KR102503569B1 - 수술 로봇 장치 및 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법 - Google Patents

수술 로봇 장치 및 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102503569B1
KR102503569B1 KR1020200187139A KR20200187139A KR102503569B1 KR 102503569 B1 KR102503569 B1 KR 102503569B1 KR 1020200187139 A KR1020200187139 A KR 1020200187139A KR 20200187139 A KR20200187139 A KR 20200187139A KR 102503569 B1 KR102503569 B1 KR 102503569B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
unit
height
motor
torque
data
Prior art date
Application number
KR1020200187139A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220095530A (ko
Inventor
임요안
김세라
윤두호
윤영일
김형주
Original Assignee
(주)미래컴퍼니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)미래컴퍼니 filed Critical (주)미래컴퍼니
Priority to KR1020200187139A priority Critical patent/KR102503569B1/ko
Priority to CN202111635734.3A priority patent/CN114681059A/zh
Publication of KR20220095530A publication Critical patent/KR20220095530A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102503569B1 publication Critical patent/KR102503569B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/00234—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets for minimally invasive surgery
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/77—Manipulators with motion or force scaling
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/50—Supports for surgical instruments, e.g. articulated arms
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00367—Details of actuation of instruments, e.g. relations between pushing buttons, or the like, and activation of the tool, working tip, or the like
    • A61B2017/00398—Details of actuation of instruments, e.g. relations between pushing buttons, or the like, and activation of the tool, working tip, or the like using powered actuators, e.g. stepper motors, solenoids
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00477—Coupling
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/064—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension
    • A61B2090/066—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension for measuring torque
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/50—Supports for surgical instruments, e.g. articulated arms
    • A61B2090/5025—Supports for surgical instruments, e.g. articulated arms with a counter-balancing mechanism
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/50—Supports for surgical instruments, e.g. articulated arms
    • A61B2090/5025—Supports for surgical instruments, e.g. articulated arms with a counter-balancing mechanism
    • A61B2090/504—Supports for surgical instruments, e.g. articulated arms with a counter-balancing mechanism with a counterweight

Abstract

본 발명은 수술 로봇 장치와 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법을 제공한다. 본 발명은 베이스 칼럼과, 복수개의 암을 가지는 로봇 암 유닛과, 상기 로봇 암 유닛과 상기 베이스 칼럼을 연결하며, 상기 베이스 칼럼의 높이 방향으로 이동하는 커넥터 유닛과, 상기 커넥터 유닛과 연결되며, 상기 로봇 암 유닛 및 상기 커넥터 유닛 중 적어도 하나의 정하중을 보상하도록 상기 커넥터 유닛에 보상력을 제공하며, 정하중 스프링과 모터를 가지는 하중 보상 유닛, 및 상기 커넥터 유닛의 높이에 따라, 상기 모터의 토크를 조절하는 컨트롤러를 포함한다.

Description

수술 로봇 장치 및 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법{Surgical robot apparatus and load compensating method for the same}
본 발명은 수술 로봇 장치 및 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법에 관한 것이다.
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 있다. 이러한 수술 로봇과 관련된 기술은 한국등록특허 10-1767060호(2017.08.04.), 한국등록특허 10-1477133호(2014.12.22.), 한국등록특허 10-1299472호(2013.08.19.)에 나타나 있다.
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 인스트루먼트가 조작되어 수술이 수행된다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명은 간단하고 신속하게 로봇 암 구조의 하중을 보상하여, 안전성이 향상된 수술 로봇 장치 및 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면은, 베이스 칼럼과, 복수개의 암을 가지는 로봇 암 유닛과, 상기 로봇 암 유닛과 상기 베이스 칼럼을 연결하며, 상기 베이스 칼럼의 높이 방향으로 이동하는 커넥터 유닛과, 상기 커넥터 유닛과 연결되며, 상기 로봇 암 유닛 및 상기 커넥터 유닛 중 적어도 하나의 정하중을 보상하도록 상기 커넥터 유닛에 보상력을 제공하며, 정하중 스프링과 모터를 가지는 하중 보상 유닛, 및 상기 커넥터 유닛의 높이에 따라, 상기 모터의 토크를 조절하는 컨트롤러를 포함하는 수술 로봇 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은, 베이스 칼럼과, 복수개의 암을 가지는 로봇 암 유닛과, 상기 로봇 암 유닛과 상기 베이스 칼럼을 연결하며, 상기 베이스 칼럼의 높이 방향으로 이동하는 커넥터 유닛과, 상기 커넥터 유닛과 연결되며, 상기 로봇 암 유닛 및 상기 커넥터 유닛 중 적어도 하나의 정하중을 보상하도록 상기 커넥터 유닛에 보상력을 제공하며, 정하중 스프링과 모터를 가지는 하중 보상 유닛, 및 상기 하중 보상 유닛이 일정한 보상력을 제공하도록, 상기 커넥터 유닛의 높이에 따라 상기 모터에서 생성되는 토크의 크기와 방향에 관한 제1 데이터를 산출하는 컨트롤러를 포함하는 수술 로봇 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은, 정하중 스프링과 모터를 가지는 하중 보상 유닛이 장착된 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법에 있어서, 베이스 칼럼에 장착된 로봇 암 유닛의 제1 높이를 측정하는 단계와, 상기 하중 보상 유닛이 기 설정된 보상력을 제공하기 위해서, 상기 제1 높이에서 상기 모터가 생성해야 할 토크의 크기와 방향을 측정하는 단계와, 상기 베이스 칼럼에 장착된 상기 로봇 암 유닛의 제2 높이를 측정하는 단계와, 상기 하중 보상 유닛이 기 설정된 보상력을 제공하기 위해서, 상기 제2 높이에서 상기 하중 보상 유닛의 상기 모터가 생성해야 할 토크의 크기와 방향을 측정하는 단계와, 상기 제1 높이와 상기 제2 높이에서 측정된 상기 모터의 토크에 관한 데이터를 제1 데이터로 데이터 저장부에 저장하는 단계, 및 상기 로봇 암 유닛이 상기 베이스 칼럼에서 이동하면, 컨트롤러가 상기 데이터 저장부에 저장된 데이터를 기초로 상기 로봇 암 유닛의 높이에 따라 상기 모터의 토크의 크기와 방향을 조절하는 단계를 포함하는 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 수술 로봇 장치 및 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법은 하중을 보상하여, 전체 장치의 안전성을 높일 수 있다. 하중 상 유닛은 일정한 보상력을 커넥터에 제공하므로, 수술 로봇 장치의 동작 중에 일측으로 쏠리는 것을 방지하여, 안전하게 수술을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 수술 로봇 장치 및 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법은 간단하게 하중 보상 유닛의 출력을 제어할 수 있다. 컨트롤러는 복수지점의 높이에서 제1 모터가 출력해야할 데이터를 기초로, 전체 구간에서 제1 모터가 출력해야할 데이터를 추정하여, 간단하고 신속하게 제1 모터의 출력을 계산 및 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 장치를 포함하는 수술 로봇 시스템을 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 수술 로봇 장치를 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2의 하중 보상 유닛을 도시하는 사시도이다.
도 4는 도 3의 구동 풀리와 케이블의 조립관계를 도시하는 단면도이다.
도 5 및 도 6은 도 2의 수술 로봇 장치의 일부 구성을 도시하는 블록도이다.
도 7은 도 3의 하중 보상 유닛에서 생성되는 보상력을 도시하는 그래프이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법을 도시하는 순서도이다.
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.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
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.
이하, 첨부된 도면들에 도시된 본 발명에 관한 실시 예들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
이하에서, 수술 로봇 장치는 다양한 산업상 이용가능한 로봇에 적용될 수 있다. 다양한 형태의 로봇 장치, 로봇 시스템 예컨대, 산업용 로봇, 의료용 로봇, 이동 로봇 등에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명의 수술 로봇 장치는 특정 형태, 장소 또는 용도에 한정되지 않으며, 복수개의 링크나 암을 연결된 다양한 구조에 적용될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해서 수술 로봇에 설치된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 장치를 포함하는 수술 로봇 시스템(1)을 나타내는 평면도이다.
도 1을 참조하면, 수술 로봇 시스템(1)은 수술대(2)에 누워있는 환자(S)에게 수술을 행하는 수술 로봇 장치(10)와, 수술 로봇 장치(10)를 오퍼레이터(O)가 원격 조종하도록 하는 마스터 콘솔(20)을 포함한다. 또한, 수술 로봇 시스템(1)은 비전 카트(30)를 포함할 수 있다. 비전 카트(30)의 디스플레이부(35)를 통해서, 보조자(A)가 수술의 진행 상황을 확인할 수 있다.
수술 로봇 장치(10)는 하나 이상의 로봇 암 유닛(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 유닛(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, 수술 로봇 장치(10)의 로봇 암 유닛(11)은 다자유도를 가지며 구동되도록 구현될 수 있다.
로봇 암 유닛(11)은 예를 들어 환자(S)의 수술 부위에 삽입되는 인스트루먼트(12), 인스트루먼트(12)를 수술 위치에 따라 요(yaw)방향으로 회전시키는 요동 구동부, 요동 구동부의 회전 구동과 직교하는 피치(pitch) 방향으로 인스트루먼트를 회전시키는 피치 구동부, 인스트루먼트(12)를 길이 방향으로 이동시키는 이송 구동부와, 인스트루먼트를 회전시키는 회전 구동부, 인스트루먼트(12)의 끝단에 설치되어 수술 병변을 절개 또는 절단하는 인스트루먼트 구동부를 포함하여 구성될 수 있다. 다만, 로봇 암 유닛(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 유닛(11)이 상응하는 방향으로 회전, 이동하는 등의 실제 제어 과정에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
수술 로봇 장치(10)는 환자(S)를 수술하기 위하여 하나 이상으로 이용될 수 있으며, 수술 부위가 디스플레이부(35)를 통해 화상 이미지로 표시되도록 하기 위한 인스트루먼트(12)는 독립된 수술 로봇 장치(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.
마스터 콘솔(20)과 수술 로봇 장치(10)가 반드시 물리적으로 독립된 별도의 장치로 분리되어야 하는 것은 아니며, 하나로 통합되어 일체형으로 구성될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해서 마스터 콘솔(20)과 수술 로봇 장치(10)가 물리적으로 이격된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
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.
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 수술 로봇 장치(10)으로 전송되어 로봇 암 유닛(11)이 제어된다. 즉, 오퍼레이터(O)의 핸들 조작에 의해 로봇 암 유닛(11)의 위치 이동, 회전, 절단 작업 등의 수술 동작이 수행될 수 있다.
예를 들어, 오퍼레이터(O)는 핸들 형태의 조작 레버를 이용하여 로봇 암 유닛(11)이나 인스트루먼트(12) 등을 조작 할 수 있다. 이와 같은 조작 레버는 그 조작방식에 따라 다양한 기구적 구성을 가질 수 있으며, 로봇 암 유닛(11)이나 인스트루먼트(12) 등의 동작을 조작하는 마스터 핸들과, 전체 시스템의 기능을 조작하기 위해 마스터 콘솔(20)에 부가된 조이스틱, 키패드, 트랙볼, 터치스크린과 같은 각종 입력도구와 같이, 수술 로봇 장치(10)의 로봇 암 유닛(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 유닛(11)의 동작을 제어할 수 있는 형태이면 아무런 제한 없이 적용될 수 있다.
마스터 콘솔(20)의 상기 디스플레이 부재에는 인스트루먼트(12)를 통해 촬영되는 영상이 화상 이미지로 표시된다. 또한 디스플레이 부재에는 소정의 가상 조작판이 상기 인스트루먼트(12)를 통해 촬영되는 영상과 함께 표시되거나 또는 독립적으로 표시될 수 있다.
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.
비전 카트(30)는 수술 로봇 장치(10)나 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 인스트루먼트(12)를 인스트루먼트 카트(3)에서 교체할 수 있다.
중앙 제어부(40)는 수술 로봇 장치(10), 마스터 콘솔(20) 및 비전 카트(30)와 연결되어, 각각의 신호를 송수신 할 수 있다. 중앙 제어부(40)는 수술 로봇 장치(10), 마스터 콘솔(20) 및 비전 카트(30) 중 어느 하나에 설치되거나, 독립적으로 설치될 수 있다.
도 2는 도 1의 수술 로봇 장치를 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 수술 로봇 장치(100)는 바디(110), 베이스 칼럼(120), 로봇 암 유닛(130), 커넥터 유닛(140), 하중 보상 유닛(150)을 포함할 수 있다. 수술 로봇 장치(100)는 도 1의 수술 로봇 장치(10)에 적용될 수 있다.
바디(110)는 수술 로봇 장치(100)의 하측에 배치될 수 있다. 바디(110)는 수술 로봇 장치(100)의 기본틀을 형성할 수 있으며, 베이스 칼럼(120)을 지지할 수 있다.
일 실시예로, 바디(110)는 지면이나 외부 구조물 등에 고정되게 설치될 수 있다. 다른 실시예로, 바디(110)는 하부에 바퀴와 같은 이동 부재(미도시)가 설치되어 오퍼레이터(O)나 보조자(A)에 의해서 이동 가능할 수 있다.
베이스 칼럼(120)은 바디(110)에 연결되며, 높이 방향으로 연장될 수 있다. 베이스 칼럼(120)은 로봇 암 유닛(130)이 장착되며, 로봇 암 유닛(130)이 높이 방향으로 이동하도록 구동부(미도시)가 설치될 수 있다. 베이스 칼럼(120)의 개수는 특정 개수에 한정되지 않으며, 베이스 칼럼(120)은 바디(110)에 적어도 하나 이상 배치될 수 있다.
베이스 칼럼(120)에는 로봇 암 유닛(130)이 장착될 수 있다. 도면에서는 베이스 칼럼(120)에 하나의 로봇 암 유닛(130)이 장착된 예를 도시하나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 복수개의 로봇 암 유닛(130)이 설치될 수 있다. 예컨대, 베이스 칼럼(120)의 각 측면에 로봇 암 유닛(130)이 설치될 수 있다. 또한, 베이스 칼럼(120)의 높이에 따라 적어도 복수개의 로봇 암 유닛(130)이 설치될 수 있다.
로봇 암 유닛(130)은 복수 개의 조인트와 이들 조인트들을 연결하는 아암(Arm)들 또는 링크(link)들을 포함할 수 있다.
수술 로봇 장치(10)는 패시브 영역(Passive Area; P.A)과 액티브 영역(Active Area; A.A)으로 구분될 수 있다. 로봇 암 유닛(130)에서 일부는 패시브 영역(P.A)으로 정의되고, 다른 일부는 액티브 영역(A.A)으로 정의될 수 있다. 패시브 영역(P.A)에는 패시브 암이 설치되고, 액티브 영역(A.A)에는 액티브 암이 설치될 수 있다.
패시브 영역(P.A)과 액티브 영역(A.A)은 수술과정에서 수술 로봇 시스템(1)의 구동되는 영역에 따른 구분이다. 상세히, 패시브 영역(P.A)에는 패시브 암이 설치되고, 수술 전에 패시브 암만 구동되는 영역으로, 이때에는 액티브 암이 구동되지 않는다. 패시브 영역(P.A)은 수술을 수행하기 전에 수술 로봇 시스템(1)의 위치를 설정하는 영역으로, 오퍼레이터(O)나 보조자(A)는 패시브 암을 구동시켜서, 액티브 암의 위치를 설정할 수 있다.
액티브 영역(A.A)은 액티브 암이 설치되고, 수술 과정에서 액티브 암만 구동되어 인스트루먼트(12)가 복수의 자유도를 가지고 수술을 수행할 수 있으며, 이때에는 패시브 암이 구동되지 않는다. 즉, 액티브 영역(A.A)은 수술 과정중에 구동되는 부분이며, 오퍼레이터(O)가 마스터 콘솔을 조작하여, 인스트루먼트(12)를 구동할 수 있다. 이때, 인스트루먼트(12)는 기 설정된 RCM(Remote Center of Motion) 포인트에 고정된 상태를 유지하면서, 요(Yaw) 운동, 피치(Pitch) 운동, 롤(Roll) 운동을 할 수 있다.
패시브 암은 복수 개의 조인트와 이들 조인트들을 연결하는 아암(Arm)들 또는 링크(link)들을 포함한다. 각 조인트는 회전(rotation) 운동 혹은 직선(prismatic) 운동을 하며, 이러한 운동을 통하여 패시브 암의 전체적인 움직임을 생성한다. 조인트는 구동기(actuator), 감속기, 센서, 브레이크(brake), 카운터밸런스(counterbalance) 등을 구비 할 수 있다.
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.
액티브 암은 말단부에 인스트루먼트(12)나 내시경(미도시)이 장착되며, 수술중에 액티브 암의 각 조인트를 구동하여 인스트루먼트(12)나 내시경이 환자의 몸에서 움직일 수 있다. 액티브 암은 복수 개의 조인트와 이들 조인트들을 연결하는 아암(Arm)들 또는 링크(link)들을 포함한다. 각 조인트는 회전(rotation) 운동 혹은 직선(prismatic) 운동을 하며, 이러한 운동을 통하여 액티브 암의 전체적인 움직임을 생성한다. 조인트는 구동기(actuator), 감속기, 센서, 브레이크(brake), 카운터밸런스(counterbalance) 등을 구비 할 수 있다. 각 조인트의 구성은 전술한 패시브 암의 조인트와 실질적으로 동일하며, 배치만 상이할 수 있다.
커넥터 유닛(140)은 로봇 암 유닛(130)과 베이스 칼럼(120)을 연결하고, 베이스 칼럼(120)의 높이 방향으로 이동할 수 있다.
커넥터 유닛(140)에는 로봇 암 유닛(130)이 지지될 수 있다. 도면에서는 커넥터 유닛(140)에 하나의 로봇 암 유닛(130)이 설치된 것을 도시하나, 이에 한정되지 않으며, 복수개의 로봇 암 유닛(130)이 설치될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해서, 커넥터 유닛(140)에 하나의 로봇 암 유닛(130)이 설치된 실시예를 중심으로 설명하기로 한다.
커넥터 유닛(140)은 웨이트 부재(145)가 장착될 수 있다. 커넥터 유닛(140)의 일측에는 기 설정된 웨이트를 가지는 웨이트 부재(145)가 장착되어, 로봇 암 유닛(130)의 안정성을 높일 수 있다. 웨이트 부재(145)는 상당한 무게를 가지는 로봇 암 유닛(130)이 한 쪽으로 쏠리는 것을 방지하도록 커넥터 유닛(140)에 장착되며, 수술 로봇 장치(100)는 로봇 암 유닛(130)을 안정적으로 구동시킬 수 있다.
커넥터 유닛(140)은 베이스 칼럼(120)의 가이드 부재(125)를 따라 선형 이동할 수 있다. 커넥터 유닛(140)은 베이스 칼럼(120)에 기구적인 구동 매커니즘으로 연결될 수 있다. 예컨대 풀리, 커넥터 유닛(140)은 베이스 칼럼(120)에 기어, 체인, 벨트와 같은 동력 전달 기구로 연결되어, 베이스 칼럼(120)을 따라 이동할 수 있다.
커넥터 유닛(140)은 하중 보상 유닛(150)과 연결되며, 로봇 암 유닛(130) 및 커넥터 유닛(140) 중 적어도 하나의 하중을 보상하는 보상력을 하중 보상 유닛(150)에서 전달 받을 수 있다.
도 3은 도 2의 하중 보상 유닛(150)을 도시하는 사시도이고, 도 4는 도 3의 구동 풀리(154)와 케이블(152)의 조립관계를 도시하는 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 하중 보상 유닛(150)은 로봇 암 유닛(130) 및 커넥터 유닛(140) 중 적어도 하나의 정하중을 보상하도록, 커넥터 유닛(140)에 보상력을 가할 수 있다. 하중 보상 유닛(150)은 커넥터 유닛(140)과 연결되어, 커넥터 유닛(140)의 상측으로 당겨서, 커넥터 유닛(140)에 보상력을 제공할 수 있다.
하중 보상 유닛(150)은 정하중 스프링(151), 케이블(152), 제1 모터(153), 구동 풀리(154), 제1 풀리(155)를 구비할 수 있다. 하중 보상 유닛(150)은 정하중 스프링(151)에서 생성된 탄성력과, 제1 모터(153)의 출력으로, 커넥터 유닛(140)에 보상력을 제공할 수 있다. 하중 보상 유닛(150)은 로봇 암 유닛(130)과 커넥터 유닛(140)의 하중의 반대방향인 상부 방향으로 보상력을 제공하여, 로봇 암 유닛(130)이 처짐을 방지할 수 있다.
정하중 스프링(151)은 형태의 변화에 관계없이 일정한 탄성력을 제공하도록 마련된 탄성 부재로 정의할 수 있다. 그러나, 정하중 스프링(151)이 생성하는 탄성력은 정하중 스프링(151)의 길이에 따라 편차가 발생할 수 있으며, 이러한 편차를 줄이는 것이 필요하다. 이에 대해서는 아래에서 설명하기로 한다.
정하중 스프링(151)은 연결단(151a)에 케이블(152)이 연결된다. 정하중 스프링(151)은 대략 나선형으로 감긴 형태를 가질 수 있다. 정하중 스프링(151)은 케이블(152)과 연결된 커넥터 유닛(140)의 높이 변화에 따라, 길이가 변화 할 수 있다.
정하중 스프링(151)이 기 설정된 보상력(F)에 대응하는 탄성력을 제공하도록 바디(110)에 설치될 수 있다. 정하중 스프링(151)은 바디(110)에 장착되고, 바디(110)의 상면을 따라 전진 또는 후퇴할 수 있다.
정하중 스프링(151)은 소정의 구간이 지나야만 일정한 탄성력을 제공할 수 있다. 따라서, 정하중 스프링(151)은 제1 구간(l)이 노출된 상태에서 수술 로봇 장치(100)에 설치될 수 있다. 도 5를 보면, 정하중 스프링(151)이 제1 구간(l)만큼 당겨지면, 탄성력이 일정한 구간으로 진입하게 된다. 즉, 제1 구간(l)보다 더 길게 당겨지더라도, 정하중 스프링(151)은 원칙적으로 일정한 정하중을 제공한다. 그러나, 정하중 스프링(151)이 제공하는 탄성력(f1)은 편차가 있는바, 편차를 제거하기 위하여 제1 모터(153)의 토크가 가해진다.
정하중 스프링(151)은 커넥터 유닛(140)의 높이 변화에 대응하여, 길이가 조절될 수 있다. 도 3에서, 커넥터 유닛(140)은 L의 높이만큼 이동될 수 있으며, 정하중 스프링(151)도 커넥터 유닛(140)의 높이 변화에 대응하여 L 길이의 범위 내에서 인출될 수 있다.
케이블(152)은 커넥터 유닛(140)과 연결된다. 케이블(152)은 도 3과 같이 와이어의 형태를 가질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 케이블(152)은 동력을 전달하는 다양한 형태로 설정될 수 있다.
케이블(152)의 일단은 정하중 스프링(151)과 연결되고, 타단은 커넥터 유닛(140)에 연결될 수 있다. 케이블(152)은 일부 구간이 구동 풀리(154)에 권취될 수 있으며, 구동 풀리(154)와 연결된 제1 모터(153)에서의 토크가 전달될 수 있다.
제1 모터(153)는 컨트롤러(50)로부터 전기적 신호를 전달 받으며, 출력을 조절하여, 하중 보상 유닛(150)이 일정한 보상력을 제공할 수 있다. 제1 모터(153)가 생성하는 토크는 정하중 스프링(151)의 편차를 조절하여, 커넥터 유닛(140)에는 일정한 보상력(F)이 제공될 수 있다.
커넥터 유닛(140)의 높이를 조절하면, 커넥터 유닛(140)의 높이에 따라 정하중 스프링(151)의 길이가 변화한다. 커넥터 유닛(140) 및 로봇 암 유닛(130)은 일정한 하중을 가지므로, 하중 보상 유닛(150)은 커넥터 유닛(140)에 일정한 보상력을 제공하는 것이 바람직하다. 제1 모터(153)는 설정된 방향 및 크기의 토크(f2)를 생성하여, 정하중 스프링(151)이 제공하는 탄성력(f1)의 편차를 없애며, 커넥터 유닛(140)에 일정한 보상력(F)이 전달될 수 있다.
제1 모터(153)는 바디(110)에 설치되되, 정하중 스프링(151)과 이격되게 배치될 수 있다. 제1 모터(153)와 정하중 스프링(151)이 서로 이격되게 배치되므로, 제1 모터(153)의 토크(f2)가 정하중 스프링(151)에서 생성되는 탄성력(f1)의 편차를 조절할 수 있다.
제1 모터와 정하중 스프링이 일체로 형성된다면, 제1 모터는 정하중 스프링의 길이 변화에 따른 탄성력의 편차를 정확하게 측정하기 어렵다. 예컨대, 정하중 스프링의 축과 모터의 회전축이 같도록 연결되면, 제1 모터에서 출력되는 토크가 정하중 스프링의 길이에 영향을 미치므로, 제1 모터는 정하중 스프링의 편차를 정확하게 측정하기 어렵고, 일정한 보상력을 제공하는데 한계가 있다.
제1 모터(153)의 회전축(153a)에는 구동 풀리(154)가 연결되고, 구동 풀리(154)에는 케이블(152)의 일부 구간이 권취 될 수 있다. 컨트롤러(50)의 제어 신호에 의해서, 제1 모터(153)의 토크(f2)는 크기와 방향이 조절 될 수 있다. 제1 모터(153)의 출력이 구동 풀리(154)를 통해서 케이블(152)에 전달되면, 케이블(152)은 탄성력(f1)과 토크(f2)의 합인 일정한 보상력(F)으로 커넥터 유닛(140)을 끌어 당길 수 있다.
구동 풀리(154)는 제1 모터(153)의 회전축(153a)에 연결되며, 외주면에 케이블(152)이 권취될 수 있다. 구동 풀리(154)는 제1 모터(153)에서 토크를 전달 받아, 케이블(152)에 전달 할 수 있다.
구동 풀리(154)는 외주면에 배치된 가이드홈(154a)을 가질 수 있다. 케이블(152)은 가이드홈(154a)에 삽입되며, 케이블(152)과 가이드홈(154a) 사이의 마찰력에 의해서 제1 모터(153)의 토크(f2)가 케이블(152)에 전달 될 수 있다.
가이드홈(154a)은 구동 풀리(154)의 외주면을 따라 연장되며, 나선형을 가질 수 있다. 또한, 가이드홈(154a)은 소정 거리 이격되게 배치될 수 있다.
커넥터 유닛(140)의 높이 변화에 따른 정하중 스프링(151)의 길이가 변화하면, 케이블(152)은 가이드홈(154a)을 따라 이동한다. 커넥터 유닛(140)의 높이가 설정되면 제1 모터(153)는 기 저장된 토크를 출력한다. 이때, 케이블(152)의 위치는 이동하지 않으며, 제1 모터(153)에서 생성하는 출력은 가이드홈(154a)을 통해서 케이블(152)로 전달된다.
일 예로, 일정한 보상력(F)을 제공하기 위해서, 제1 모터(153)가 구동되더라도, 구동 풀리(154)는 회전하지 않으며, 케이블(152)은 구동 풀리(154)에서 권취된 상태로 토크를 전달 받을 수 있다.
다른 예로, 일정한 보상력(F)을 제공하기 위해서, 제1 모터(153)가 구동되면, 제1 모터(153)의 출력에 의해서 구동 풀리(154)는 약간 회전할 수 있다. 그러나, 구동 풀리(154)가 약간 회전 하더라도, 정하중 스프링(151)의 길이는 변화하지 않고, 케이블(152)의 위치는 변화하지 않는다. 즉, 구동 풀리(154)는 케이블(152)과 가이드홈(154a)의 표면 사이의 마찰력을 극복하고, 소정 범위로 회전할 수 있다.
제1 풀리(155)는 케이블(152)의 경로를 설정할 수 있다. 제1 풀리(155)는 베이스 칼럼(120)에 장착되어, 케이블(152)이 커넥터 유닛(140)을 상부로 끌어 올리도록 케이블(152)의 경로를 설정할 수 있다.
제1 센서 유닛(160)은 커넥터 유닛(140)의 높이를 측정할 수 있다. 제1 센서 유닛(160)은 베이스 칼럼(120)에 장착되거나, 커넥터 유닛(140)에 장착될 수 있다. 제1 센서 유닛(160)은 특정 센서에 한정되지 않으며, 높이를 측정할 수 있는 다양한 부품으로 구성될 수 있다. 제1 센서 유닛(160)은 기구 장치만 아니라, 높이를 산출할 수 있는 소프트웨어일 수 있다.
제2 센서 유닛(170)은 제1 모터(153)의 출력을 측정할 수 있다. 제2 센서 유닛(170)은 커넥터 유닛(140)의 높이에 따라, 하중 보상 유닛(150)에서 일정한 보상력(F)을 제공하기 위해서, 제1 모터(153)에서 생성되는 토크(f2)의 크기와 방향을 측정할 수 있다. 제2 센서 유닛(170)은 제1 모터(153)의 출력 전압, 전류, 회전수 등을 측정하여, 제1 모터(153)의 출력 토크를 센싱할 수 있다. 제2 센서 유닛(170)은 기구 장치만 아니라, 토크를 산출할 수 있는 소프트웨어일 수 있다.
도 5 및 도 6은 도 2의 수술 로봇 장치의 일부 구성을 도시하는 블록도이고, 도 7은 도 3의 하중 보상 유닛(150)에서 생성되는 보상력을 도시하는 그래프이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 컨트롤러(50)는 하중 보상 유닛(150)에서 일정한 보상력(F)을 커넥터 유닛(140)에 제공하도록, 하중 보상 유닛(150)을 제어할 수 있다. 컨트롤러(50)는 커넥터 유닛(140)의 높이에 따라, 제1 모터(153)의 토크를 조절할 수 있다.
제1 센서 유닛(160), 제2 센서 유닛(170)에서 측정된 데이터를 데이터 저장부(60)에 저장되며, 컨트롤러(50)는 상기 데이터를 기초로 제어신호를 제1 모터(153)에 인가하고, 그리하여 하중 보상 유닛(150)이 일정한 보상력(F)을 커넥터 유닛(140)에 전달 할 수 있다.
데이터 저장부(60)는 커넥터 유닛(140)의 높이에 따라, 하중 보상 유닛(150)에서 일정한 보상력을 제공하기 위해서, 제1 모터(153)에서 생성해야하는 토크(f2)의 크기와 방향에 대한 데이터를 저장할 수 있다.
컨트롤러(50)는 데이터 저장부(60)에서 저장된 데이터를 기초로, 제1 모터(153)의 토크(f2)의 크기나 방향을 조절할 수 있다.
로봇 암 유닛(130)과 커넥터 유닛(140)의 하중은 미리 결정되므로, 하중 보상 유닛(150)이 제공해야할 보상력(F)도 결정된다.
제1 센서 유닛(160)은 커넥터 유닛(140)이 제1 높이(H1)에 위치하는지를 측정한다. 제2 센서 유닛(170)은 제1 모터(153)에서 출력된 토크(f2)를 측정한다. 제1 높이(H1)에서 정하중 스프링(151)은 탄성력(f1)을 제공하나, 편차에 의해서 탄성력(f1)과 보상력(F)을 일치하지 않을 수 있다. 토크(f2)는 편차를 없애므로, 제1 높이(H1)에서 하중 보상 유닛(150)이 제공하는 보상력(F)이 일정하게 된다.
커넥터 유닛(140)의 높이가 제2 높이(H2)로 변경되면, 제1 센서 유닛(160)은 커넥터 유닛(140)이 제2 높이(H2)에 위치하는지를 측정한다. 제2 센서 유닛(170)은 제1 모터(153)에서 출력된 토크를 측정한다. 제2 높이(H2)에서 정하중 스프링(151)은 탄성력(f1)을 제공하나, 편차에 의해서 탄성력(f1)과 보상력(F)을 일치하지 않을 수 있다. 토크(f2)는 편차를 없애므로, 제2 높이(H2)에서 하중 보상 유닛(150)이 제공하는 보상력(F)이 일정하게 된다.
제1 높이(H1)와 제2 높이(H2)에서 측정된 토크(f2)는 각각 크기와 방향에 대한 정보를 가질 수 있다. 상기 정보는 제1 데이터로 데이터 저장부(60)에 저장될 수 있다.
수술 로봇 장치(100)로 수술을 진행중에, 오퍼레이터(O)나 보조자(A)가 커넥터 유닛(140)의 높이를 조절하면, 제1 센서 유닛(160)은 커넥터 유닛(140)의 높이를 측정하고, 이에 대한 정보를 컨트롤러(50)로 제공한다.
컨트롤러(50)는 데이터 저장부(60)에 저장된 데이터를 기초로, 제1 모터(153)의 토크 출력을 제어할 수 있다. 즉, 커넥터 유닛(140)의 높이에 따라, 컨트롤러(50) 미리 저장된 토크의 크기와 방향을 제어하며, 이로써 하중 보상 유닛(150)은 수술 로봇 장치(100)를 이용 중에 높이가 변화하더라도, 일정한 보상력(F)을 커넥터 유닛(140)에 제공할 수 있다.
일 실시예로, 수술 로봇 장치(100)는 제1 데이터를 획득하고, 이를 데이터 저장부(60)에 저장하는 단계를 먼저 수행할 수 있다. 수술 로봇 장치(100)의 조립하는 과정에서, 커넥터 유닛(140)의 각 위치에 따라, 제1 모터(153)가 생성해야 하는 토크를 산출 및 저장한다. 이후, 수술 로봇 장치(100)를 이용하여, 수술을 진행 중에는 미리 저장된 제1 데이터를 이용하여, 컨트롤러(50)가 즉시 제1 모터(153)의 출력을 제어할 수 있다. 즉, 수술 로봇 장치(100)는 제1 모터(153)의 출력을 미리 측정 및 저장할 수 있다.
다른 실시예로, 수술 로봇 장치(100)는 커넥터 유닛(140)의 높이가 변화하면, 그에 따라 제1 모터(153)에서 출력을 제어할 수 있다. 수술 로봇 장치(100)는 일정한 보상력(F)을 제공하기 위해서, 실시간으로 제1 모터(153)에서 출력해야할 토크의 크기와 방향을 센싱하며, 센싱한 데이터를 기초로 제1 모터(153)를 제어할 수 있다.
컨트롤러(50)는 출력 계산부(51)와 출력 추정부(52)를 가질 수 있다. 출력 계산부(51)는 커넥터 유닛(140)의 기 설정된 복수 지점의 높이에서, 제1 모터(153)가 출력해야할 토크를 계산할 수 있다. 출력 추정부(52)는 출력 계산부(51)에서 산출된 데이터를 기초로, 커넥터 유닛(140)의 전체 높이에서, 제1 모터(153)가 출력해야할 토크를 추정할 수 있다.
컨트롤러(50)는 베이스 칼럼(120)에서 커넥터 유닛(140)의 제1 높이(H1)와 제2 높이(H2)를 설정한다. 출력 계산부(51)는 제1 높이(H1)와 제2 높이(H2)에서 각각 하중 보상 유닛(150)의 보상력(F)이 일정하도록 제1 모터(153)의 토크(f2)의 크기와 방향에 대한 제1 데이터를 생성할 수 있다. 출력 계산부(51)는 제1 센서 유닛(160)과 제2 센서 유닛(170)을 이용하여, 복수 지점에서 제1 모터(153)의 출력을 계산할 수 있다.
컨트롤러(50)는 로봇 암 유닛(130)의 각 높이에서 측정된 제1 데이터를 기초로, 측정되지 않은 높이에서의 제1 모터(153)의 크기와 방향에 관한 제2 데이터를 추정할 수 있다. 출력 추정부(52)는 출력 계산부(51)에서 산출하지 않는 지점에서, 제1 모터(153)가 출력해야할 토크(f2)를 추정할 수 있다. 예컨대, 출력 추정부(52)는 제1 높이(H1)와 제2 높이(H2) 사이의 구간에서, 제1 모터(153)의 토크(f2)의 크기와 방향을 추정한 제2 데이터를 생성할 수 있다.
출력 추정부(52)는 제1 데이터를 이용하여, 제2 데이터를 추정할 수 있다. 출력 추정부(52)는 다양한 방법으로 제2 데이터를 추정할 수 있다. 예컨대, 출력 추정부(52)는 데이터 추정 알고리즘, 근사화 수식, 룩업 테이블(lookup table), 보간법 및 이들의 조합을 이용하여 추정할 수 있다.
본 발명에 따른 수술 로봇 장치(100)는 하중을 보상하여, 전체 장치의 안전성을 높일 수 있다. 하중 보상 유닛(150)은 일정한 보상력(F)을 커넥터 유닛(140)에 제공하므로, 수술 로봇 장치(100)의 동작 중에 일측으로 쏠리는 것을 방지하여, 안전하게 수술을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 수술 로봇 장치(100)는 로봇 암 유닛(130)의 높이가 변화하더라도, 하중 보상 유닛(150)에서 일정한 보상력(F)을 제공할 수 있다. 하중 보상 유닛(150)은 정하중 스프링(151)이 제공하는 탄성력(f1)이 편차가 있더라도, 제1 모터(153)의 토크(f2)가 탄성력(f1)의 편차를 제거하므로, 커넥터 유닛(140)으로 일정한 보상력이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 수술 로봇 장치(100)는 로봇 암 유닛(130)의 높이가 변화시에, 신속하게 일정한 보상력이 커넥터 유닛(140)에 제공될 수 있다. 수술 로봇 장치(100)는 커넥터 유닛(140)의 높이에 따라 제1 모터(153)가 출력해야할 토크에 대한 데이터를 미리 데이터 저장부(60)에 저장한다. 오퍼레이터(O)가 수술 로봇 장치(100)로 수술을 진행시에 미리 저장된 데이터로 제1 모터(153)를 신속하게 구동하므로, 하중 보상 유닛(150)은 신속하게 일정한 보상력을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 수술 로봇 장치(100)는 간단하게 하중 보상 유닛(150)의 출력을 제어할 수 있다. 컨트롤러(50)는 복수지점의 높이에서 제1 모터(153)가 출력해야할 데이터를 기초로, 전체 구간에서 제1 모터(153)가 출력해야할 데이터를 추정하여, 간단하고 신속하게 제1 모터(153)의 출력을 계산 및 추정할 수 있다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법을 도시하는 순서도이다.
도 8을 참조하면, 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법은, 하중 보상 유닛에서 일정한 보상력을 제공하기 위해서 제1 모터의 출력을 셋팅하는 단계(S10)와, 로봇 암 유닛의 높이를 조절시에 하중 보상 유닛에서 일정한 보상력을 생성하는 단계(S20)를 포함할 수 있다.
하중 보상 유닛에서 일정한 보상력을 제공하기 위해서 제1 모터의 출력을 셋팅하는 단계(S10)에서는 수술 로봇 장치(100)를 이용하여 수술을 수행하기 전에 진행되며, 로봇 암 유닛(130)이나 커넥터 유닛(140)의 높이에 따라 제1 모터(153)가 출력해야할 토크(f2)의 크기나 방향에 대한 데이터를 계산 및 추정할 수 있다.
상세히, 도 9를 참조하면, 하중 보상 유닛에서 일정한 보상력을 제공하기 위해서 제1 모터의 출력을 셋팅하는 단계(S10)는, 베이스 칼럼에 장착된 로봇 암 유닛의 제1 높이를 측정하는 단계(S11), 하중 보상 유닛이 기 설정된 보상력을 제공하기 위해서, 제1 높이에서 제1 모터가 생성해야 할 토크의 크기와 방향을 측정하는 단계(S12), 베이스 칼럼에 장착된 로봇 암 유닛의 제2 높이를 측정하는 단계(S13), 하중 보상 유닛이 기 설정된 보상력을 제공하기 위해서, 제2 높이에서 하중 보상 유닛의 제1 모터가 생성해야 할 토크의 크기와 방향을 측정하는 단계(S14), 제1 높이와 제2 높이에서 측정된 제1 모터의 토크에 관한 데이터를 제1 데이터로 데이터 저장부에 저장하는 단계(S15)를 가질 수 있다.
베이스 칼럼에 장착된 로봇 암 유닛의 제1 높이를 측정하는 단계(S11)에서는 제1 센서 유닛(160)이 제1 높이(H1)를 측정한다.
하중 보상 유닛이 기 설정된 보상력을 제공하기 위해서, 제1 높이에서 제1 모터가 생성해야 할 토크의 크기와 방향을 측정하는 단계(S12)에서는 제2 센서 유닛(170)이 제1 모터(153)의 출력을 계산할 수 있다. 출력 계산부(51)는 제1 모터(153)가 출력해야하는 전류의 크기를 계산하여, 제1 모터(153)가 제1 높이(H1)에서 출력해야 하는 제1 모터(153)의 토크 값을 계산할 수 있다.
베이스 칼럼에 장착된 로봇 암 유닛의 제2 높이를 측정하는 단계(S13)에서는 제1 센서 유닛(160)이 제1 높이(H1)와 다른 제2 높이(H2)를 측정한다.
하중 보상 유닛이 기 설정된 보상력을 제공하기 위해서, 제2 높이에서 하중 보상 유닛의 제1 모터가 생성해야 할 토크의 크기와 방향을 측정하는 단계(S14)에서는 제2 센서 유닛(170)이 제1 모터(153)의 출력을 계산할 수 있다. 출력 계산부(51)는 제1 모터(153)가 출력해야하는 전류의 크기를 계산하여, 제1 모터(153)가 제2 높이(H2)에서 출력해야 하는 제1 모터(153)의 토크 값을 계산할 수 있다.
제1 높이와 제2 높이에서 측정된 제1 모터의 토크에 관한 데이터를 제1 데이터로 데이터 저장부에 저장하는 단계(S15)에서는 제1 높이(H1)와 제2 높이(H2)에서 계산된 제1 데이터를 데이터 저장부(60)에 저장한다.
또한, 컨트롤러(50)는 S11 단계 내지 S15 단계를 여러 번 수행해서, 다양한 높이에서 제1 모터(153)가 출력해야하는 토크(f2)의 크기나 방향에 대한 제1 데이터를 획득할 수 있다.
로봇 암 유닛의 높이를 조절시에 하중 보상 유닛에서 일정한 보상력을 생성하는 단계(S20)는 오퍼레이터(O)와 보조자(A)가 실제 수술 로봇을 사용시에 적용된다.
오퍼레이터(O)나 보조자(A)는 로봇 암 유닛(130)의 높이를 조절하기 위해서 스위치(미도시)를 누루고, 패시브 암을 높이 방향으로 이동시킨다. 이때, 커넥터 유닛(140)의 높이가 조절될 수 있다.
제1 센서 유닛(160)은 커넥터 유닛(140)의 높이를 센싱하고, 컨트롤러(50)는 센싱된 커넥터 유닛(140)의 높이에서 일정한 보상력(F)을 제공하기 위해서, 제1 모터(153)를 제어한다. 컨트롤러(50)는 데이터 저장부(60)에 저장된 데이터를 근거로, 제1 모터(153)를 제어하여 정하중 스프링(151)의 탄성력(f1)의 편차를 없애고, 하중 보상 유닛(150)은 일정한 보상력(F)을 커넥터 유닛(140)에 제공하게 된다.
도 10을 참조하면, 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법은, 베이스 칼럼에 장착된 로봇 암 유닛의 각 높이에서 모터가 생성해야할 토크의 크기와 방향에 관한 제1 데이터를 측정하는 단계(S21)와, 제1 데이터를 기초로, 각 높이 사이의 구간에서 모터가 생성해야 할 토크의 크기와 방향에 대한 제2 데이터를 추정하는 단계(S22)를 포함할 수 있다.
베이스 칼럼에 장착된 로봇 암 유닛의 각 높이에서 모터가 생성해야할 토크의 크기와 방향에 관한 제1 데이터를 측정하는 단계(S21)에서는 전술한 S11 단계 내지 S14 단계와 같이 로봇 암 유닛의 복수의 높이 지점에서 제1 모터(153)가 출력해야할 토크의 크기와 방향을 계산한다. 컨트롤러(50)의 출력 계산부(51)는 각 높이에서, 제1 모터(153)가 출력해야할 토크를 계산한다. 또한, 컨트롤러(50)는 계산된 제1 데이터를 데이터 저장부(60)에 저장한다.
제1 데이터를 기초로, 각 높이 사이의 구간에서 모터가 생성해야 할 토크의 크기와 방향에 대한 제2 데이터를 추정하는 단계(S22)에서는 제1 데이터로 저장되지 않은 높이에서, 제1 모터(153)가 출력해야할 토크의 크기와 방향을 추정한다. 컨트롤러(50)의 출력 추정부(52)는 제1 데이터를 기초로, 계산되지 않는 지점에서 제1 모터(153)가 출력해야할 토크의 크기와 방향을 추정할 수 있다.
예컨대, 출력 추정부(52)는 제1 높이(H1)와 제2 높이(H2)의 사이의 구간에서, 제1 모터(153)가 생성해야할 토크의 크기와 방향을 추정하고, 이를 제2 데이터로 산출하며, 제2 데이터를 데이터 저장부(60)에 저장할 수 있다.
다른 실시예로, 출력 추정부(52)는 다양한 높이를 선택하고, 이를 조합하여 신뢰도가 높은 제2 데이터를 추정할 수 있다. 예컨대, 출력 계산부(51)는 H1, H2, H3, H4, H5의 높이에서 제1 모터(153)가 출력해야할 토크를 제1 데이터로 계산 및 저장한다. 출력 추정부(52)는 H1 내지 H5 를 조합하여 높이를 추정할 수 있다. H1과 H2를 선택하여, H1과 H2사이에서의 제2 데이터를 추정하고, H1과 H4를 선택하여 H1과 H4 사이의 제2 데이터를 추정한다. 출력 추정부(52)가 다양한 구간을 추정하고, 추정된 제2 데이터를 조합 하거나 재추정하여, 제3 데이터를 추정할 수 있다.
출력 추정부(52)가 추정된 제2 데이터를 재추정하여 제3 데이터로 추정하고, 제3 데이터를 다시 재추정하여 제4 데이터를 추정할 수 있으며, 추정의 횟수가 증가하면서 데이터의 신뢰도가 상승할 수 있다.
본 발명에 따른 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법은 수술 로봇 장치의 하중을 보상하여, 전체 장치의 안전성을 높일 수 있다. 하중 보상 유닛(150)은 일정한 보상력(F)을 커넥터 유닛(140)에 제공하므로, 수술 로봇 장치(100)의 동작 중에 일측으로 쏠리는 것을 방지하여, 안전하게 수술을 수행할 수 있다.
수술 로봇 장치의 하중 보상 방법은 간단하게 하중 보상 유닛(150)의 출력을 제어할 수 있다. 컨트롤러(50)는 복수지점의 높이에서 제1 모터(153)가 출력해야할 데이터를 기초로, 전체 구간에서 제1 모터(153)가 출력해야할 데이터를 추정하여, 간단하고 신속하게 제1 모터(153)의 출력을 계산 및 추정할 수 있다. 또한, 컨트롤러(50)는 신뢰성이 높은 데이터를 획득하므로, 제1 모터(153)의 출력으로 일정한 보상력(F)을 커넥터 유닛(140)에 제공할 수 있다.
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.
50: 컨트롤러
60: 데이터 저장부
100: 수술 로봇 장치
110: 바디
120: 베이스 칼럼
130: 로봇 암 유닛
140: 커넥터 유닛
150: 하중 보상 유닛

Claims (11)

  1. 베이스 칼럼;
    복수개의 암을 가지는 로봇 암 유닛;
    상기 로봇 암 유닛과 상기 베이스 칼럼을 연결하며, 상기 베이스 칼럼의 높이 방향으로 이동하는 커넥터 유닛;
    상기 커넥터 유닛과 연결되며, 상기 로봇 암 유닛 및 상기 커넥터 유닛 중 적어도 하나의 정하중을 보상하도록 상기 커넥터 유닛에 보상력을 제공하며, 정하중 스프링과 모터를 가지는 하중 보상 유닛; 및
    상기 커넥터 유닛의 높이에 따라, 상기 모터의 토크를 조절하는 컨트롤러;를 포함하고,
    상기 컨트롤러는
    상기 베이스 칼럼에서 상기 커넥터 유닛의 제1 높이와 제2 높이를 설정하고, 상기 제1 높이와 상기 제2 높이에서 각각 상기 하중 보상 유닛의 상기 보상력이 일정하도록 상기 모터의 토크의 크기와 방향에 대한 제1 데이터를 생성하고,
    상기 제1 높이와 상기 제2 높이 사이의 구간에서, 상기 모터의 토크의 크기와 방향을 추정한 제2 데이터를 생성하는, 수술 로봇 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 커넥터 유닛의 높이에 따라, 상기 하중 보상 유닛에서 일정한 보상력을 제공하기 위해서, 상기 모터에서 생성해야하는 토크의 크기와 방향에 대한 데이터를 저장하는 데이터 저장부;를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 데이터 저장부에서 저장된 데이터를 기초로, 상기 모터의 토크의 크기나 방향을 조절하는, 수술 로봇 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 커넥터 유닛의 높이를 측정하는 제1 센서 유닛; 및
    상기 커넥터 유닛의 높이에 따라, 상기 하중 보상 유닛에서 일정한 보상력을 제공하기 위해서, 상기 모터에서 생성되는 토크의 크기와 방향을 측정하는 제2 센서 유닛;을 더 포함하는, 수술 로봇 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 베이스 칼럼;
    복수개의 암을 가지는 로봇 암 유닛;
    상기 로봇 암 유닛과 상기 베이스 칼럼을 연결하며, 상기 베이스 칼럼의 높이 방향으로 이동하는 커넥터 유닛;
    상기 커넥터 유닛과 연결되며, 상기 로봇 암 유닛 및 상기 커넥터 유닛 중 적어도 하나의 정하중을 보상하도록 상기 커넥터 유닛에 보상력을 제공하며, 정하중 스프링과 모터를 가지는 하중 보상 유닛; 및
    상기 하중 보상 유닛이 일정한 보상력을 제공하도록, 상기 커넥터 유닛의 높이에 따라 상기 모터에서 생성되는 토크의 크기와 방향에 관한 제1 데이터를 산출하는 컨트롤러;를 포함하고,
    상기 컨트롤러는
    상기 베이스 칼럼에서 상기 커넥터 유닛의 제1 높이와 제2 높이를 설정하고, 상기 제1 높이와 상기 제2 높이에서 각각 상기 하중 보상 유닛의 상기 보상력이 일정하도록 상기 모터의 토크의 크기와 방향에 대한 제1 데이터를 생성하고,
    상기 제1 높이와 상기 제2 높이 사이의 구간에서, 상기 모터의 토크의 크기와 방향을 추정한 제2 데이터를 생성하는, 수술 로봇 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는
    상기 로봇 암 유닛의 각 높이에서 측정된 상기 제1 데이터를 기초로, 측정되지 않은 높이에서의 상기 모터의 크기와 방향에 관한 제2 데이터를 추정하는, 수술 로봇 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는
    상기 수술 로봇 장치를 구동시에, 상기 로봇 암 유닛의 높이에 따라 상기 제1 데이터 및 상기 제2 데이터 중 적어도 하나를 이용하여, 상기 모터의 토크의 크기 및 방향을 제어하는, 수술 로봇 장치.
  9. 정하중 스프링과 모터를 가지는 하중 보상 유닛이 장착된 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법에 있어서,
    제1 센서 유닛이 베이스 칼럼에 장착된 로봇 암 유닛의 제1 높이를 측정하는 단계;
    제2 센서 유닛이 상기 하중 보상 유닛이 기 설정된 보상력을 제공하기 위해서, 상기 제1 높이에서 상기 모터가 생성해야 할 토크의 크기와 방향을 측정하는 단계;
    상기 제1 센서 유닛이 상기 베이스 칼럼에 장착된 상기 로봇 암 유닛의 제2 높이를 측정하는 단계;
    상기 제2 센서 유닛이 상기 하중 보상 유닛이 기 설정된 보상력을 제공하기 위해서, 상기 제2 높이에서 상기 하중 보상 유닛의 상기 모터가 생성해야 할 토크의 크기와 방향을 측정하는 단계;
    컨트롤러는 상기 제1 높이와 상기 제2 높이에서 측정된 상기 모터의 토크에 관한 데이터를 제1 데이터로 데이터 저장부에 저장하는 단계;
    상기 로봇 암 유닛이 상기 베이스 칼럼에서 이동하면, 상기 컨트롤러가 상기 데이터 저장부에 저장된 데이터를 기초로 상기 로봇 암 유닛의 높이에 따라 상기 모터의 토크의 크기와 방향을 조절하는 단계; 및
    상기 컨트롤러는 상기 제1 높이와 상기 제2 높이 사이 구간에서, 상기 모터가 생성해야 할 토크의 크기와 방향을 추정하여 제2 데이터로 산출 및 저장하는 단계;를 포함하는, 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
KR1020200187139A 2020-12-30 2020-12-30 수술 로봇 장치 및 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법 KR102503569B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200187139A KR102503569B1 (ko) 2020-12-30 2020-12-30 수술 로봇 장치 및 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법
CN202111635734.3A CN114681059A (zh) 2020-12-30 2021-12-29 手术机器人装置及手术机器人装置的负载补偿方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200187139A KR102503569B1 (ko) 2020-12-30 2020-12-30 수술 로봇 장치 및 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220095530A KR20220095530A (ko) 2022-07-07
KR102503569B1 true KR102503569B1 (ko) 2023-02-24

Family

ID=82398491

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200187139A KR102503569B1 (ko) 2020-12-30 2020-12-30 수술 로봇 장치 및 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102503569B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090190721A1 (en) * 2008-01-25 2009-07-30 Yong Lv X-ray detecting stand and x-ray imaging apparatus

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015142786A1 (en) * 2014-03-17 2015-09-24 Intuitive Surgical Operations, Inc. Constant force spring with active bias

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090190721A1 (en) * 2008-01-25 2009-07-30 Yong Lv X-ray detecting stand and x-ray imaging apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220095530A (ko) 2022-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10500006B2 (en) Constant force spring with active bias
US9888974B2 (en) Friction compensation in a minimally invasive surgical apparatus
JP2021502173A (ja) ロボットマニピュレータ又は関連ツールを制御するためのシステム及び方法
KR20170125847A (ko) 모터 토크 보상을 위한 시스템 및 방법
KR20190140818A (ko) 로봇 암 구조물 및 이를 포함하는 수술 로봇의 매니퓰레이터
CN112203610A (zh) 外科机器人工具多电机致动器和控制器
CN113194869B (zh) 手术机器人装置和手术机器人装置的驱动方法
US20230121745A1 (en) Haptic user interface for robotically controlled surgical instruments
KR102503569B1 (ko) 수술 로봇 장치 및 수술 로봇 장치의 하중 보상 방법
KR102503568B1 (ko) 수술 로봇 장치
KR102221090B1 (ko) 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔 및 그 조작방법
CN114681059A (zh) 手术机器人装置及手术机器人装置的负载补偿方法
US20230147674A1 (en) Robotic system for tele-surgery

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant