KR20100075229A - 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치 및 방법 - Google Patents

수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치 및 방법 Download PDF

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KR20100075229A
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(주)미래컴퍼니
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Abstract

본 발명은 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 수술 로봇을 이용하여 수술도구를 조작하여 수술을 수행할 때 수술도구에 작용하는 외력을 의사가 원격조정부를 통하여 느낄 수 있도록 수술도구에 작용하는 외력을 산출하여 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 따르면, 제어부는 커플된 복수개의 액추에이터(actuator)를 통하여 수술도구를 조작한다. 제어부는 수술도구의 조작에 따라 수술도구에 작용하는 외력에 의한 액추에이터에 각각 설치된 토크 센서(torque sensor)의 변형량을 검출하는 변형량 검출부로부터 검출된 변형량을 수신한다. 제어부는 수신된 변형량을 각각의 액추에이터별로 작용한 토크로 분리한다. 그리고 제어부는 각각의 액추에이터별 토크로부터 외력에 의한 수술도구의 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 방향의 힘을 산출한다. 또한 제어부는 산출된 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 원격조정부로 전달한다.
수술 로봇, 피드백, 수술도구, 토크, 변형

Description

수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring force operating tool for operating robot}
본 발명은 수술용 로봇 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수술용 로봇에 장착되는 수술도구의 조작시 수술도구로부터 전달되는 힘을 의사에게 전달하기 위해서 해당하는 힘을 측정하는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 수술 로봇은 외과의사에 의해 시행되던 수술 행위를 대신할 수 있는 기능을 가지는 로봇을 말한다. 이러한 수술 로봇은 사람에 비해서 정확하고 정밀한 동작을 할 수 있으며 원격 수술이 가능하다는 장점을 가진다. 현재 전세계적으로 개발되고 있는 수술 로봇으로는 뼈 수술 로봇, 복강경 수술 로봇, 정위 수술 로봇 등이 있다.
이와 같은 수술 로봇은 매니퓰레이터(manipulator)와, 매니퓰레이터에 장착된 수술도구 모듈 및 각 부분을 제어하는 원격조정부를 포함하여 구성된다. 의사는 원격조정부를 통하여 매니퓰레이터 및 수술도구 모듈을 조작하여 수술을 수행한다. 이때 수술도구 모듈은 수술도구와, 수술도구를 조작하기 위한 커플된 복수의 액추 에이터(actuator)를 포함한다.
이와 같이 의사가 수술 로봇을 이용하여 수술도구를 조작하여 수술할 때, 예컨대 장기 봉합을 할 때 수술도구를 이용하여 봉합실을 어느 정도의 장력으로 당겨야 하는 지를 정확히 알 필요가 있다. 하지만 의사는 원격조정부를 통하여 수술도구를 조작하기 때문에, 의사가 직접 수술도구를 조작하여 수술하는 것에 비해서 감이 떨어질 수 밖에 없다. 즉 원격조정부를 통하여 수술도구에 작용한 힘에 대해서 실제 수술도구를 통하여 작용하는 힘에는 차이가 있지만 이를 의사는 인지할 수 없다.
따라서 의사가 수술용 로봇을 사용하여 안정적으로 수술할 수 있도록, 의사가 실제 수술도구를 사용하여 수술할 때와 같이, 수술도구에 작용한 힘에 대한 반작용으로 수술도구에서 전달되는 외력을 의사에게 전달할 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 의사가 수술용 로봇을 사용하여 안정적으로 수술할 수 있도록, 의사가 실제 수술도구를 사용하여 수술할 때와 같이, 수술도구에 작용한 외력을 측정하여 출력하는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 방향으로 동작하는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 방법으로, 제어부는 커플된 복수개의 액추에이터를 통하여 수술도구를 조작하는 조작 과정과, 상기 제어부는 상기 수술도구의 조작에 따라 상기 수술도구에 작용하는 외력에 의한 상기 액추에이터에 각각 설치된 토크 센서의 변형량을 검출하는 변형량 검출부로부터 상기 검출된 변형량을 수신하는 수신 과정과, 상기 제어부는 상기 수신된 변형량을 상기 각각의 액추에이터별로 작용한 토크로 분리하는 분리 과정과, 상기 제어부는 상기 각각의 액추에이터별 토크로부터 상기 외력에 의한 상기 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 산출하는 산출 과정을 포함하는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 방법은 상기 조작 과정 전에 수행되는 상기 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘의 영점을 보정하는 캘리브레이션 과정을 더 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 방법에 있어서, 상기 캘리브레이션 과정은, 상기 제어부는 상기 수술도구에 힘을 작용하지 않은 상태에서 상기 수신 과정, 상기 분리 과정 및 상기 산출 과정을 수행하여 상기 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 산출하는 과정과, 상기 제어부는 상기 산출된 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 영점으로 보정하는 과정을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 방법에 있어서, 상기 수신 과정은 상기 액추에이터에 각각 설치된 상기 토크 센서의 변형량을 상기 변형량 검출부의 스트레인게이지가 검출하여 상기 변형량 검출부의 증폭기로 전송하는 과정과, 상기 증폭기는 상기 스트레인게이지로부터 수신한 상기 변형량에 대한 신호를 증폭하여 상기 제어부로 전송하는 과정과, 상기 제어부는 상기 증폭된 변형량에 대한 신호를 수신하는 과정을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 방법은 상기 산출 과정 이후에 수행되는, 상기 제어부는 상기 산출된 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 원격조정부로 전달하는 전달 과정을 더 포함하여 구성된다.
본 발명은 또한, 베이스판, 커플된 복수의 액추에이터, 토크 센서, 변형량 검출부, 텐던, 수술도구 및 제어부를 포함하여 구성되는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치를 제공한다. 상기 베이스판은 제1 면과, 상기 제1 면에 반대되는 제2 면을 가지며, 복수의 관통 구멍이 형성되어 있다. 상기 커플된 복수의 액추에이터는 상기 베이스판의 관통 구멍을 통하여 상기 베이스판의 제2 면으로 축이 돌출되게 상기 베이스판의 제1 면에 설치된다. 상기 토크 센서는 상기 액추에이터별로 각 각 설치되며, 상기 베이스판의 제1 면에 상기 액추에이터를 고정한다. 상기 변형량 검출부는 상기 토크 센서의 변형량을 검출한다. 상기 텐던은 일단부가 상기 베이스판의 제2 면에 고정 설치되며, 상기 일단부와 연결된 타단부가 상기 베이스판 밖으로 뻗어 있으며, 상기 일단부에서 인출된 복수의 와이어가 각각 상기 액추에이터의 축에 각각 연결된다. 상기 수술도구는 상기 텐던의 타단부에 설치되며, 상기 와이어의 타단이 연결되어 상기 액추에이터에서 작용한 힘을 전달받아 동작한다. 그리고 상기 제어부는 상기 수술도구의 조작에 따라 상기 수술도구에 작용하는 외력에 의해 변형되는 상기 토크 센서의 변형량을 상기 변형량 검출부로부터 수신하고, 상기 수신된 변형량을 상기 각각의 액추에이터별로 작용한 토크로 분리하고, 상기 각각의 액추에이터별 토크로부터 상기 외력에 의한 상기 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 산출한다.
본 발명에 따른 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치에 있어서, 상기 토크 센서는 상기 베이스판의 제1 면에 대해서 상기 액추에이터를 일정 간격 이격 설치하는 설치부와, 상기 설치부와 일체로 형성되며, 상기 액추에이터의 축을 향하여 방사형으로 뻗어 있으며, 상기 액추에이터가 고정되는 복수의 토크 바를 포함하여 구성된다. 이때 상기 변형량 검출부는 상기 토크 바의 변형량을 검출한다.
본 발명에 따른 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치에 있어서, 상기 변형량 검출부는 상기 토크 바에 설치되며, 상기 토크 바의 변형량을 검출하는 복수의 스트레인게이지와, 상기 복수의 스트레인게이지에서 출력되는 상기 변형량에 대한 신호를 증폭하여 상기 제어부로 전송하는 증폭기를 포함하여 구성된다.
그리고 본 발명은 또한, 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 방향으로 동작하는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치로서, 토크 센서, 변형량 검출부 및 제어부를 포함하여 구성되는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치를 제공한다. 상기 토크 센서는 상기 수술도구를 조작하는 커플된 복수의 액추에이터별로 각각 설치되며, 베이스판의 제1 면에 상기 액추에이터를 고정한다. 상기 변형량 검출부는 상기 토크 센서의 변형량을 검출한다. 그리고 상기 제어부는 상기 수술도구의 조작에 따라 상기 수술도구에 작용하는 외력에 의해 변형되는 상기 토크 센서의 변형량을 상기 변형량 검출부로부터 수신하고, 상기 수신된 변형량을 상기 각각의 액추에이터별로 작용한 토크로 분리하고, 상기 각각의 액추에이터별 토크로부터 상기 외력에 의한 상기 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 산출한다.
본 발명에 따르면, 수술도구에 작용하는 외력에 따른 액추에이터에 각각 설치된 토크 센서의 변형량을 검출하고, 검출된 변형량을 각각의 액추에이터별로 작용한 토크로 분리하여 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 산출할 수 있다. 이로 인해 산출된 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 원격조정부에 피드백(feedback)함으로써, 수술도구에 작용하는 외력을 의사가 원격조정부를 통하여 느낄 수 있도록 할 수 있다.
따라서 의사가 실제 수술도구를 사용하여 수술할 때와 같이, 수술용 로봇을 사용하여 안정적으로 수술할 수 있도록 유도할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 여기서 "의사"는 수술 로봇을 조작하여 수술을 수행하는 사람을 의미한다.
수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치
본 발명의 실시예에 따른 수술 로봇용 수술도구(80)의 힘 측정 장치(100)는, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 베이스판(30), 커플된 복수의 액추에이터(60), 토크 센서(40; torque sensor), 변형량 검출부(50), 텐던(70; tendon), 수술도구(80) 및 제어부(10)를 포함하여 구성되며, 메모리부(20)를 더 포함할 수 있다. 제어부(10)는 수술도구(80)에 작용한 외력에 따라 산출된 수술도구(80)의 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 방향의 힘을 원격조정부(90)로 제공한다.
메모리부(20)는 힘 측정 장치(100)의 동작 제어시 필요한 프로그램과, 그 프로그램 수행 중에 발생되는 데이터를 저장한다. 메모리부(20)는 캘리브레이션(calibration)을 수행하여 산출할 힘의 영점을 보정하고, 캘리브레이션 이후에 수술도구(80)의 조작에 따라 수술도구(80)에 작용하는 외력에 의한 수술도구(80)의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 산출하기 위한 실행프로그램을 저장한다. 메모리부(20)는 캘리브레이션에 의해 보정한 힘의 영점을 저장한다.
베이스판(30)은, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 커플된 복수의 액추에이터(60)와 텐던(70)의 일단부가 설치되는 부분으로서, 매니퓰레이터의 작동 유닛에 설치된다. 베이스판(30)은 제1 면(31)과, 제1 면(31)에 반대되는 제2 면(33)을 가지며, 복수의 관통 구멍(35)이 형성되어 있다. 제2 면(33)의 상단부에는 텐 던(70)의 일단부가 삽입되어 고정 설치되는 결합부(37)가 형성되어 있다. 본 실시예에 따른 베이스판(30)에는 4개의 액추에이터(60)가 설치될 수 있는 4개의 관통 구멍(35)이 형성되어 있다. 관통 구멍(35)을 포함하여 액추에이터(60)가 설치되는 부분은 제1 면(31)에 대해서 하향 단차지게 홈(39) 형태로 형성되어 있다.
액추에이터(60)는, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제어부(10)의 제어에 따라 수술도구(80)에 구동력을 전달한다. 액추에이터(60)는 베이스판(30)의 관통 구멍(35)을 통하여 베이스판(30)의 제2 면(33)으로 축(65)이 돌출되게 베이스판(30)의 제1 면(31)에 설치된다. 커플된 복수의 액추에이터(60)는 수술도구(80)를 롤, 피치 및 요 방향으로 동작시킨다. 액추에이터(80)는 모터(61)와 감속기(63)를 포함하여 구성되며, 감속기(63)의 일단으로 축(65)이 돌출되어 있으며, 모터(61)의 타단에는 엔코더(67; encoder)가 결합되어 있다. 제2 면(33)으로 돌출된 축(65) 부분에는 풀리(69; pulley)가 결합되어 있다.
토크 센서(40)는, 도 2, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 수술도구(80)에 작용하는 외력에 대응하여 변형되는 구조물이다. 토크 센서(40)는 액추에이터(60)별로 각각 설치되며, 베이스판(30)의 제1 면(31)에 액추에이터(60)를 고정한다. 토크 센서(40)는 설치부(41) 및 복수의 토크 바(47; torque bar)를 포함하여 구성된다. 설치부(41)는 베이스판(30)의 제1 면(31)에 대해서 액추에이터(60)를 일정 간격 이격 설치한다. 복수의 토크 바(47)는 설치부(41)와 일체로 형성되며, 액추에이터(60)의 축(65)을 향하여 방사형으로 뻗어 있으며, 액추에이터(60)가 체결 나사(48)에 의해 고정된다. 설치부(41)는 설치판(43)과 지지판(45)을 포함하여 구성 된다. 설치판(43)은 링 형태로 체결 나사(42)에 의해 베이스판(30)의 제1 면(31)에 설치된다. 지지판(45)은 설치판(43)의 내측에서 일정 높이로 돌출되어 있으며, 상단에 복수의 토크 바(47)가 축(65)을 향하여 방사형으로 형성되어 있다. 본 실시예에서는 지지대(45)에 4개의 토크 바(47)가 형성된 예를 개시하였다.
한편 본 실시예에 따른 토크 센서(40)는 액추에이터(60)의 축(65)이 돌출된 면에 토크 바(47)가 고정 설치된 예를 개시하였지만 이에 한정되지 않으며 다양하게 변형될 수 있음은 물론이다. 예컨대 본 실시예에서는 토크 바(47)가 바 형태로 구현된 예를 개시하였지만, 적어도 1회 이상의 절곡된 형태를 갖거나, 라운드지게 형성될 수도 있다. 또는 본 실시예에서는 지지판(45)이 액추에이터(60)에서 떨어진 형태로 구현된 예를 개시하였지만, 지지판의 일부가 액추에이터의 일부를 감싸는 형태로 구현될 수도 있다. 그 외 토크 센서(40)는 다양하게 변형될 수 있다.
변형량 검출부(50)는 수술도구(80)에 작용하는 외력에 대응하여 변형되는 토크 센서(40)의 변형량을 검출한다. 변형량 검출부(50)는 복수의 스트레인게이지(51; strain gage)와 증폭기(53; amplifier)를 포함하여 구성된다. 복수의 스트레인게이지(51)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 토크 바(47)에 설치되며, 토크 바(47)의 변형량을 검출하여 증폭기(53)로 전송한다. 증폭기(53)는 복수의 스트레인게이지(51)에서 출력되는 변형량에 대한 신호를 증폭하여 제어부(10)로 전송한다. 이때 복수의 스트레인게이지(51)는 마주보는 두 개의 토크 바(47)에 설치된다. 토크 바(47)에는 각각 두 개의 스트레인게이지(51)가 서로 대향하게 설치된다. 도시하진 않았지만 스트레인게이지(51)와 증폭기(53)는 케이블로 연결된다.
텐던(70)은, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 수술도구(80)와 액추에이터(60)를 매개하는 부분으로서, 액추에이터(60)에서 전달받은 구동력을 수술도구(80)로 전달하는 기능을 수행한다. 텐던(70)은 긴 관 형태의 보호 케이스(71)와, 보호 케이스(71)에 내설된 복수의 와이어(73)를 포함하여 구성된다. 와이어(73)의 일단은 액추에이터(60)에 연결되고, 와이어(73)의 타단은 수술도구(80)에 연결된다. 이때 텐던(70)은 일단부가 베이스판(30)의 제2 면(33)에 형성된 결합부(37)에 고정 설치되며, 일단부와 연결된 타단부는 베이스판(30) 밖으로 뻗어 있다. 텐던(70)은 일단부에서 인출된 복수의 와이어(73)가 각각 액추에이터(60)의 축(65)에 결합된 풀리(69)에 연결된다.
수술도구(80)는, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 텐던(80)의 타단부에 설치되며, 와이어(73)의 타단이 연결되어 액추에이터(60)의 구동에 따라 동작한다. 수술도구(80)는 커플된 복수의 액추에이터(60)에서 전달받은 구동력에 따라 롤, 피치, 요 방향으로 동작하며, 그립(grip) 동작을 수행한다. 한편 본 실시예에 따른 수술도구(80)는 하나의 예시에 불과하며, 수행되는 수술에 따라서 다른 구조를 가질 수 있음은 물론이다.
그리고 제어부(10)는 힘 측정 장치(100)의 전반적인 제어 동작을 수행하는 마이크로프로세서이다. 제어부(10)는 캘리브레이션을 수행하여 산출할 힘의 영점을 보정하고, 캘리브레이션 이후에 수술도구(80)에 작용하는 외력에 따른 수술도구(80)의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 산출한다. 제어부(10)는 산출된 힘을 원격조정부(90)에 제공하여 의사가 수술도구(80)에 작용하는 외력을 느낄 수 있도록 한 다.
제어부(10)는 원격조정부(90)에서 입력되는 의사의 조작신호를 수신하여 커플된 액추에이터(60)로 전송하여 수술도구(80)를 조작한다. 이때 변형량 검출부(50)는 수술도구(80)에 작용하는 외력에 따라 변형되는 토크 센서(40)의 변형량을 검출하고, 제어부(10)는 변형량 검출부(50)로부터 검출된 변형량에 대한 신호를 수신한다. 이때 토크 센서(40)는 수술도구(80)에 작용하는 외력이 텐던(70)을 통해 액추에이터(60)로 전달되어 오는 힘에 의해 변형되고, 변형량 검출부(50)는 이를 검출한다. 변형량 검출부(50)는 토크 센서(40)에서 검출한 변형량을 증폭한 신호를 제어부(10)로 전송한다. 복수의 액추에이터(60)가 서로 커플되어 있기 때문에, 제어부(10)는 수신된 변형량을 각각의 액추에이터(60)별로 작용한 토크로 분리하고, 각각의 액추에이터(60)별 토크로부터 수술도구(80)의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 산출한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 힘 측정 장치(100)는 수술도구(80)에 작용하는 외력에 따른 액추에이터(60)에 각각 설치된 토크 센서(40)의 변형량을 검출하고, 검출된 변형량을 각각의 액추에이터(60)별로 작용한 토크로 분리하여 수술도구(80)의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 산출할 수 있다. 이로 인해 산출된 수술도구(80)의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 원격조정부(90)에 피드백(feedback)함으로써, 수술도구(80)에 작용하는 외력을 의사가 원격조정부(90)를 통하여 느낄 수 있도록 할 수 있다. 따라서 의사가 실제 수술도구를 사용하여 수술할 때와 같이, 수술용 로봇을 사용하여 안정적으로 수술할 수 있도록 유도할 수 있다.
한편으로 본 실시예에 따른 힘 측정 장치(100)에 있어서, 실제 힘 측정은 토크 센서(40), 변형량 검출부(50) 및 제어부(10)에 의해 수행된다. 따라서 넓은 의미에게 힘 측정 장치(100)는 토크 센서(40), 변형량 검출부(50) 및 제어부(10)를 포함하여 구성될 수 있다.
수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 방법
이와 같은 본 실시예에 따른 힘 측정 장치(100)를 이용한 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 방법을 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 힘 측정 장치(100)를 이용한 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 방법에 따른 흐름도이다.
먼저 S101과정에서 수술 로봇의 매니퓰레이터(도시 안됨)에 장착되는 수술도구 모듈에 대한 캘리브레이션을 수행한다. 캘리브레이션은 매니퓰레이터에 처음 수술도구 모듈을 장착할 때 수행될 수 있다. 캘리브레이션은 수술도구(80)의 롤, 피치, 요 방향의 힘의 영점을 보정하는 과정이다. 즉 S101과정에서 제어부(10)는 수술도구(80)에 아무런 외력을 작용하지 않은 상태에서 후술될 S103과정 내지 S109과정을 수행하여 산출된 수술도구(80)의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 영점으로 보정한다.
캘리브레이션 과정 이후에 의사가 원격조정부(90)를 통하여 수술도구(80)를 조작하는 경우, S103과정에서 변형량 검출부(50)는 수술도구(80)에 작용하는 외력에 따른 토크 센서(40)의 변형량을 검출한다. 이어서 S105과정에서 변형량 검출 부(50)는 검출된 변형량의 신호를 증폭하여 제어부(10)로 전송한다.
다음으로 S107과정에서 제어부(10)는 변형량 검출부(50)에서 수신한 변형량을 액추에이터(60)별로 작용한 토크로 분리한다. 이어서 S109과정에서 제어부(10)는 각각의 액추에이터(60)별로 분리한 토크로부터 외력에 따른 수술도구(80)의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 산출한다.
그리고 S111과정에서 제어부(10)는 산출된 외력에 따른 수술도구(80)의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 의사가 느낄 수 있도록 원격조정부(90)로 전달한다. 따라서 의사는 수술도구(80)에 작용하는 외력을 원격조정부(90)를 통하여 느낄 수 있다.
다음으로 S113과정에서 제어부(10)는 원격조정부(90)로부터 수술도구(80) 조작의 종료 신호가 입력되는 지의 여부를 판단한다. S113과정의 판단 결과 종료 신호가 입력되지 않은 경우, 제어부(10)는 S103과정부터 다시 수행한다.
그리고 S113과정의 판단 결과 종료 신호가 입력된 경우, 제어부(10)는 수술도구(80)의 조작을 종료한다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 매니퓰레이터에 장착되는 수술도구 모듈을 보여주는 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 수술도구 모듈이 조립된 상태를 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 2의 수술도구 모듈의 베이스판을 보여주는 평면도이다.
도 5는 토크 센서에 액추에이터가 설치된 상태를 보여주는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 힘 측정 장치를 이용한 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 방법에 따른 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *
10 : 제어부 20 : 메모리부
30 : 베이스판 40 : 토크 센서
50 : 변형량 검출부 51 : 스트레인게이지
53 : 증폭기 60 : 액추에이터
70 : 텐던 71 : 보호케이스
73 : 와이어 80 : 수술도구
100 : 힘 측정 장치

Claims (9)

  1. 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 방향으로 동작하는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 방법으로,
    제어부는 커플된 복수개의 액추에이터를 통하여 수술도구를 조작하는 조작 과정과;
    상기 제어부는 상기 수술도구의 조작에 따라 상기 수술도구에 작용하는 외력에 의한 상기 액추에이터에 각각 설치된 토크 센서의 변형량을 검출하는 변형량 검출부로부터 상기 검출된 변형량을 수신하는 수신 과정과;
    상기 제어부는 상기 수신된 변형량을 상기 각각의 액추에이터별로 작용한 토크로 분리하는 분리 과정과;
    상기 제어부는 상기 각각의 액추에이터별 토크로부터 상기 외력에 의한 상기 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 산출하는 산출 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조작 과정 전에 수행되는,
    상기 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘의 영점을 보정하는 캘리브레이션 과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 캘리브레이션 과정은,
    상기 제어부는 상기 수술도구에 힘을 작용하지 않은 상태에서 상기 수신 과정, 상기 분리 과정 및 상기 산출 과정을 수행하여 상기 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 산출하는 과정과;
    상기 제어부는 상기 산출된 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 영점으로 보정하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 수신 과정은,
    상기 액추에이터에 각각 설치된 상기 토크 센서의 변형량을 상기 변형량 검출부의 스트레인게이지가 검출하여 상기 변형량 검출부의 증폭기로 전송하는 과정과;
    상기 증폭기는 상기 스트레인게이지로부터 수신한 상기 변형량에 대한 신호를 증폭하여 상기 제어부로 전송하는 과정과;
    상기 제어부는 상기 증폭된 변형량에 대한 신호를 수신하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산출 과정 이후에 수행되는,
    상기 제어부는 상기 산출된 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 원격조정부로 전달하는 전달 과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇용 수술 도구의 힘 측정 방법.
  6. 제1 면과, 상기 제1 면에 반대되는 제2 면을 가지며, 복수의 관통 구멍이 형성된 베이스판과;
    상기 베이스판의 관통 구멍을 통하여 상기 베이스판의 제2 면으로 축이 돌출되게 상기 베이스판의 제1 면에 설치되는 복수의 액추에이터와;
    상기 액추에이터별로 각각 설치되며, 상기 베이스판의 제1 면에 상기 액추에이터를 고정하는 토크 센서와;
    상기 토크 센서의 변형량을 검출하는 변형량 검출부와;
    일단부가 상기 베이스판의 제2 면에 고정 설치되며, 상기 일단부와 연결된 타단부가 상기 베이스판 밖으로 뻗어 있으며, 상기 일단부에서 인출된 복수의 와이어가 각각 상기 액추에이터의 축에 각각 연결된 텐던과;
    상기 텐던의 타단부에 설치되며, 상기 와이어의 타단이 연결되어 상기 액추에이터에서 작용한 힘을 전달받아 동작하는 수술도구; 및
    상기 수술도구의 조작에 따라 상기 수술도구에 작용하는 외력에 의해 변형되는 상기 토크 센서의 변형량을 상기 변형량 검출부로부터 수신하고, 상기 수신된 변형량을 상기 각각의 액추에이터별로 작용한 토크로 분리하고, 상기 각각의 액추에이터별 토크로부터 상기 외력에 의한 상기 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 산출하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 토크 센서는,
    상기 베이스판의 제1 면에 대해서 상기 액추에이터를 일정 간격 이격 설치하는 설치부와;
    상기 설치부와 일체로 형성되며, 상기 액추에이터의 축을 향하여 방사형으로 뻗어 있으며, 상기 액추에이터가 고정되는 복수의 토크 바;를 포함하며,
    상기 변형량 검출부는 상기 토크 바의 변형량을 검출하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 변형량 검출부는,
    상기 토크 바에 설치되며, 상기 토크 바의 변형량을 검출하는 복수의 스트레인게이지와;
    상기 복수의 스트레인게이지에서 출력되는 상기 변형량에 대한 신호를 증폭하여 상기 제어부로 전송하는 증폭기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치.
  9. 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 방향으로 동작하는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치로서,
    상기 수술도구를 조작하는 커플된 복수의 액추에이터별로 각각 설치되며, 베이스판의 제1 면에 상기 액추에이터를 고정하는 토크 센서와;
    상기 토크 센서의 변형량을 검출하는 변형량 검출부와;
    상기 수술도구의 조작에 따라 상기 수술도구에 작용하는 외력에 의해 변형되는 상기 토크 센서의 변형량을 상기 변형량 검출부로부터 수신하고, 상기 수신된 변형량을 상기 각각의 액추에이터별로 작용한 토크로 분리하고, 상기 각각의 액추에이터별 토크로부터 상기 외력에 의한 상기 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 산출하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 로봇용 수술도구의 힘 측정 장치.
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