KR102221090B1

KR102221090B1 - User interface device, master console for surgical robot apparatus and operating method of master console

Info

Publication number: KR102221090B1
Application number: KR1020180164316A
Authority: KR
Inventors: 임요안; 문순호
Original assignee: (주)미래컴퍼니
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2021-02-26
Also published as: CN113194870A; KR20200075535A; WO2020130559A3; WO2020130559A2

Abstract

본 발명은 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔 및 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법을 제공한다. 본 발명은 사용자가 수술도구가 장착된 슬레이브 로봇을 원격조정하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔에 있어서, 상기 수술도구의 위치를 설정하는 포지셔닝 암과, 상기 포지셔닝 암의 단부에 배치되며, 상기 수술도구의 방향을 설정하는 짐벌 암과, 상기 짐벌 암의 단부에 회전가능하게 장착 및 탈착되고, 상기 사용자가 접촉을 감지하고, 상기 사용자가 가하는 힘의 크기를 측정할 수 있는 사용자 인터페이스 장치, 및 상기 사용자 인터페이스 장치에서 전달받은 힘이나 접촉에 대한 정보를 기초로 상기 수술도구를 제어하는 컨트롤러를 포함한다.The present invention provides a user interface device, a master console of a surgical robot device, and a method of operating a master console of a surgical robot device. The present invention is a master console of a surgical robot device in which a user remotely controls a slave robot equipped with a surgical tool, a positioning arm for setting a position of the surgical tool, and disposed at an end of the positioning arm, and A gimbal arm for setting a direction, a user interface device that is rotatably mounted and detached from an end of the gimbal arm, and capable of sensing a contact by the user and measuring the magnitude of the force applied by the user, and the user interface It includes a controller that controls the surgical tool based on the information on the contact or force received from the device.

Description

User interface device, master console for surgical robot apparatus and operating method of master console

본 발명은 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔 및 마스터 콘솔의 조작방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and a method, and more particularly, to a user interface device, a master console of a surgical robot device, and a method of operating the master console.

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. 현재 전 세계적으로 개발되고 있는 수술 로봇은 뼈 수술 로봇, 복강경(復腔鏡) 수술 로봇, 정위 수술 로봇 등이 있다The surgical robot refers to a robot that has a function that can replace the surgical action performed by a surgeon. These surgical robots have the advantage that they can perform precise and precise operation compared to humans, and remote surgery is possible. Surgical robots currently being developed worldwide include bone surgery robots, laparoscopic surgery robots, and stereotactic surgery robots.

수술 로봇 장치는 일반적으로 마스터 콘솔과 슬레이브 로봇으로 구성된다. 오퍼레이터가 마스터 콘솔에 구비된 조종 레버(예를 들어 핸들)를 조작하면, 슬레이브 로봇의 로봇 암에 결합되거나 로봇 암이 파지하고 있는 수술도구가 조작되어 수술이 수행된다. The surgical robot device is generally composed of a master console and a slave robot. When the operator manipulates a control lever (eg, a handle) provided on the master console, a surgical tool coupled to the robot arm of the slave robot or gripped by the robot arm is manipulated to perform surgery.

수술 로봇 시스템에서 의사 등의 오퍼레이터는 마스터 암에 연결된 입력 장치를 손을 이용하여 작동시킨다. 이를 통해 오퍼레이터는 마스터 암을 움직이게 되며, 슬레이브 로봇에 연결된 수술 도구의 자세(위치 및 방향)와 움직임 등을 결정한다. In the surgical robot system, an operator such as a doctor operates an input device connected to the master arm using a hand. Through this, the operator moves the master arm and determines the posture (position and direction) and movement of the surgical tool connected to the slave robot.

입력 장치는 사용자의 손가락 입력을 측정할 수 있는 부분을 추가적으로 포함할 수 있는데, 예를 들면 집게 형태를 이용하여 수술 도구가 무언가를 잡거나 자를 수 있게 하는 입력, 혹은 버튼 형태를 이용하여 시스템의 작동과 관련된 입력 등을 측정하여 시스템에 전달한다.The input device may additionally include a part that can measure the user's finger input. For example, an input that allows a surgical tool to grasp or cut something using a forceps form, or an operation of the system using a button form and It measures the related input and transmits it to the system.

오퍼레이터는 두개의 손가락이 입력장치의 집게 부분을 잡은 상태로 수술을 집도한다. 집게 부분은 손가락의 움직임에 따라 기구적으로 움직이게 되며, 마스터 암의 이동 및 방향 전환도 집게 부분 만을 통하여 만들어 지게 된다. 따라서 오퍼레이터는 두 개의 손가락만을 이용하는 작동에서 쉽게 피로감을 느낄 수 있으며, 집게의 작동과 마스터 암의 이동이 두 손가락을 이용하여 동시에 이뤄지게 되어 사용상에 불편함이 있을 수 있다.The operator performs the operation with two fingers holding the index part of the input device. The forefinger part is mechanically moved according to the movement of the finger, and the movement and direction of the master arm are also made through only the forefinger part. Therefore, the operator can easily feel fatigue in the operation using only two fingers, and since the operation of the forefinger and the movement of the master arm are performed simultaneously using two fingers, there may be inconvenience in use.

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 possessed by the inventors for derivation of the present invention or acquired during the derivation process of the present invention, and is not necessarily known to be publicly known prior to filing the present invention.

본 발명은 조작이 쉽고, 안전성이 향상된 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a user interface device that is easy to operate and has improved safety, a master console of a surgical robot device, and a driving method thereof.

본 발명의 일측면은, 사용자가 수술도구가 장착된 슬레이브 로봇을 원격조정하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔에 있어서, 상기 수술도구의 위치를 설정하는 포지셔닝 암과, 상기 포지셔닝 암의 단부에 배치되며, 상기 수술도구의 방향을 설정하는 짐벌 암과, 상기 짐벌 암의 단부에 회전가능하게 장착 및 탈착되고, 상기 사용자가 접촉을 감지하고, 상기 사용자가 가하는 힘의 크기를 측정할 수 있는 사용자 인터페이스 장치, 및 상기 사용자 인터페이스 장치에서 전달받은 힘이나 접촉에 대한 정보를 기초로 상기 수술도구를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔를 제공한다.In one aspect of the present invention, in the master console of a surgical robot device for remotely controlling a slave robot equipped with a surgical tool by a user, a positioning arm for setting a position of the surgical tool, and an end portion of the positioning arm, A gimbal arm that sets the direction of the surgical tool, and a user interface device that is rotatably mounted and detached from the end of the gimbal arm, the user detects a contact, and measures the magnitude of the force applied by the user, And it provides a master console of a surgical robot device comprising a controller for controlling the surgical tool based on the information on the contact or force transmitted from the user interface device.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치는 하우징과, 일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되며, 상기 사용자가 가하는 힘을 측정하는 제1 힘 측정부와, 상기 제1 힘 측정부와 이격되게 배치되며, 일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되어 상기 사용자의 접촉을 감지하는 터치 측정부, 및 상기 하우징의 일측에 배치되고, 상기 짐벌 암에 접속하는 커넥터를 구비할 수 있다.In addition, the user interface device includes a housing, a part of which is exposed on the outer surface of the housing, a first force measurement unit measuring a force applied by the user, and a first force measurement unit disposed apart from the first force measurement unit, and partially A touch measurement unit that is exposed on an outer surface of the housing to sense the user's contact, and a connector disposed on one side of the housing and connected to the gimbal arm may be provided.

또한, 상기 하우징은 구 형상을 가질 수 있다.In addition, the housing may have a spherical shape.

또한, 상기 제1 힘 측정부는 상기 하우징의 외측에 배치되는 접촉 패드와, 상기 접촉 패드와 연결되며, 스트레인 게이지가 설치되는 브릿지, 및 상기 브릿지와 연결되며, 상기 하우징에 고정되는 고정단을 구비할 수 있다.In addition, the first force measurement unit may include a contact pad disposed outside the housing, a bridge connected to the contact pad and installed with a strain gauge, and a fixed end connected to the bridge and fixed to the housing. I can.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치는 사용자 정보를 저장하는 정보 저장부를 더 구비하며, 상기 컨트롤러는 상기 사용자 인터페이스 장치가 상기 짐벌 암에 장착되면, 상기 사용자 정보에 대응하여 상기 포지셔닝 암과 상기 짐벌 암의 위치를 설정할 수 있다.In addition, the user interface device further includes an information storage unit for storing user information, and the controller determines the positions of the positioning arm and the gimbal arm in response to the user information when the user interface device is mounted on the gimbal arm. Can be set.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치는 상기 하우징의 외측에 배치되며, 사용자 인터페이스 장치의 상태에 관한 정보를 표시하는 표시부를 더 구비할 수 있다.In addition, the user interface device may further include a display unit disposed outside the housing and displaying information on a state of the user interface device.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치는 상기 슬레이브 로봇의 위치를 변경하여 상기 수술도구를 교체하거나, 상기 슬레이브 로봇에 장착된 카메라의 위치를 변경하는 스위칭부를 더 구비할 수 있다.In addition, the user interface device may further include a switching unit to change the position of the slave robot to change the surgical tool or to change the position of the camera mounted on the slave robot.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치는 상기 제1 힘 측정부의 아래에 배치되는 제2 힘 측정부를 더 구비할 수 있다.In addition, the user interface device may further include a second force measuring unit disposed below the first force measuring unit.

또한, 상기 컨트롤러는 상기 사용자 인터페이스 장치에서 측정된 사용자의 힘의 크기가 기 설정된 범위이면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고, 상기 사용자 인터페이스 장치에서 측정된 사용자의 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절할 수 있다.In addition, when the magnitude of the user's force measured by the user interface device is a preset range, the controller adjusts the opening degree between the pair of jaws of the surgical tool, and the user's force measured by the user interface device When the magnitude of the force exceeds a preset range, the grip force between a pair of jaws of the surgical tool can be adjusted.

또한, 상기 컨트롤러는 상기 사용자 인터페이스 장치에서 상기 사용자의 접촉신호를 수신하면, 기 설정된 제1 지연 시간이 도과된 후에 상기 마스터 콘솔을 구동시키고, 상기 사용자 인터페이스 장치에서 상기 사용자의 접촉신호가 해제되면, 상기 제1 지연 시간보다 긴 제2 지연 시간이 도과된 후에 상기 마스터 콘솔의 구동을 정지할 수 있다.Further, when the controller receives the user's contact signal from the user interface device, the controller drives the master console after a preset first delay time has elapsed, and when the user's contact signal is released from the user interface device, After a second delay time longer than the first delay time has elapsed, the driving of the master console may be stopped.

본 발명의 다른 측면은, 사용자가 수술도구가 장착된 슬레이브 로봇을 원격조정하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔에 장착되는 사용자 인터페이스 장치에 있어서, 하우징과, 일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되며, 상기 사용자가 가하는 힘을 측정하는 제1 힘 측정부와, 상기 제1 힘 측정부와 이격되게 배치되며, 일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되어 상기 사용자의 접촉을 측정하는 터치 측정부, 및 상기 하우징의 일측에 배치되고, 상기 마스터 콘솔에 접속하는 커넥터를 구비하는 사용자 인터페이스 장치를 제공한다.Another aspect of the present invention is a user interface device mounted on a master console of a surgical robot device for a user to remotely control a slave robot equipped with a surgical tool, wherein the housing and a part are exposed on the outer surface of the housing, and the A first force measurement unit that measures a force applied by a user, a touch measurement unit that is disposed to be spaced apart from the first force measurement unit, a part of which is exposed on the outer surface of the housing to measure the user's contact, and the housing It is disposed on one side of the user interface device provided with a connector for connecting to the master console.

또한, 상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위이면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고, 상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절할 수 있다.In addition, when the magnitude of the force measured by the first force measuring unit is a preset range, the opening degree between the pair of jaws of the surgical tool is adjusted, and the magnitude of the force measured by the first force measuring unit If it exceeds the preset range, it is possible to adjust the grip force between the pair of jaws of the surgical tool.

또한, 상기 제1 힘 측정부의 아래에 배치되는 제2 힘 측정부를 더 구비할 수 있다.In addition, a second force measurement unit disposed below the first force measurement unit may be further provided.

본 발명의 또 다른 측면은, 수술도구가 장착된 슬레이브 로봇을 원격조정하기 위한 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법에 있어서, 사용자 인터페이스 장치를 마스터 콘솔에 장착하는 단계와, 사용자가 상기 사용자 인터페이스 장치의 터치 측정부를 접촉하여 상기 마스터 콘솔을 구동하는 단계와, 상기 마스터 콘솔의 포지셔닝 암과 짐 벌암을 구동시켜서 상기 수술도구의 위치와 방향을 설정하는 단계, 및 상기 사용자 인터페이스 장치의 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기에 대한 데이터를 기초로 상기 수술도구의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하는 수술도구 조작 단계를 포함하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention is a method of operating a master console of a surgical robot device for remotely controlling a slave robot equipped with a surgical tool, the step of mounting a user interface device to the master console, and the user interface device Driving the master console by contacting the touch measurement unit of the master console, setting the position and direction of the surgical tool by driving the positioning arm and the gimbal arm of the master console, and a first force measurement unit of the user interface device It provides a method of operating a master console of a surgical robot device comprising a surgical tool manipulation step of adjusting the opening and grip force of the jaw of the surgical tool based on the data on the magnitude of the force measured in.

또한, 상기 수술도구 조작 단계는 상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위이면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고, 상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절할 수 있다.In addition, in the operation of the surgical tool, if the magnitude of the force measured by the first force measurement unit is a preset range, the opening degree between the pair of jaws of the surgical tool is adjusted, and the first force measurement unit When the magnitude of the force measured in exceeds a preset range, the grip force between a pair of jaws of the surgical tool can be adjusted.

또한, 상기 마스터 콘솔을 구동하는 단계는 상기 터치 측정부에서 상기 사용자의 접촉신호를 수신하면, 기 설정된 제1 지연 시간 이후에 상기 마스터 콘솔을 구동시킬 수 있다.In addition, in the driving of the master console, when the touch measurement unit receives the user's contact signal, the master console may be driven after a preset first delay time.

또한, 상기 사용자가 상기 제1 힘 측정부에 가력하는 힘을 유지하면서, 상기 제1 힘 측정부의 아래에 배치된 제2 힘 측정부를 조작하여, 상기 수술도구의 소작 기능을 실행하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, while maintaining the force applied by the user to the first force measuring unit, further comprising the step of manipulating the second force measuring unit disposed under the first force measuring unit to perform a cauterization function of the surgical tool can do.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치를 마스터 콘솔에 장착하는 단계는 상기 사용자 인터페이스 장치에서 사용자 정보를 상기 마스터 콘솔에 전송하고, 상기 사용자 정보에 대응하여 상기 마스터 콘솔의 포지셔닝 암과 짐벌 암의 위치를 설정할 수 있다.In addition, in the step of mounting the user interface device to the master console, the user interface device transmits user information to the master console, and positions of the positioning arm and the gimbal arm of the master console may be set in response to the user information. .

이와 같은 본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 오퍼레이터가 직관적으로 사용자 인터페이스 장치를 조작하여, 마스터 콘솔 및 수술 로봇 장치를 제어할 수 있다. 사용자 인터페이스 장치는 오퍼레이터가 가하는 한 방향의 힘을 통해서 수술도구를 이용할 수 있으므로, 수술 집도의 직관성이 향상될 수 있다. 또한, 오퍼레이터에 따라 마스터 콘솔이 셋팅되므로, 수술 준비 절차를 간소화 할 수 있다.The user interface device according to the present invention, the master console of the surgical robot device, and the driving method thereof allow an operator to intuitively manipulate the user interface device to control the master console and the surgical robot device. Since the user interface device can use the surgical tool through the force in one direction applied by the operator, the intuitiveness of the surgical procedure can be improved. In addition, since the master console is set according to the operator, the procedure for preparing surgery can be simplified.

본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 환자가 안전한 상태에서 수술을 수행할 수 있다. 사용자 인터페이스 장치는 수술도구의 개도이나 그립력을 직관적으로 인식할 수 있으며, 디바운싱을 적용하여 안전한 상태로 마스터 콘솔을 구동하므로, 수술 전과정에서의 안전성이 향상될 수 있다.The user interface device, the master console of the surgical robot device, and the driving method thereof according to the present invention enable a patient to perform surgery in a safe state. The user interface device can intuitively recognize the opening degree or grip force of the surgical tool, and drives the master console in a safe state by applying debouncing, so safety in the entire procedure can be improved.

본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 힘/토크 센서를 적용하여 마스터 콘솔을 정확하게 제어할 수 있다.The user interface device according to the present invention, the master console of the surgical robot device, and the driving method thereof can accurately control the master console by applying a force/torque sensor.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 장치의 전체 시스템을 나타내는 평면도이다.
도 2a는 도 1의 슬레이브 로봇을 도시하는 도면이고, 도 2b는 슬레이브 로봇의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 3a는 도 1의 마스터 콘솔의 일부 구성을 도시하는 사시도이며, 도 3b는 도 3a의 마스터 콘솔에 사용자 인터페이스 장치가 장착된 상태를 도시하는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치를 도시하는 사시도이다.
도 5a와 도 5b는 도 4의 제1 힘 측정부를 도시하는 사시도이다.
도 6은 도 1의 수술 로봇 장치의 일부 구성을 도시하는 구성도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치를 도시하는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법을 도시하는 순서도이다.
도 9는 도 4의 사용자 인터페이스 장치에서 입력된 신호를 기초로 수술도구의 일 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.
도 10는 도 4의 사용자 인터페이스 장치에서 입력된 신호를 기초로 수술도구의 다른 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 4의 사용자 인터페이스 장치에서 입력된 신호를 기초로 수술도구의 또 다른 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.1 is a plan view showing the entire system of a surgical robot apparatus according to an embodiment of the present invention.
2A is a diagram showing a slave robot of FIG. 1, and FIG. 2B is a diagram showing a modified example of the slave robot.
FIG. 3A is a perspective view showing a partial configuration of the master console of FIG. 1, and FIG. 3B is a perspective view illustrating a state in which a user interface device is mounted on the master console of FIG. 3A.
4 is a perspective view showing a user interface device according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B are perspective views illustrating the first force measuring unit of FIG. 4.
6 is a block diagram showing a partial configuration of the surgical robot device of FIG. 1.
7A and 7B are perspective views illustrating a user interface device according to another embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a method of operating a master console of a surgical robot apparatus according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph illustrating controlling a function of a surgical tool based on a signal input from the user interface device of FIG. 4.
10 is a graph illustrating controlling other functions of a surgical tool based on a signal input from the user interface device of FIG. 4.
11 is a graph illustrating another function of a surgical tool being controlled based on a signal input from the user interface device of FIG. 4.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 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 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.In the present invention, since various transformations can be applied and various embodiments can be provided, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it is to be understood to include all conversions, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, the same identification code is used for the same component even though it is shown in other embodiments.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by terms. The terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another component.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 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.The terms used in the present application are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance.

이하, 첨부된 도면들에 도시된 본 발명에 관한 실시 예들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments of the present invention shown in the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 장치(1)의 전체 시스템을 나타내는 평면도이다.1 is a plan view showing the entire system of the surgical robot apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 수술 로봇 장치(1)는 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, 수술 로봇 장치(1)는 비전 카트(30)를 포함할 수 있다. 비전 카트(30)의 디스플레이부(35)를 통해서, 보조자(A)가 수술의 진행 상황을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 1, the surgical robot device 1 allows the operator O to remotely control the slave robot 10 and the slave robot 10 to perform surgery on the patient P lying on the operating table 2. It includes a master console (20). In addition, the surgical robot device 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 수술도구(12), 수술도구(12)를 수술 위치에 따라 요(yaw)방향으로 회전시키는 요동 구동부, 요동 구동부의 회전 구동과 직교하는 피치(pitch) 방향으로 수술도구를 회전시키는 피치 구동부, 수술도구(12)를 길이 방향으로 이동시키는 이송 구동부와, 수술도구를 회전시키는 회전 구동부, 수술도구(12)의 끝단에 설치되어 수술 병변을 절개 또는 절단하는 수술도구 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, the robot arm refers to a device that has a function similar to that of a human arm and/or wrist and can attach a predetermined tool to the wrist. In the present specification, the robot arm 11 may be defined as a concept encompassing all components such as upper arm, lower arm, wrist, 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 tool 12 inserted into the surgical site of the patient P, a swing driving unit that rotates the surgical tool 12 in the yaw direction according to the surgical position, and the rotation driving unit A pitch drive unit that rotates the surgical tool in a pitch direction orthogonal to the drive, a transfer drive unit that moves the surgical tool 12 in the longitudinal direction, a rotation drive unit that rotates the surgical tool, and installed at the end of the surgical tool 12 It may be configured to include a surgical tool driving unit for incising or cutting the surgical lesion. However, the configuration of the robot arm 11 is not limited thereto, and it should be understood that this example does not limit the scope of the present invention. Here, a detailed description of an actual control process such as rotation and movement of the robot arm 11 in a corresponding direction by operating the operation lever by the operator O will be omitted.

슬레이브 로봇(10)은 환자(P)를 수술하기 위하여 하나 이상으로 이용될 수 있으며, 수술 부위가 디스플레이부(35)를 통해 화상 이미지로 표시되도록 하기 위한 수술도구(12)는 독립된 슬레이브 로봇(10)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.One or more slave robots 10 may be used to operate the patient P, and the surgical tool 12 for displaying an image image through the display unit 35 is an independent slave robot 10 ) Can also be implemented. In addition, as described above, the embodiments of the present invention can be used universally in operations in which various surgical endoscopes (eg, thoracoscopic, arthroscopic, parenteral, etc.) are used other than laparoscopy.

마스터 콘솔(20)과 슬레이브 로봇(10)이 반드시 물리적으로 독립된 별도의 장치로 분리되어야 하는 것은 아니며, 하나로 통합되어 일체형으로 구성될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해서 마스터 콘솔(20)과 슬레이브 로봇(10)이 물리적으로 이격된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.The master console 20 and the slave robot 10 do not necessarily have to be separated into separate devices that are physically independent, and may be integrated into one and configured as an integral type. However, in the following description, for convenience of description, the case where the master console 20 and the slave robot 10 are physically separated from each other will be described.

마스터 콘솔(20)은 조작 레버(미도시) 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 an operation lever (not shown) and a display member (not shown). In addition, the master console 20 may further include an external display device 25 capable of displaying the status of the operator O on the outside.

상세히, 마스터 콘솔(20)은 오퍼레이터(O)가 양손에 각각 파지하여 조작할 수 있도록 조작 레버(미도시)를 구비한다. 조작 레버는 두 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 provided with an operation lever (not shown) so that the operator (O) can be operated by gripping each with both hands. The operation lever can be implemented with two or more handles, and the operation signal according to the operation of the handle by 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, surgical operations such as position movement, rotation, and cutting of the robot arm 11 may be performed by manipulating the handle of the operator O.

예를 들어, 오퍼레이터(O)는 핸들 형태의 조작 레버를 이용하여 슬레이브 로봇 암(11)이나 수술도구(12) 등을 조작 할 수 있다. 이와 같은 조작 레버는 그 조작방식에 따라 다양한 기구적 구성을 가질 수 있으며, 슬레이브 로봇 암(11)이나 수술도구(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. 여기서, 조작 레버는 핸들의 형상으로 제한되지 않으며, 유선 또는 무선 통신망과 같은 네트워크를 통해 로봇 암(11)의 동작을 제어할 수 있는 형태이면 아무런 제한 없이 적용될 수 있다.For example, the operator O may operate the slave robot arm 11 or the surgical tool 12 using a handle-shaped operation lever. Such an operation lever may have a variety of mechanical configurations according to its operation method, and a master handle to manipulate the operation of the slave robot arm 11 or surgical tool 12, and the master to manipulate the functions of the entire system. It may be provided in various forms for operating the robot arm 11 and/or other surgical equipment of the slave robot 10, such as various input tools such as a joystick, keypad, trackball, and touch screen added to the console 20. have. Here, the operation lever is not limited to the shape of the handle, and any type that can control the operation of the robot arm 11 through a network such as a wired or wireless communication network may be applied without any limitation.

마스터 콘솔(20)의 상기 디스플레이 부재에는 수술도구(12)를 통해 촬영되는 영상이 화상 이미지로 표시된다. 또한 디스플레이 부재에는 소정의 가상 조작판이 상기 수술도구(12)를 통해 촬영되는 영상과 함께 표시되거나 또는 독립적으로 표시될 수 있다. On the display member of the master console 20, an image photographed through the surgical tool 12 is displayed 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. 더 상세한 마스터 콘솔(20)에 대한 설명은 하기에서 설명하기로 한다.The display member may be provided in various forms through which the operator O can check an image. For example, a display device may be installed to correspond to both eyes of the operator O. As another example, it may be configured with one or more monitors, 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 required to be displayed. A more detailed description of the master console 20 will be given below.

비전 카트(30)는 슬레이브 로봇(10)이나 마스터 콘솔(20)에 이격되게 설치되고, 외부에서 수술의 진행상황을 디스플레이부(35)를 통해서 확인할 수 있다. 디스플레이부(35)에서 디스플레이되는 영상은 오퍼레이터(O)의 마스터 콘솔(20)에서 디스플레이 되는 영상과 동일할 수 있다. 보조자(A)는 디스플레이부(35)의 영상을 확인하면서, 오퍼레이터(O)의 수술 작업을 보조할 수 있다. 예를 들어, 보조자(A)는 수술의 진행상태에 따라 수술도구(12)를 인스트루먼트 카트(3)에서 교체할 수 있다. The vision cart 30 is installed to be spaced apart from the slave robot 10 or the master console 20, and the progress of the surgery can be checked from the outside through the display unit 35. The image displayed on the display unit 35 may be the same as the image displayed on the master console 20 of the operator O. The assistant A may assist the operator O in the operation while checking the image of the display unit 35. For example, the assistant (A) may replace the surgical tool 12 in the instrument cart 3 according to the progress of the operation.

중앙 제어부(40)는 슬레이브 로봇(10), 마스터 콘솔(20) 및 비전 카트(30)와 연결되어, 각각의 신호를 송수신 할 수 있다. 중앙 제어부(40)는 슬레이브 로봇(10), 마스터 콘솔(20) 및 비전 카트(30) 중 어느 하나에 설치되거나, 독립적으로 설치될 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 respective signals. The central control unit 40 may be installed on any one of the slave robot 10, the master console 20, and the vision cart 30, or may be installed independently.

도 2a는 도 1의 슬레이브 로봇(10)을 도시하는 도면이고, 도 2b는 슬레이브 로봇의 변형예를 도시하는 도면이다.FIG. 2A is a diagram showing the slave robot 10 of FIG. 1, and FIG. 2B is a diagram showing a modified example of the slave robot.

도 2a를 참조하면, 슬레이브 로봇(10)은 패시브 암(110)과 액티브 암(120)을 구비할 수 있다. Referring to FIG. 2A, the slave robot 10 may include a passive arm 110 and an active arm 120.

패시브 암(110)은 수술 준비과정에서 액티브 암(120)의 위치를 원하는 위치로 이동시킬 수 있으나, 수술 중에는 작동하지 않고 위치가 고정된다. 패시브 암(110)은 복수 개의 조인트와 이들 조인트들을 연결하는 링크(link)들을 포함한다. 각 조인트는 회전(rotation) 운동 혹은 직선(prismatic) 운동을 하며, 이러한 운동을 통하여 패시브 암(110)의 전체적인 움직임을 생성한다. 조인트는 구동기(actuator), 감속기, 센서, 브레이크(brake), 카운터밸런스(counterbalance) 등을 구비 할 수 있다. The passive arm 110 may move the position of the active arm 120 to a desired position during the preparation for surgery, but the position is fixed without being operated during the operation. The passive arm 110 includes a plurality of joints and links connecting these joints. Each joint performs a rotational motion or a prismatic motion, and through this motion, an overall motion of the passive arm 110 is generated. The joint may have an actuator, a reducer, a sensor, a brake, a counterbalance, and the like.

구동기는 주로 전기 모터가 이용되며, BDC(brushed DC) 모터, BLDC(brushless DC) 모터, AC 모터 등을 포함 할 수 있다. 감속기는 하모닉 드라이브(harmonic drive), 유성기어 등과 같이 기어(gear)로 구현될 수 있다. 센서는 조인트의 움직임을 측정하는 엔코더(encoder), 리솔버(resolver) 등이 이용될 수 있으며, 각 조인트와 연결된 링크에 작용하는 힘이나 토크를 측정하는 힘/토크(force/torque) 센서를 포함 할 수 있다. 브레이크는 조인트의 움직임을 제한하는 장치로 주로 솔레노이드(solenoid)와 스프링 등이 주요 구성 요소이며, 구동기에 연결되어 구동기의 움직임을 제한하는 형태, 링크에 연결되어 링크의 움직임을 제한하는 형태, 혹은 위의 두 가지 형태 모두를 포함 할 수 있다. 카운터밸런스는 로봇 암의 무게를 보상하는 장치로, 정적(static) 상태에서 로봇 암의 무게를 상쇄할 수 있는 힘을 작용한다.An electric motor is mainly used as a driver, and may include a brushed DC (BDC) motor, a brushless DC (BLDC) motor, an AC motor, and the like. The reducer may be implemented as a gear such as a harmonic drive or a planetary gear. The sensor may be an encoder or a resolver that measures the motion of the joint, and includes a force/torque sensor that measures the force or torque acting on the link connected to each joint. can do. The brake is a device that restricts the movement of the joint, and mainly consists of a solenoid and a spring, and is connected to the actuator to limit the movement of the actuator, connected to the link to limit the movement of the link, or above. It can contain both forms. The counterbalance is a device that compensates for the weight of the robot arm, and acts as a force to offset the weight of the robot arm in a static state.

패시브 암(110)은 제1 링크(111), 제2 링크(112), 제3 링크(113)가 서로 연결되도록 배치되고, 3개의 조인트를 구비할 수 있다. 패시브 암(110)은 3개의 링크를 3개의 조인트로 조절하여, 패시브 암(110)을 3차원 공간에서 원하는 위치에 이동시킬 수 있다.The passive arm 110 is disposed so that the first link 111, the second link 112, and the third link 113 are connected to each other, and may include three joints. The passive arm 110 can move the passive arm 110 to a desired position in a three-dimensional space by adjusting three links with three joints.

제1 링크(111)는 지면에 대해서 수직 방향으로 설치되고, 내부에 제1 조인트(J1)가 배치되어 지면에 대해서 수직한 방향으로 직선 운동할 수 있다. 이로써, 패시브 암(110)은 액티브 암(120)의 높이를 조절할 수 있다.The first link 111 is installed in a vertical direction with respect to the ground, and a first joint J1 is disposed therein to perform linear motion in a direction perpendicular to the ground. Accordingly, the passive arm 110 may adjust the height of the active arm 120.

제2 링크(112)는 제1 링크(111)에 대해서 회전가능하게 연결되며, 제1 링크(111)와 수직된다. 제2 링크(112)는 제2 조인트(J2)로 제1 링크(111)와 연결되므로, 지면에 수직된 축을 기준으로 제1 링크(111)에 대해서 회전할 수 있다. 또한, 제2 링크(112)는 지면과 나란한 방향으로 연장되므로, 제1 링크(111)와 실질적으로 수직되게 배치된다.The second link 112 is rotatably connected with respect to the first link 111 and is perpendicular to the first link 111. Since the second link 112 is connected to the first link 111 by a second joint J2, it may rotate with respect to the first link 111 based on an axis perpendicular to the ground. In addition, since the second link 112 extends in a direction parallel to the ground, it is disposed substantially perpendicular to the first link 111.

제3 링크(113)는 제2 링크(112)에 대해서 회전 가능하게 연결되며, 제2 링크(112)와 나란하게 배치된다. 제3 링크(113)는 제3 조인트(J3)로 제2 링크(112)와 연결되므로, 지면에 수직된 축을 기준으로 제2 링크(112)에 대해서 회전할 수 있다. 또한, 제3 링크(113)는 제2 링크(112)와 같이 지면에 대해서 나란하게 배치된다.The third link 113 is rotatably connected with respect to the second link 112 and is disposed in parallel with the second link 112. Since the third link 113 is connected to the second link 112 by a third joint J3, it can rotate with respect to the second link 112 based on an axis perpendicular to the ground. In addition, the third link 113 is disposed parallel to the ground like the second link 112.

액티브 암(120)은 말단부에 수술도구(12)나 내시경(미도시)이 장착되며, 수술중에 액티브 암(120)의 각 조인트를 구동하여 수술도구(12)나 내시경이 환자의 몸에서 움직일 수 있다. 액티브 암(120)은 복수 개의 조인트와 이들 조인트들을 연결하는 링크(link)들을 포함한다. 각 조인트는 회전(rotation) 운동 혹은 직선(prismatic) 운동을 하며, 이러한 운동을 통하여 액티브 암(120)의 전체적인 움직임을 생성한다. 조인트는 구동기(actuator), 감속기, 센서, 브레이크(brake), 카운터밸런스(counterbalance) 등을 구비 할 수 있다. 각 조인트의 구성은 전술한 패시브 암(110)의 조인트와 실질적으로 동일하고, 배치에 따른 작동이 상이한바 이하에서는 이에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.The active arm 120 is equipped with a surgical tool 12 or an endoscope (not shown) at the distal end, and the surgical tool 12 or the endoscope can be moved on the patient's body by driving each joint of the active arm 120 during surgery. have. The active arm 120 includes a plurality of joints and links connecting the joints. Each joint performs a rotational motion or a prismatic motion, and through this motion, an overall motion of the active arm 120 is generated. The joint may have an actuator, a reducer, a sensor, a brake, a counterbalance, and the like. The configuration of each joint is substantially the same as the joint of the passive arm 110 described above, and the operation according to the arrangement is different, which will be described in detail below.

액티브 암(120)은 제4 링크(121), 제5 링크(122), 제6 링크(123)가 서로 연결되도록 배치되고, 6개의 조인트를 구비할 수 있다. 액티브 암(120)은 3개의 링크를 6개의 조인트로 조절하여 수술도구(12)의 요(yaw), 피치(pitch), 롤(roll)의 각도를 조절하여, 수술 동작을 수행할 수 있다.The active arm 120 is disposed so that the fourth link 121, the fifth link 122, and the sixth link 123 are connected to each other, and may include six joints. The active arm 120 may adjust three links with six joints to adjust the yaw, pitch, and roll angles of the surgical tool 12 to perform a surgical operation.

제4 링크(121)는 패시브 암(110)의 제3 링크(113)와 연결된다. 제4 링크(121)는 제4 조인트(J4)와 연결되므로, 지면에 수직된 축을 기준으로 제3 링크(113)에 대해서 회전 할 수 있다. 또한, 제4 링크(121)의 후단에는 카운터밸런스가 배치되어, 액티브 암(120)의 무게를 보상할 수 있다.The fourth link 121 is connected to the third link 113 of the passive arm 110. Since the fourth link 121 is connected to the fourth joint J4, it can rotate with respect to the third link 113 based on an axis perpendicular to the ground. In addition, a counterbalance is disposed at the rear end of the fourth link 121 to compensate for the weight of the active arm 120.

제4 링크(121)의 내부에는 제5 조인트(J5)가 배치되고, 제4 링크(121)의 길이 방향으로 직선 운동 할 수 있다. 제5 조인트(J5)는 제4 링크(121)의 길이를 조절할 수 있다.A fifth joint J5 is disposed inside the fourth link 121 and may perform linear motion in the longitudinal direction of the fourth link 121. The fifth joint J5 may adjust the length of the fourth link 121.

제5 링크(122)는 제4 링크(121)에 대해서 회전 가능하게 연결된다. 제5 링크는 절곡되게 형성된다. 제5 링크(122)는 제4 링크(121)와 연결되는 부분은 지면에 나란하게 형성되나, 제6 링크(123)와 연결되는 부분은 지면에 수직되게 형성된다.The fifth link 122 is rotatably connected with respect to the fourth link 121. The fifth link is formed to be bent. In the fifth link 122, a portion connected to the fourth link 121 is formed parallel to the ground, but a portion connected to the sixth link 123 is formed perpendicular to the ground.

제5 링크(122)는 제6 조인트(J6)와 연결되므로, 지면에 대해서 수직된 축을 기준으로 제4 링크(121)에 대해서 회전할 수 있다. 또한, 제5 링크(122)의 수직한 부분에는 지면에 대해서 수직한 방향으로 직선 운동할 수 있는 제7 조인트(J7)가 설치되어, 수직 방향으로 높이를 조절할 수 있다.Since the fifth link 122 is connected to the sixth joint J6, it can rotate with respect to the fourth link 121 based on an axis perpendicular to the ground. In addition, a seventh joint J7 capable of linear motion in a direction perpendicular to the ground is installed at a vertical portion of the fifth link 122, and the height can be adjusted in the vertical direction.

제6 링크(123)는 제5 링크(122)에 대해서 소정의 경사를 가질 수 있다. 일 예로, 제6 링크(123)는 제5 링크(122)의 길이 방향에 대해서 45도의 경사를 가질 수 있다. 제6 링크(123)는 내부에 제8 조인트(J8)가 배치되어 제6 링크(123)의 길이 방향의 축에 대해서 회전 할 수 있다. 즉, 제8 조인트(J8)를 통해서 제6 링크(123)는 롤 운동을 할 수 있다.The sixth link 123 may have a predetermined slope with respect to the fifth link 122. For example, the sixth link 123 may have an inclination of 45 degrees with respect to the length direction of the fifth link 122. The sixth link 123 has an eighth joint J8 disposed therein to rotate about an axis of the sixth link 123 in the longitudinal direction. That is, the sixth link 123 may perform a roll motion through the eighth joint J8.

제6 링크(123)의 단부에는 슬라이드 가이드(150)가 설치되며, 제9 조인트(J9)가 슬라이드 가이드(150)의 피치각(pitch angle)를 조절할 수 있다. 슬라이드 가이드(150)는 수술도구(12)의 직선 운동을 안내할 수 있다.A slide guide 150 is installed at an end of the sixth link 123, and a ninth joint J9 may adjust a pitch angle of the slide guide 150. The slide guide 150 may guide the linear motion of the surgical tool 12.

캐뉼러 홀더(130)는 제6 링크(123)의 단부에 장착되어 캐뉼러(140)를 구비할 수 있으며, 캐뉼러(140)는 수술도구(12)가 장착될 수 있으며, 외측에는 RCM(remote center of motion)의 위치를 확인할 수 있는 마커(M)가 표시될 수 있다.The cannula holder 130 may be mounted at the end of the sixth link 123 to have a cannula 140, and the cannula 140 may be equipped with a surgical tool 12, and an RCM ( A marker M that can confirm the location of the remote center of motion) may be displayed.

도 2b를 참조하면, 슬레이브 로봇(10’)은 패시브 암(110’)과 액티브 암(120)을 구비하고, 단부에는 캐뉼러 홀더(130), 캐뉼러(140), 슬라이드 가이드(150)가 장착될 수 있다. 전술한 일 실시예에 따른 슬레이브 로봇(10)과 비교하면, 패시브 암(110)에 제2a 조인트(J2a)가 더 구비된 점에 차이가 있는바, 이하에서는 상기 차이점에 대해서 상세히 설명하기로 한다.Referring to FIG. 2B, the slave robot 10' includes a passive arm 110' and an active arm 120, and a cannula holder 130, a cannula 140, and a slide guide 150 at an end thereof. Can be mounted. Compared with the slave robot 10 according to the above-described embodiment, there is a difference in that the passive arm 110 is further provided with the second joint J2a, and the difference will be described in detail below. .

패시브 암(110)은 제1 링크(111), 제2 링크(112’), 제3 링크(113)를 구비하고, 4개의 조인트를 가질 수 있다.The passive arm 110 includes a first link 111, a second link 112 ′, and a third link 113, and may have four joints.

제1 조인트(J1)는 제1 링크(111)의 내부에 배치되 직선운동을 하여, 제1 링크(111)의 길이를 조절할 수 있다. 제2 조인트(J2)는 제1 링크(111)와 제2 링크(112’) 사이에 배치되고, 지면에 수직한 축을 중심으로 제2 링크(112)가 회전할 수 있다. 제2a 조인트(J2a)는 제2 링크(112’)의 내부에 배치되고, 제2 링크(112’)의 길이를 조절할 수 있다. 즉, 제2a 조인트(J2a)가 구동되면, 제2 링크(112’)의 길이가 변화하므로, 지면에 대한 수평방향으로 위치를 이동할 수 있다. 제3 조인트(J3)는 제2 링크(112’)와 제3 링크(113) 사이에 배치되고, 지면에 수직한 축을 중심으로 제3 링크(113)가 회전할 수 있다.The first joint J1 is disposed inside the first link 111 and performs a linear motion, so that the length of the first link 111 may be adjusted. The second joint J2 is disposed between the first link 111 and the second link 112 ′, and the second link 112 may rotate about an axis perpendicular to the ground. The 2a joint J2a is disposed inside the second link 112 ′, and the length of the second link 112 ′ may be adjusted. That is, when the 2a joint J2a is driven, the length of the second link 112 ′ is changed, so that the position can be moved in the horizontal direction with respect to the ground. The third joint J3 is disposed between the second link 112 ′ and the third link 113, and the third link 113 may rotate around an axis perpendicular to the ground.

일실시예와 비교하면, 패시브 암(110’)은 제2a 조인트(J2a)를 더 구비하므로, 여자유도(redundant DOF)를 가질 수 있다. 이로써 액티브 암(120)을 정해진 하나의 위치로 설정시에, 이에 상응하는 여자유도를 가지는 패시브 암(110’)의 배치는 다양한 경우의 수를 생성할 수 있다. 또한, 여자유도를 구비한 패시브 암(110’)은 복수개의 슬레이브 로봇이 하나의 구조물에 배치시에, 각각의 슬레이브 로봇이 서로 간섭되지 않도록 이동할 수 있다.Compared with one embodiment, since the passive arm 110 ′ further includes a second joint J2a, it may have a redundant DOF. Accordingly, when the active arm 120 is set to a predetermined position, the arrangement of the passive arm 110 ′ having an excitation induction corresponding thereto may generate a number of various cases. In addition, the passive arm 110 ′ with excitation induction may move so that the slave robots do not interfere with each other when a plurality of slave robots are placed in one structure.

도 3a는 도 1의 마스터 콘솔(20)의 일부 구성을 도시하는 사시도이며, 도 3b는 도 3a의 마스터 콘솔(20)에 사용자 인터페이스 장치(200)가 장착된 상태를 도시하는 사시도이다.FIG. 3A is a perspective view showing a partial configuration of the master console 20 of FIG. 1, and FIG. 3B is a perspective view illustrating a state in which the user interface device 200 is mounted on the master console 20 of FIG. 3A.

도 3a와 도 3b를 참조하면, 마스터 콘솔(20)은 베이스(21), 포지셔닝 암(22), 짐벌 암(23), 사용자 인터페이스 장치(200)를 구비할 수 있다. Referring to FIGS. 3A and 3B, the master console 20 may include a base 21, a positioning arm 22, a gimbal arm 23, and a user interface device 200.

베이스(21)는 마스터 콘솔(20)의 일측에 고정되며, 포지셔닝 암(22)이 고정될 수 있다.The base 21 is fixed to one side of the master console 20, and the positioning arm 22 may be fixed.

포지셔닝 암(22)은 수술도구(12)를 위치를 설정할 수 있다. 오퍼레이터(O)가 사용자 인터페이스 장치(200)를 조작하여 포지셔닝 암(22)의 각 관절을 조절하면, 슬레이브 로봇(10)이나 수술도구(12)는 3차원 공간에서 설정된 위치로 배치될 수 있다. The positioning arm 22 may set the position of the surgical tool 12. When the operator O manipulates the user interface device 200 to adjust each joint of the positioning arm 22, the slave robot 10 or the surgical tool 12 may be disposed at a set position in a three-dimensional space.

포지셔닝 암(22)은 복수개의 포지셔닝 링크, 구동기, 관절을 구비한다. 상세하게, 포지셔닝 암(22)은 복수개의 구동기를 이용하여 포지셔닝 암(22)의 말단부의 3자유도 위치를 결정하게 된다. 구동기는 주로 전기 모터가 이용되며, BDC(brushed DC)모터나 BLDC(brushless DC)모터가 이용되며, 브레이크가 연결될 수 있다. 짐벌 암(23)의 구동기는 토크의 증폭을 위해 감속기와 연결될 수 있다. 포지셔닝 암(22)은 백래쉬(backlash)와 마찰을 최소화 할 수 있는 캡스턴 메커니즘이 이용될 수 있다. 포지셔닝 암(22)의 말단부의 위치는 각 구동기와 연결된 관절의 위치를 측정하여 계산 할 수 있다. 또한 각 관절의 위치는 구동기와 직접 연결된 센서 혹은 구동기와 연결된 관절에 연결된 센서를 통해 알 수 있으며, 센서로는 주로 엔코더가 이용된다.The positioning arm 22 includes a plurality of positioning links, actuators, and joints. Specifically, the positioning arm 22 uses a plurality of actuators to determine the position of three degrees of freedom at the distal end of the positioning arm 22. An electric motor is mainly used as an actuator, a brushed DC (BDC) motor or a brushless DC (BLDC) motor is used, and a brake can be connected. The actuator of the gimbal arm 23 may be connected with a reducer to amplify torque. The positioning arm 22 may use a capstan mechanism capable of minimizing backlash and friction. The position of the distal end of the positioning arm 22 can be calculated by measuring the position of the joint connected to each actuator. In addition, the position of each joint can be known through a sensor directly connected to the actuator or a sensor connected to a joint connected to the actuator, and an encoder is mainly used as a sensor.

짐벌 암(23)은 포지셔닝 암(22)의 단부에 배치되며, 수술도구(12)의 방향을 설정할 수 있다. 오퍼레이터(O)가 사용자 인터페이스 장치(200)를 조작하여 짐벌 암(23)의 각 관절을 조절하면, 슬레이브 로봇(10)이나 수술도구(12)는 3차원 공간에서 설정된 방향으로 조작될 수 있다. The gimbal arm 23 is disposed at the end of the positioning arm 22, and the direction of the surgical tool 12 can be set. When the operator O manipulates the user interface device 200 to adjust each joint of the gimbal arm 23, the slave robot 10 or the surgical tool 12 can be manipulated in a set direction in a three-dimensional space.

짐벌 암(23)은 말단부의 3자유도 방향을 결정하며, 1개의 여자유도를 가질 수 있도록, 전체 4개의 구동기로 구성된다. 짐벌 암(23)의 여자유도는 오퍼레이터(O)가 마스터 암을 잡고 움직일 때 사용의 편리성을 향상 시키기 위한 목적으로 구성된다. The gimbal arm 23 determines the direction of three degrees of freedom at the distal end, and consists of a total of four actuators so as to have one excitation guidance. The excitation guidance of the gimbal arm 23 is configured for the purpose of improving the convenience of use when the operator O grabs and moves the master arm.

짐벌 암(23)은 복수개의 짐벌 링크, 구동기, 관절을 구비할 수 있다. 짐벌 암(23)의 구동기는 주로 전기 모터가 이용되며, BDC(brushed DC)모터나 BLDC(brushless DC)모터가 이용되며, 브레이크가 연결될 수 있다. 구동기는 토크의 증폭을 위해 감속기와 연결될 수 있다. 짐벌 암(23)은 백래쉬(backlash)와 마찰을 최소화 할 수 있는 캡스턴 메커니즘이 이용될 수 있다.The gimbal arm 23 may have a plurality of gimbal links, actuators, and joints. The actuator of the gimbal arm 23 is mainly an electric motor, a brushed DC (BDC) motor or a brushless DC (BLDC) motor, and a brake can be connected. The actuator may be connected to a reducer to amplify torque. The gimbal arm 23 may use a capstan mechanism capable of minimizing backlash and friction.

짐벌 암(23)의 말단부의 방향은 각 구동기와 연결된 관절의 위치를 측정하여 계산 할 수 있다. 또한 각 관절의 위치는 구동기와 직접 연결된 센서 혹은 구동기와 연결된 관절에 연결된 센서를 통해 알 수 있으며, 센서로는 주로 엔코더가 이용된다. The direction of the distal end of the gimbal arm 23 can be calculated by measuring the position of the joint connected to each actuator. In addition, the position of each joint can be known through a sensor directly connected to the actuator or a sensor connected to a joint connected to the actuator, and an encoder is mainly used as a sensor.

구동기로 BLDC 모터가 이용되는 경우에는 모터에서 코깅 토크(cogging torque)가 발생하는데, 시스템의 성능과 사용자의 편의성 향상을 위해 이를 보상하는 것이 바람직하다. 코깅 토크의 보상은 상대적으로 빠른 제어 주기를 필요로 하므로, 모터 드라이브에서 구현될 수 있다.When a BLDC motor is used as a driver, a cogging torque is generated in the motor, and it is desirable to compensate for this in order to improve system performance and user convenience. Compensation of the cogging torque requires a relatively fast control cycle, and thus can be implemented in a motor drive.

오퍼레이터(O)는 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)을 이용하여 3자유도 위치(x, y, z)와 3자유도 방향(yaw, pitch, roll)을 결정할 수 있으며, 이는 수술로봇 시스템의 중요한 입력 데이터로 이용된다. The operator O can use the positioning arm 22 and the gimbal arm 23 to determine the 3 DOF position (x, y, z) and the 3 DOF direction (yaw, pitch, roll), which is a surgical robot. It is used as important input data of the system.

사용자 인터페이스 장치(200)는 추가적인 오퍼레이터(O)의 입력을 위해서 짐벌 암(23)의 말단부에 장착될 수 있다. 사용자 인터페이스 장치(200)는 짐벌 암(23)에 장착 및 탈착될 수 있다.The user interface device 200 may be mounted on the distal end of the gimbal arm 23 for input of an additional operator O. The user interface device 200 may be mounted and detached from the gimbal arm 23.

다른 실시예로, 도 6을 참조하면 사용자 인터페이스 장치(200)와 짐벌 암(23) 사이에는 힘/토크 센서(205)가 장착될 수 있다. 힘/토크 센서(205)는 짐벌 암(23)과 사용자 인터페이스 장치(200) 사이에 작용하는 힘/토크를 측정할 수 있으며, 측정된 힘/토크 값을 이용하여 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 성능과 사용자의 편의성을 향상시키는데 이용될 수 있다. As another embodiment, referring to FIG. 6, a force/torque sensor 205 may be mounted between the user interface device 200 and the gimbal arm 23. The force/torque sensor 205 can measure the force/torque applied between the gimbal arm 23 and the user interface device 200, and use the measured force/torque value to determine the positioning arm 22 and the gimbal arm. (23) It can be used to improve the performance and user convenience.

예를 들면, 중력, 관성력, 마찰력 보상을 통해 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 성능과 오퍼레이터(O)의 편의성을 향상시킬 수 있는데, 이를 위해서는 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 정확한 동역학 모델이 필요하다. 하지만 현실적으로 정확한 모델을 구하지 못한 경우에는 센서를 통해 측정된 값을 이용하여 모델의 정확도를 높여야 한다. 힘/토크 센서(205)는 사용자 인터페이스 장치(200)와 짐벌 암(23) 사이에 배치되므로, 정확한 힘/토크를 측정하고, 이를 통해서 오퍼레이터(O)의 편의성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.For example, the performance of the positioning arm 22 and the gimbal arm 23 and the convenience of the operator O can be improved by compensating for gravity, inertia, and friction. To this end, the positioning arm 22 and the gimbal arm 23 ), an accurate dynamics model is needed. However, if an accurate model cannot be obtained realistically, the accuracy of the model must be improved by using the value measured through the sensor. Since the force/torque sensor 205 is disposed between the user interface device 200 and the gimbal arm 23, it is possible to accurately measure the force/torque, thereby effectively improving the convenience of the operator O.

힘/토크 센서(205)는 힘 피드백에 있어서도 유리한 장점을 가진다. 힘/토크 센서를 이용하지 않고 위치에 따른 힘 피드백 값을 계산하는 임피던스 표시(impedance display) 방법 대신에, 힘/토크 센서를 이용하여 기준 위치 값을 계산하는 어드미턴스 표시(admittance display) 방법을 적용할 수 있다. 어드미턴스 표시(admittance display) 방법은 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)이 안정적으로 표현할 수 있는 강성(stiffness)을 향상시킬 수 있으며, 장비의 성능과 사용자의 몰입감을 향상 시킬 수 있다. The force/torque sensor 205 also has an advantageous advantage in force feedback. Instead of using the force/torque sensor and calculating the force feedback value according to the position, an admittance display method that calculates the reference position value using the force/torque sensor may be applied. I can. The admittance display method can improve the stiffness that the positioning arm 22 and the gimbal arm 23 can stably express, and can improve the performance of the equipment and the user's immersion.

힘/토크 센서(205)는 3축의 힘을 측정하거나, 3축의 힘과 1축 이상의 토크를 측정할 수 있다. 짐벌 암(23)과 사용자 인터페이스 장치(200)를 기구적 및 전기적으로 연결할 수 있는 연결부를 포함하는데, 손쉬운 탈부착을 위해 스프링 커넥터(spring loaded connector) 등이 이용될 수 있다.The force/torque sensor 205 may measure a force of three axes, or a force of three axes and a torque of one or more axes. The gimbal arm 23 and the user interface device 200 are mechanically and electrically connected to each other, and a spring loaded connector may be used for easy attachment and detachment.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(200)를 도시하는 사시도이고, 도 5a와 도 5b는 도 4의 제1 힘 측정부(220)를 도시하는 사시도이며, 도 6은 도 1의 수술 로봇 장치(1)의 일부 구성을 도시하는 구성도이다.4 is a perspective view illustrating a user interface device 200 according to an embodiment of the present invention, FIGS. 5A and 5B are perspective views illustrating the first force measuring unit 220 of FIG. 4, and FIG. 6 is It is a configuration diagram showing a partial configuration of the surgical robot apparatus 1 of 1.

도 4 내지 도 6를 참조하면, 사용자 인터페이스 장치(200)는 하우징(210), 제1 힘 측정부(220), 터치 측정부(230), 커넥터(240), 표시부(250), 정보 저장부(260) 및 스위칭부(270)를 구비할 수 있다. 사용자 인터페이스 장치(200)는 짐벌 암(23)의 단부에 회전가능하게 장착 및 탈착될 수 있다. 사용자 인터페이스 장치(200)는 사용자 즉, 오퍼레이터(O)의 접촉을 감지하고, 오퍼레이터(O)가 가하는 힘의 크기를 측정할 수 있다.4 to 6, the user interface device 200 includes a housing 210, a first force measurement unit 220, a touch measurement unit 230, a connector 240, a display unit 250, and an information storage unit. 260 and a switching unit 270 may be provided. The user interface device 200 may be rotatably mounted and detached from the end of the gimbal arm 23. The user interface device 200 may detect a contact of the user, that is, the operator O, and measure the magnitude of the force applied by the operator O.

하우징(210)은 사용자 인터페이스 장치(200)의 외관을 형성하고, 구 형상을 가지 수 있다. 오퍼레이터(O)는 쉽고 직관적으로 구 형상의 하우징을 그립할 수 있으며, 조작을 편하게 할 수 있다.The housing 210 forms the exterior of the user interface device 200 and may have a spherical shape. Operator (O) can easily and intuitively grip the spherical housing, and can be operated conveniently.

제1 힘 측정부(220)는 일부가 하우징(210)의 외측 표면에 노출되며, 오퍼레이터(O)가 가하는 힘을 측정할 수 있다. 사용자는 검지 손가락이나 중지 손가락을 이용하여, 접촉 패드(221)에 힘을 가하면, 브릿지(222)의 변형을 기초로 가해진 힘의 크기를 측정할 수 있다. 제1 힘 측정부(220)는 접촉 패드(221), 브릿지(222), 고정단(223)을 구비할 수 있다.Part of the first force measuring unit 220 is exposed on the outer surface of the housing 210 and may measure the force applied by the operator O. When a user applies a force to the contact pad 221 using an index finger or a middle finger, the magnitude of the applied force may be measured based on the deformation of the bridge 222. The first force measuring unit 220 may include a contact pad 221, a bridge 222, and a fixed end 223.

접촉 패드(221)는 하우징(210)에 노출되며, 오퍼레이터(O)가 접촉 및 가력 할 수 있다. 접촉 패드(221)에 가해지는 힘은 브릿지(222)를 변형할 수 있다. The contact pad 221 is exposed to the housing 210, and the operator O may contact and apply force. The force applied to the contact pad 221 may deform the bridge 222.

브릿지(222)는 접촉 패드(221)와 연결되며, 일 방향으로 연장될 수 있다. 브릿지(222)는 탄성체(elastic body)로 형성되므로, 외부에서 힘이나 토크가 가해지면 브릿지(222)가 변형되어 가해진 힘이나 토크를 측정할 수 있다. The bridge 222 is connected to the contact pad 221 and may extend in one direction. Since the bridge 222 is formed of an elastic body, when a force or torque is applied from the outside, the bridge 222 is deformed and the applied force or torque can be measured.

탄성체의 변형은 예컨대, 스트레인 게이지를 이용한 방법, 정전용량형(capacitive type) 센서를 이용한 방법, 유도형(inductive type)을 이용한 방법 등을 이용하여 측정할 수 있다. 탄성체 변형에 따른 전기신호 변화 측정할 수 있으며, 이렇게 발생한 전기신호를 증폭 및 필터링, 그리고 교정(calibration) 과정을 통하면 센서에 가해진 힘/토크를 측정할 수 있게 된다. 이하에서는 설명의 편의를 위해서, 스트레인 게이지가 장착된 경우를 중심으로 설명하기로 한다. The deformation of the elastic body can be measured using, for example, a method using a strain gauge, a method using a capacitive type sensor, a method using an inductive type, or the like. It is possible to measure changes in electrical signals due to deformation of the elastic body, and by amplifying, filtering, and calibrating the generated electrical signals, it is possible to measure the force/torque applied to the sensor. Hereinafter, for convenience of description, a description will be made focusing on a case in which a strain gauge is mounted.

브릿지(222)의 각각의 면에는 스트레인 게이지가 설치될 수 있다. 도 5a 및 도 5b와 같이 4개(R1, R2, R3, R4)의 스트레인 게이지가 장착될 수 있다. 접촉 패드(221)에서 전달되는 힘은 브릿지(222)를 변형시키고, 스트레인 게이지는 브릿지(222)의 변형의 정도를 측정하여 외부에서 가해지는 힘을 측정할 수 있다.A strain gauge may be installed on each side of the bridge 222. As shown in FIGS. 5A and 5B, four strain gauges (R1, R2, R3, R4) may be mounted. The force transmitted from the contact pad 221 deforms the bridge 222, and the strain gauge measures the degree of deformation of the bridge 222 to measure the force applied from the outside.

브릿지(222)에서의 힘의 측정은 브릿지 회로(bridge circuit)를 이용하며, 가해진 힘에 따른 전기 저항의 변화를 전압의 변화로 변환하여 측정한다. 출력 전압은 증폭, 필터링, A/D(analog/digital) 변환 등의 과정을 통해 측정되며, 측정된 전압은 교정(calibration)을 통해 가해진 힘으로 계산될 수 있다. The measurement of the force in the bridge 222 uses a bridge circuit, and the change in electrical resistance according to the applied force is converted into a change in voltage and measured. The output voltage is measured through processes such as amplification, filtering, and A/D (analog/digital) conversion, and the measured voltage can be calculated as a force applied through calibration.

온도, 습도 등 외란에 의해 스트레인 게이지의 저항 값이 영향을 받을 수 있으며, 결과적으로 정확한 힘의 측정이 어려워진다. 따라서 외란에 의한 영향은 제거되거나 최소화 되어야 하며, 인접하게 위치한 4개(R1, R2, R3, R4)의 스트레인 게이지를 이용한 풀 브릿지(full bridge) 회로가 이용될 수 있다. The resistance value of the strain gauge may be affected by disturbances such as temperature and humidity, and as a result, accurate force measurement becomes difficult. Therefore, the influence of the disturbance should be eliminated or minimized, and a full bridge circuit using four adjacent strain gauges (R1, R2, R3, R4) can be used.

고정단(223)은 브릿지(222)와 연결되며, 하우징(210)에 고정될 수 있다. 고정단(223)은 제1 힘 측정부(220)를 하우징(210)과 연결시킬 수 있다. The fixed end 223 is connected to the bridge 222 and may be fixed to the housing 210. The fixed end 223 may connect the first force measuring unit 220 to the housing 210.

제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘에 대한 데이터는 컨트롤러(170)로 전달되어, 수술도구(12)의 수술 동작을 수행할 수 있다.The data on the force measured by the first force measurement unit 220 is transmitted to the controller 170, so that the surgical operation of the surgical tool 12 may be performed.

터치 측정부(230)는 일부가 하우징(210)의 외측 표면에 노출되어 오퍼레이터(O)의 접촉을 감지할 수 있다. 터치 측정부(230)는 제1 힘 측정부(220)와 이격되게 설치되어, 오퍼레이터(O)의 손가락을 쉽게 거치 및 접촉할 수 있다. 터치 측정부(230)는 정전 용량 터치 센서로 형성될 수 있다.A part of the touch measuring unit 230 may be exposed on the outer surface of the housing 210 to detect the contact of the operator O. The touch measurement unit 230 is installed to be spaced apart from the first force measurement unit 220 so that a finger of the operator O can be easily mounted and contacted. The touch measurement unit 230 may be formed of a capacitive touch sensor.

터치 측정부(230)는 표면이 만곡되게 형성될 수 있다. 오퍼레이터(O)의 접촉을 신속하고 정확하게 인식하기 위해서 표면이 만곡되게 형성되어, 손가락의 접촉 면적이 증가하고, 손가락이 터치 측정부 상에서 위치를 유지할 수 있다. 터치 측정부(230)는 수술 로봇 장치(1)의 구동과 관련되어 있으므로, 신속하고 정확하게 터치를 측정되어야 한다. 오퍼레이터(O)가 수술 로봇 장치(1)를 사용중에 손가락의 위치를 유지하지 않으면, 사용자 인터페이스 장치(200)는 다른 신호로 인식하여 수술 로봇 장치(1)가 오작동 될 수 있다. 터치 측정부(230)의 만곡된 표면이 손가락의 위치를 유지하므로, 오퍼레이터(O)의 접촉 불량에 따른 오작동을 줄일 수 있다.The touch measurement unit 230 may have a curved surface. In order to quickly and accurately recognize the contact of the operator O, the surface is formed to be curved, so that the contact area of the finger increases, and the position of the finger can be maintained on the touch measurement unit. Since the touch measurement unit 230 is related to the operation of the surgical robot device 1, it is necessary to quickly and accurately measure the touch. If the operator O does not maintain the position of the finger while using the surgical robot device 1, the user interface device 200 may recognize it as a different signal and the surgical robot device 1 may malfunction. Since the curved surface of the touch measurement unit 230 maintains the position of the finger, malfunction due to contact failure of the operator O can be reduced.

커넥터(240)는 하우징(210)의 일측에 배치되고, 짐벌 암(23)에 접속할 수 있다. 커넥터(240)는 전원을 공급받을 수 있으며, 제1 힘 측정부(220)나 터치 측정부(230)에서 측정된 신호를 전달할 수 있다. 커넥터(240)는 짐벌 암(23)에 대해서 회전할 수 있도록 접속된다. 커넥터(240)가 삽입되면, 오퍼레이터(O)는 사용자 인터페이스 장치(200)를 그립한 상태에서 롤(roll) 운동을 할 수 있다.The connector 240 is disposed on one side of the housing 210 and may be connected to the gimbal arm 23. The connector 240 may receive power and transmit a signal measured by the first force measurement unit 220 or the touch measurement unit 230. The connector 240 is connected to be rotatable with respect to the gimbal arm 23. When the connector 240 is inserted, the operator O may perform a roll motion while gripping the user interface device 200.

표시부(250)는 하우징(210)의 외측에 배치되며, 사용자 인터페이스 장치(200)의 상태에 관한 정보를 표시할 수 있다. 표시부(250)는 일예로 램프, 디스플레이 패널과 같은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해서 LED 램프인 것을 중심으로 설명하기로 한다.The display unit 250 is disposed outside the housing 210 and may display information on the state of the user interface device 200. The display unit 250 may be formed in various shapes such as a lamp or a display panel, for example. Hereinafter, for convenience of explanation, the LED lamp will be mainly described.

표시부(250)는 사용자 인터페이스 장치(200)가 짐벌 암(23)에 결합되었다는 정보, 제1 힘 측정부(220)에서 가해지는 힘이 설정범위에 해당하거나 벗어났다는 것을 알려주는 정보, 터치 측정부(230)에서 오퍼레이터(O)의 접촉을 감지하였다는 정보 등을 인식하고, 이를 램프의 색상 변화, 깜빡임, 밝기 조절 등으로 표시할 수 있다.The display unit 250 includes information that the user interface device 200 is coupled to the gimbal arm 23, information indicating that the force applied by the first force measurement unit 220 falls within or out of the set range, and touch measurement The unit 230 may recognize information indicating that the operator O's contact has been detected, and display it as a color change, blinking, brightness control, etc. of the lamp.

정보 저장부(260)는 사용자 인터페이스 장치(200)를 사용하는 각각의 사용자 정보를 저장할 수 있다. 보통 각각의 오퍼레이터(O)는 자신의 사용자 인터페이스 장치(200)로 수술을 집도한다. 사용자 인터페이스 장치(200)가 짐벌 암(23)에 장착되면, 컨트롤러(170)는 사용자 정보에 대응하여 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 위치를 셋팅할 수 있다. 즉, 오퍼레이터(O)의 신체 정보를 기초로, 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 위치를 자동적으로 조정하므로, 오퍼레이터(O)는 편안하게 수술을 집도할 수 있다.The information storage unit 260 may store information of each user who uses the user interface device 200. Usually, each operator (O) performs surgery with its own user interface device (200). When the user interface device 200 is mounted on the gimbal arm 23, the controller 170 may set the positions of the positioning arm 22 and the gimbal arm 23 in response to user information. That is, based on the body information of the operator O, the positions of the positioning arm 22 and the gimbal arm 23 are automatically adjusted, so that the operator O can comfortably perform the operation.

정보 저장부(260)는 제1 힘 측정부(220)와 터치 측정부(230)를 위한 교정 값(calibration data)을 저장할 수 있으며, 이를 사용자 인터페이스 장치(200)의 출력값을 계산하는데 이용할 수 있다. 또한 각각의 센서의 초기값은 시스템의 시작 단계에서 오퍼레이터(O)가 사용자 인터페이스 장치(200)를 손으로 잡지 않은 상태에서 얻어지며, 이러한 초기값을 이용하여 사용자 인터페이스 장치(200)의 측정 값들을 계산할 수 있다.The information storage unit 260 may store calibration data for the first force measurement unit 220 and the touch measurement unit 230, and use this to calculate an output value of the user interface device 200. . In addition, the initial value of each sensor is obtained when the operator O does not hold the user interface device 200 by hand at the start of the system, and the measured values of the user interface device 200 are calculated using this initial value. Can be calculated.

스위칭부(270)는 슬레이브 로봇(10)의 위치를 변경하여 수술도구(12)를 교체하거나, 슬레이브 로봇(10)에 장착된 카메라(미도시)의 위치를 변경할 수 있다. 슬레이브 로봇(10)은 복수개로 구비되고, 각각의 슬레이브 로봇(10)에는 서로 다른 수술도구(12)가 장착된다. 수술 중에 수술도구(12)의 교체가 필요한 상황에서, 오퍼레이터(O)가 스위칭부(270)를 조작하여 슬레이브 로봇(10)을 스위칭 할 수 있다. 또한, 카메라가 필요한 상황에서, 오퍼레이터(O)가 스위칭부(270)를 조작하여 수술도구에서 카메라로 변환하거나, 카메라의 위치를 이동시킬 수 있다.The switching unit 270 may change the position of the slave robot 10 to change the surgical tool 12 or change the position of a camera (not shown) mounted on the slave robot 10. The slave robot 10 is provided in plural, and each slave robot 10 is equipped with a different surgical tool 12. In a situation where the surgical tool 12 needs to be replaced during surgery, the operator O may switch the slave robot 10 by manipulating the switching unit 270. In addition, in a situation where a camera is required, the operator O may manipulate the switching unit 270 to convert the surgical tool into a camera or move the position of the camera.

컨트롤러(170)는 사용자 인터페이스 장치(200)에서 전달받은 힘이나 접촉에 대한 정보를 기초로 수술도구(12)를 제어할 수 있다. The controller 170 may control the surgical tool 12 based on information on a force or contact transmitted from the user interface device 200.

예컨대, 사용자 인터페이스 장치(200)의 제1 힘 측정부(220)에서 전달 받은 신호로, 슬레이브 로봇(10)나 수술도구(12)를 조작할 수 있다. 또한, 터치 측정부(230)에서 전달받은 신호로 슬레이브 로봇(10)이나 마스터 콘솔(20)을 구동시킬 수 있다. 또한, 표시부(250)에 수술 로봇 장치(1)의 상태 정보를 전달하여 오퍼레이터(O)가 인식하게 할 수 있다. 또한, 정보 저장부(260)에서 전달받은 오퍼레이터(O)의 정보를 기초로, 마스터 콘솔(20)의 위치를 셋팅할 수 있다. 또한, 스위칭부(270)에서 전달받은 신호로 슬레이브 로봇(10)의 구동 및 위치를 변경할 수 있다.For example, with a signal received from the first force measuring unit 220 of the user interface device 200, the slave robot 10 or the surgical tool 12 may be operated. In addition, the slave robot 10 or the master console 20 may be driven by a signal transmitted from the touch measurement unit 230. In addition, the operator O may recognize the state information of the surgical robot device 1 to the display unit 250. In addition, the position of the master console 20 may be set based on information of the operator O received from the information storage unit 260. In addition, it is possible to change the driving and position of the slave robot 10 using a signal transmitted from the switching unit 270.

사용자 인터페이스 장치(200)에서 입력받은 신호를 기초로, 수술도구(12)의 구동을 제어하는 신호를 생성 및 명령하는 내용은 아래에서 보다 상세하게 설명하기로 한다.Contents of generating and commanding a signal for controlling the operation of the surgical tool 12 based on the signal received from the user interface device 200 will be described in more detail below.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(300)를 도시하는 사시도이다.7A and 7B are perspective views illustrating a user interface device 300 according to another embodiment of the present invention.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 사용자 인터페이스 장치(300)는 복수개의 힘 측정부를 구비하여, 바이폴라 수술도구를 구동할 수 있다. 7A and 7B, the user interface device 300 may include a plurality of force measuring units to drive a bipolar surgical tool.

전술한 도 4의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(200)와 비교하면, 사용자 인터페이스 장치(300)는 케이스(310), 제2 힘 측정부(320)를 더 구비한다.Compared with the user interface device 200 according to the exemplary embodiment of FIG. 4, the user interface device 300 further includes a case 310 and a second force measuring unit 320.

케이스(310)는 하우징(210)의 아래에 배치되어, 제2 힘 측정부(320)가 설치되는 공간을 형성한다. 케이스(310)는 대략 원통형상을 가지고, 외측면에 제2 힘 측정부(320)가 배치된다.The case 310 is disposed under the housing 210 to form a space in which the second force measuring unit 320 is installed. The case 310 has a substantially cylindrical shape, and a second force measuring unit 320 is disposed on the outer surface.

제2 힘 측정부(320)는 제1 힘 측정부(220)와 유사하게 형성되며, 오퍼레이터(O)가 가하는 힘의 크기를 측정할 수 있다. The second force measurement unit 320 is formed similar to the first force measurement unit 220 and may measure the magnitude of the force applied by the operator O.

오퍼레이터(O)는 제1 힘 측정부(220)와 제2 힘 측정부(320)를 이용하여, 바이폴라 방식의 수술도구(12)를 구동시킬 수 있다. 상세히, 제1 힘 측정부(220)로 수술도구(12)의 조(jaw)의 개도를 조절하거나, 그립력을 조절할 수 있다. 수술도구(12)의 개도가 닫혀진 상태에서, 오퍼레이터(O)가 제2 힘 측정부(320)를 가력하고, 측정된 힘이 설정된 값 이상이면 컨트롤러(170)는 전류를 수술도구(12)의 각각의 조(jaw)에 보내므로, 바이폴라 방식으로 소작기능을 수행할 수 있다. The operator O may drive the bipolar surgical tool 12 by using the first force measurement unit 220 and the second force measurement unit 320. In detail, the opening degree of the jaw of the surgical tool 12 may be adjusted with the first force measuring unit 220 or the grip force may be adjusted. In a state where the opening degree of the surgical tool 12 is closed, the operator O applies the second force measurement unit 320, and when the measured force is greater than or equal to the set value, the controller 170 applies the current to the surgical tool 12. Since it is sent to each jaw, the cauterization function can be performed in a bipolar manner.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 장치(1)의 마스터 콘솔(20)의 조작 방법을 도시하는 순서도이다.8 is a flow chart showing a method of operating the master console 20 of the surgical robot device 1 according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 수술도구(12)가 장착된 슬레이브 로봇(10)을 원격조정하기 위한 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔(20)의 조작 방법은, 사용자 인터페이스 장치를 마스터 콘솔에 장착하는 단계(S10), 사용자가 상기 사용자 인터페이스 장치의 터치 측정부를 접촉하여 상기 마스터 콘솔을 구동하는 단계(S20), 상기 마스터 콘솔의 포지셔닝 암과 짐 벌암을 구동시켜서 상기 수술도구의 위치와 방향을 설정하는 단계(S30), 상기 사용자 인터페이스 장치의 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기에 대한 데이터를 기초로 상기 수술도구의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하는 수술도구 조작 단계(S40)를 포함한다.Referring to FIG. 8, the operation method of the master console 20 of the surgical robot device for remotely controlling the slave robot 10 equipped with the surgical tool 12 is a step of mounting a user interface device on the master console (S10 ), the step of driving the master console by the user contacting the touch measuring unit of the user interface device (S20), the step of setting the position and direction of the surgical tool by driving the positioning arm and the gimbal arm of the master console (S30) ), a surgical tool manipulation step (S40) of adjusting the opening and gripping force of the jaw of the surgical tool based on data on the magnitude of the force measured by the first force measuring unit of the user interface device.

사용자 인터페이스 장치를 마스터 콘솔에 장착하는 단계(S10)에서 오퍼레이터(O)는 사용자 인터페이스 장치(200)를 짐벌 암(23)의 단부에 장착한다. 사용자 인터페이스 장치(200)의 정보 저장부(260)에서 사용자 정보를 마스터 콘솔(20)에 전송하고, 사용자 정보에 대응하여, 마스터 콘솔(20)의 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 위치가 셋팅될 수 있다. 즉, 오퍼레이터(O)의 신체 정보를 고려하여, 마스터 콘솔(20)이 수술을 진행하기 위해서 셋팅된다.In step S10 of mounting the user interface device to the master console, the operator O mounts the user interface device 200 to the end of the gimbal arm 23. The information storage unit 260 of the user interface device 200 transmits user information to the master console 20, and in response to the user information, the positioning arm 22 and the gimbal arm 23 of the master console 20 The position can be set. That is, in consideration of the body information of the operator O, the master console 20 is set to proceed with the operation.

사용자가 상기 사용자 인터페이스 장치의 터치 측정부를 접촉하여 상기 마스터 콘솔을 구동하는 단계(S20)에서 오퍼레이터(O)는 수술 로봇 장치(1)를 구동시킬 수 있다. 터치 측정부(230)에서 오퍼레이터(O)의 접촉이 감지되면, 기 설정된 제1 지연 시간 이후에 마스터 콘솔을 구동시킬 수 있다.In step S20 of driving the master console by a user contacting the touch measuring unit of the user interface device (S20), the operator O may drive the surgical robot device 1. When the touch measurement unit 230 detects the contact of the operator O, the master console may be driven after a preset first delay time.

상기 마스터 콘솔의 포지셔닝 암과 짐 벌암을 구동시켜서 상기 수술도구의 위치와 방향을 설정하는 단계(S30)에서 오퍼레이터(O)는 사용자 인터페이스 장치(200)의 감싼 상태로 이동시킬 수 있다. 이때, 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 위치와 방향이 변화하고, 사용자 인터페이스 장치(200)는 짐벌 암(23)에 대해서 롤운동을 할 수 있다.In the step (S30) of setting the position and direction of the surgical tool by driving the positioning arm and gimbal arm of the master console, the operator O may move the user interface device 200 in a wrapped state. At this time, the positions and directions of the positioning arm 22 and the gimbal arm 23 change, and the user interface device 200 may perform a roll motion with respect to the gimbal arm 23.

상기 사용자 인터페이스 장치의 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기에 대한 데이터를 기초로 상기 수술도구의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하는 상기 수술도구 조작 단계(S40)에서는 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘에 대한 정보를 기초로, 수술도구(12)를 이용하여 수술을 집도할 수 있다. 수술도구(12)의 단부인 조의 개도를 조절하거나 그립력을 조절할 수 있다. In the surgical tool operation step (S40) of adjusting the opening and gripping force of the jaw of the surgical tool based on data on the magnitude of the force measured by the first force measuring unit of the user interface device Based on the information on the force measured by the unit 220, it is possible to perform the operation using the surgical tool 12. The opening degree of the jaw that is the end of the surgical tool 12 can be adjusted or the grip force can be adjusted.

다른 실시예로, 상기 사용자가 상기 제1 힘 측정부에 가력하는 힘을 유지하면서, 수술도구의 소작 기능을 실행하는 단계를 더 포함할 수 있다.In another embodiment, the step of executing a cautery function of the surgical tool while maintaining the force applied by the user to the first force measuring unit may be further included.

소작기능을 가지는 수술도구(12)가 슬레이브 로봇(10)에 장착된 경우에는 제1 힘 측정부(220)에서 가해지는 힘의 크기를 기초고로, 수술도구(12)에 전류를 공급하는 개시 신호를 생성할 수 있다. 즉, 소정의 크기의 힘이 제1 힘 측정부(220)에 전달되면, 모노폴라 방식으로 수술도구(12)의 소작기능이 진행될 수 있다. When the surgical tool 12 having the cautery function is mounted on the slave robot 10, based on the magnitude of the force applied by the first force measuring unit 220, a start signal for supplying current to the surgical tool 12 Can be created. That is, when a force of a predetermined size is transmitted to the first force measuring unit 220, the cauterization function of the surgical tool 12 may be performed in a monopolar manner.

다른 실시예로, 도 7a 및 도 7b에서의 사용자 인터페이스 장치(300)를 참고하면, 제1 힘 측정부(220)의 아래에 배치된 제2 힘 측정부(320)를 조작하여, 수술도구(12)의 소작 기능을 실행할 수 있다. 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘은 수술도구(12)의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하고, 제2 힘 측정부(320)에서 측정된 힘은 수술도구(12)의 조(jaw)로 전류를 개시하는 신호를 생성할 수 있다.In another embodiment, referring to the user interface device 300 in FIGS. 7A and 7B, by manipulating the second force measuring unit 320 disposed under the first force measuring unit 220, the surgical tool ( 12) tenancy function can be executed The force measured by the first force measurement unit 220 adjusts the opening and grip force of the jaw of the surgical tool 12, and the force measured by the second force measurement unit 320 is It is possible to generate a signal that initiates a current in a jaw.

도 9는 도 4의 사용자 인터페이스 장치(200)에서 입력된 신호를 기초로 수술도구(12)의 일 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.9 is a graph illustrating controlling a function of the surgical tool 12 based on a signal input from the user interface device 200 of FIG. 4.

도 9을 참조하면, 컨트롤러(170)는 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘을 기초로 수술도구(12)의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하도록 구동기에 제어신호를 전송할 수 있다. 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위이면(포지션 컨트롤 모드), 수술도구(12)의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고, 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면(토크 컨트롤 모드), 상기 수술도구(12)의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절한다.Referring to FIG. 9, the controller 170 may transmit a control signal to the actuator to adjust the opening and grip force of the jaw of the surgical tool 12 based on the force measured by the first force measuring unit 220. have. If the magnitude of the force measured by the first force measurement unit 220 is a preset range (position control mode), the opening degree between the pair of jaws of the surgical tool 12 is adjusted, and the first force measurement unit When the magnitude of the force measured at 220 exceeds a preset range (torque control mode), the grip force between the pair of jaws of the surgical tool 12 is adjusted.

제1 힘 측정부(220)는 오프셋된 소정의 힘이 가해지면 힘을 측정한다. 즉, sensor offset된 이상의 힘이 제1 힘 측정부(220)에 가해지면 사용자 인터페이스 장치(200)가 힘의 크기를 센싱한다. 컨트롤러(170)는 역치값인 threshold force을 초과하기 전까지는 구동기(actuator)를 구동하지 않으므로, 수술도구(12)의 조(jaw)의 개도는 전체 개방된 상태를 가진다.The first force measuring unit 220 measures the force when a predetermined offset force is applied. That is, when the sensor offset or more force is applied to the first force measuring unit 220, the user interface device 200 senses the magnitude of the force. Since the controller 170 does not drive the actuator until it exceeds the threshold force, which is the threshold value, the opening degree of the jaw of the surgical tool 12 is entirely open.

제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘이 역치값을 초과하면 구동기는 수술도구(12)의 조(jaw)의 개도를 조절한다. 컨트롤러(170)는 포지션 컨트롤 모드(position control mode)로 구동기를 제어하며, 측정된 힘의 크기에 비례하여 수술도구(12)의 조(jaw)가 개도를 선형적으로 닫는다. 포지션 컨트롤 모드에서는 구동기는 토크를 조절하는 것은 아니며, 수술도구(12)의 조의 개도를 조절한다.When the force measured by the first force measuring unit 220 exceeds the threshold value, the actuator adjusts the opening degree of the jaw of the surgical tool 12. The controller 170 controls the actuator in a position control mode, and a jaw of the surgical tool 12 linearly closes the opening in proportion to the magnitude of the measured force. In the position control mode, the actuator does not adjust the torque, but adjusts the opening degree of the jaw of the surgical tool 12.

제1 힘 측정부(220)에 가해지는 힘이 증가하여, 수술도구(12)의 조가 완전히 닫히면, 구동기는 수술도구(12)의 토크를 조절한다. 컨트롤러(170)는 토크 컨트롤 모드(torque control mode)로 구동기를 제어하고, 측정된 힘의 크기에 비례하여 수술도구의 토크를 선형적으로 제어한다.When the force applied to the first force measuring unit 220 increases, and the jaw of the surgical tool 12 is completely closed, the actuator adjusts the torque of the surgical tool 12. The controller 170 controls the actuator in a torque control mode, and linearly controls the torque of the surgical tool in proportion to the magnitude of the measured force.

토크 컨트롤 모드는 설정된 최대 토크(max. torque)까지 수술도구(12)의 토크를 제어한다. 설정된 최대 토크(max. torque)는 측정 가능한 최대 힘(sensor max. range)에 도달하기 전에 달성된다. 즉, 오퍼레이터(O)가 제1 힘 측정부(220)에 측정 가능한 최대 힘(sensor max. range)보다 적은 힘을 가하더라도, 컨트롤러(170)는 구동기를 최대 토크(max. torque)로 수렴시켜서, 사용자 인터페이스 장치(200)의 내구성 및 수술 과정에서의 안전을 유지할 수 있다.The torque control mode controls the torque of the surgical tool 12 up to a set maximum torque (max. torque). The set maximum torque (max. torque) is achieved before reaching the maximum measurable force (sensor max. range). That is, even if the operator O applies a force less than the maximum measurable force (sensor max. range) to the first force measuring unit 220, the controller 170 converges the actuator to the maximum torque (max. torque) and converges the actuator to the maximum torque. , It is possible to maintain the durability of the user interface device 200 and safety in the surgical process.

사용자 인터페이스 장치(200)는 오퍼레이터(O)가 가하는 힘에 비례하여 수술도구(12)의 개도를 조절하므로(포지션 컨트롤 모드), 오퍼레이터(O)가 직관적으로 수술도구(12)의 개도를 인식하고, 쉽게 수술을 집도할 수 있다. 또한, 오퍼레이터(O)가 가하는 힘에 비례하여 수술도구(12)의 그립력을 조절하므로(토크 컨트롤 모드), 오퍼레이터(O)가 직관적으로 수술도구(12)에 가해지는 토크를 인식하고, 그립력을 조절할 수 있다. 또한, 사용자 인터페이스 장치(200)는 허용가능한 최대 힘 이전에 최대 토크로 수렴되므로, 내구성과 안전성을 유지할 수 있다.Since the user interface device 200 adjusts the opening degree of the surgical tool 12 in proportion to the force applied by the operator O (position control mode), the operator O intuitively recognizes the opening degree of the surgical tool 12 and , You can easily perform surgery. In addition, since the grip force of the surgical tool 12 is adjusted in proportion to the force applied by the operator O (torque control mode), the operator O intuitively recognizes the torque applied to the surgical tool 12 and adjusts the grip force. Can be adjusted. In addition, since the user interface device 200 converges to the maximum torque before the allowable maximum force, durability and safety can be maintained.

도 10은 도 4의 사용자 인터페이스 장치(200)에서 입력된 신호를 기초로 수술도구(12)의 다른 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.10 is a graph illustrating controlling other functions of the surgical tool 12 based on a signal input from the user interface device 200 of FIG. 4.

도 10을 참조하면, 컨트롤러(170)는 제1 힘 측정부(220)나 제2 힘 측정부(320)에서 측정된 힘을 기초로 수술도구(12)의 조(jaw)의 소작 기능을 수행하도록 제어신호를 전송할 수 있다.Referring to FIG. 10, the controller 170 performs a cauterization function of a jaw of the surgical tool 12 based on the force measured by the first force measurement unit 220 or the second force measurement unit 320. Control signal can be transmitted

일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(200)에서는 제1 힘 측정부(220)에서 가해지는 힘을 기초로 모노폴라 방식의 소작기능을 수행할 수 있다. 다른 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(300)에서는 제1 힘 측정부(220)에서 가해지는 힘을 기초로 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하고, 제2 힘 측정부(320)에서 가해지는 힘을 기초로 바이폴라 방식의 소작기능을 수행할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해서 제1 힘 측정부(220)에 의한 모노폴라 방식의 소작기능을 중심으로 설명하기로 한다.The user interface device 200 according to an embodiment may perform a monopolar cauterization function based on a force applied by the first force measuring unit 220. In the user interface device 300 according to another embodiment, the opening and gripping force of the jaw is adjusted based on the force applied by the first force measurement unit 220, and the second force measurement unit 320 It can perform the bipolar cauterization function based on the force. Hereinafter, for convenience of explanation, a description will be made focusing on the monopolar cautery function of the first force measuring unit 220.

제1 힘 측정부(220)는 오프셋된 소정의 힘이 가해지면 힘을 측정한다. 즉, sensor offset된 이상의 힘이 제1 힘 측정부(220)에 가해지면 사용자 인터페이스 장치(200)가 힘의 크기를 센싱한다. The first force measuring unit 220 measures the force when a predetermined offset force is applied. That is, when the sensor offset or more force is applied to the first force measuring unit 220, the user interface device 200 senses the magnitude of the force.

컨트롤러(170)는 제1 역치값인 threshold_on을 초과하기 전까지는 전류 개시 신호를 생성 및 전달하지 않는다.The controller 170 does not generate and transmit the current start signal until it exceeds the first threshold value threshold_on.

측정된 힘이 제1 역치값을 초과하면, 컨트롤러(170)는 수술도구(12)에 전류 개시 신호를 생성 및 전달하여, 소작기능이 수행된다. 이때, 소작 기능은 on/off제어로 측정된 힘의 크기와 관계없이 제1 역치값을 초과하면 기능이 수행된다.When the measured force exceeds the first threshold value, the controller 170 generates and transmits a current initiation signal to the surgical tool 12 to perform a cauterization function. In this case, the cauterization function is performed when the first threshold value is exceeded regardless of the magnitude of the force measured by the on/off control.

이후, 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘이 제2 역치값인 threshold_off 이하가 되면, 컨트롤러(170)는 전류 해제 신호를 생성 및 전달하여, 소작기능이 중단된다. 제2 역치값은 제1 역치값보다 더 낮다.Thereafter, when the force measured by the first force measurement unit 220 becomes less than or equal to the second threshold value, threshold_off, the controller 170 generates and transmits a current release signal, thereby stopping the cauterization function. The second threshold value is lower than the first threshold value.

사용자 인터페이스 장치(200)는 오퍼레이터(O)가 기설정된 제1 역치값을 초과하면 소작기능이 수행되고, 제2 역치값 이하이면 소작기능이 중단된다. 이때, 2 역치값이 제1 역치값보다 더 낮으므로, 소작시의 안전을 확보할 수 있다. 또한, 사용자 인터페이스 장치(200)의 출력에 히스테리시스(hysteresis) 특성을 추가하여 채터링(chattering)을 제거할 수 있다.The user interface device 200 performs the cauterization function when the operator O exceeds a preset first threshold value, and stops the cauterization function when the operator O exceeds the second threshold value. At this time, since the second threshold value is lower than the first threshold value, safety during cauterization can be ensured. In addition, chattering may be removed by adding a hysteresis characteristic to the output of the user interface device 200.

도 11은 도 4의 사용자 인터페이스 장치(200)에서 입력된 신호를 기초로 수술도구(12)의 또 다른 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.11 is a graph illustrating controlling another function of the surgical tool 12 based on a signal input from the user interface device 200 of FIG. 4.

도 11을 참조하면, 컨트롤러(170)는 터치 측정부(230)에서 전달 받은 접촉 신호를 기초로 수술 로봇 장치(1)를 구동시킬 수 있다.Referring to FIG. 11, the controller 170 may drive the surgical robot device 1 based on a contact signal transmitted from the touch measurement unit 230.

컨트롤러(170)는 디바운싱(debouncing)방식으로 터치 측정부(230)에서 전달받은 신호에서 발생하는 채터링(chattering)과 같은 노이즈를 줄일 수 있다. The controller 170 may reduce noise such as chattering generated from a signal transmitted from the touch measurement unit 230 through a debouncing method.

예를 들면, 마스터 콘솔(20)의 상태가 Off인 경우에는 On의 상태로 되기 위해서는 터치 측정부(230)의 출력이 On인 상태로 미리 정해진 일정 시간 동안 지속해야 한다. 사용자 인터페이스 장치(200)의 터치 측정부(230)에서 오퍼레이터(O)의 접촉신호를 수신하면, 기 설정된 제1 지연 시간(td1)이 도과된 후에 마스터 콘솔(20)을 구동한다. 이때, 컨트롤러(170)는 접촉신호가 터치 측정부(230)에서 지속적으로 On의 출력이 유지되면, 제1 지연 시간(td1)을 측정한다.For example, when the state of the master console 20 is Off, the output of the touch measurement unit 230 must be in the On state and continue for a predetermined period of time in order to be turned On. When the touch measurement unit 230 of the user interface device 200 receives the contact signal of the operator O, the master console 20 is driven after the preset first delay time td1 has passed. At this time, the controller 170 measures the first delay time td1 when the contact signal is continuously output of On in the touch measurement unit 230.

마스터 콘솔(20)의 상태가 On인 경우에는 Off 상태로 되기 위해서는 터치 측정부(230)의 출력이 Off인 상태로 미리 정해진 일정 시간 동안 지속해야 한다. 사용자 인터페이스 장치(200)의 터치 측정부(230)에서 오퍼레이터(O)의 접촉신호가 해제되면, 제2 지연 시간(td2)이 도과된 후에 마스터 콘솔(20)의 구동을 정지한다. 이때, 컨트롤러(170)는 접촉신호가 터치 측정부(230)에서 지속적으로 Off의 출력이 유지되면, 제2 지연 시간(td2)을 측정한다.When the state of the master console 20 is On, in order to be turned off, the output of the touch measurement unit 230 must be in the Off state and continue for a predetermined period of time. When the contact signal of the operator O is released by the touch measurement unit 230 of the user interface device 200, the driving of the master console 20 is stopped after the second delay time td2 has elapsed. At this time, the controller 170 measures the second delay time td2 when the contact signal is continuously output of Off by the touch measurement unit 230.

제1 지연 시간(td1)은 완전히 On 출력이 유지되어야 기산되므로, 터치 측정부(230)에서의 접촉이 불완전하면 마스터 콘솔(20)은 구동되지 않는다. 또한, 제2 지연 시간(td2)은 완전히 Off 출력이 유지되어야 기산되므로, 터치 측정부(230)에서 접촉이 불완전하면 마스터 콘솔(20)은 전원을 유지한다. 이로써, 수술 로봇 장치(1)의 안전이 확보될 수 있다.Since the first delay time td1 is calculated only when the ON output is completely maintained, the master console 20 is not driven when the contact at the touch measurement unit 230 is incomplete. In addition, since the second delay time td2 is calculated only when the completely Off output is maintained, the master console 20 maintains power when the contact is incomplete in the touch measurement unit 230. Thereby, the safety of the surgical robot device 1 can be ensured.

제2 지연 시간(td2)은 제1 지연 시간(td1)보다 길다. 제2 지연 시간(td2)이 길게 설정되므로, 오퍼레이터(O)가 실수로 터치 측정부(230)의 터치를 유지하지 않아도, 마스터 콘솔(20)의 구동은 유지되어 환자(P)의 안전을 확보할 수 있다. The second delay time td2 is longer than the first delay time td1. Since the second delay time td2 is set long, even if the operator O does not accidentally maintain the touch of the touch measurement unit 230, the driving of the master console 20 is maintained to secure the safety of the patient P. can do.

본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 오퍼레이터가 직관적으로 사용자 인터페이스 장치를 조작하여, 마스터 콘솔 및 수술 로봇 장치를 제어할 수 있다. 사용자 인터페이스 장치는 오퍼레이터가 가하는 한 방향의 힘을 통해서 수술도구를 이용할 수 있으므로, 수술 집도의 직관성이 향상될 수 있다. 또한, 오퍼레이터에 따라 마스터 콘솔이 셋팅되므로, 수술 준비 절차를 간소화 할 수 있다.In the user interface device according to the present invention, the master console of the surgical robot device, and the driving method thereof, an operator can intuitively manipulate the user interface device to control the master console and the surgical robot device. Since the user interface device can use the surgical tool through the force in one direction applied by the operator, the intuitiveness of the surgical procedure can be improved. In addition, since the master console is set according to the operator, the procedure for preparing surgery can be simplified.

본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 힘/토크 센서를 적용하여 마스터 콘솔을 정확하게 제어할 수 있다. The user interface device according to the present invention, the master console of the surgical robot device, and the driving method thereof can accurately control the master console by applying a force/torque sensor.

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.In the present specification, the present invention has been described centering on limited embodiments, but various embodiments are possible within the scope of the present invention. In addition, although not described, it will be said that an equivalent means is also incorporated in the present invention as it is. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be determined by the following claims.

1: 수술 로봇 장치
10: 슬레이브 로봇
20: 마스터 콘솔
22: 포지셔닝 암
23: 짐벌 암
170: 컨트롤러
200: 사용자 인터페이스 장치
210: 하우징
220: 제1 힘 측정부
230: 터치 측정부
240: 커넥터
250: 표시부
260: 정보 저장부
270: 스위칭부1: surgical robot device
10: slave robot
20: master console
22: positioning arm
23: Gimbal arm
170: controller
200: user interface device
210: housing
220: first force measuring unit
230: touch measuring unit
240: connector
250: display
260: information storage unit
270: switching unit

Claims

In the master console of a surgical robot device in which a user remotely controls a slave robot equipped with surgical tools,
A positioning arm for setting the position of the surgical tool;
A gimbal arm disposed at an end of the positioning arm and configured to set the direction of the surgical tool;
A user interface device that is rotatably mounted and detached from an end of the gimbal arm, and capable of sensing a contact by the user and measuring a force applied by the user; And
Including; a controller for controlling the surgical tool based on the information on the contact or force received from the user interface device;
The user interface device
housing;
A first force measuring unit that is partially exposed on the outer surface of the housing, the user contacts and applies a force, and measures a force applied by the user;
A touch measurement unit disposed to be spaced apart from the first force measurement unit and partially exposed to an outer surface of the housing to sense a contact of the user; And
A connector disposed on one side of the housing and connected to the gimbal arm; comprising, a master console of a surgical robot apparatus.

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The method of claim 1,
The housing has a spherical shape, the master console of the surgical robot device.

The method of claim 1,
The first force measuring unit
A contact pad disposed outside the housing;
A bridge connected to the contact pad and on which a strain gauge is installed; And
Having a fixed end connected to the bridge and fixed to the housing, the master console of the surgical robot apparatus.

The method of claim 1,
The user interface device
An information storage unit for storing user information; further comprising,
The controller is
When the user interface device is mounted on the gimbal arm, the master console of the surgical robot device sets the positions of the positioning arm and the gimbal arm in response to the user information.

The method of claim 1,
The user interface device
A display unit disposed outside the housing and displaying information on the state of the user interface device; further comprising, a master console of the surgical robot device.

The method of claim 1,
The user interface device
A switching unit for changing the position of the slave robot to change the surgical tool or changing the position of the camera mounted on the slave robot; further comprising, a master console of a surgical robot device.

The method of claim 1,
The user interface device
A second force measurement unit disposed under the first force measurement unit; further comprising, the master console of the surgical robot apparatus.

The method of claim 1,
The controller is
When the magnitude of the user's force measured by the user interface device is a preset range, the opening degree between the pair of jaws of the surgical tool is adjusted,
When the magnitude of the user's force measured by the user interface device exceeds a preset range, the master console of the surgical robot device adjusts the grip force between the pair of jaws of the surgical tool.

The method of claim 1,
The controller is
When the user interface device receives the user's contact signal, the master console is driven after a preset first delay time has elapsed,
When the user's contact signal is released from the user interface device, the operation of the master console is stopped after a second delay time longer than the first delay time has elapsed.

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