KR20110095529A

KR20110095529A - 로봇의 마스터 조작 디바이스 및 이를 이용한 수술용 로봇

Info

Publication number: KR20110095529A
Application number: KR1020100015051A
Authority: KR
Inventors: 민동명; 원종석; 장형준; 최승욱; 장배상
Original assignee: 주식회사 이턴
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-08-25
Also published as: KR101114235B1; WO2011102629A2; WO2011102629A3

Abstract

로봇의 마스터 조작 디바이스 및 이를 이용한 수술용 로봇이 개시된다. 로봇을 조작하기 위한 마스터(master) 조작 디바이스로서, 사용자에 의해 조작되는 김벌(gimbal)과, 로봇에 회동가능하도록 결합되며, 김벌이 공간상의 임의의 위치로 이동하도록 작동되는 링크부를 포함하되, 링크부는, 김벌이 수평면상에서 이동할 경우에 작동되는 스카라 링크(SCARA link)부와, 김벌이 연직방향으로 이동할 경우에 작동되는 패러랠 링크(parallel link)부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스는,

Description

로봇의 마스터 조작 디바이스 및 이를 이용한 수술용 로봇{Master manipulation device for robot and surgical robot using the same}

본 발명은 로봇의 마스터 조작 디바이스 및 이를 이용한 수술용 로봇에 관한 것이다.

의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기계를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 말한다. 특히, 수술부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제로 인하여 최근에는 로봇(robot)을 사용한 수술이 대안으로서 각광받고 있다.

이러한 수술용 로봇은 의사의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터(master)부와, 조작부로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave)부로 구분될 수 있는데, 마스터부와 슬레이브부는 하나의 수술용 로봇의 각 부분으로서 구분되거나, 각각 별도의 장치로, 즉 조작부는 마스터 로봇으로, 구동부는 슬레이브 로봇으로 구분되어 수술실에 각각 배치될 수도 있다.

수술용 로봇, 특히 마스터부에는 의사의 조작을 위한 디바이스가 설치되는데, 로봇 수술의 경우 집도의는 수술에 필요한 인스트루먼트를 직접 조작하는 것이 아니라, 전술한 디바이스를 조작하여 로봇에 장착된 각종 인스트루먼트가 수술에 필요한 동작을 수행하도록 한다.

이를 위해 마스터 조작 디바이스는 의사가 직접 수술을 진행하는 것과 마찬가지의 동작을 구현할 수 있도록 다관절 링크 등의 구조로 구성되며, 마스터 조작 디바이스에 대한 의사의 조작에 따라 그에 상응하는 신호가 생성되어 로봇의 슬레이브부로 전송된다.

종래의 마스터 조작 디바이스는 2축 이상의 방향으로 회전되도록 결합된 복수의 링크부재와, 링크부재의 말단에 결합되는 김벌(gimbal)로 이루어져, 의사가 손으로 김벌을 잡고 공간상의 임의의 위치로 이동시킬 수 있도록 구성된다. 그러나, 종래의 디바이스는 사용하지 않을 때에 특정 위치에 고정시켜 놓지 않으면 김벌의 자중으로 인하여 김벌이 링크부재에 대해 회전하여 아래쪽으로 떨어지게 된다.

또한, 김벌 및 링크부재의 자중에 의해 마스터 조작 디바이스가 중력 방향으로 회동하려는 힘, 즉 회전 모멘트(moment)가 발생할 수 있는데, 이러한 회전 모멘트로 인하여, 중력 방향으로는 힘을 가하지 않더라도 디바이스가 움직이거나, 중력 반대 방향으로는 디바이스를 조작하는 데에 더 많은 힘이 필요하게 되는 등의 문제가 발생할 수 있다.

특히, 마스터 조작 디바이스의 움직임이 그대로 로봇 암 및 인스트루먼트의 움직임으로 전달되는 수술용 로봇의 경우, 김벌이나 링크부재가 자중으로 인하여 의도치 않게 움직이면, 그에 따라 로봇 암이나 인스트루먼트가 의도되지 않은 동작을 수행하게 되어, 경우에 따라서는 의료사고로까지 이어질 수 있다는 문제가 있다.

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, 김벌이 자중에 의해 아래로 떨어지지 않고, 김벌을 공간상의 임의의 위치로 이동시킴에 있어서 필요한 힘의 양을 어느 정도 일정하게(특정 방향으로 너무 차이가 나지 않게) 할 수 있는 마스터 조작 디바이스 및 이를 이용한 수술용 로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 로봇을 조작하기 위한 마스터(master) 조작 디바이스로서, 사용자에 의해 조작되는 김벌(gimbal)과, 로봇에 회동가능하도록 결합되며, 김벌이 공간상의 임의의 위치로 이동하도록 작동되는 링크부를 포함하되, 링크부는, 김벌이 수평면상에서 이동할 경우에 작동되는 스카라 링크(SCARA link)부와, 김벌이 연직방향으로 이동할 경우에 작동되는 패러랠 링크(parallel link)부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스가 제공된다.

스카라 링크부의 일단부는 로봇에 결합되고, 패러랠 링크부의 일단부는 스카라 링크부의 타단부에 결합되며, 김벌은 패러랠 링크부의 타단부에 결합될 수 있다.

김벌은, 연직방향의 축을 중심으로 회전가능하도록 패러랠 링크부에 결합되는 리던던트(redundant) 부재를 포함할 수 있으며, 리던던트 부재에 제1 축을 중심으로 회전가능하도록 결합되는 제1 김벌부재와, 제1 김벌부재에 제1축과 평행하지 않은 제2 축을 중심으로 회전가능하도록 결합되는 제2 김벌부재와, 제2 김벌부재에 제1 축 및 제2 축과 각각 평행하지 않은 제3 축을 중심으로 회전가능하도록 결합되며, 사용자가 손으로 잡고 조작하는 핸들부재를 더 포함할 수 있다. 리던던트 부재는 사용자의 손의 위치에 상응하여 연직방향의 축을 중심으로 회전하도록 제어될 수 있다.

스카라 링크부는, 로봇에 연직방향의 축을 중심으로 회전가능하도록 결합되는 제1 링크부재와, 제1 링크부재에 연직방향의 축을 중심으로 회전가능하도록 결합되는 제2 링크부재를 포함할 수 있다.

패러랠 링크부는, 수평면상의 축을 중심으로 회전가능하도록 스카라 링크부에 각각 결합되는 한 쌍의 패러랠 부재를 포함할 수 있다. 패러랠 부재에는, 중력으로 인해 패러랠 부재에 작용하는 모멘트(moment)가 평형이 되도록 하는 모멘트 평형 기구가 설치될 수 있다.

모멘트 평형 기구는, 스카라 링크부의 타단부에 소정의 경로를 따라 천공되는 플레이트 캠(plate cam)과, 패러랠 부재가 회전함에 따라, 플레이트 캠에 의해 제공되는 이동 경로를 따라 이동하는 캠 팔로워(cam-follower)와, 패러랠 부재에 결합되며, 하중에 의한 모멘트와 상쇄되는 모멘트가 발생하도록 캠 팔로워에 장력을 인가하는 탄성체를 포함하되, 캠 팔로워는 장력이 가해지는 방향으로 이동 가능하도록 패러랠 부재 내에 설치되고, 플레이트 캠은 패러랠 부재가 회전함에 따라 캠 팔로워가 장력이 가해지는 방향으로 이동되는 거리를 구속하도록 형성될 수 있다.

플레이트 캠의 경로는, 패러랠 부재가 회전한 각도(θ)에 대하여 하기 수학식으로 표현되는 함수관계에 따라 형성될 수 있다.

여기서, r은 중심점에서 캠 팔로워까지의 거리, h는 패러랠 부재에서 탄성체의 장력 방향에 수직한 방향으로 캠 팔로워가 설치된 높이, φ는 중심점을 중심으로 캠 팔로워가 회전한 각도일 수 있다.

이 경우, 탄성체는 인장 변형되면서 장력을 인가하며, φ는 하기 수학식에 의해 산출될 수 있다.

여기서, A는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 중심점으로부터 탄성체가 지지된 지점까지의 거리, B는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 캠 팔로워와 탄성체 사이의 거리, s_f는 탄성체의 자유 길이, s₀는 탄성체의 초기 인장력으로 세팅된 길이(θ=0일 때), s₁은 탄성체의 나중 길이(회동부가 θ만큼 회전했을 경우 모멘트 평형을 이루기 위해 변형되는 길이), s는 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때, s=s₀-s_f), θ는 스카라 링크부에 대해 패러랠 부재가 회전한 각도일 수 있다.

또는, 탄성체는 압축 변형되면서 장력을 인가하며, φ는 하기 수학식에 의해 산출될 수 있다.

여기서, A는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 중심점으로부터 탄성체가 지지된 지점까지의 거리, B는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 캠 팔로워와 탄성체 사이의 거리, s_f는 탄성체의 자유 길이, s₀는 탄성체의 초기 인장력으로 세팅된 길이(θ=0일 때), s₁은 탄성체의 나중 길이(회동부가 θ만큼 회전했을 경우 모멘트 평형을 이루기 위해 변형되는 길이), s는 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때, s=s_f-s₀), θ는 스카라 링크부에 대해 패러랠 부재가 회전한 각도일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 마스터 조작 디바이스가 구비된 수술용 로봇으로서, 본체부와, 본체부에 연결되어 작동되는 로봇 암과, 로봇 암의 선단부에 장착되며, 수술 부위에 삽입되어 수술에 필요한 동작을 수행하는 인스트루먼트를 포함하되, 링크부는 본체부에 결합되며, 로봇 암 및 인스트루먼트는 김벌에 대한 사용자 조작에 상응하여 작동되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇이 제공된다.

본체부 및 마스터 조작 디바이스는 마스터 로봇을 구성하고, 로봇 암은 슬레이브 로봇에 장착되며, 슬레이브 로봇은 마스터 로봇과 유무선 통신방식으로 연결될 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 잇점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 마스터 조작용 디바이스에 스카라 링크 및 패러랠 링크를 적용하여 김벌의 수평 조작은 스카라 링크가, 김벌의 수직 조작은 패러랠 링크가 담당하도록 함으로써, 김벌의 자중에 의해 링크부가 회전하여 김벌이 아래로 떨어지는 현상을 방지하고, 김벌이 항상 수평 상태를 유지하도록 할 수 있다.

또한, 패러랠 링크에 모멘트 평형 기구를 적용함으로써, 패러랠 링크가 중력에 의해 아래로 처지지 않도록 할 수 있으며, 김벌을 이동시킴에 있어서 중력의 영향을 받지 않고 어느 방향으로든 큰 차이 없이 어느 정도 일정한 힘이 가해지도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마스터 조작 디바이스를 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 김벌을 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마스터 조작 디바이스를 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구를 나타낸 개념도.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구에서 플레이트 캠의 형상의 도출을 위한 개념도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇을 나타낸 개념도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 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, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마스터 조작 디바이스를 나타낸 개념도이다. 도 1을 참조하면, 마스터 조작 디바이스(48), 김벌(50), 스카라 링크부(60), 패러랠 링크부(70)가 도시되어 있다.

본 실시예는, 로봇을 조작하기 위한 마스터 조작용 디바이스에 패러랠 링크를 사용하여, 김벌이 연직방향(연직상방 및 연직하방)으로 움직이는 것은 패러랠 링크가 작동되어 담당하고, 김벌이 수평면을 기준으로 움직이는 것은 일반 스카라 링크가 작동되어 담당하도록 함으로써, 김벌의 자중으로 인하여 링크부가 의도치 않게 회전되어 김벌의 조작에 장애가 생기는 현상을 방지한 것을 특징으로 한다.

즉, 본 실시예에 따른 마스터 조작 디바이스(48)는, 사용자가 손으로 잡고 조작하는 부분인 김벌(gimbal)(50)과 김벌(50)이 공간상의 임의의 위치로 이동하도록 작동되는 링크부를 기본 구조로 하는데, 링크부는 스카라(SCARA, Selective Compliance Assembly Robot Arm) 링크부와, 패러랠 링크부(70)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

스카라 링크부(60)는 김벌(50)이 수평면(도 1의 'x-y'평면 참조)을 기준으로 이동할 경우, 즉 전, 후, 좌, 우 방향으로 이동할 경우에 작동되는 링크이고, 패러랠 링크부(70)는 김벌(50)이 연직방향(도 1의 'z'축 방향 참조)으로 이동할 경우, 즉 상, 하 방향으로 이동할 경우에 작동되는 링크이다. 이처럼, 스카라 링크부(60)와 패러랠 링크부(70)로 구분하더라도, 김벌(50)을 3차원 공간 내에서 원하는 위치로 이동시키는 데에 필요한 자유도를 확보하는 데에는 문제가 없다.

김벌(50)의 움직임을 수평면을 기준으로 한 움직임과 연직방향으로의 움직임으로 구별하고, 김벌(50)의 각 움직임을 서로 다른 링크부가 담당하도록 함으로써, 김벌(50)(및 링크부)의 자중에 의해 링크부가 회전되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 김벌(50)에 중력이 작용하더라도 링크부 전체가 회전하는 것이 아니라, 연직방향으로의 움직임을 담당하는 패러랠 링크부(70)만이 작동되므로, 김벌(50)이 중력 방향으로 하강하게 된다.

나아가, 후술하는 것처럼 패러랠 링크부(70)에 모멘트 평형 기구를 적용할 경우, 김벌(50) 및 패러랠 링크의 자중에 의한 회전 모멘트를 상쇄시킬 수 있으므로, 사용자는 공간상의 어느 방향으로든지 큰 차이 없이 어느 정도 일정한 힘으로 김벌(50)을 움직일 수 있고, 사용자가 김벌(50)에서 손을 떼더라도 김벌(50)이 자중에 의해 회전하거나 하강하지 않고 조작되었던 최종 위치를 고수하게 된다.

본 실시예에 따른 링크부는 일단부가 로봇에 회동가능하도록 결합되고 타단부에는 김벌(50)이 결합되어, 김벌(50)이 공간상의 임의의 위치로 이동할 수 있도록 작동되는 구성요소로서, 로봇에 스카라 링크부(60)가 결합되고 스카라 링크부(60)에 패러랠 링크부(70)가 결합되는 방식으로 링크부가 구성될 수 있다.

패러랠 링크부(70)에는 김벌(50)이 결합되는데, 이처럼 본 실시예에 따른 링크부에서 패러랠 링크부(70)를 마지막 링크단으로, 즉 김벌(50)이 결합되는 최종 링크단으로 구성함으로써 패러랠 링크부(70)에 걸리는 하중을 그 자중과 김벌(50)의 중량만으로 줄일 수 있고, 이에 따라 패러랠 링크부(70)에 걸리는 모멘트의 크기를 줄일 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 김벌을 나타낸 사시도이다. 도 2를 참조하면, 김벌(50), 리던던트 부재(52), 제1 김벌부재(54), 제2 김벌부재(56), 핸들부재(58), 패러랠 링크부(70)가 도시되어 있다.

전술한 바와 같이 본 실시예에 따른 링크부는 김벌(50)이 3차원 공간상에서 이동할 수 있도록, 예를 들면 도 1에서 x, y, z 방향으로 이동할 수 있도록 3 자유도를 가지는데, 여분의 자유도가 없기 때문에 링크부(특히 스카라 링크부(60))의 각 관절에서 각 링크부재가 이루는 각도에 따라 링크를 회동시키는데 드는 힘이 달라질 수 있으며, 이에 따라 사용자가 김벌(50)을 잡고 움직이는 과정에서 필요 이상의 힘을 가해야 하거나 김벌(50)의 이동하지 못하게 되는, 이른바 '싱귤러 포인트(singular point)'가 존재할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 링크부는 공간상의 이동에만 자유도를 제공하며, 김벌(50)의 회전 조작(예를 들면, 비틀림(twist) 조작)에 대한 자유도는 제공하지 못하는 한계가 있을 수 있다.

이에 대해, 본 실시예에 따른 김벌(50)에는 여분의 자유도를 확보하기 위해 리던던트 조인트가 부가될 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 김벌(50)에는 도 2에 도시된 것처럼 리던던트(redundant) 부재(52)가 더 결합될 수 있는데, 리던던트 부재(52)는 z축을 중심으로 회전하도록 패러랠 링크부(70)의 말단에 축결합될 수 있다. 이처럼 리던던트 조인트를 부가함으로써, 링크부가 김벌(50)의 회전 조작이나 비틀림 조작을 담당해주지 않아도, 김벌(50)을 공간상에서 임의의 방향으로 회전시킬 수 있다.

다만, 리던던트 부재(52)가 반드시 패러랠 링크부(70)의 말단(즉, 김벌(50)의 첫단)에 연결되어야 하는 것은 아니며, 복수의 부재의 결합으로 이루어지는 김벌(50)의 임의의 위치에 리던던트 부재(52)가 개재되도록 설계, 제작할 수도 있음은 물론이다.

또한, 리던던트 부재(52)를 패러랠 링크의 말단에 z축에 대해 축결합하여 김벌(50)이 항상 수평 상태로 유지(z축을 중심으로만 회전)되도록 함으로써, 전술한 바와 같이 김벌(50)이 자중에 의해 아래쪽으로 회전되어 떨어지는 현상을 방지하고, 김벌(50)의 자중이 그대로 패러랠 링크부(70)에 전달되도록 할 수 있다. 패러랠 링크부(70)가 김벌(50)의 자중을 담당하는 기능에 대해서는 도 4를 참조하여 후술한다.

본 실시예에 따른 김벌(50)은 공간상에서 임의의 방향으로 회전시키는 조작을 할 수 있도록 적어도 3개의 축을 중심으로 회전하는 적어도 3개의 부재의 축결합에 의해 구성될 수 있다.

즉, 리던던트 부재(52)에 제1 축(도 2의 'p'축 참조)을 중심으로 회전가능하도록 제1 김벌부재(54)를 축결합하고, 제1 김벌부재(54)에 제2 축(도 2의 'q'축 참조)을 중심으로 회전가능하도록 제2 김벌부재(56)가 축결합되며, 제2 김벌부재(56)에 제3 축(도 2의 'r'축 참조)을 중심으로 회전가능하도록 핸들부재(58)가 축결합되어 김벌(50)을 구성할 수 있다. 이 경우, 사용자는 핸들부재(58)를 손으로 잡고 김벌(50)을 조작할 수 있다.

제1 축, 제2 축 및 제3 축은 서로 평행하지 않은 공간상의 3개의 축으로서, 도 2에 도시한 p, q, r축 뿐만 아니라, 예를 들면 직교좌표계의 x, y, z축일 수도 있다.

김벌(50)에 부가된 리던던트 부재(52)는, 전술한 것처럼 여분의 자유도를 확보하는 역할을 하므로, 통상적인 경우 사용자가 핸들부재(58)를 손으로 잡고 임의의 방향으로 회전시키는 과정에서 리던던트 부재(52)는 움직일 필요가 없으며, 오히려 리던던트 부재(52)가 사용자의 손에 간섭되어 김벌(50)의 조작에 불편함을 초래할 수 있다.

이에 대해, 본 실시예에 따른 리던던트 부재(52)는 사용자의 손의 위치에 상응하여 자동으로 움직이도록, 즉 z축을 중심으로 회전하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 사용자가 김벌(50)을 회전시킴에 따라 리던던트 부재(52)가 손등에 닿게 되는 경우, 이를 감지하여 리던던트 부재(52)를 자동으로 손등으로부터 멀어지는 방향을 회전시킴으로써 리던던트 부재(52)가 김벌(50)의 조작에 방해가 되지 않도록 제어할 수 있다.

이를 위해, 김벌(50)을 조작하는 사용자의 손의 위치를 감지하는 센서, 센싱된 결과로부터 리던던트 부재(52)가 회전되어야 하는 각도를 연산하는 프로세서, 연산 결과에 따라 리던던트 부재(52)를 회전시키는 구동모터 등의 구성요소가 구비될 수 있음은 물론이며, 여기에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마스터 조작 디바이스를 나타낸 사시도이다. 도 3을 참조하면, 모멘트 평형 기구(1), 마스터 조작 디바이스(48), 김벌(50), 스카라 링크부(60), 제1 링크부재(62), 제2 링크부재(64), 패러랠 링크부(70), 패러랠 부재(72a, 72b)가 도시되어 있다.

전술한 바와 같이 본 실시예에 따른 스카라 링크부(60)는 김벌(50)의 수평면에 대한 이동을 담당하는 링크부로서, SCARA 방식으로 결합된 복수의 링크암(link arm)으로 이루어질 수 있다.

즉, 도 3에 도시된 것처럼 스카라 링크부(60)는, 연직방향의 축(도 3의 z축 참조)을 중심으로 회전하도록 로봇에 결합되는 제1 링크부재(62)와, 제1 링크부재(62)에 z축을 중심으로 회전하도록 결합되는 제2 링크부재(64)로 이루어질 수 있으며, 필요에 따라서는 z축을 중심으로 회전하도록 결합되는 링크부재를 더 포함할 수도 있다.

이처럼 스카라 링크부(60)를 z축에 대해 축결합되는 복수의 링크부재로 구성함으로써 김벌(50)의 수평면(도 3의 x-y 평면 참조)을 기준으로 한 움직임, 즉 김벌(50)의 공간상의 좌표를 (x, y, z)라 할 때, x 및 y 좌표의 변화에 대해서는, 스카라 링크부(60)가 작동하게 된다.

한편, 전술한 바와 같이 본 실시예에 따른 패러랠 링크부(70)는 김벌(50)의 연직방향으로의 이동을 담당하는 링크부로서, 패러랠 링크 방식으로 결합된 복수의 부재로 이루어질 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 패러랠 링크부(70)는, 수평면(도 3의 x-y 평면 참조)상의 축을 중심으로 회전하도록 스카라 링크부(60)에 각각 결합되는 한 쌍의 패러랠 부재(72a, 72b)를 포함할 수 있는데, 도 3에는 스카라 링크부(60)의 말단 부재인 제2 링크부재(64)와, 제2 링크부재(64)에 각각 결합되는 한 쌍의 패러랠 부재(72a, 72b), 및 한 쌍의 패러랠 부재(72a, 72b)가 결합되는 또 다른 부재(72c)로 패러랠 링크를 구성한 경우가 도시되어 있다.

이처럼 수평면상의 축을 중심으로 회전하는 복수의 패러랠 부재(72a, 72b)로 패러랠 링크를 구성함으로써 김벌(50)의 연직방향(도 3의 z 방향 참조)으로의 움직임, 즉 김벌(50)의 공간상의 좌표를 (x, y, z)라 할 때, z 좌표의 변화에 대해서는, 패러랠 링크부(70)가 작동하게 된다.

한편, 본 실시예에 따른 패러랠 링크부(70)의 말단(부재(72c))에는 도 3에 도시된 것처럼 김벌(50)이 결합될 수 있는데, 이에 따라 패러랠 링크부(70)는 그 자중 및 김벌(50)의 자중으로 인하여 중력 방향으로 회동하려는 힘을 받게 된다.

이러한 회전 모멘트에 의하여 김벌(50)이 사용자의 의도와 달리 아래쪽으로 움직이거나, 김벌(50)을 조작함에 있어서 중력 방향과 중력 반대 방향으로의 조작하는 힘이 크게 차이나는 현상이 초래될 수 있는데, 본 실시예에서는 이를 방지하기 위해 패러랠 부재(72a 및/또는 72b)에 '모멘트 평형 기구'를 추가로 설치할 수 있다. 이하, 도 4 내지 도 8을 참조하여 모멘트 평형 기구에 대해 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구를 나타낸 개념도이고, 도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구에서 플레이트 캠의 형상의 도출을 위한 개념도이다. 도 4 내지 도 8을 참조하면, 모멘트 평형 기구(1), 플레이트 캠(12), 캠 팔로워(22), 탄성체(30), 제2 링크부재(64), 패러랠 부재(72)가 도시되어 있다.

본 실시예에 따른 모멘트 평형 기구(1)는 패러랠 링크부(70)가 그 자중 및 김벌(50)의 무게로 인하여 아래쪽으로 쳐지는 현상을 방지하고, 김벌(50)을 움직임에 있어서 어느 방향으로든 큰 차이 없이 어느 정도 일정한 힘이 소요되도록 하기 위한 것으로서, 패러랠 부재(72)에 하중이 작용함에 따라 그 회전 중심점(도 4 내지 도 8의 'C' 참조)에 발생하는 회전 모멘트(이하, '정모멘트'라 할 수 있음)를 상쇄시키도록 모멘트(이하, '부모멘트'라 할 수 있음)를 발생시켜 모멘트 평형이 이루어지도록 함으로써, 패러랠 부재(72)가 어느 방향으로든 큰 차이 없이 어느 정도 일정한 힘으로 회전될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다. 이하, 도 3에 도시된 구성을 예로 들어 설명한다.

본 실시예에 따른 모멘트 평형 기구(1)는, 패러랠 부재(72)가 회전한 각도에 상관없이 부모멘트의 크기가 정모멘트의 크기와 같아 모멘트 평형을 이룰 수 있도록 캠 구조를 채용한 것을 특징으로 한다. 즉, 스카라 링크부(60)의 타단부(도 3의 경우, 제2 링크부재(64)의 단부)가 패러랠 부재(72)와 접하는 부분에 플레이트 캠(12)을 천공하고, 플레이트 캠(12)에 의해 그 이동 경로가 구속되는 캠 팔로워(22)를 패러랠 부재(72)에 구비시킴으로써, 패러랠 부재(72)가 제2 링크부재(64)에 대해 회전한 각도에 상관없이 모멘트 평형이 이루어지도록 할 수 있다.

캠 팔로워(22)에는 탄성체(30)(의 일단부)가 결합되고, 탄성체(30)에 의해 캠 팔로워(22)에 장력이 인가되며, 탄성체(30)의 타단부는 패러랠 부재(72)에 고정될 수 있다. 탄성체(30)에 의한 인장력에 의해 캠 팔로워(22)는 잡아 당겨지게 되는데, 패러랠 부재(72)가 제2 링크부재(64)에 대해 회전함에 따라 캠 팔로워(22)가 플레이트 캠(12)에 구속되어, 캠 팔로워(22)가 잡아 당겨지는 거리가 달라지게 된다.

이를 위해, 본 실시예에 따른 캠 팔로워(22)는 장력이 가해지는 방향으로 이동할 수 있도록 패러랠 부재(72)에 설치되며, 제2 링크부재(64)에 대해 패러랠 부재(72)가 회전함에 따라 캠 팔로워(22)가 장력이 가해지는 방향으로 이동하는 길이는 플레이트 캠(12)에 의해 구속된다.

이처럼, 캠 팔로워(22)가 장력이 가해진 방향으로 이동되는 거리가 달라지면, 그에 따라 탄성체(30)의 변위도 달라지게 되며, 이에 따라 탄성체(30)의 장력에 의해 생성되는 발생되는 부모멘트의 크기가 달라지게 된다.

패러랠 부재(72)가 제2 링크부재(64)에 대해 회전함에 따라 정모멘트의 크기가 달라지는데, 전술한 바와 같이 캠 구조에 의해 부모멘트의 크기 또한 달라지게 되므로, 부모멘트가 정모멘트와 상쇄되는 결과를 가져올 수 있다.

부모멘트가 정모멘트와 상쇄되도록 하기 위해서는, 캠 팔로워(22)의 이동을 구속하는 플레이트 캠(12)의 경로의 형상이 적절하게 설계되어야 하는데, 패러랠 부재(72)에 작용하는 모멘트의 크기는 패러랠 부재(72)가 제2 링크부재(64)에 대해 회전한 각도(이하, 'θ'라 할 수 있음)에 따라 달라지므로, 플레이트 캠(12)의 경로의 형상을 θ에 대한 함수관계에 따라 형성할 수 있다.

이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여 θ에 대한 함수관계의 구체적인 수식에 대해 설명한다.

패러랠 부재(72)가 제2 링크부재(64)에 대해 회전한 각도(θ)에 따라 패러랠 부재(72)에 작용하는 모멘트의 크기가 달라지는데, 본 실시예에 따른 모멘트 평형 기구(1)는, θ에 상관없이 항상 모멘트 평형이 이루어질 수 있도록 플레이트 캠(12)의 형상을 θ에 대한 함수관계에 따라 형성한 것을 특징으로 한다.

도 5 내지 도 8에서는 플레이트 캠(12)의 경로를 도출하는 과정을 설명하기 위해 각 구성요소를 도식적으로 표현한 것으로, 도 5 및 도 6은 인장 스프링이 탄성체로 사용된 경우를, 도 7 및 도 8은 압축 스프링이 탄성체로 사용된 경우를 예시한 것이다.

도 5 및 도 6과 같이 인장 스프링이 사용된 경우, 장력이 가해지는 방향의 축(도 5 및 도 6의 'w' 참조)상에서, 회전 중심점으로부터 탄성체(30)가 지지된 지점까지의 거리를 A, 회전 중심점으로부터 캠 팔로워(22)가 위치한 지점까지의 거리를 x(=r·cosφ), 탄성체(30)의 자유 길이를 s_f, 탄성체(30)의 초기 인장력으로 세팅된 길이를 s₀(θ=0일 때),탄성체(30)의 나중 길이(패러랠 부재(72)가 θ만큼 회전했을 경우 모멘트 평형을 이루기 위해 변형되는 길이)를 s_1,탄성체(30)의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때)을 s, 캠 팔로워(22)와 탄성체 고정부 사이의 거리(상수 구간)를 B라 하면, A, B는 θ와 무관하게 일정하고, 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

전술한 바와 같이, s₀-s₁=s·(1-cosθ) 만큼 변위하도록 플레이트 캠(12)의 형상을 구성하면 모든 θ에 대하여 모멘트 평형식을 만족시킬 수 있으므로, 상기 수학식 1은 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

이를 x(=r·cosφ)에 대해 정리하면, 하기 수학식 3과 같다.

패러랠 부재(72)에서 캠 팔로워(22)가 탄성체의 장력 방향에 수직한 방향으로 설치된 높이를 h, 중심점을 중심으로 캠 팔로워(22)가 회전한 각도를 φ라 하면 tanφ = h/x이며, x(=r·cosφ)에 상기 수학식 3을 대입하면, φ를 하기 수학식 4와 같이 구할 수 있다.

수학식 4에서, A, B, s, s₀, h는 모두 상수로 주어지므로 θ의 변화에 따른 φ값을 구할 수 있다. 플레이트 캠(12)의 형상을 결정하는 요소는 r, 즉 중심점에서 캠 팔로워(22)까지의 거리이며, 도 5에서 sinφ = h/r이므로, r은 하기 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.

φ를 구한 후, φ를 수학식 5에 대입하여 r값을 구함으로써, 본 실시예에 따른 플레이트 캠(12)의 형상을 얻을 수 있다.

한편, 도 7 및 도 8과 같이 압축 스프링이 사용된 경우에도, 탄성체(30)의 자유 길이를 s_f, 탄성체(30)의 초기 인장력으로 세팅된 길이를 s₀(θ=0일 때)_,탄성체(30)의 나중 길이(패러랠 부재(72)가 θ만큼 회전했을 경우 모멘트 평형을 이루기 위해 변형되는 길이)를 s₁, 탄성체(30)의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때)을 s, 캠 팔로워(22)와 탄성체 고정부 사이의 거리(상수 구간)를 B라 하면, A, B는 θ와 무관하게 일정하고, 하기 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.

전술한 바와 같이, s₀-s₁=-s·(1-cosθ) 만큼 변위하도록 플레이트 캠(12)의 형상을 구성하면 모든 θ에 대하여 모멘트 평형식을 만족시킬 수 있으므로, 상기 수학식 6은 하기 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.

이를 x(=r·cosφ)에 대해 정리하면, 하기 수학식 8과 같다.

tanφ = h/x이므로, x(=r·cosφ)에 상기 수학식 8을 대입하면, φ를 하기 수학식 9와 같이 구할 수 있다.

이로부터 φ를 구하고 φ를 수학식 5에 대입하여 r값을 구함으로써, 본 실시예에 따른 플레이트 캠(12)의 형상을 얻을 수 있음은 전술한 바와 같다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇을 나타낸 개념도이다. 도 9를 참조하면, 수술용 로봇(40), 슬레이브 로봇(41), 로봇 암(42), 인스트루먼트(43), 본체부(45), 마스터 로봇(46), 마스터 조작 디바이스(48), 김벌(50), 스카라 링크부(60), 패러랠 링크부(70)가 도시되어 있다.

수술용 로봇은 김벌(50)에 대한 사용자 조작이 그대로 로봇 암(42) 및 인스트루먼트(43)의 움직임으로 구현되어, 환자의 체내에서 수술이 이루어지도록 하는 로봇으로서, 마스터 조작 디바이스(48)에서의 오류, 예를 들면 링크부나 김벌(50)이 의도치 않게 움직이거나 회전할 경우 이는 환자의 목숨과 직결되는 의료사고로 이어질 수 있다.

전술한 마스터 조작 디바이스(48)는 링크부나 김벌(50)이 자중에 의해 의도치 않게 움직이는 현상을 방지하고 김벌(50)을 조작하는 데에 있어서 특정 방향에 따라 큰 차이 없이 어느 정도 일정한 힘이 소요되도록 한 것으로, 이러한 마스터 조작 디바이스(48)를 수술용 로봇(40)에 적용함으로써 의사가 보다 용이하게 조작하도록 할 수 있고 의료사고의 위험을 최소화시킬 수 있다.

수술용 로봇(40)은 본체부(45)와, 본체부(45)에 연결되어 작동되는 로봇 암(42)과, 로봇 암(42)의 선단부에 장착되며 수술 부위에 삽입되어 수술에 필요한 동작을 수행하는 인스트루먼트(43)로 구성될 수 있는데, 본 실시예에 따른 마스터 조작 디바이스(48)를 수술용 로봇(40)에 장착(링크부를 본체부(45)에 결합)함에 따라, 로봇 암(42) 및/또는 인스트루먼트(43)는 사용자가 김벌(50)을 조작하는 것에 따라 작동되게 된다.

한편, 수술용 로봇(40)은 전체가 하나의 몸체로 이루어질 수도 있고, 사용자가 조작하는 부분인 마스터 로봇(46)과 마스터 로봇(46)으로부터 신호를 받아 작동되는 슬레이브 로봇(41)으로 구분되어 구성될 수도 있다.

이 경우, 마스터 조작 디바이스(48)는 마스터 로봇(46)에 장착될 수 있으며, 마스터 조작 디바이스(48)를 사용하자 조작함에 따라, 마스터 로봇(46)에 연결된 슬레이브 로봇(41)이 작동되도록 할 수 있다. 슬레이브 로봇(41)에는 로봇 암(42) 및 인스트루먼트(43)가 구비되며, 마스터 로봇(46)과 유/무선 통신방식으로 연결되어 마스터 로봇(46)으로부터 신호를 받아 작동될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1 : 모멘트 평형 기구 12 : 플레이트 캠
22 : 캠 팔로워 30 : 탄성체
40 : 수술용 로봇 41 : 슬레이브 로봇
42 : 로봇 암 43 : 인스트루먼트
45 : 본체부 46 : 마스터 로봇
48 : 마스터 조작 디바이스 50 : 김벌
52 : 리던던트 부재 54 : 제1 김벌부재
56 : 제2 김벌부재 58 : 핸들부재
60 : 스카라 링크부 62 : 제1 링크부재
64 : 제2 링크부재 70 : 패러랠 링크부
72, 72a, 72b : 패러랠 부재

Claims

로봇을 조작하기 위한 마스터(master) 조작 디바이스로서,
사용자에 의해 조작되는 김벌(gimbal)과;
상기 로봇에 회동가능하도록 결합되며, 상기 김벌이 공간상의 임의의 위치로 이동하도록 작동되는 링크부를 포함하되,
상기 링크부는,
상기 김벌이 수평면상에서 이동할 경우에 작동되는 스카라 링크(SCARA link)부와;
상기 김벌이 연직방향으로 이동할 경우에 작동되는 패러랠 링크(parallel link)부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 스카라 링크부의 일단부는 상기 로봇에 결합되고, 상기 패러랠 링크부의 일단부는 상기 스카라 링크부의 타단부에 결합되며, 상기 김벌은 상기 패러랠 링크부의 타단부에 결합되는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
제2항에 있어서,
상기 김벌은, 연직방향의 축을 중심으로 회전가능하도록 상기 패러랠 링크부에 결합되는 리던던트(redundant) 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
제3항에 있어서,
상기 김벌은, 상기 리던던트 부재에 제1 축을 중심으로 회전가능하도록 결합되는 제1 김벌부재와;
상기 제1 김벌부재에 상기 제1축과 평행하지 않은 제2 축을 중심으로 회전가능하도록 결합되는 제2 김벌부재와;
상기 제2 김벌부재에 상기 제1 축 및 상기 제2 축과 각각 평행하지 않은 제3 축을 중심으로 회전가능하도록 결합되며, 사용자가 손으로 잡고 조작하는 핸들부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
제4항에 있어서,
상기 리던던트 부재는 사용자의 손의 위치에 상응하여 연직방향의 축을 중심으로 회전하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 마스터 조작 디바이스.
제2항에 있어서, 상기 스카라 링크부는,
상기 로봇에 연직방향의 축을 중심으로 회전가능하도록 결합되는 제1 링크부재와;
상기 제1 링크부재에 연직방향의 축을 중심으로 회전가능하도록 결합되는 제2 링크부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
제2항에 있어서,
상기 패러랠 링크부는, 상기 수평면상의 축을 중심으로 회전가능하도록 상기 스카라 링크부에 각각 결합되는 한 쌍의 패러랠 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
제7항에 있어서,
상기 패러랠 부재에는, 중력으로 인해 상기 패러랠 부재에 작용하는 모멘트(moment)가 평형이 되도록 하는 모멘트 평형 기구가 설치되는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
제8항에 있어서, 상기 모멘트 평형 기구는,
상기 스카라 링크부의 타단부에 소정의 경로를 따라 천공되는 플레이트 캠(plate cam)과;
상기 패러랠 부재가 회전함에 따라, 상기 플레이트 캠에 의해 제공되는 이동 경로를 따라 이동하는 캠 팔로워(cam-follower)와;
상기 패러랠 부재에 결합되며, 상기 하중에 의한 모멘트와 상쇄되는 모멘트가 발생하도록 상기 캠 팔로워에 장력을 인가하는 탄성체를 포함하되,
상기 캠 팔로워는 상기 장력이 가해지는 방향으로 이동 가능하도록 상기 패러랠 부재 내에 설치되고, 상기 플레이트 캠은 상기 패러랠 부재가 회전함에 따라 상기 캠 팔로워가 상기 장력이 가해지는 방향으로 이동되는 거리를 구속하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.
제9항에 있어서,
상기 플레이트 캠의 경로는, 상기 패러랠 부재가 회전한 각도(θ)에 대하여 하기 수학식으로 표현되는 함수관계에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.

여기서, 상기 r은 상기 중심점에서 상기 캠 팔로워까지의 거리, 상기 h는 상기 패러랠 부재 내에서 상기 탄성체의 장력 방향에 수직한 방향으로 상기 캠 팔로워가 설치된 높이, 상기 φ는 상기 중심점을 중심으로 상기 캠 팔로워가 회전한 각도임.
제10항에 있어서,
상기 탄성체는 인장 변형되면서 장력을 인가하며, 상기 φ는 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.

여기서, 상기 A는 중심점으로부터 상기 탄성체가 지지된 지점까지의 거리, 상기 B는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 상기 캠 팔로워와 상기 탄성체 사이의 거리, 상기 s₀는 상기 탄성체의 초기 인장력으로 세팅된 길이(θ=0일 때), 상기 s는 상기 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때), 상기 θ는 상기 스카라 링크부에 대해 상기 패러랠 부재가 회전한 각도임.
제10항에 있어서,
상기 탄성체는 압축 변형되면서 장력을 인가하며, 상기 φ는 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 조작 디바이스.

여기서, 상기 A는 중심점으로부터 상기 탄성체가 지지된 지점까지의 거리, 상기 B는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 상기 캠 팔로워와 상기 탄성체 사이의 거리, 상기 s₀는 상기 탄성체의 초기 인장력으로 세팅된 길이(θ=0일 때), 상기 s는 상기 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때), 상기 θ는 상기 스카라 링크부에 대해 상기 패러랠 부재가 회전한 각도임.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 마스터 조작 디바이스가 구비된 수술용 로봇으로서,
본체부와;
상기 본체부에 연결되어 작동되는 로봇 암과;
상기 로봇 암의 선단부에 장착되며, 수술 부위에 삽입되어 수술에 필요한 동작을 수행하는 인스트루먼트를 포함하되,
상기 링크부는 상기 본체부에 결합되며,
상기 로봇 암 및 상기 인스트루먼트는 상기 김벌에 대한 사용자 조작에 상응하여 작동되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇.
제13항에 있어서,
상기 본체부 및 상기 마스터 조작 디바이스는 마스터 로봇을 구성하고,
상기 로봇 암은 슬레이브 로봇에 장착되며,
상기 슬레이브 로봇은 상기 마스터 로봇과 유무선 통신방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇.