angular velocity and the second angular velocity may be calculated using a rotation angle detected by the encoder or may be obtained from a value sensed by the inertial sensor.

다음으로 획득한 제1 각속도(w1) 및 제2 각속도(w2)로부터 제4 각도(θ4)를 결정한다(S23). 결정된 제4 각도(θ4)로 회전하도록 하측 암(140)이 제어될 수 있다(S24).Next, the fourth angle θ4 is determined from the obtained first angular velocity w1 and second angular velocity w2 (S23). The lower arm 140 may be controlled to rotate at the determined fourth angle θ4 (S24).

제4 각도는 제1 각속도 및 제2 각속도에 비례하도록 결정될 수 있으며, 예를 들어 다음의 수학식 4에 의해 결정될 수 있다.The fourth angle may be determined to be proportional to the first angular velocity and the second angular velocity, for example, by Equation 4 below.

(수학식 4)(Equation 4)

θ4=k3*w1 + k4*w2θ4 = k3 * w1 + k4 * w2

수학식 4에서 k3는 제1 각속도(w1)에 대한 제4 각도(θ4)의 비율을 조정하기 위한 비례상수를, k4는 제2 각속도(w2)에 대한 제4 각도(θ4)의 비율을 조정하기 위한 비례상수를 나타낸다.In Equation 4, k3 is a proportionality constant for adjusting the ratio of the fourth angle θ4 to the first angular velocity w1, and k4 is the ratio of the fourth angle θ4 to the second angular velocity w2. It shows proportional constant for doing.

이상의 방법에 따라 여유 각도(제4 각도)를 결정하고 결정된 여유 각도(제4 각도)로 하측 암이 회전하도록 제어하면, 자코비안(jacobian)을 영공간(null-space)에 투영하는 방법을 사용하는 종래 방법과는 다르게 짐벌락에 빠지는 문제로부터 자유로울 수 있다.When the clearance angle (fourth angle) is determined according to the above method and the lower arm is rotated at the determined clearance angle (fourth angle), a method of projecting Jacobian to null-space is used. Unlike the conventional method, it can be free from the problem of falling into a gimbal lock.

이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.Although the embodiments have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also provided. Belongs to

100: 마스터 로봇 110: 핸들
120: 상측 암 130: 중간 암
140: 하측 암 200: 베이스부
100: master robot 110: handle
120: upper arm 130: middle arm
140: lower arm 200: base

Claims (21)

요축으로 회전 가능하도록 베이스부에 장착되는 하측 암(lower arm);
피치축으로 회전 가능하도록 상기 하측 암에 장착되는 중간 암(middle arm);
상기 요축으로 회전 가능하도록 상기 중간 암에 장착되는 상측 암(upper arm);
롤축으로 회전 가능하도록 상기 상측 암에 장착되는 핸들; 및
상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 제1 각도, 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 제2 각도, 및 상기 중간 암이 상기 하측 암에 대하여 회전하는 제3 각도로부터 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하는 제4 각도를 결정하는 제어부를 포함하는, 마스터 로봇.
A lower arm mounted on the base portion to be rotatable with a yaw axis;
A middle arm mounted on the lower arm to be rotatable on a pitch axis;
An upper arm mounted on the intermediate arm to be rotatable with the yaw axis;
A handle mounted to the upper arm to be rotatable with a roll shaft; And
The lower arm is from the first angle at which the handle rotates relative to the upper arm, the second angle at which the upper arm rotates relative to the intermediate arm, and the third angle at which the intermediate arm rotates relative to the lower arm. And a control unit for determining a fourth angle of rotation with respect to the base unit.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제3 각도가 0도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제2 각도로부터 상기 제4 각도를 결정하는, 마스터 로봇.
According to claim 1,
The control unit,
When the third angle has a value similar to 0 degrees, the master robot determines the fourth angle from the second angle.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제3 각도가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제1 각도로부터 상기 제4 각도를 결정하는, 마스터 로봇.
According to claim 1,
The control unit,
When the third angle has a value similar to 90 degrees or -90 degrees, the master robot determines the fourth angle from the first angle.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제1 각속도 및 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제2 각속도로부터 상기 제4 각도를 결정하는, 마스터 로봇.
According to claim 1,
The control unit,
The master robot determines the fourth angle from the first angular velocity, which is the yaw axis component of the angular velocity at which the handle rotates relative to the upper arm, and the second angular velocity, which is the yaw axis component of the angular velocity at which the upper arm rotates relative to the intermediate arm.
제4항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 각속도 및 상기 제2 각속도에 비례하도록 상기 제4 각도를 결정하는, 마스터 로봇.
The method of claim 4,
The control unit,
The master robot determines the fourth angle to be proportional to the first angular velocity and the second angular velocity.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 각도 및 상기 제2 각도에 비례하도록 상기 제4 각도를 결정하는, 마스터 로봇.
According to claim 1,
The control unit,
The master robot determines the fourth angle to be proportional to the first angle and the second angle.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제3 각도가 0도에 가까워질수록 상기 제1 각도보다 상기 제2 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록 상기 제4 각도를 결정하고,
상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워질수록 상기 제2 각도보다 상기 제1 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록 상기 제4 각도를 결정하는, 마스터 로봇.
The method of claim 6,
The control unit,
The fourth angle is determined so as to be proportional to the second angle with a greater weight than the first angle as the third angle approaches 0 degree,
The master robot determines that the fourth angle is proportional to the third angle by placing a greater weight on the first angle than the second angle as the third angle approaches 90 degrees or -90 degrees.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
하기 수학식에 의해 상기 제4 각도인 θ4를 결정하고,
(수학식)
θ4=k1*W1* θ1+ k2*W2* θ2
상기 수학식에서 상기 θ1는 상기 제1 각도를, 상기 θ2는 상기 제2 각도를, 상기 k1는 상기 제1 각도에 대한 상기 제4 각도의 비율을 조정하기 위한 비례상수를, 상기 k2는 상기 제2 각도에 대한 상기 제4 각도의 비율을 조정하기 위한 비례상수를, 상기 W1는 상기 제1 각도에 대한 가중치를, 상기 W2는 상기 제2 각도에 대한 가중치를 나타내는, 마스터 로봇.
The method of claim 6,
The control unit,
The fourth angle θ 4 is determined by the following equation,
(Mathematics)
θ 4 = k 1 * W 1 * θ 1 + k 2 * W 2 * θ 2
In the above equation, θ 1 is the first angle, θ 2 is the second angle, k 1 is a proportionality constant for adjusting the ratio of the fourth angle to the first angle, k 2 Is a proportionality constant for adjusting the ratio of the fourth angle to the second angle, W 1 is a weight for the first angle, and W 2 is a weight for the second angle, the master robot .
제8항에 있어서,
상기 제3 각도가 0도에 가까워질수록, 상기 W1는 0에 가까운 값을, 상기 W2는 1에 가까운 값을 갖고,
상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워질수록, 상기 W1는 1에 가까운 값을, 상기 W2는 0에 가까운 값을 갖는, 마스터 로봇.
The method of claim 8,
As the third angle approaches 0 degree, W 1 has a value close to 0, and W 2 has a value close to 1,
The third angle is 90 ° or closer to 90 degrees, a value close to the W 1 is 1, the W 2 is having a value close to 0, the master robot.
제9항에 있어서,
상기 W2는 상기 제3 각도에 대한 cos함수로 결정되고,
상기 W1는 상기 W2와 합이 1이 되도록 결정되는, 마스터 로봇.
The method of claim 9,
The W 2 is determined by the cos function for the third angle,
The W 1 is determined to be the sum of W 2 and 1, the master robot.
제9항에 있어서,
상기 W2는 상기 제3 각도에 대한 다항함수로 결정되고,
상기 W1는 상기 W2와 합이 1이 되도록 결정되는, 마스터 로봇.
The method of claim 9,
The W 2 is determined by the polynomial function for the third angle,
The W 1 is determined to be the sum of W 2 and 1, the master robot.
제1항에 있어서,
상기 핸들의 조작에 따라 수술 도구가 장착되는 슬레이브 암이 조종되는, 마스터 로봇.
According to claim 1,
A master robot in which a slave arm equipped with a surgical tool is steered according to the operation of the handle.
마스터 로봇의 제어 방법에 있어서,
상기 마스터 로봇은 요축으로 회전 가능하도록 베이스부에 장착되는 하측 암(lower arm), 피치축으로 회전 가능하도록 상기 하측 암에 장착되는 중간 암(middle arm), 상기 요축으로 회전 가능하도록 상기 중간 암에 장착되는 상측 암(upper arm), 롤축으로 회전 가능하도록 상기 상측 암에 장착되는 핸들을 포함하고,
상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 제1 각도를 획득하는 단계;
상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 제2 각도를 획득하는 단계;
상기 중간 암이 상기 하측 암에 대하여 회전하는 제3 각도를 획득하는 단계;
상기 제1 각도, 상기 제2 각도, 및 상기 제3 각도로부터 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하는 제4 각도를 결정하는 단계; 및
상기 결정된 제4 각도로 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하도록 제어하는 단계를 포함하는, 마스터 로봇의 제어 방법.
In the control method of the master robot,
The master robot is mounted on the lower arm mounted on the base to be rotatable on the yaw axis, the middle arm mounted on the lower arm to be rotatable on the pitch axis, and on the intermediate arm to be rotatable on the yaw axis The upper arm is mounted, and includes a handle mounted to the upper arm so as to be rotatable with a roll shaft,
Obtaining a first angle at which the handle rotates relative to the upper arm;
Obtaining a second angle at which the upper arm rotates relative to the intermediate arm;
Obtaining a third angle at which the intermediate arm rotates relative to the lower arm;
Determining a fourth angle at which the lower arm rotates with respect to the base portion from the first angle, the second angle, and the third angle; And
And controlling the lower arm to rotate with respect to the base portion at the determined fourth angle.
제13항에 있어서,
상기 제4 각도는 상기 제3 각도가 0도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제2 각도로부터 결정되는, 마스터 로봇의 제어 방법.
The method of claim 13,
The fourth angle, when the third angle has a value similar to 0 degrees, is determined from the second angle, the control method of the master robot.
제13항에 있어서,
상기 제4 각도는 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제1 각도로부터 결정되는, 마스터 로봇의 제어 방법.
The method of claim 13,
The fourth angle is determined from the first angle when the third angle has a value similar to 90 degrees or -90 degrees, the control method of the master robot.
제12항에 있어서,
상기 제4 각도는 상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제1 각속도 및 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제2 각속도로부터 결정되는, 마스터 로봇의 제어 방법.
The method of claim 12,
The fourth angle is determined from the first angular velocity of the yaw axis component of the angular velocity at which the handle rotates with respect to the upper arm and the second angular velocity of the yaw axis component of the angular velocity at which the upper arm rotates about the intermediate arm. Control method.
제16항에 있어서,
상기 제4 각도는 상기 제1 각속도 및 상기 제2 각속도에 비례하도록 결정되는, 마스터 로봇의 제어 방법.
The method of claim 16,
The fourth angle is determined to be proportional to the first angular velocity and the second angular velocity, the control method of the master robot.
제13항에 있어서,
상기 제4 각도는 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도에 비례하도록 결정되는, 마스터 로봇의 제어 방법.
The method of claim 13,
The fourth angle is determined to be proportional to the first angle and the second angle, the control method of the master robot.
제18항에 있어서,
상기 제4 각도는 상기 제3 각도가 0도에 가까워질수록 상기 제1 각도보다 상기 제2 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록, 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워질수록 상기 제2 각도보다 상기 제1 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록 결정되는, 마스터 로봇.
The method of claim 18,
The fourth angle is proportional to the third angle closer to 0 degrees with a greater weight to the second angle than to the first angle, so that the third angle is closer to 90 degrees or -90 degrees. A master robot, which is determined to be proportional to the first angle with a greater weight than the second angle.
요축으로 회전 가능하도록 베이스부에 장착되는 하측 암(lower arm);
피치축으로 회전 가능하도록 상기 하측 암에 장착되는 중간 암(middle arm);
상기 요축으로 회전 가능하도록 상기 중간 암에 장착되는 상측 암(upper arm);
롤축으로 회전 가능하도록 상기 상측 암에 장착되는 핸들; 및
상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제1 각속도 및 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제2 각속도로부터 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하는 제4 각도를 결정하는 제어부를 포함하는, 마스터 로봇.
A lower arm mounted on the base portion to be rotatable with a yaw axis;
A middle arm mounted on the lower arm to be rotatable on a pitch axis;
An upper arm mounted on the intermediate arm to be rotatable with the yaw axis;
A handle mounted to the upper arm to be rotatable with a roll shaft; And
The lower arm rotates with respect to the base portion from a first angular velocity that is a yaw axis component of an angular velocity at which the handle rotates with respect to the upper arm and a second angular velocity that is a yaw axis component of an angular velocity at which the upper arm rotates with respect to the intermediate arm. And a control unit for determining a fourth angle.
제20항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 각속도 및 상기 제2 각속도에 비례하도록 상기 제4 각도를 결정하는, 마스터 로봇.
The method of claim 20,
The control unit,
The master robot determines the fourth angle to be proportional to the first angular velocity and the second angular velocity.
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