KR102378015B1 - 텐던-쉬스 구동 장치 및 로봇팔 구동 장치 - Google Patents

Abstract

로봇팔 구동 장치가 개시된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치는 내시경에 탈착 가능하게 설치되는 로봇팔을 포함하는 로봇팔 구동 장치로서, 상기 내시경의 일단부 측에 고정되며, 일측에 수술부재가 결합되는 로봇팔, 일단부가 상기 로봇팔에 연결되어 상기 로봇팔에 구동력을 전달하는 복수의 와이어 및 상기 복수의 와이어의 타단부가 각각 연결되는 복수의 동력전달부를 구비하는 카트리지를 포함하는 로봇팔 모듈; 상기 카트리지가 탈착 가능하게 결합되는 수용부 및 상기 수용부에 결합된 상기 카트리지 내부의 상기 복수의 와이어에 상기 구동력을 제공하는 구동 모듈 및 상기 구동 모듈을 통해 상기 로봇팔의 동작을 제어하기 위한 조작 명령이 입력되는 조작 모듈을 포함한다.

Description

텐던-쉬스 구동 장치 및 로봇팔 구동 장치{TENDON-SHEATH DRIVING APPARATUS AND ROBOT ARM DRIVING APPARATUS}

본 발명은 텐던-쉬스 구동 장치 및 로봇팔 구동 장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 구동 모듈에 분리 가능하게 결합되는 텐던-쉬스 구동 장치 및 내시경에 탈착 가능하게 설치되는 로봇팔을 포함하는 로봇팔 구동 장치에 관한 것이다.

의사가 수술용 로봇을 원격으로 조종하기 위해, 링크형 햅틱 인터페이스와 같은 조종 인터페이스가 개발되고 있다. 이러한 조종 인터페이스 중 하나는 액추에이터가 링크에 부착된 구조를 이용하는 방법이나, 액추에이터가 위나 대장과 같은 신체의 부위를 통해 삽입되기 위해서는 액추에이터를 소형화해야 하는 문제가 있다.

한편, 수술용 로봇은 인체 내부에서 시야를 확보하기 위한 내시경을 필수적으로 필요로 한다.

그러나, 기존 의료계에 보급되어 있는 내시경 장비는 비교적 고가의 장비이며, 수년동안 의료계에서 널리 이용됨으로써 의료인들에게 그 사용이 매우 익숙해져 있다. 이 점을 고려하였을 때, 내시경 시스템을 이용한 수술용 로봇을 도입하는 것이 경제적, 사용자의 사용 경험 면에서 유리할 수 있다.

그러나, 내시경에 추가로 로봇팔을 부가시키기 위해서는 내시경 조작 장치 외에 로봇팔을 구동시키기 위한 별도의 조작 장치를 필요로 하며, 내시경과 달리 다수의 와이어가 구동 장치에 연결되어야 하는 로봇팔의 특성상, 1회의 수술 후에 교체하는 과정이 용이하지 않을 수 있다.

따라서, 이와 같은 문제점을 해결하면서도, 경제적, 사용 경험 측면의 장점을 이용할 수 있도록, 내시경에 탈착 가능하게 설치되는 로봇팔을 포함하는 로봇팔 구동 장치의 개발이 요구된다.

대한민국 공개특허 제 10-2017-0070604호

본 발명의 일 실시예는 별도의 구동 모듈에 분리 가능하게 결합되는 텐던-쉬스 구동 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 내시경 시스템에 탈착가능하게 결합하여 사용할 수 있는 로봇팔 구동 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 소모품 성격을 갖는 로봇팔의 교체가 용이한 로봇팔 구동 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 조작자가 용이하게 조작할 수 있는 로봇팔 구동 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 단일한 조작자에 의해 내시경과 함께 제어가능한 로봇팔 구동 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 내시경에 탈착 가능하게 설치되는 로봇팔을 포함하는 로봇팔 구동 장치로서, 상기 내시경의 일단부 측에 고정되며, 일측에 수술부재가 결합되는 로봇팔, 일단부가 상기 로봇팔에 연결되어 상기 로봇팔에 구동력을 전달하는 복수의 와이어 및 상기 복수의 와이어의 타단부가 각각 연결되는 복수의 동력전달부를 구비하는 카트리지를 포함하는 로봇팔 모듈; 상기 카트리지가 탈착 가능하게 결합되는 수용부 및 상기 수용부에 결합된 상기 카트리지 내부의 상기 복수의 와이어에 상기 구동력을 제공하는 구동 모듈 및 상기 구동 모듈을 통해 상기 로봇팔의 동작을 제어하기 위한 조작 명령이 입력되는 조작 모듈을 포함하는 로봇팔 구동 장치가 제공된다.

이 때, 상기 로봇팔은, 내부에 상기 내시경의 일단부가 삽입되는 중공이 형성되며, 상기 내시경의 외주면을 감싸면서 고정되는 베이스부; 상기 베이스부의 외측에서 상기 베이스부의 외주면을 따라 회전 가능하도록 결합되는 이동부; 상기 내시경의 연장 방향으로 연장되며, 일단부가 상기 이동부의 외주면 일측에 제 1 회전축을 중심으로 피벗 회전 가능하게 결합되는 아암부를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 아암부는 상기 수술부재를 상기 아암부에 고정시키도록 고정부재를 구비하며, 상기 제 1 회전축을 중심으로 한 피벗 회전에 의해 상기 수술부재를 피벗 회전시킬 수 있다.

이 때, 상기 아암부의 타단부에 제 2 회전축을 중심으로 피벗 회전 가능하게 결합되는 회전부를 더 포함하고, 상기 회전부는 상기 수술부재를 상기 회전부에 고정시키도록 고정부재를 구비하며, 상기 제 2 회전축을 중심으로 한 피벗 회전에 의해 상기 수술부재를 피벗 회전시킬 수 있다.

이 때, 상기 수술부재는, 수술용 집게(forceps), 전기수술기용 전극(ESD knife) 또는 수술용 미세 가위(scissors) 중 어느 하나일 수 있다.

이 때, 상기 수술부재는, 상기 아암부의 타단부에 제 2 회전축을 중심으로 피벗 회전 가능하게 결합되는 제 1 그리퍼와 제 2 그리퍼를 포함하는 겸자일 수 있다.

이 때, 상기 복수의 와이어는, 상기 이동부를 상기 베이스부의 외주면을 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키는 제 1 와이어 및 제 2 와이어; 및 상기 아암부를 상기 제 1 회전축을 중심으로 피벗 회전시키는 제 3 와이어 및 제 4 와이어를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 수술부재는, 상기 아암부의 타단부에 제 2 회전축을 중심으로 피벗 회전 가능하게 결합되는 제 1 그리퍼와 제 2 그리퍼를 포함하는 겸자이고, 상기 와이어는, 상기 제 1 그리퍼를 상기 제 2 회전축을 중심으로 피벗 회전시키는 제 5 와이어 및 제 6 와이어 및 상기 제 2 그리퍼를 상기 제 2 회전축을 중심으로 피벗 회전시키는 제 7 와이어 및 제 8 와이어를 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 구동 모듈은 내측에 상기 수용부에 안착된 상기 카트리지를 상기 수용부에 기계적으로 결합시키는 홀딩 유닛을 포함할 수 있다.

이 때, 상기 구동 모듈은 외측에 상기 조작 모듈에 의한 상기 로봇팔 모듈의 구동 상태를 출력하는 디스플레이 유닛을 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 내시경의 동작은 내시경 조작 장치에 의해서 제어되고, 상기 조작 모듈에는 상기 내시경 조작 장치가 탈착 가능하게 고정될 수 있는 결합부가 구비될 수 있다.

이 때, 상기 조작 모듈은 몸체부 및 상기 몸체부의 일측면에 배치되며, 소정 길이 연장 형성되되, 회전축을 중심으로 피벗 회전하는 하나 이상의 조작 스틱을 포함하고, 상기 복수의 와이어는 상기 하나 이상의 조작 스틱의 피벗 회전에 따라 구동될 수 있다.

이 때, 상기 수술부재는, 상기 아암부의 타단부에 제 2 회전축을 중심으로 피벗 회전 가능하게 결합되는 제 1 그리퍼와 제 2 그리퍼를 포함하는 겸자이고, 상기 조작 스틱은 4개로 형성되며, 상기 4개의 조직 스틱의 조작에 따라 상기 이동부, 상기 아암부, 상기 제 1 그리퍼 및 상기 제 2 그리퍼가 각각 혹은 연동하여 회전 작동될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 텐던-쉬스를 구동하기 위한 텐던-쉬스 구동 장치로서, 상기 텐던의 적어도 일측이 고정되는 지지 부재; 상기 쉬스를 상기 텐던에 대하여 상대적으로 이동시키도록 상기 텐던의 일측과 결합되는 작동 부재; 및 상기 작동 부재와 기계적으로 결합되어 상기 작동 부재를 이동 또는 회전시키는 구동 모듈을 포함하고 상기 작동 부재는 상기 구동 모듈과 분리가능하게 결합되는, 텐던-쉬스 구동 장치가 제공된다.

이 때, 상기 구동 모듈은 상기 작동 부재와 결합되어 상기 작동 부재를 직선 운동시키는 리니어 액추에이터를 포함하고, 상기 쉬스는 상기 작동 부재의 상기 직선 운동에 의해 상기 텐던에 대하여 상대적으로 이동할 수 있다.

이 때, 상기 작동 부재의 일측에 상기 리니어 액추에이터의 일측이 결합될 수 있는 홈부가 형성될 수 있다.

이 때, 상기 지지 부재와 상기 작동 부재는 1회 이상 사용 후 교체 및 폐기가 가능하도록 일회용으로 형성될 수 있다.

이 때, 상기 텐던은 복수 개의 텐던을 포함하고, 상기 지지 부재와 상기 작동 부재는 상기 복수 개의 텐던에 대응되도록 각각 복수 개의 지지 부재 및 복수 개의 작동 부재를 포함하며, 상기 복수 개의 작동 부재는 함체 형상의 카트리지에 설치되어 일체로 상기 구동 모듈에 결합될 수 있다.

이 때, 상기 카트리지는 일측에 상기 작동 부재가 상기 텐던의 연장 방향으로 전후진하도록 가이드하는 가이드부가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 텐던-쉬스 구동 장치는 별도의 구동 모듈에 분리가능하게 결합되는 동력전달부를 구비하여, 수술 전후 텐던-쉬스 구동 장치의 교체 및 설치가 용이하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치는 내시경에 용이하게 결합시킬 수 있는 로봇팔 모듈과, 직관적인 인터페이스를 가진 조작 모듈을 구비하여, 필요에 따라 로봇팔을 내시경에 부착하여 수술을 진행할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치는 카트리지 구조를 갖는 로봇팔 모듈을 포함하여, 로봇팔 모듈의 교체 프로세스가 매우 신속하고 간편하며, 가격이 저렴한 장점이 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치는 로봇팔의 동작을 모사함으로써 직관적인 조작이 가능한 특유의 조작 모듈을 도입함으로써, 조작자가 조작을 편리하게 할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치는 조작 모듈에 내시경 조작 장치의 고정을 위한 결합부가 구비되어, 단일의 조작자가 내시경과 로봇팔을 모두 용이하게 제어할 수 있는 제어 환경을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치가 내시경 시스템에 통합된 상태를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 각 구성을 블록 형태로 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 로봇팔 모듈과 구동 모듈을 함께 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 로봇팔 모듈 중 카트리지를 확대하여 도시한 사시도이다.
도 5은 도 4의 카트리지에 구비된 동력전달부가 와이어에 구동력을 전달하는 과정을 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 조작 모듈을 확대하여 도시한 사시도이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 로봇팔 모듈을 확대하여 도시한 사시도이다.
도 8의 (a) 및 (b)와 도 9의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 제 1 자유도 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 10의 (a) 및 (b)와 도 11의 (a) 및 (b)은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 제 2 자유도 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 12의 (a) 및 (b)와 도 13의 (a) 및 (b)은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 제 3 자유도 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 14의 (a) 및 (b)와 도 15의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 제 4 자유도 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 로봇팔 모듈을 확대하여 도시한 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치가 내시경 시스템에 통합된 상태를 도시한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 각 구성을 블록 형태로 도시한 블록도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 로봇팔 모듈과 구동 모듈을 함께 도시한 사시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 로봇팔 모듈 중 카트리지를 확대하여 도시한 사시도이다. 도 5은 도 4의 카트리지에 구비된 동력전달부가 와이어에 구동력을 전달하는 과정을 설명하기 위한 사시도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 조작 모듈을 확대하여 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)는 내시경 시스템(200)을 이용하여 수술용 로봇을 구현할 수 있는 시스템으로서, 내시경 시스템(200)의 내시경(210)에 로봇팔(20)을 탈착가능하게 설치하고, 이를 함께 인체에 삽입한 후 상기 로봇팔(20)을 이용한 물리적 동작, 처치 혹은 인체 내부 기관과 관련한 처리를 수행할 수 있는 시스템이다.

이를 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)는 로봇팔 모듈(10), 상기 로봇팔 모듈(10)을 구동시키는 구동 모듈(60) 및 상기 구동 모듈(60)을 제어할 수 있는 구동 명령이 입력되는 조작 모듈(90)을 포함한다.

도 1 내지 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 로봇팔 모듈(10)은 로봇팔(20), 복수의 와이어(30) 및 카트리지(50)를 포함할 수 있다.

먼저, 로봇팔 모듈(10)은 내시경(210) 중에서 렌즈(미도시)가 설치된 일단부 측에 고정되는 로봇팔(20)을 포함한다. 이 때, 로봇팔(20)은 겸자(forceps, 도 7의 27)를 구비하여 인체의 조직 일부를 파지하거나, 절단할 수 있다. 이 때, 로봇팔이 수행할 수 있는 작업은 조직 일부의 파지 혹은 절단 이외의 공지의 다양한 작업을 포함할 수 있다.

로봇팔(20)은 복수의 와이어(30)의 구동에 의하여 조작될 수 있다. 이를 위하여 복수의 와이어(30)의 일 단부는 로봇팔(20)에 결합되고, 타 단부는 와이어를 구동하기 위한 구동 모듈(60)에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 로봇팔(20)을 작동하기 위하여 일례로서 8개의 와이어(30)가 구비될 수 있다. 이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)의 와이어(30)의 개수가 8개로 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각기 다른 개수의 와이어를 구비할 수 있다.

한편, 로봇팔(20)의 상세 구조 및 로봇팔(20)을 작동하기 위한 복수 개의 와이어(30)의 연결 구조에 대한 상세한 설명은 후술한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 와이어(30)의 타 단부들은 카트리지(50) 내부에 결합되며, 이와 같이 복수의 와이어(30)의 타 단부들이 내장된 카트리지(50)가 구동 모듈(60)에 연결되도록 구성될 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 카트리지(50)는 소정 부피를 가지는 함체 형상으로 형성될 수 있으며, 일측에 상기 복수의 와이어(30)가 삽입될 수 있는 복수의 삽입홀(51)이 형성될 수 있다.

그리고, 카트리지(50)의 내부에는 삽입홀(51)을 통해 삽입된 와이어(30)의 타단부가 연결되는 동력전달부(52)가 구비될 수 있다. 동력전달부(52)는, 도 4에 도시된 바와 같이 카트리지(50) 내부에 수용될 수 있을 크기의 블록 형태로 형성될 수 있다.

이 때, 동력전달부(52)는 작동 부재(53) 및 지지 부재(54)를 포함할 수 있다.

작동 부재(53)는 와이어(30)의 말단부가 고정되는 부재로서, 카트리지(50)의 내측 공간에서 미리 정해진 경로를 따라 전진 또는 후진하도록 형성될 수 있다. 이를 통하여 작동 부재(53)가 이동될 때 와이어(30)에 외력이 전달될 수 있다.

보다 상세히, 도 4 및 도 5를 참조하면, 와이어(30)를 당기기 위해서 작동 부재(53)가 삽입홀(51)로부터 멀어지는 방향으로 후진할 수 있으며, 반대로, 와이어(30)를 밀기 위해서 작동 부재(53)가 삽입홀(51)에 가까워지는 방향으로 전진할 수 있다. 이와 같은 작동 부재(53)의 이동은 후술될 구동 모듈(60)의 구동 유닛(70)에 의해 가능하며, 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.

한편, 작동 부재(53)가 미리 정해진 경로를 따라 안정적으로 전후진 하도록 가이드하기 위해서, 도 4에 도시된 바와 같이, 가이드의 내측 공간에서 와이어(30)의 연장 방향을 따라 소정 높이 돌출된 형태의 가이드부(55a, 55b)가 형성될 수 있다.

이 때, 가이드부(55a,55b)는 작동 부재(53)의 양측을 가이드하기 위해서 작동 부재(53)의 양측에 각각 위치하는 한 쌍의 형태로 형성될 수 있다.

한편, 도 4 및 5를 참조하면, 와이어(30)는 그 단부가 카트리지(50) 내에서 작동 부재(53)에 의하여 이동 가능하게 지지되고, 와이어의 양 단부 사이의 길이 방향 몸체 부분은 중공형 튜브(40)에 의해서 감싸진 구조로 이루어질 수 있다. 일 예로, 와이어(30)와 튜브(40)는 공지의 텐던-쉬스 메커니즘(tendon-sheath mechanism)으로 구현될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 지지 부재(54)는 와이어(30)를 감싸고 있는 튜브(40)를 고정하기 위한 부재이다. 이처럼 와이어(30)의 외측에서 와이어(30)를 감싸는 튜브(40)가 지지 부재(54)에 의해 고정됨으로써, 작동 부재(53)에 의해 전후진하는 와이어(30)와 튜브(40) 사이에 상대적인 움직임이 생성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 와이어(30)를 감싸며 지지하는 지지 부재(54)는 와이어(30)의 단부를 고정하는 작동 부재(53)보다 삽입홀(51)에 인접하게 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 로봇팔(20)을 작동시키기 위하여 일례로 8개의 와이어(30)가 필요할 경우, 와이어(30) 각각에 대하여 구동력을 전달하기 위하여 8개의 동력전달부(52)가 필요할 수 있다.

이 때, 복수의 동력전달부(52)는 도 4에 도시된 바와 같이 카트리지(50) 내에서 2개씩 1조를 이루어 4개조의 와이어가 상하 방향으로 나란한 형태로 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치는 동력전달부(52)의 작동 부재(53)가 전진 또는 후진함으로써 와이어(30)에 구동력이 전달되는 구조로 구성되나, 동력전달부(52)의 구조가 이에 제한되는 것은 아니다.

일례로, 동력전달부(52)는 와이어의 일단부가 외주면에 고정되며, 회전축을 중심으로 회전하는 롤러 구조체와 같은 형태로 형성될 수 있다. 이와 같이 구성된 경우, 동력전달부(52)는 구동 유닛(70)에 의해 회전됨으로써 와이어(30)에 구동력을 전달할 수 있다. 또 다른 예로, 와이어(30)가 동력전달부(52)에 고정되고, 구동 유닛(70)이 와이어(30)에 직접 구동력을 제공하도록 구성될 수도 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)는, 카트리지(50) 내부에 위치하는 와이어(30)에 대하여 구동력을 인가할 수 있는 구동 모듈(60)을 포함한다.

도 3을 참조하면, 구동 모듈(60)은 함체 형상의 하우징을 구비한다.

구동 모듈의 내부에는 카트리지(50)가 수용되는 수용부(61)가 구비되며, 외측면 일측에 수용부(61)와 연결된 입구(67)가 형성될 수 있다. 구동 모듈(60) 내부에 형성된 수용부(61)는 카트리지가 구동 모듈 내부로 삽입된 상태에서 카트리지를 지지할 수 있는 프레임으로 형성될 수 있다.

그리고 상기 수용부의 입구(67)를 통해서 구동 모듈 내부로 삽입된 카트리지(50)는 별도의 홀딩 유닛(65)을 통해서 수용부에 안착되어 고정될 수 있다.

이 때, 홀딩 유닛(65)은 모터를 기반으로 한 액추에이터(미도시)에 의하여 카트리지(50)를 수용부에 기계적으로 결합시키거나, 결합 상태를 해제시킬 수 있다.

구동 모듈(60)은, 도 3에 도시된 바와 같이 외측 일부에 상기 홀딩 유닛(65)의 구동을 제어하기 위한 버튼(62)을 구비할 수 있다. 일례로 수용부에 안착되어 결합된 상태의 카트리지(50)를, 다시 외부로 분리시킬 때 상기 버튼(62)을 누를 수 있다. 이와 같은 버튼(62)은 물리적인 버튼뿐 아니라, 구동 모듈 상에 디스플레이되는 화면 상에서 터치식으로 작동되는 버튼일 수도 있다.

한편, 홀딩 유닛(65)은 카트리지의 일측 돌출부 혹은 홈에 걸릴 수 있도록 탄성 부재에 의하여 작동되는 걸쇠와 같은 공지의 구성으로 이루어질 수도 있다.

한편, 도면에는 수용부(61)가 구동 모듈(60)의 내부에 위치되는 것으로 도시되었으나, 이와는 달리 수용부(61)는 구동 모듈(60)의 외측에 개방된 형태로 형성될 수도 있고, 카트리지(50)와 결합될 수 있는 구조라면 어떠한 형태로도 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 구동 모듈(60)은 카트리지(50)가 수용부(61)에 결합된 상태에서, 구동 유닛(70)을 카트리지(50) 측에 결합시켜 카트리지(50)의 내부에 위치하는 와이어(30)에 구동력을 제공할 수 있다.

이 때, 구동 유닛(70)은 와이어(30)에 직접 또는 간접적으로 구동력을 제공할 수 있는데, 구동력 생성을 위해 전동 모터 및 후술될 제어 유닛(63)으로부터 신호를 전달받아 상기 전동 모터를 제어하기 위한 모터 드라이브(motor drive)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 구동 유닛(70)은 리니어 액추에이터(linear actuator) 또는 로터리 액추에이터(rotary actuator) 등 공지의 액추에이터가 적용될 수 있다.

구체적인 일례로서, 직선 왕복운동 하는 전동식 리니어 액추에이터의 피스톤 로드(piston rod)의 일단부가 카트리지(50)의 작동 부재(53)에 형성된 홈부(미도시)에 삽입된 후, 작동 부재(53)를 선형 이동시킴으로써, 와이어(30)가 당겨지거나 밀려지도록 형성될 수 있다. 이러한 과정에 의해 전달된 구동력은 로봇팔(20)의 각 부분에 전달되어 로봇팔(20)의 일 부분을 동작시킬 수 있다.

또다른 일례로서, 회전 왕복운동하는 로터리 액추에이터의 일측에 롤러 형태의 동력전달부(52)가 연결되어 소정의 회전축을 중심으로 회전함으로써, 와이어(30)가 당겨지거나 밀려지도록 구성될 수도 있다.

이처럼 구동 유닛(70)이 동력전달부(52)를 통해 간접적으로 와이어(30)에 구동력을 전달하는 방식 외에도, 구동 유닛(70)에 직접 와이어(30)가 연결되어 직접적으로 구동 유닛(70)이 구동력을 전달할 수도 있다.

한편, 도 2를 참조하면, 카트리지(50)에 복수의 와이어(30)가 연결될 경우, 각각의 와이어(30)를 구동하기 위한 복수의 구동 유닛(70)이 개별적으로 존재할 수 있다. 이들 개별 구동 유닛(71 내지 78)은 각각 전동 모터와 각각의 모터를 구동하기 위한 모터 드라이브를 구비할 수 있다. 그리고 개별 모터 드라이브 각각은 로봇팔(20)의 목적하는 동작 형태에 따라 제어 유닛(63)으로부터 각기 다른 명령을 수신할 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 구동 모듈(60)은 로봇팔 모듈(10)에 포함된 복수의 와이어(30)의 장력을 감지하는 센서 유닛(80)을 포함할 수 있다. 이를 통해 로봇팔 모듈(10)의 작동 이상 유무를 실시간으로 확인하거나 로봇팔의 제어 정밀도를 높이기 위한 각종 알고리즘에 이용될 수 있다. 센서 유닛(80)은 각각의 와이어에 연결된 복수의 센서(81~88)를 포함할 수 있다.

이 때, 센서 유닛(80)의 복수의 센서(81~88)는 작동부재(53)을 통해 와이어(30)의 장력을 직접 감지하거나, 지지부재(54)를 통해 튜브(40)의 장력(또는 압축력)을 측정하거나, 또는 두 부재 모두에 설치되어 와이어(30)과 튜브(40)의 물리적 특성 변화를 모두 측정하여 적절히 활용될 수 있다.

이처럼 센서 유닛(80)의 복수의 센서(81~88)에 의해 수집된 각각의 장력 정보는 제어 유닛(63)으로 전송되며, 이를 기초로 제어 유닛(63)이 로봇팔 모듈(10)의 작동의 이상 유무를 판단하고, 제어 정밀도를 높이는데 활용될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서, 구동 모듈(60)은 구동 유닛(70) 및 센서 유닛(80)을 포함하는 구동 모듈(60) 전체의 구동을 제어하기 위한 제어 유닛(63)을 포함할 수 있다.

이 때, 제어 유닛(63)은, 구동 유닛(70)에 포함된 개별 모터 드라이브에 구동 명령을 전달할 수 있으며, 센서 유닛(80)으로부터 와이어(30)의 장력 정보 등을 전달받을 수 있다.

또한, 제어 유닛(63)은 후술될 조작 모듈(90)로부터 조작자의 조작 명령을 전달받은 후, 이를 개별 구동 유닛(70)에 신호 형태로 전달할 수 있다.

한편, 구동 모듈(60)은 외측 일부에 로봇팔(20)의 구동 상태를 출력하는 디스플레이 유닛(64)을 포함할 수 있다. 디스플레이 유닛(64)에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 이동부(22)의 아암부(23) 및 겸자(27) 등 로봇팔(20)의 각 부분이 얼마나 회전했는지 등이 시각적으로 도시될 수 있다. 이를 통해 조작자는 로봇팔(20)의 각 부분의 구동 상태를 실시간으로 확인할 수 있으며, 이를 기초로 보다 정밀하게 로봇팔 모듈(10)을 조작할 수 있다.

이 때, 디스플레이 유닛(64)은 조작 모듈(90)로부터 수신된 조작 명령 또는 제어 유닛(63)으로부터 구동 유닛(70) 측으로 전달된 신호 정보 등을 기초로, 로봇팔(20)의 회전 정도가 시각화될 수 있다.

이 때, 디스플레이 유닛(64)은 터치 스크린으로 형성될 수 있고, 조작자에 의한 명령이 터치 스크린 상에 도시된 가상의 버튼을 통해 직접 수신될 수 있다.

한편, 조작자가 터치 스크린에 입력하는 정보는, 구동 유닛(70)의 제어 수준을 조절하기 위한 정보, 예를 들어, 조작 모듈(90)에 의한 구동 유닛(70)의 제어 민감도 등일 수 있다. 이를 통해 조작자는 본인의 기호에 맞게 구동 유닛(70)의 운동 능력을 설정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)는 구동 모듈(60)과 유선 혹은 무선으로 통신 가능하게 연결되며, 조작자가 로봇팔의 동작을 제어하기 위한 조작 명령을 입력할 수 있는 조작 모듈(90)을 포함한다.

보다 상세히 도 6을 참조하면, 조작 모듈(90)은 조작자가 한 손으로 파지할 수 있는 정도의 부피를 가지는 몸체부(91)를 포함한다. 이 때, 상기 몸체부(91)의 내부에는 도 2에 도시된 바와 같이, 후술될 조작 스틱(92)에 의한 회전 정도를 감지하는 각도 센서(98)가 구비될 수 있다.

한편, 조작 모듈(90)의 일 측에는 내시경 시스템(200)용 내시경 조작 장치(220)를 고정하기 위한 결합부(97)가 구비될 수 있다. 이를 통해 내시경(210)과 로봇팔(20)의 동작이 단일한 조작자의 양손에 의해서 한번에 제어될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치는 조작자가 내시경과 로봇팔을 양손으로 한번에 제어할 수 있는 장점이 있다.

도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 로봇팔 모듈을 확대하여 도시한 사시도이다.

이하, 도 7를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 로봇팔(20)의 일 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 로봇팔(20)은 베이스부(21), 이동부(22), 아암부(23) 및 겸자(27)를 포함할 수 있다.

베이스부(21)는 내시경(210)의 단부에 로봇팔(20)을 고정시키기 위한 부재로서, 내부에 내시경(210)의 일단부(230)가 삽입되는 중공이 형성되어, 내시경(210)의 외주면을 감싸면서 고정될 수 있다. 이 때, 베이스부(21)는 내시경(210)에 대하여 상대 회전이 불가하도록 고정될 수 있다.

그리고, 베이스부(21)의 외측에는 상기 베이스부(21)의 외주면을 따라 회전 가능하도록 결합되는 이동부(22)가 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 이동부(22)는 베이스부(21)의 외주면과 이동부(22)의 내주면이 서로 접촉되도록 고리 형상으로 형성될 수 있다. 이 때, 이동부(22)는 후술될 아암부(23)를 내시경(210)의 원주 방향을 따라 축 회전시키기 위한 부재이다.

본 발명의 일 실시예에서, 이동부(22)의 외주면 일측에는 내시경의 연장 방향을 따라 소정 길이 연장되는 길이 부재인 아암부(23)가 회전 가능하게 결합될 수 있다. 즉, 아암부(23)의 일단부(24)가 이동부(22)에 결합되되, 도 7에 도시된 제 1 회전축(R1)을 기준으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 피벗 회전 가능하게 결합될 수 있다. 이 때, 아암부(23)는 필요에 따라 도면에 도시된 바와 같이, 내시경(210)의 내측 방향으로 소정 각도 절곡된 절곡부(26)를 포함할 수도 있다.

다음으로, 상기 아암부(23)의 타단부(25)에는 제 1 그리퍼(28)와 제 2 그리퍼(29)를 포함하는 겸자(27)가 회전 가능하게 결합될 수 있다. 이 때, 제 1 그리퍼(28)와 제 2 그리퍼(29)는 모두 제 2 회전축(R2)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 피벗 회전 가능하게 결합될 수 있다.

이 때, 제 1 그리퍼(28)와 제 2 그리퍼(29)는 각각 독립적으로 회전할 수 있으며, 이들의 상호 작용에 의해 인체의 조직 일부를 파지하거나, 파지된 상태의 조직을 놓을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 로봇팔 모듈(10)은 로봇팔(20)의 각 부분에 연결되어 구동력을 전달하는 와이어(30)를 포함한다.

이 때, 와이어(30)는 후술될 구동 모듈(60)에 의해 인가된 구동력에 의해 당겨지거나, 밀림으로써 로봇팔(20) 중에서 와이어(30)가 연결된 부분을 동작시킬 수 있다.

보다 상세히, 와이어(30)는 이동부(22)를 베이스부(21)에 대하여 각각 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키는 제 1 와이어(31) 및 제 2 와이어(32)를 포함할 수 있다. 이 때, 제 1 와이어(31) 및 제 2 와이어(32)는 이동부(22) 또는 베이스부(21)에 고정될 수 있으며, 구동력에 의해 이동부(22)와 베이스부(21)를 서로 상대 회전시킬 수 있다.

구체적인 일례로서, 이동부(22)는 제 1 와이어(31)를 당기거나 제 2 와이어(32)를 밀 경우, 베이스부(21)의 중심을 지나는 중심축(R3)을 중심으로 상기 베이스부(21)의 외주면을 따라 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 반대로, 이동부(22)는 제 2 와이어(32)를 당기거나 제 1 와이어(31)를 밀 경우, 시계 방향으로 회전할 수 있다. 이를 통해 이동부(22)에 고정된 아암부(23)도 결과적으로 내시경(210)의 원주 방향을 따라 목적하는 위치로 이동할 수 있다. (도 14 및 도 15 참조)

한편, 와이어(30)는 제 1 회전축(R1)을 중심으로 아암부(23)를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 피벗 회전시키는 제 3 와이어(33) 및 제 4 와이어(34)를 포함할 수 있다. 이 때, 제 3 와이어(33) 및 제 4 와이어(34)는 아암부(23)의 일단부(24)에 고정될 수 있으며, 도 7에 도시된 바와 같이 아암부(23)의 일단부(24)에 형성된 와이어 가이드를 따라 감길 수 있다.

이 때, 아암부(23)는 제 3 와이어(33)를 당기거나 제 4 와이어(34)를 밀 경우, 반시계 방향으로 피벗 회전할 수 있고, 반대로 제 4 와이어(34)를 당기거나 제 3 와이어(33)를 밀 경우, 시계 방향으로 피벗 회전할 수 있다. 이를 통해 아암부(23)에 고정된 겸자(27)가 조작자가 원하는 위치로 회전하여 접근할 수 있다.

한편, 와이어(30)는 제 2 회전축(R2)을 중심으로 제 1 그리퍼(28)를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 피벗 회전시키는 제 5 와이어(35) 및 제 6 와이어(36)를 포함할 수 있다. 이 때, 제 5 와이어(35) 및 제 6 와이어(36)는 제 1 그리퍼(28)의 일측에 고정될 수 있다. (도 8 내지 도 11을 참조)

그리고, 와이어(30)는 제 2 회전축(R2)을 중심으로 제 2 그리퍼(29)를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 피벗 회전시키는 제 7 와이어(37) 및 제 8 와이어(38)를 포함할 수 있다. 이들도 제 2 그리퍼(29)의 일측에 고정될 수 있다.

이 때, 제 1 그리퍼(28) 및 제 2 그리퍼(29)가 제 2 회전축(R2)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 피벗 회전되는 원리는 앞서 아암부(23)의 회전 원리와 유사하므로, 중복된 설명은 생략하도록 한다.

한편, 제 1 와이어(31) 및 제 2 와이어(32)는 각각 독립된 형태의 와이어일 수 있다. 다른 예로서, 제 1 와이어(31) 및 제 2 와이어(32)는 전체적으로는 서로 연결된 하나의 와이어이거나, 와이어가 고정된 지점을 기준으로 나눌 때, 일측 와이어와 타측 와이어를 개별적으로 칭하는 것일 수도 있다.

또한, 제 3 와이어(33)와 제 4 와이어(34), 제 5 와이어(35)와 제 6 와이어(36), 제 7 와이어(37)와 제 8 와이어(38)도 상술한 제 1 와이어(31) 및 제 2 와이어(32)와 마찬가지로 각각 독립된 형태의 와이어이거나, 서로 연결된 하나의 와이어일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 로봇팔(20)은 와이어(30)에 의해서 크게 4개의 자유도를 가지며 동작할 수 있다. 보다 상세히 4개의 자유도는, 겸자(27)를 구성하는 제 1 그리퍼(28)와 제 2 그리퍼(29)가 조직을 파지하기 위해 오므리거나 벌려지는 동작(이하, ‘제 1 자유도 동작'), 겸자(27) 전체가 제 2 회전축(R2)을 기준으로 피벗 회전하는 동작(이하, ‘제 2 자유도 동작'), 아암부(23)가 제 1 회전축(R1)을 기준으로 피벗 회전하는 동작(이하, ‘제 3 자유도 동작'), 아암부(23)가 고정된 이동부(22)가 내시경(210)의 외주면을 따라 축 회전하는 동작(이하, ‘제 4 자유도 동작')을 포함할 수 있다. 이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치를 이용하여 작동가능한 로봇팔의 자유도 동작 및 이를 위한 조작 모듈의 조작에 대하여 도면을 달리하여 설명한다.

도 8의 (a) 및 (b)와 도 9의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 제 1 자유도 동작을 설명하기 위한 설명도이다. 도 10의 (a) 및 (b)와 도 11의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 제 2 자유도 동작을 설명하기 위한 설명도이다. 도 12의 (a) 및 (b)와 도 13의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 제 3 자유도 동작을 설명하기 위한 설명도이다. 도 14의 (a) 및 (b)와 도 15의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 제 4 자유도 동작을 설명하기 위한 설명도이다. 도 8 내지 도 15에서 (a)는 로봇팔의 작동을 도시한 도면이며, (b)는 로봇팔의 작동을 위한 조작 모듈의 조작 상태를 도시한 도면이다.

도 2 및 도 8을 참조하면, 몸체부(91)의 일측면에는 조작 스틱(92)이 배치될 수 있다.

이 때, 조작 스틱(92)은 와이어(30)가 고정된 로봇팔(20)의 각 부분을 동작시키기 위해 조작자가 조작 명령을 입력하는 수단으로서, 일 예로, 소정 길이 연장되는 막대 형상으로 형성될 수 있다. 이 때, 조작 스틱(92)의 형태 및 구조는 다양하게 변경될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 조작 스틱(92)은 회전축을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 소정 각도 피벗 회전할 수 있다.

이러한 조작 스틱(92)의 피벗 회전은 로봇팔(20)의 각 부분의 피벗 회전을 모사한 것으로서, 조작 스틱(92)은 와이어(30)가 고정된 로봇팔(20)의 일 부분과 동일한 방향 또는 이와 반대되는 방향으로 피벗 회전할 수 있다. 이를 통해 조작자는 보다 직관적으로 로봇팔(20)의 동작을 조작할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 조작 스틱(92)의 피벗 회전 각도는 조작 모듈(90)에 설치된 각도 센서(98)에 의하여 센싱될 수 있으며, 이와 같이 센싱된 조작 스틱(92)의 피벗 회전 각도에 대응하여 구동 모듈(60)이 구동되고, 구동 모듈(60)의 작동에 따라 와이어(30)의 장력이 조절되어 로봇팔(20)이 움직일 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 8 및 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 제 1 조작 스틱(93)을 이용하여 제 1 그리퍼(28)와 제 2 그리퍼(29)를 제 2 회전축(R2)을 중심으로 서로 반대 방향으로 피벗 회전시킬 수 있다. 이에 따라 겸자(27)가 인체의 조직 일부를 파지하거나 또는 파지된 조직 일부를 놓도록 하는 제 1 자유도 동작을 구현할 수 있다.

보다 상세히, 도 8에 도시된 바와 같이, 제 1 조작 스틱(93)이 반시계 방향으로 피벗 회전될 경우, 제 1 그리퍼(28)와 제 2 그리퍼(29)는 말단부가 서로 멀어지도록(벌어지도록) 피벗 회전할 수 있다. 반대로 도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 조작 스틱(93)이 시계 방향으로 피벗 회전될 경우, 제 1 그리퍼(28)와 제 2 그리퍼(29)는 말단부가 서로 모이도록 피벗 회전할 수 있다.

이처럼 본 발명의 일 실시예에서, 제 1 조작 스틱(93)은 간단한 방향 전환 만으로 겸자(27)의 오므리고 벌어지는 제 1 자유도 동작을 조작 가능하도록 함으로써, 조작자가 어려움 없이 겸자(27) 조작을 용이하게 할 수 있다.

한편, 제 2 조작 스틱(94)을 이용하여, 제 1 그리퍼(28)와 제 2 그리퍼(29)를 서로 동일한 방향으로 피벗 회전시킴으로써, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 겸자(27) 전체를 제 2 회전축(R2)을 중심으로 피벗 회전시키는 제 2 자유도 동작을 구현할 수 있다. 이러한 제 2 조작 스틱(94)에 따른 제 1 그리퍼(28)와 제 2 그리퍼(29)의 회전은 겸자(27)의 가동 범위를 전체적으로 이동시킬 수 있다.

이 때, 제 2 조작 스틱(94)에 의한 피벗 회전 방향과 겸자(27)의 피벗 회전 방향은 서로 동일하게 설정될 수 있다. 이를 통해 조작자는 직관적으로 겸자(27)를 피벗 회전시킬 수 있다.

한편, 도 8 내지 도 11을 다시 참조하여, 제 1 조작 스틱(93) 및 제 2 조작 스틱(94)의 회전을, 제 1 그리퍼(28) 및 제 2 그리퍼(29)를 중심으로 살펴보면 다음과 같다.

제 1 그리퍼(28)는 제 1 조작 스틱(93) 및 제 2 조작 스틱(94)의 피벗 회전 방향과 동일한 방향으로 피벗 회전할 수 있다. 그리고 제 2 그리퍼(29)는 제 1 조작 스틱(93)의 피벗 회전 방향과 반대 방향으로 피벗 회전하되, 제 2 조작 스틱(94)의 피벗 회전 방향과는 동일한 방향으로 피벗 회전할 수 있다.

이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)는 두 개의 단순한 조작 스틱(92) 만으로도 겸자의 파지 동작은 물론 제 2 회전축을 중심으로 한 가동 범위의 확대까지 용이하게 구현할 수 있다.

한편, 도 12 및 도 13을 참조하면, 제 3 조작 스틱(95)을 이용하여 제 3 자유도 동작을 구현할 수 있다. 즉, 피벗 회전 방향과 동일한 방향으로 아암부(23)를 제 1 회전축(R1)을 기준으로 피벗 회전시킬 수 있다. 이 때, 제 3 조작 스틱(95)의 회전 방향 역시 제 2 조작 스틱(94)과 마찬가지로 조작자의 직관적인 조작을 위해 아암부(23)의 피벗 회전 방향과 동일하게 설정될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서, 조작 모듈(90)은 조작 스틱(92) 외에, 몸체부(91)의 상부 또는 하부에 배치되되, 지면에 수직하는 회전축을 중심으로 축 회전하는 조작 핸들(96)을 포함할 수 있다.

보다 상세히, 도 14 및 15를 참조하면, 조작 핸들(96)은 원형의 외주면을 가질 수 있다. 이러한 조작 핸들(96)을 회전시킴으로써, 로봇팔 모듈(10)의 이동부(22)가 내시경(210)의 외측에서 조작 핸들(96)의 축 회전 방향과 동일한 방향으로 축 회전하는 제 4 자유도 동작이 구현될 수 있다.

이와 같이, 조작 핸들(96)이 조작 스틱(92)과 달리 피벗 회전이 아닌 축 회전하도록 구성하여, 내시경(210)의 외주면을 따라 회전하는 이동부(22)의 축 회전에 대응되도록 함으로써, 조작자가 보다 직관적으로 로봇팔을 조작할 수 있다.

조작 스틱(92)과 조작 핸들(96)의 위치는, 도 8에서 볼 때 조작 모듈의 상측으로부터 하측방향으로 제 1 조작 스틱(93) - 제 2 조작 스틱(94) - 제 3 조작 스틱(95) - 조작 핸들(96) 순으로 배치될 수 있다.

이와 같은 배치는, 로봇팔(20)의 각 구성이 지면에 대한 높이 방향을 기준으로 겸자(27) - 아암부(23) - 이동부(22) 순으로 배치되는 것에 대응하며, 이를 통해 조작자는 조작 모듈(90)의 각 구성과, 로봇팔(20)의 각 구성 사이의 대응 관계를 굳이 인식하지 않더라도, 어떠한 조작 스틱 또는 조작 핸들이 로봇팔(20)의 일부분에 대응되는지를 직관적으로 신속하게 파악할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치에서, 도 7에 도시된 로봇팔(20)은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)가 채택할 수 있는 로봇팔(20)의 구체적인 일례에 불과하다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)에 적용될 수 있는 로봇팔이 본 실시예에 제한되는 것은 아니고, 다양한 구조의 로봇팔이 본 발명에 따른 로봇팔 구동 장치에 적용될 수 있다.

이와 관련하여, 이하, 도면을 달리하여 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)에 적용될 수 있는 다른 형태의 로봇팔(20', 20")에 대하여 설명하기로 한다. 이때, 베이스부(21), 이동부(22) 및 아암부(23) 등 중복되는 구성의 경우, 반복된 설명을 생략하기 위하여 전술한 설명을 통해 대체하기로 한다.

도 16 및 도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치의 로봇팔 모듈을 확대하여 도시한 사시도이다.

먼저, 도 15를 참조하면 본 발명의 일 실시예에서, 로봇팔(20')은 앞서 설명한 겸자(27)를 구비하는 로봇팔(20)로부터 제 1 그리퍼(28)와 제 2 그리퍼(29)를 제외한 형태로 형성될 수도 있다. 즉, 상기 로봇팔(20')은 베이스부(21), 이동부(22) 및 아암부(23)를 포함하되, 아암부(23)의 타단부 측에 제 1 그리퍼(28)와 제 2 그리퍼(29)를 결합하는 대신 도 16에 도시된 바와 같이 별도의 회전부(27')를 결합시킨 형태로 형성될 수 있다.

이때, 회전부(27')에는 일측에 겸자(27)를 대신하여 인체 조직에 외력을 가할 수 있는 별도의 수술부재(300)가 고정될 수 있다. 이와 관련하여, 상기 회전부(27')에 고정되는 별도의 수술부재(300)는 종래 내시경 시스템(200)에 내시경과 함께 일체화되어 사용될 수 있는 수술부재로서, 비제한적인 일례로서 수술용 집게(forceps), 전기수술기용 전극(ESD knife) 또는 수술용 미세 가위(scissors) 등일 수 있다. 그러나, 나열된 별도의 수술부재(300)는 일 예시에 불과하며, 이외에도 다양한 형태의 수술부재가 회전부에 고정될 수 있다.

이때, 상기 수술부재(200)는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)의 구동 모듈(60)과 와이어를 통해 연결됨으로써 상기 구동 모듈(60)로부터 구동력을 전달받을 수 있다. 이때, 와이어에 의해 구동력을 전달받는 원리는, 이동부(22), 아암부(23)가 와이어를 통해 구동력을 전달받는 원리와 동일하거나 유사할 수 있으므로, 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.

이와 달리, 상기 수술부재(200)는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)와 기계적으로 분리된 별도의 구동 모듈에 의하여 개별적으로 구동력을 전달받을 수도 있다.

이때, 상기 수술부재(200)의 구동을 조작하기 위한 조작 수단은 조작의 편의를 위해 내시경 조작 장치(220)와 마찬가지로, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)의 조작 모듈(90)에 탈착 가능하게 고정될 수 있다.

한편, 상기 별도의 수술부재(300)는 회전부(27')의 일측에 형성된 고정부재(27a)를 통해 고정될 수 있다. 구체적인 일례로서, 고정부재(27a)는 도 15에 도시된 바와 같이 별도의 수술부재(300)의 외주 일측을 감쌀 수 있도록 링 형상으로 형성될 수 있다. 또한 고정부재(27a)는 상기 수술부재(300)가 쉽게 분리되지 않도록 탄성을 가진 소재로 형성됨으로써 수술부재(300)의 외주면을 둘러싸며 압력을 인가할 수 있다. 다만, 도면에 도시된 고정부재(27a)는 일례에 불과하며, 수술부재(300)를 용이하게 지지할 수 있는 구조라면 고정부재(27a)는 어떠한 형태라도 무방하다.

한편, 상기 회전부(27')는 제 1 그리퍼(28) 및 제 2 그리퍼(29)와 유사하게, 제 2 회전축(R2)를 중심으로 피벗 회전할 수 있다. 이를 통해 상기 수술부재(300)는 목적하는 방향으로 단부가 회전되므로 의료인은 보다 효과적인 수술을 수행할 수 있다.

이와 같이, 로봇팔(20')이 별도의 수술부재(300)를 지지하며 고정하도록 형성될 경우, 의료인은 기존 내시경 시스템(200)에 구비된 수술부재(240) 외에 별도의 수술부재(300)를 추가할 수 있으므로 단일한 내시경 시술 내에서 보다 복합적이고 입체적인 수술을 수행할 수 있다.

특히, 추가된 별도의 수술부재(300)의 경우, 기존 내시경 시스템(200)에 구비된 수술부재(240)와 비교하여 이동부(22), 아암부(23) 및 회전부(27')의 작동을 통해서 위치를 자유자재로 변경할 수 있는 장점이 있다.

더불어 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)를 이용할 경우, 의료인이 목적에 따라 다양한 형태의 수술부재(300)를 선택할 수 있으므로 기존 내시경 시스템(200)의 기능을 확장할 수 있는 장점이 있다.

한편, 도 16을 참조하면, 로봇팔과 관련된 다른 예시로서, 로봇팔(20")은 상술한 회전부(27')를 생략한 형태로 형성될 수도 있다.

즉, 로봇팔(20")은 전술한 로봇팔(20)의 구성 중에서 베이스부(21)와 아암부(23)를 포함하되, 도 16에 도시된 바와 같이 아암부(23)의 일측에 별도의 수술부재(300)를 고정시킬 수 있는 고정부재(27a)를 포함하여 형성될 수도 있다.

이 경우, 전술한 로봇팔(20')과 비교하여 회전부(27')가 부재하므로 수술부재(300)의 단부 측의 피벗회전이 일부 제한될 수는 있으나, 회전부(27')의 생략을 통해 와이어의 생략이 가능하여 전체적으로 장치를 간소화할 수 있는 장점이 있다.

또한 회전부(27')가 생략되더라도, 이동부(22)를 통한 축회전 및 아암부(23)에 의해 제 1 회전축(R1)을 중심으로 한 피벗회전은 여전히 가능하므로 수술부재(300)의 운동범위를 충분히 확보할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)의 전체 사용 과정에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)를 사용하기 위하여, 조작자는 카트리지(50)를 구동 모듈(60)에 설치한 후 로봇팔(20)을 내시경(210)의 일 단부에 결합시킨다. 그리고, 조작 모듈(90)을 내시경 조작 장치(220)에 결합시킨 후, 로봇팔(20)이 설치된 내시경(210)의 일 단부를 수술하고자 하는 환자의 신체 내부로 삽입하여 수술을 진행한다. 수술이 진행되는 동안 조작자는 조작 모듈(90)을 이용하여 내시경(210)의 단부에 설치된 로봇팔(20)의 겸자 또는 수술부재(300)의 위치를 확인하면서 수술을 진행할 수 있다. 수술이 완료된 후 내시경(210)을 환자의 신체 내부로부터 꺼낸 후 로봇팔(20)을 내시경 단부로부터 제거하고 카트리지(50)를 구동 모듈(60)로부터 제거할 수 있다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치(100)는 1회용으로 사용될 수 있고, 1회 수술에 사용된 후 폐기될 수 있다. 그 후 로봇팔 구동 장치(100)를 이용하여 수술을 진행하고자 하는 경우에는 새로운 로봇팔 구동 장치(100)를 내시경에 설치하여 수술을 진행할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치는 내시경에 용이하게 결합시킬 수 있는 로봇팔 모듈과, 직관적인 인터페이스를 가진 조작 모듈을 도입함으로써 내시경의 기능을 활용하여 경제적이고 이질감 없는 수술용 로봇을 도입할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치는 구동 모듈에 탈착 가능한 카트리지를 구비하여, 소모품의 성격을 갖는 로봇팔 모듈의 교체가 용이하다.

보다 상세히, 로봇팔 모듈은 위생상 또는 내구성 요인에 따라, 1회 사용후 혹은 수회 사용후 교체될 필요가 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치는, 로봇팔 모듈의 교체가 필요한 경우, 로봇팔과 카트리지를 각각 내시경과 구동 모듈로부터 간단하게 분리시키고, 뒤이어 새로운 로봇팔과 카트리지를 결합시키기만 하면 되므로, 교체 프로세스가 매우 신속 간편하며, 전문가의 도움을 필요로 하지 않는 장점이 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치는 로봇팔의 동작을 모사함으로써 직관적인 조작이 가능한 특유의 조작 모듈을 도입함으로써, 조작자가 로봇팔 구동 장치의 조작을 편리하게 할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔 구동 장치는 조작 모듈에 내시경 조작 장치의 고정을 위한 결합부를 도입함으로써, 단일한 조작자에 의해 내시경과 로봇팔을 모두 제어 가능한 제어 환경을 제공할 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

10 로봇팔 모듈 20 로봇팔
30 와이어(텐던) 40 튜브(쉬스)
50 카트리지 60 구동 모듈
63 제어 유닛 64 디스플레이
70 구동 유닛 80 센서 유닛
90 조작 모듈 100 로봇팔 구동 장치
200 내시경 시스템

Claims (19)

1. 내시경에 탈착 가능하게 설치되는 로봇팔을 포함하는 로봇팔 구동 장치로서,
   상기 내시경의 일단부 측에 고정되며, 일측에 수술부재가 결합되는 로봇팔, 일단부가 상기 로봇팔에 연결되어 상기 로봇팔에 구동력을 전달하는 복수의 와이어 및 상기 복수의 와이어의 타단부가 각각 연결되는 복수의 동력전달부를 구비하는 카트리지를 포함하는 로봇팔 모듈;
   상기 로봇팔 모듈의 교체가 가능하도록 상기 카트리지가 탈착 가능하게 결합되는 수용부 및 상기 로봇팔 모듈에 상기 구동력을 제공하는 구동 유닛을 구비하며, 상기 수용부에 상기 카트리지가 결합될 경우 상기 카트리지 측에 상기 구동 유닛을 결합시켜 상기 복수의 와이어에 상기 구동력을 제공하는 구동 모듈 및
   상기 구동 모듈을 통해 상기 로봇팔의 동작을 제어하기 위한 조작 명령이 입력되는 조작 모듈을 포함하는 로봇팔 구동 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 로봇팔은,
   내부에 상기 내시경의 일단부가 삽입되는 중공이 형성되며, 상기 내시경의 외주면을 감싸면서 고정되는 베이스부;
   상기 베이스부의 외측에서 상기 베이스부의 외주면을 따라 회전 가능하도록 결합되는 이동부;
   상기 내시경의 연장 방향으로 연장되며, 일단부가 상기 이동부의 외주면 일측에 제 1 회전축을 중심으로 피벗 회전 가능하게 결합되는 아암부를 포함하는, 로봇팔 구동 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 아암부는 상기 수술부재를 상기 아암부에 고정시키도록 고정부재를 구비하며, 상기 제 1 회전축을 중심으로 한 피벗 회전에 의해 상기 수술부재를 피벗 회전시키는, 로봇팔 구동 장치.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 아암부의 타단부에 제 2 회전축을 중심으로 피벗 회전 가능하게 결합되는 회전부를 더 포함하고,
   상기 회전부는 상기 수술부재를 상기 회전부에 고정시키도록 고정부재를 구비하며, 상기 제 2 회전축을 중심으로 한 피벗 회전에 의해 상기 수술부재를 피벗 회전시키는, 로봇팔 구동 장치.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 수술부재는, 수술용 집게(forceps), 전기수술기용 전극(ESD knife) 또는 수술용 미세 가위(scissors) 중 어느 하나인, 로봇팔 구동 장치.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 수술부재는, 상기 아암부의 타단부에 제 2 회전축을 중심으로 피벗 회전 가능하게 결합되는 제 1 그리퍼와 제 2 그리퍼를 포함하는 겸자인, 로봇팔 구동 장치.
7. 제 2 항에 있어서,
   상기 복수의 와이어는,
   상기 이동부를 상기 베이스부의 외주면을 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키는 제 1 와이어 및 제 2 와이어; 및
   상기 아암부를 상기 제 1 회전축을 중심으로 피벗 회전시키는 제 3 와이어 및 제 4 와이어를 포함하는, 로봇팔 구동 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 수술부재는, 상기 아암부의 타단부에 제 2 회전축을 중심으로 피벗 회전 가능하게 결합되는 제 1 그리퍼와 제 2 그리퍼를 포함하는 겸자이고,
   상기 와이어는,
   상기 제 1 그리퍼를 상기 제 2 회전축을 중심으로 피벗 회전시키는 제 5 와이어 및 제 6 와이어 및
   상기 제 2 그리퍼를 상기 제 2 회전축을 중심으로 피벗 회전시키는 제 7 와이어 및 제 8 와이어를 더 포함하는, 로봇팔 구동 장치.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 구동 모듈은 내측에 상기 수용부에 안착된 상기 카트리지를 상기 수용부에 기계적으로 결합시키는 홀딩 유닛을 포함하는, 로봇팔 구동 장치.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 모듈은 외측에 상기 조작 모듈에 의한 상기 로봇팔 모듈의 구동 상태를 출력하는 디스플레이 유닛을 더 포함하는, 로봇팔 구동 장치.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 내시경의 동작은 내시경 조작 장치에 의해서 제어되고,
    상기 조작 모듈에는 상기 내시경 조작 장치가 탈착 가능하게 고정될 수 있는 결합부가 구비되는, 로봇팔 구동 장치.
12. 제 2 항에 있어서,
    상기 조작 모듈은 몸체부 및 상기 몸체부의 일측면에 배치되며, 소정 길이 연장 형성되되, 회전축을 중심으로 피벗 회전하는 하나 이상의 조작 스틱을 포함하고,
    상기 복수의 와이어는 상기 하나 이상의 조작 스틱의 피벗 회전에 따라 구동되는, 로봇팔 구동 장치.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 수술부재는, 상기 아암부의 타단부에 제 2 회전축을 중심으로 피벗 회전 가능하게 결합되는 제 1 그리퍼와 제 2 그리퍼를 포함하는 겸자이고,
    상기 조작 스틱은 4개로 형성되며,
    상기 4개의 조직 스틱의 조작에 따라 상기 이동부, 상기 아암부, 상기 제 1 그리퍼 및 상기 제 2 그리퍼가 각각 혹은 연동하여 회전 작동되는, 로봇팔 구동 장치.
14. 텐던-쉬스를 구동하기 위한 텐던-쉬스 구동 장치로서,
    상기 쉬스의 적어도 일측이 고정되는 지지 부재와, 상기 텐던을 상기 쉬스에 대하여 상대적으로 이동시키도록 상기 텐던의 일측과 결합되는 작동 부재와, 내부에 상기 지지 부재 및 상기 작동 부재가 설치되는 함체 형상의 하우징을 포함하는 카트리지 및
    상기 카트리지의 상기 작동 부재와 기계적으로 결합되어 상기 작동 부재를 이동 또는 회전시키는 구동 모듈을 포함하고
    상기 작동 부재는 상기 카트리지의 교체가 가능하도록 상기 구동 모듈과 탈착 가능하게 결합되는, 텐던-쉬스 구동 장치.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 구동 모듈은 상기 작동 부재와 결합되어 상기 작동 부재를 직선 운동시키는 리니어 액추에이터를 포함하고,
    상기 쉬스는 상기 작동 부재의 상기 직선 운동에 의해 상기 텐던에 대하여 상대적으로 이동하는, 텐던-쉬스 구동 장치.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 작동 부재의 일측에 상기 리니어 액추에이터의 일측이 결합될 수 있는 홈부가 형성되는, 텐던-쉬스 구동 장치.
17. 제 14 항에 있어서,
    상기 카트리지는 1회 이상 사용 후 교체 및 폐기가 가능하도록 일회용으로 형성되는, 텐던-쉬스 구동 장치.
18. 제 14 항에 있어서,
    상기 텐던은 복수 개의 텐던을 포함하고,
    상기 지지 부재와 상기 작동 부재는 상기 복수 개의 텐던에 대응되도록 각각 복수 개의 지지 부재 및 복수 개의 작동 부재를 포함하며,
    상기 복수 개의 작동 부재는 함체 형상의 카트리지에 설치되어 일체로 상기 구동 모듈에 결합되는, 텐던-쉬스 구동 장치.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 카트리지는 일측에 상기 작동 부재가 상기 텐던의 연장 방향으로 전후진하도록 가이드하는 가이드부가 형성되는, 텐던-쉬스 구동 장치.

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