KR20110120476A

KR20110120476A - 내시경 수술용 로봇장치

Info

Publication number: KR20110120476A
Application number: KR1020100039904A
Authority: KR
Inventors: 이정주; 서정욱; 김기영; 송호석
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2010-04-29
Filing date: 2010-04-29
Publication date: 2011-11-04
Also published as: KR101173619B1

Abstract

본 발명은 링크들로 이루어진 벤딩관절이 구비되며 회전 및 병진운동이 가능하여 4 자유도 이상의 움직임을 구현하는 로봇팔을 이용함으로써 수술부위의 제한된 공간 내에서 시술에 필요한 충분한 움직임을 제공할 뿐만 아니라 효율적인 동력전달구조를 갖는 내시경 수술용 로봇장치에 관한 것이다. 이를 위해, 자연개구부 또는 미소절개부를 통해 수술부위로 접근하는 유연성을 갖는 오버튜브(100); 유연 샤프트(200a)와, 단단하고 링크들로 이루어진 벤딩관절이 구비된 로봇팔(200b)로 구성되어 오버튜브(100) 내에 형성된 복수의 내부로봇(200); 오버튜브(100)의 말단 또는 복수의 내부로봇(200) 중 하나의 말단에 형성된 내시경(300); 내부로봇(200)을 회전운동시키는 회전구동부(400a)와, 내부로봇(200)을 병진운동시키는 병진구동부(400b)로 이루어진 내부로봇 구동수단(400); 로봇팔(200b)을 구동시키는 로봇팔 구동수단(500); 및 로봇팔(200b)의 말단에 형성된 수술도구(600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치가 제공된다.

Description

내시경 수술용 로봇장치{Robot apparatus for endoscopic surgery}

본 발명은 내시경 수술용 로봇장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 링크들로 이루어진 벤딩관절이 구비되며 회전 및 병진운동이 가능하여 4 자유도 이상의 움직임을 구현하는 로봇팔을 이용함으로써 수술부위의 제한된 공간 내에서 시술에 필요한 충분한 움직임을 제공할 뿐만 아니라 효율적인 동력전달구조를 갖는 내시경 수술용 로봇장치에 관한 것이다.

종래에는 복강(腹腔) 내의 수술을 위해 배를 절개하고 개방시킨 상태에서 시술하는 개복수술이 일반적이었다. 그러나, 복강경과 소형 수술도구를 이용한 복강경 수술법이 도입되면서 담낭 절제술과 같이 비교적 간단한 수술의 경우 복강경 수술이 일반화되고 있는 추세에 있다. 복강경 수술법은 최소 침습수술(Minimally invasive surgery)의 한 분야로 다수의 작은 절개공(침습점)을 통해 시술함으로써 주위의 장기나 조직의 손상을 최소화하고 입원기간을 대폭 단축시킬 수 있다. 여기서 더 나아가 절개를 하지 않는 비 침습수술(Non-invasive surgery)의 개념이 도입되면서 자연개구부 내시경 수술(Natural orifice transluminal endoscopic surgery)이 다음 세대의 수술법으로 주목받고 있다.

자연개구부 내시경 수술은 유연성 있는 오버튜브가 자연개구부(입, 항문 또는 질)를 통해 삽입되어 수술부위까지 접근한 후, 오버튜브 내에 구비된 내부로봇을 조종함으로써 필요한 시술을 수행하게 된다. 이때, 내부로봇은 시술에 필요한 충분한 움직임을 구현할 수 있어야 한다. 예를 들면, 통상의 개복수술에 있어 시술자가 두 팔꿈치를 바깥쪽으로 구부린 상태에서 수술부위를 내려다보면서 시술하는 동작을 구현할 수 있어야 한다. 이를 위해, 내부로봇은 1개의 내시경과 2개 이상의 수술도구가 구비되어야 하는 데, 수술부위의 좁은 공간으로 인해 내시경과 수술도구를 적절히 배치하기 어렵고, 위와 같은 수술동작을 충분히 구현하지 못하는 문제점이 있었다. 또한, 수술시 상황에 따라 다른 수술도구가 사용되어야 하는데 공간상의 제약으로 인해 수술도구를 쉽게 교환할 수 없는 문제점이 있었다.

한편, 기존 복강경 시스템의 경우 내부로봇을 침습점을 통해 복강 내부로 직접 인입시킬 수 있어 오버튜브가 필요치 않고, 시술에 필요한 내부로봇의 움직임(4 자유도)을 비교적 용이하게 구현할 수 있다. 그러나, 자연개구부 내시경 수술의 경우 오버튜브가 굴곡된 통로로 삽입되기 때문에 내부로봇이 유연성을 가질 필요가 있다. 그러나, 유연한 샤프트를 이용하여 내부로봇을 제작하는 경우 외부에서 제공하는 내부로봇의 실제적인 최대 자유도는 2 자유도로 제한되어 미세한 수술동작을 구현하기 어려운 문제점이 있었다.

또한, 상술된 유연성 문제와 상반된 힘의 전달 문제가 있다. 단단한 재질의 샤프트는 외부에서 전달하는 힘을 충분히 전달할 수 있지만 유연성이 부족하고, 이와 반대로 유연 재질의 샤프트는 충분한 힘을 전달할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 유연성을 가지는 동시에 외부에서 제공하는 힘을 충분히 전달할 수 있는 효율적인 관절구조를 구비하고, 내시경과 수술도구의 삼각 배치를 통해 수술부위의 제한된 공간 내에서 시술에 필요한 4 자유도 이상의 움직임을 구현할 수 있는 내시경 수술용 로봇장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수술도구를 용이하게 교환할 수 있고, 효율적인 동력전달구조를 갖는 내시경 수술용 로봇장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은,

자연개구부 또는 미소절개부를 통해 수술부위로 접근하는 유연성을 갖는 오버튜브(100); 유연 샤프트(200a)와, 단단하고 링크들로 이루어진 벤딩관절이 구비된 로봇팔(200b)로 구성되어 오버튜브(100) 내에 형성된 복수의 내부로봇(200); 오버튜브(100)의 말단 또는 복수의 내부로봇(200) 중 하나의 말단에 형성된 내시경(300); 내부로봇(200)을 회전운동시키는 회전구동부(400a)와, 내부로봇(200)을 병진운동시키는 병진구동부(400b)로 이루어진 내부로봇 구동수단(400); 로봇팔(200b)을 구동시키는 로봇팔 구동수단(500); 및 로봇팔(200b)의 말단에 형성된 수술도구(600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치에 의하여 달성될 수 있다.

그리고, 오버튜브(100)는 복수의 내부채널(110)이 형성되어 내부로봇(200)이 각각 삽입되고, 병진구동부(400b)의 구동에 의해 로봇팔(200b)이 오버튜브(200)로부터 돌출되거나 오버튜브(200)에 인입된다.

또한, 유연 샤프트(200a)와 로봇팔(200b)의 링크들 각각에 중공이 형성됨으로써 내부로봇(200)의 길이방향으로 채널이 형성되고, 수술도구(600)가 채널을 통해 삽입 설치된다. 이때, 유연 샤프트(200a)와 상기 로봇팔(200b)은 단단한 재질의 벤딩관절로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 내부로봇(200)은 한 쌍이 구비되고, 한 쌍의 로봇팔(200b)이 오버튜브(100)의 말단에서 돌출되고, 돌출된 로봇팔(200b)과 삼각 배치를 이루도록 내시경(300)이 오버튜브(100)의 말단에 형성된다.

이와 달리, 내부로봇(200)은 한 쌍이 구비되고, 한 쌍의 로봇팔(200b)이 오버튜브(100)의 말단부 양측에서 각각 돌출되고, 돌출된 로봇팔(200b)과 삼각 배치를 이루도록 내시경(300)이 오버튜브(100)의 말단에 형성될 수도 있다.

또한, 로봇팔(200b)은 유연 샤프트(200a)의 말단과 연결된 팔꿈치 관절부(210)와, 팔꿈치 관절부(210)의 말단과 연결되어 2 자유도를 구현하는 손목 관절부(220)와, 로봇팔 구동수단(500)에 의해 각각 작동되어 팔꿈치 관절부(210)와 손목 관절부(220)를 동시에 벤딩시키는 복수의 제1 와이어(W1)로 이루어진다.

또한, 팔꿈치 관절부(210)는 복수의 링크(212, 214)가 구비되어 곡선 또는 각진 형태로 벤딩된다.

이와 달리, 팔꿈치 관절부(210)는 유연 샤프트(200a)와 손목 관절부(220)를 연결하는 일체형 유연링크(216)와, 일체형 유연링크(216)를 벤딩시키는 4절 이상의 링크장치(218a, 218b, 218c, 218d, 218e)로 이루어져 1 자유도를 구현할 수 있다.

또한, 손목 관절부(220)는 팔꿈치 관절부(220)와 연결된 시작링크(222a)와, 수술도구(600)가 설치되는 말단링크(222b)와, 시작링크(222a)와 말단링크(222b) 사이에 서로 접하는 1개 이상의 제1 및 제2 회전링크(222c, 222d)가 구비되고, 그리고 제1 와이어(W1)의 작동에 의해 시작링크(222a)와 제1 및 제2 회전링크(222c, 222d)가 서로 미끌어지면서 회전하는 구조를 갖는다.

이와 달리, 손목 관절부(220)는 다수의 연결링크(224a, 224a')와, 연결링크(224a, 224a')들 사이에 설치된 다수의 탄성부재로 구성되고, 제1 와이어(W1)의 작동에 의해 탄성부재가 만곡되는 구조를 가질 수 있다.

이때, 탄성부재는 원형 단면을 갖는 탄성 봉체(226)이거나, 직사각 단면을 갖는 탄성 플레이트(228)일 수 있다.

또한, 제1 와이어(W1)는 4개가 구비되며, 스틸 와이어 또는 초탄성 니티놀 와이어인 것이 바람직하다.

또한, 회전구동부(400a)는 소정 간격으로 이격 설치된 제1 및 제2 지지대(412, 414)와, 제1 원통형 축(432a)이 형성되어 제1 지지대(412)에 설치된 제1 회전바퀴(432)와, 제2 원통형 축(434a)이 형성되어 제2 지지대(414)에 설치된 제2 회전바퀴(434)와, 제1 및 제2 회전바퀴(432, 434)에 양단이 각각 고정된 한 쌍의 슬라이드축(442, 444)과, 제2 회전바퀴(434)를 정,역회전시키는 제1 모터(M1)가 구비되고, 그리고 내부로봇(200)의 유연 샤프트(200a)가 제1 원통형 축(432)에 삽입 고정된다.

그리고, 병진구동부(400b)는 한 쌍의 슬라이드축(442, 444)에 직선 안내되는 가동 플레이트(450)와, 모터축에 제3 풀리(P3)가 형성되고, 모터축이 슬라이드축(442, 444)과 평행하도록 가동 플레이트(450)의 일측에 고정설치된 제2 모터(M2)와, 제3 풀리(P3)와 인접하여 가동 플레이트(450)에 고정설치된 제4 풀리(P4)와, 일단이 제1 회전바퀴(432)에 고정되며 제4 풀리(P4), 제3 풀리(P3), 다시 제4 풀리(P4)에 차례로 감긴 뒤 긴장된 상태에서 타단이 제2 회전바퀴(434)에 고정된 제2 와이어(W2)가 구비된다.

또한, 로봇팔 구동수단(500)은 제1 와이어(W1)를 각각 직진운동시킴으로써 로봇팔(200b)을 구동시키는 복수의 와이어 구동부(502)가 구비된다.

이때, 와이어 구동부(502)는 제3 모터(M3)와, 제3 모터(M3)에 의해 정,역회전하는 웜(510)과, 웜(510)의 회전력을 전달받는 한 쌍의 웜휠(520)과, 웜휠(520)의 축(522)에 각각 설치되고, 제1 와이어(W1)를 안내하는 안내홈(532)이 외주면에 형성된 한 쌍의 마찰자(530)로 구비된다. 그리고, 마찰자(530) 사이의 간격을 조절하기 위한 조절나사(544)가 구비된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 내시경 수술용 로봇장치는 내부로봇이 유연 샤프트와, 단단하고 짧은 링크들로 이루어진 로봇팔을 구비함으로써 충분한 유연성을 가짐과 동시에 내부로봇 구동수단 및 로봇팔 구동수단에 의해 발생된 동력이 효과적으로 전달될 수 있다. 또한, 내부로봇은 내부에 형성된 채널을 통해 각종 수술도구을 용이하게 교환할 수 있다.

그리고, 로봇팔은 와이어에 의해 연결된 팔꿈치 관절부와 손목 관절부로 이루어지고, 로봇팔 구동수단에 의해 구동된다. 이때, 팔꿈치 관절부는 곡선 또는 각진 형태로 벤딩됨으로써 자연스러운 팔꿈치 동작을 구현할 수 있다. 또한, 팔꿈치 관절부는 일체형 유연링크와 4절 이상의 링크장치로 이루어져 추가적인 1 자유도를 구현할 수 있다. 그리고, 손목 관절부는 다수의 회전링크로 구성되거나 연결링크와 탄성부재로 이루어짐으로써 2 자유도의 미세한 벤딩동작을 구현할 수 있다.

또한, 로봇팔은 내부로봇 구동수단에 의해 회전 및 병진운동이 가능하고, 이로 인해 4 자유도 이상의 움직임을 구현할 수 있다. 이와 같은 로봇팔은 오버튜브의 말단부에서 내시경과 삼각 배치를 이룸으로써 수술부위의 제한된 공간에서 효과적인 시술을 가능케 한다. 예를 들면 수술부위에 대한 절개, 봉합, 레이저 치료 등의 미세한 작업을 수행할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 내부로봇 구동수단은 병진구동부가 회전구동부의 슬라이드축에서 직선 안내되는 효율적인 구조를 가짐으로써 구동부의 부피를 대폭 줄일 수 있다. 또한, 회전구동부의 제2 회전바퀴에 형성된 원통형 축은 로봇팔 구동수단 및 병진구동부의 모터 배선을 외부로 연장시키기 위한 통로로 활용됨으로써 회전구동부의 동작을 원활하게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 로봇팔 구동수단은 로봇팔의 벤딩동작을 구현하기 위해 일반적으로 사용되는 유연성 있는 와이어와, 이를 감아서 구동시키기 위한 다수의 풀리가 구비되는 복잡한 구조를 채택하지 않는다. 그 대신 한 쌍의 마찰자를 이용하여 와이어를 밀고 당길 수 있는 비교적 간단한 구조가 구비된다. 즉, 초탄성 니티놀 와이어와 같이 비교적 단단한 재질의 와이어를 사용할 수 있기 때문에 로봇팔의 벤딩동작을 보다 정밀하게 제어할 수 있으며 내구성 또한 크게 향상시킬 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 내시경 수술용 로봇장치는 자연개구부 내시경 수술뿐만 아니라 복강경 수술에도 적용이 가능하고, 의료분야 외의 타산업에서도 폭넓게 응용될 수 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.

도 1은 본 발명에 따른 내시경 수술용 로봇장치의 전체적인 구성을 나타내는 개략도.
도 2a는 내시경과 로봇팔의 삼각 배치구조의 일례를 나타내는 도면.
도 2b는 내시경과 로봇팔의 삼각 배치구조의 변형예를 나타내는 도면.
도 2c는 내시경과 로봇팔의 삼각 배치구조의 또 다른 변형예를 나타내는 도면.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 로봇팔의 손목 관절부를 나타내는 사시도.
도 4a 및 도 4b는 손목 관절부의 변형예를 나타내는 사시도.
도 5는 내부로봇 구동수단을 나타내는 사시도.
도 6은 로봇팔 구동수단의 제1 와이어 구동부를 나타낸 사시도.
도 7은 4개의 제1 와이어 구동부가 조립된 로봇팔 구동수단을 나타내는 사시도.
도 8은 내부로봇 구동수단과 로봇팔 구동수단의 결합상태를 나타내는 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 내시경 수술용 로봇장치의 운동 메카니즘을 나타낸 개략도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용한다.

(내시경 수술용 로봇장치의 구성)

도 1은 본 발명에 따른 내시경 수술용 로봇장치의 전체적인 구성을 나타내는 개략도이다. 본 발명에 따른 내시경 수술용 로봇장치(10)는 오버튜브(100), 내부로봇(200), 내시경(300), 내부로봇 구동수단(400), 로봇팔 구동수단(500) 및 수술도구(600)로 구성된다.

오버튜브(100)는 도 1에 점선으로 표시되어 있다. 오버튜브(100)는 자연개구부(입, 항문, 질) 혹은 미소 절개부위를 통해 수술부위 근처로 접근하는 역할을 한다. 오버튜브(100)는 유연성 있는 관 형태로 약 15 ~ 30mm의 직경을 갖는다. 이와 같은 오버튜브(100)는 단순한 관 형태로 시술자가 수동으로 이동시킬 수 있고, 이와 달리 별도의 이동수단(미도시) 및 구동부(미도시)가 구비되어 조종장치(미도시)로 이동시킬 수 있는 구조를 가질 수 있다.

내부로봇(200)은 도 1에 도시된 바와 같이 유연 샤프트(200a)와 로봇팔(200b)로 구성되어 복수개가 오버튜브(100)에 삽입설치된다. 이와 달리 내부로봇(200)은 오버튜브(100)의 말단에 고정설치됨으로써 서로 일체를 이룰 수도 있다. 본 실시예에 의하면 내부로봇(200)은 한 쌍이 구비되고, 내부로봇 구동수단(400)에 의하여 도 1에서와 같이 로봇팔(200b)이 오버튜브(100)의 말단으로부터 돌출되거나, 오버튜브(200)에 인입되는 구조를 갖는다. 즉, 로봇팔(200b)이 오버튜브(100)에 인입된 상태에서 자연개구부 혹은 미소절개부를 통해 수술부위 근처로 접근하면 로봇팔(200b)과 수술도구(600)가 돌출되게 된다.

한편, 내부로봇(200)의 유연 샤프트(200a)와 로봇팔(220b)에는 길이방향으로 채널(미도시)이 형성됨으로써 이를 통해 수술도구(600)가 삽입 설치된다. 즉, 유연 샤프트(200a)는 유연 재질의 일체형 관 형태로 제작되고, 로봇팔(200b)은 중공을 갖는 짧은 링크들로 이루어진 벤딩관절을 구비한다. 이때, 유연 샤프트(200a) 역시 중공을 갖는 다수의 링크가 연결된 벤딩관절 구조를 갖는 것도 가능하다. 또한, 로봇팔(220b) 및 유연 샤프트(200a)의 벤딩관절은 금속, 합성수지, 세라믹 등의 단단한 재질로 제작함으로써 내부로봇 구동수단(400)에서 제공되는 힘을 효율적으로 전달할 수 있다.

한편, 로봇팔(220b)의 벤딩관절은 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 유연 샤프트(200a)의 말단과 연결된 팔꿈치 관절부(210)와, 팔꿈치 관절부(210)의 말단과 연결된 손목 관절부(220)로 구성된다. 이때, 로봇팔 구동수단(500)이 도 6에 도시된 제1 와이어(W1)를 밀거나 당김으로써 팔꿈치 관절부(210)와 손목 관절부(220)가 동시에 벤딩되는 구조를 갖는다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.

내시경(300)은 수술부위의 영상을 촬영하기 위한 특수 카메라가 구비된다. 본 실시예에 의하면 내시경(300)은 도 1에 도시된 바와 같이 오버튜브(100)의 말단에 설치된다. 이와 달리 내시경(300)을 로봇팔(200b)의 말단에 설치하여 내부로봇(200)을 이동시키면서 촬영하는 것도 가능하다.

내부로봇 구동수단(400)은 내부로봇(200)을 회전 및 병진운동시키게 된다. 이에 대한 구체적인 구성 및 작동은 후술하기로 한다.

로봇팔 구동수단(500)은 내부로봇 구동수단(400) 내에 설치되어 로봇팔(200b)을 벤딩시키는 역할을 한다. 이에 대한 구체적인 구성 및 작동은 후술하기로 한다.

수술도구(600)는 시술을 위한 집게, 가위, 레이저장치 등일 수 있다. 이때, 수술도구(600)는 앞서 설명한 바와 같이 내부로봇(200) 내부에 형성된 채널(미도시)을 통해 삽입 설치되는 구조를 갖는다. 즉, 각종 수술도구를 채널(미도시)을 통해 로봇팔(200b)의 말단부에 착탈시킴으로써 수술을 신속하고 효율적으로 수행할 수 있다. 이와 같은 수술도구(600)는 별도의 외부 동력(미도시)에 의해 구동된다. 그리고, 회전 및 병진운동이 가능하도록 구성될 수 있다.

(내시경과 로봇팔의 삼각 배치구조)

도 2a는 내시경과 로봇팔의 삼각 배치구조의 일례를 나타내는 도면이다. 도 2a에 도시된 바와 같이 내시경(300)은 오버튜브(100)의 말단에 형성된다. 그리고, 한 쌍의 로봇팔(200b)이 오버튜브(100)의 말단에서 돌출됨으로써 내시경(300)과 삼각 배치를 이루게 된다. 한편, 수술도구(600)는 내부로봇(200)의 내부에 형성된 채널을 통해 설치된다.

로봇팔(200b)의 팔꿈치 관절부(210)는 도 2a에서와 같은 각진 형태의 링크(214)들로 이루어져 있다. 이때, 도 6에 도시된 제1 와이어(W1)를 당기게 되면 팔꿈치 관절부(210)가 내시경(300)을 중심으로 팔꿈치 형태로 벤딩된다. 또한, 도면에는 도시되어 있지 않지만 오버튜브(100)를 통해 이산화탄소와 같은 가스를 수술부위에 주입함으로써 팔꿈치 관절부(210)의 동작을 위한 비교적 넉넉한 공간이 확보될 수 있다. 한편, 도 6의 제1 와이어(W1)를 느슨하게 풀어주면 팔꿈치 관절부(210)가 유연성을 갖게 되어 오버튜브(100)로 인입될 수 있다.

손목 관절부(220)는 도 2a에서와 같이 짧은 링크들로 이루어져 있다. 손목 관절부(220)는 제1 와이어(W1)의 구동에 의해 2 자유도로 벤딩된다. 손목 관절부(220)에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.

도 2b는 내시경과 로봇팔의 삼각 배치구조의 변형예를 나타내는 도면이다. 도 2b에 도시된 변형예에 따르면, 오버튜브(100) 내부에 2개의 내부채널(110)이 형성되고, 한 쌍의 내부로봇(200)이 각각 삽입 설치된다. 이때, 내부채널(110)의 말단부는 오버튜브(100)의 말단부 양측으로 비스듬하게 형성되어 있다. 따라서, 로봇팔(200b)의 팔꿈치 동작을 보다 용이하게 구현할 수 있다. 이때, 팔꿈치 관절부(210')는 곡선 형태의 링크(212)들로 이루어져 있어서 수술부위의 조직이 손상되는 것을 최소화할 수 있다.

도 2c는 내시경과 로봇팔의 삼각 배치구조의 또 다른 변형예를 나타내는 도면이다. 도 2c에 도시된 변형예에 따르면 팔꿈치 관절부(210")는 일체형 유연링크(216)와, 이를 벤딩시키기 위한 4절 이상의 링크장치가 구비된다. 본 실시예에 의하면 링크장치는 5개의 링크(218a, 218b, 218c, 218d, 218e)가 구비되고, 오버튜브(100)의 말단과 함께 6절 링크를 이루게 된다. 본 실시예에 따른 팔꿈치 관절부(210")는 추가적인 1 자유도를 구현할 수 있다. 결국, 로봇팔(200b)은 손목 관절부(220)와 함께 3 자유도의 움직임을 구현할 수 있게 되어 보다 섬세한 작업을 수행할 수 있다.

(손목 관절부의 구성)

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 로봇팔의 손목 관절부를 나타내는 사시도이다. 손목 관절부(220)는 도 3a 내지 3c에 도시된 바와 같이 시작링크(222a), 말단링크(222b), 교대로 배열된 다수의 제1 및 제2 회전링크(222c, 222d)가 구비되고, 4개의 제1 와이어(W1)가 이들을 관통하여 연결하게 된다. 이때, 손목 관절부(220)의 내부에 형성된 구멍은 수술도구(600)가 삽입되는 채널이 된다. 시작링크(222a)는 팔꿈치 관절부(220)와 연결되고, 소정 형태의 미끄러짐 면이 형성되어 있다. 말단링크(222b)는 제1 와이어(W1)의 일단이 고정되고, 한 쌍의 돌기가 형성되어 있다. 그리고, 제1 회전링크(222c)는 한 쌍의 돌기와 미끄러짐 면의 저부가 대응되게 형성(같은 위치)되어 있으며, 제2 회전링크(222d)는 한 쌍의 돌기와 미끄러짐 면의 저부가 90°위상차로 형성되어 있다. 한편, 제1 와이어(W1)는 여러 가닥의 스틸 와이어를 꼬아 만든 일반적인 스틸 와이어 로프가 사용될 수 있으며, 탄성 변형범위가 큰 1가닥의 초탄성 니티놀(Nitinol) 와이어가 사용될 수 있다.

이와 같이 구성된 손목 관절부(220)는 제1 와이어(W1)들의 밀고 당겨진 상태에 따라 시작링크(222a)와 제1 및 제2 회전링크(222c, 222d)들이 서로 미끌어지면서 회전하게 되고, 이로 인해 2 자유도로 벤딩된다. 예를 들면 도 3a에서 좌측의 와이어를 아래로 당기고 우측의 와이어를 위로 밀게 되면, 손목 관절부(220)는 좌측으로 벤딩된다. 한편, 교대로 배열된 제1 및 제2 회전링크(222c, 222d)의 수가 증가할수록(도 3a에서 도 3b로 갈수록) 벤딩관절의 등방성이 커져서 보다 섬세한 벤딩동작을 구현할 수 있다. 아울러, 각 링크들의 구동각이 작아지기 때문에 수술도구(600)를 채널로 삽입하여 구동하기 쉬어진다.

도 4a 및 도 4b는 손목 관절부의 변형예를 나타내는 사시도이다. 도 4a 및 4b에 도시된 변형예에 따르면, 손목 관절부(220')는 다수의 연결링크(224a, 224a')들 사이에 다수의 탄성부재(226, 228)가 규칙적으로 배열되어 지지하는 구조를 갖는다. 이때, 탄성부재는 도 4a에서와 같이 원형 단면을 갖는 탄성 봉체(226)일 수 있고, 도 4b에서와 같이 직사각 단면을 갖는 탄성 플레이트(228)일 수 있다. 본 실시예에 의하면 제1 와이어(W1)들의 밀고 당겨진 상태에 따라 탄성부재(226, 228)들이 직접 휘어지고, 이에 따라 손목 관절부(220')가 2 자유도로 벤딩되는 구조를 갖는다.

(내부로봇 구동수단의 구성)

도 5는 본 발명에 따른 내부로봇 구동수단을 나타내는 사시도이다. 내부로봇 구동수단(400)은 도 1에 도시된 내부로봇(200)을 회전 및 병진운동시키기 위한 것으로, 도 5에 도시된 바와 같이 회전구동부(400a)와 병진구동부(400b)로 구성된다.

회전구동부(400a)는 제1 및 제2 지지대(412, 414), 제1 및 제2 회전바퀴(432, 434), 한 쌍의 슬라이드축(442, 444), 그리고 제1 모터(M1)가 구비되어 있다.

제1 및 제2 지지대(412, 414)는 지지봉(420)의 양단이 각각 고정됨으로써 이격 설치되어 있다.

제1 회전바퀴(432)는 중심에 제1 원통형 축(432a)이 형성되어 제1 지지대(412)에 회전가능하도록 설치되어 있다. 이때, 내부로봇(200)의 유연 샤프트(200a)는 제1 원통형 축(432a)에 삽입 고정되고, 이에 따라 유연 샤프트(200a)는 제1 회전바퀴(432)와 함께 회전하게 된다.

제2 회전바퀴(434)는 제2 원통형 축(434a)이 형성되어 제2 지지대(414)에 회전가능하도록 설치되어 있다. 그리고, 제1 및 제2 회전바퀴(432, 434)는 한 쌍으로 각각 구비된 슬라이드축(442, 444)과 지지축(446, 448)에 의해 고정 연결된다.

제1 모터(M1)는 제2 지지대(414)에 설치되어 제1 및 제2 회전바퀴(432, 434)를 정회전 혹은 역회전시킴으로써 유연 샤프트(200a)를 회전시키게 된다. 이때, 제1 모터(M1)와 제2 회전바퀴(434)는 도 5에 도시된 바와 같이 제1 풀리(P1)와 제2 풀리(P2)가 각각 구비되어 타이밍 벨트로 연결되어 있다.

병진구동부(400b)는 가동 플레이트(450), 제2 모터(M2), 제3 풀리(P3), 제 풀리(P4), 그리고 제2 와이어(W2)가 구비된다.

가동 플레이트(450)는 도 5에 도시된 바와 같이 유연 샤프트(200a)의 끝단이 고정되어 있다. 그리고, 가동 플레이트(450)의 모서리에는 부시(452)가 형성된 고정홀더(452)가 구비되어 한 쌍의 슬라이드축(442, 444)에 의해 안내될 수 있도록 삽입 설치된다.

제2 모터(M2)는 모터축에 제3 풀리(P3)가 형성되어 있고, 모터축이 슬라이드축(442, 444)과 평행하도록 가동 플레이트(450)의 일측에 설치된다. 그리고, 제4 풀리(P4)는 제3 풀리(P3)와 인접하여 가동 플레이트(450)에 회전가능하게 설치된다.

제2 와이어(W2)는 일단이 제1 회전바퀴(432)에 고정되며 제4 풀리(P4), 제3 풀리(P3), 다시 제4 풀리(P4)에 차례로 감긴 뒤 긴장된 상태에서 타단이 제2 회전바퀴(434)에 고정되어 있다.

이와 같은 구성을 갖는 병진구동부(400b)는 제2 모터(M2)가 정회전 혹은 역회전함에 따라 가동 플레이트(450)가 슬라이드축(442, 444)을 따라 병진운동하게 되고, 이에 따라 유연 샤프트(200a)가 함께 병진운동하게 된다.

한편, 앞서 설명한 제2 회전바퀴(434)의 제2 원통형 축(434a)은 병진구동부(400b)의 제2 모터(M2)와 이후에서 설명될 로봇팔 구동수단(500)의 제3 모터(M3)의 배선을 외부로 연장시키기 위한 통로로 활용된다. 이로 인해 모터(M2, M3) 배선의 꼬임현상을 방지하고, 회전구동부(400a)를 무한대로 회전시킬 수 있다.

(로봇팔 구동수단의 구성)

도 6은 로봇팔 구동수단의 제1 와이어 구동부를 나타낸 사시도이다. 도 6에 도시된 와이어 구동부(502)는 제1 와이어(W1)를 직진 운동시킴으로써 도 1 및 도 2에 도시된 로봇팔(200b)을 구동시키기 위한 것이다.

본 실시예에 의하면 와이어 구동부(502)는 제3 모터(M3), 웜(510), 한 쌍의 웜휠(520), 한 쌍의 마찰자(530), 고정 플레이트(542) 및 조절나사(544)를 구비하고 있다.

도 6에서와 같이 고정 플레이트(542)에는 한 쌍의 웜휠축(522)이 설치되어 있고, 웜휠축(522)의 상측과 하측에는 웜휠(520)과 마찰자(530)가 각각 고정 설치되어 있다. 이때, 한 쌍의 마찰자(530)의 외주면에는 제1 와이어(W1)를 안내하는 안내홈(532)이 형성되어 있다. 그리고, 한 쌍의 웜휠(520)을 회전시키기 위한 웜(510)이 설치된다. 이때, 웜(510)은 웜축(512)에 고정되고, 웜축(512)은 커플링(514)에 의해 제3 모터(M3)의 축과 연결되어 있다. 그리고, 한 쌍의 마찰자(530) 사이의 간격을 가변시킴으로써 제1 와이어(W1)와의 마찰력을 조절하기 위한 조절나사(544)가 고정 플레이트(542)에 구비되어 있다.

이와 같은 구성을 갖는 와이어 구동부(502)는 제3 모터(M3)의 회전력이 웜(510)과 웜휠(520)을 거쳐 한 쌍의 마찰자(530)에 전달된다. 그리고, 제3 모터(M3)가 정회전 혹은 역회전함에 따라 제1 와이어(W1)를 밀거나 당길 수 있게 된다.

도 7은 4개의 제1 와이어 구동부가 조립된 로봇팔 구동수단을 나타내는 사시도이다. 본 발명에 따른 로봇팔 구동수단(500)은 도 7에서와 같이 4가닥의 제1 와이어(W1)를 각각 직진운동시키기 위하여 4개의 와이어 구동부(502)가 조립된다. 이때, 와이어 구동부(502)는 2개가 조를 이루어 전술한 병진구동부(400b)의 가동 플레이트(450)의 상,하측에 각각 설치된다. 이때, 가동 플레이트(450)의 하부에는 고정 플레이트(542)를 고정하기 위한 지지 플레이트(504)가 설치된다. 이와 같은 와이어 구동부(502)의 조립구조는 로봇팔 구동수단(500)의 부피를 대폭 줄일 수 있다.

도 8은 내부로봇 구동수단과 로봇팔 구동수단의 결합상태를 나타내는 사시도이다. 본 발명에 따른 로봇팔 구동수단(500)은 도 8에서와 같이 병진구동부(400b)에 설치된다. 이때, 가동 플레이트(450)와 지지 플레이트(504)는 각각 한 쌍씩 구비되어 로봇팔 구동수단(500)을 지지하게 된다.

(내시경 수술용 로봇장치의 작동)

이하, 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 내시경 수술용 로봇장치의 작동에 대하여 설명한다.

도 9는 본 발명에 따른 내시경 수술용 로봇장치의 운동 메카니즘을 나타낸 개략도이다. 본 발명에 따른 내시경 수술용 로봇장치(10)는 시술자가 내시경(300)과 모니터(미도시)를 이용하여 수술부위를 관찰함과 동시에 조종장치(미도시)를 이용하여 내부로봇(200) 및 수술도구(600)를 수술부위로 이동시키고 수술도구(600)를 조작함으로써 필요한 시술을 수행하는 일종의 매니퓰레이터 장치이다.

본 발명에 따른 내시경 수술용 로봇장치(10)는 도 9에 도시된 바와 같이 내부로봇 구동수단(400)의 회전구동부(400a)는 제1 및 제2 회전바퀴(432, 434)가 모터에 의해 회전하게 되면, 제1 원통형 축(432a)에 삽입고정된 유연 샤프트(200a)가 함께 회전하게 된다. 그리고, 병진구동부(400b)가 회전구동부(400b)의 제1 및 제2 슬라이드축(442, 444)을 따라 직진운동을 하게 되면, 유연 샤프트(200a)도 함께 직진운동을 하게 된다. 결국, 로봇팔(200b)과 수술도구(600)가 구비된 내부로봇(200)은 도 9에 도시된 화살표와 같이 회전 및 병진운동을 하게 되어 2 자유도를 구현할 수 있다.

또한, 병진구동부(400b)에 설치된 로봇팔 구동수단(500)은 제1 와이어(W1)를 밀거나 당김으로써 로봇팔(200b)을 벤딩 구동시켜 2 자유도를 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 내시경 수술용 로봇장치(10)는 4 자유도의 움직임을 구현할 수 있는 것이다.

한편, 병진구동부(400a)와 로봇팔 구동수단(500)의 모터 배선이 회전구동부(400)의 제2 회전바퀴(434)에 형성된 제2 원통형 축(434a)을 통해 외부로 연장됨으로써 회전구동부(400)의 원활한 회전을 가능케 한다.

그리고, 수술도구(600)가 내부로봇(200)의 내부에 형성된 채널(미도시)을 통해 설치되기 때문에 수술도구의 교환이 채널을 통해 간단하게 이루어질 수 있다.

10 : 내시경 수술용 로봇장치
100 : 오버튜브
110 : 내부채널
112, 114 : 로봇팔 돌출공
200 : 내부로봇
200a : 유연 샤프트
200b : 로봇팔
210, 210', 210" : 팔꿈치 관절부
212 : 곡선 링크
214 : 각진 링크
216 : 일체형 유연링크
218a, 218b, 218c, 218d, 218e : 링크
220 : 손목 관절부
222a : 시작링크
222b : 말단링크
222c : 제1 회전링크
222d : 제2 회전링크
224, 224' : 연결링크
226 : 탄성 봉체
228 : 탄성 플레이트
300 : 내시경
400 : 내부로봇 구동수단
400a : 회전구동부
400b : 병진구동부
412 : 제1 지지대
414 : 제2 지지대
420 : 지지봉
432 : 제1 회전바퀴
432a : 제1 원통형 축
434 : 제2 회전바퀴
434a : 제2 원통형 축
442, 444 : 슬라이드축
446, 448 : 지지축
450 : 가동 플레이트
452 : 고정홀더
452a : 부시
500 : 로봇팔 구동수단
502 : 와이어 구동부
504 : 지지 플레이트
510 : 웜
512 : 웜축
514 : 커플링
520 : 웜휠
522 : 웜휠축
530 : 마찰자
532 : 안내홈
542 : 고정 플레이트
544 : 조절나사
600 : 수술도구
W1 : 제1 와이어
W2 : 제2 와이어
M1 : 제1 모터
M2 : 제2 모터
M3 : 제3 모터
P1 : 제1 풀리
P2 : 제2 풀리
P3 : 제3 풀리
P4 : 제4 풀리

Claims

자연개구부 또는 미소절개부를 통해 수술부위로 접근하는 유연성을 갖는 오버튜브(100);
유연 샤프트(200a)와, 링크들로 이루어진 벤딩관절이 구비된 로봇팔(200b)로 구성되어 상기 오버튜브(100) 내에 형성된 복수의 내부로봇(200);
상기 오버튜브(100)의 말단 또는 상기 복수의 내부로봇(200) 중 하나의 말단에 형성된 내시경(300);
상기 내부로봇(200)을 회전운동시키는 회전구동부(400a)와, 상기 내부로봇(200)을 병진운동시키는 병진구동부(400b)로 이루어진 내부로봇 구동수단(400);
상기 로봇팔(200b)을 구동시키는 로봇팔 구동수단(500); 및
상기 로봇팔(200b)의 말단에 형성된 수술도구(600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제1항에 있어서,
상기 오버튜브(100)는 복수의 내부채널(110)이 형성되어 상기 내부로봇(200)이 각각 삽입되고, 그리고
상기 병진구동부(400b)의 구동에 의해 상기 로봇팔(200b)이 상기 오버튜브(200)로부터 돌출되거나 상기 오버튜브(200)에 인입되는 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제1항에 있어서,
상기 유연 샤프트(200a)와 상기 로봇팔(200b)의 링크들 각각에 중공이 형성됨으로써 상기 내부로봇(200)의 길이방향으로 채널이 형성되고, 그리고
상기 수술도구(600)가 상기 채널을 통해 삽입 설치된 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제1항에 있어서,
상기 유연 샤프트(200a)와 상기 로봇팔(200b)은 단단한 재질의 벤딩관절로 이루어진 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제1항에 있어서,
상기 내부로봇(200)은 한 쌍이 구비되고, 그리고
한 쌍의 상기 로봇팔(200b)이 상기 오버튜브(100)의 말단에서 돌출되고, 상기 돌출된 로봇팔(200b)과 삼각 배치를 이루도록 상기 내시경(300)이 상기 오버튜브(100)의 말단에 형성된 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제1항에 있어서,
상기 내부로봇(200)은 한 쌍이 구비되고, 그리고
한 쌍의 상기 로봇팔(200b)이 상기 오버튜브(100)의 말단부 양측에서 각각 돌출되고, 상기 돌출된 로봇팔(200b)과 삼각 배치를 이루도록 상기 내시경(300)이 상기 오버튜브(100)의 말단에 형성된 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제1항에 있어서,
상기 로봇팔(200b)은,
상기 유연 샤프트(200a)의 말단과 연결된 팔꿈치 관절부(210)와,
상기 팔꿈치 관절부(210)의 말단과 연결되어 2 자유도를 구현하는 손목 관절부(220)와,
상기 로봇팔 구동수단(500)에 의해 각각 작동되어 상기 팔꿈치 관절부(210)와 상기 손목 관절부(220)를 동시에 벤딩시키는 복수의 제1 와이어(W1)로 이루어진 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제7항에 있어서,
상기 팔꿈치 관절부(210)는 복수의 링크(212, 214)가 구비되어 곡선 또는 각진 형태로 벤딩되는 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제7항에 있어서,
상기 팔꿈치 관절부(210)는
상기 유연 샤프트(200a)와 상기 손목 관절부(220)를 연결하는 일체형 유연링크(216)와,
상기 일체형 유연링크(216)를 벤딩시키는 4절 이상의 링크장치(218a, 218b, 218c, 218d, 218e)로 이루어져 1 자유도를 구현하는 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제7항에 있어서,
상기 손목 관절부(220)는
상기 팔꿈치 관절부(220)와 연결된 시작링크(222a)와,
상기 수술도구(600)가 설치되는 말단링크(222b)와,
상기 시작링크(222a)와 상기 말단링크(222b) 사이에 서로 접하는 1개 이상의 제1 및 제2 회전링크(222c, 222d)가 구비되고, 그리고
상기 제1 와이어(W1)의 작동에 의해 상기 시작링크(222a)와 상기 제1 및 제2 회전링크(222c, 222d)가 서로 미끌어지면서 회전하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제7항에 있어서,
상기 손목 관절부(220)는,
다수의 연결링크(224a, 224a')와
상기 연결링크(224a, 224a')들 사이에 설치된 다수의 탄성부재로 구성되고,
상기 제1 와이어(W1)의 작동에 의해 상기 탄성부재가 만곡되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제11항에 있어서,
상기 탄성부재는 원형 단면을 갖는 탄성 봉체(226)이거나, 직사각 단면을 갖는 탄성 플레이트(228)인 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제7항에 있어서,
상기 제1 와이어(W1)는 4개가 구비된 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제7항에 있어서,
상기 제1 와이어(W1)는 스틸 와이어 또는 초탄성 니티놀 와이어인 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제1항에 있어서,
상기 회전구동부(400a)는,
소정 간격으로 이격 설치된 제1 및 제2 지지대(412, 414)와,
제1 원통형 축(432a)이 형성되어 상기 제1 지지대(412)에 설치된 제1 회전바퀴(432)와,
제2 원통형 축(434a)이 형성되어 상기 제2 지지대(414)에 설치된 제2 회전바퀴(434)와,
상기 제1 및 제2 회전바퀴(432, 434)에 양단이 각각 고정된 한 쌍의 슬라이드축(442, 444)과,
상기 제2 회전바퀴(434)를 정,역회전시키는 제1 모터(M1)가 구비되고, 그리고
상기 내부로봇(200)의 유연 샤프트(200a)가 상기 제1 원통형 축(432)에 삽입 고정된 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제15항에 있어서,
상기 병진구동부(400b)는,
상기 한 쌍의 슬라이드축(442, 444)에 직선 안내되는 가동 플레이트(450)와,
모터축에 제3 풀리(P3)가 형성되고, 상기 모터축이 상기 슬라이드축(442, 444)과 평행하도록 상기 가동 플레이트(450)의 일측에 고정설치된 제2 모터(M2)와,
상기 제3 풀리(P3)와 인접하여 상기 가동 플레이트(450)에 고정설치된 제4 풀리(P4)와,
일단이 상기 제1 회전바퀴(432)에 고정되며 상기 제4 풀리(P4), 상기 제3 풀리(P3), 다시 상기 제4 풀리(P4)에 차례로 감긴 뒤 긴장된 상태에서 타단이 상기 제2 회전바퀴(434)에 고정된 제2 와이어(W2)가 구비된 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제7항에 있어서,
상기 로봇팔 구동수단(500)은 상기 제1 와이어(W1)를 각각 직진운동시킴으로써 상기 로봇팔(200b)을 구동시키는 복수의 와이어 구동부(502)가 구비된 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제17항에 있어서,
상기 와이어 구동부(502)는,
제3 모터(M3)와,
상기 제3 모터(M3)에 의해 정,역회전하는 웜(510)과,
상기 웜(510)의 회전력을 전달받는 한 쌍의 웜휠(520)과,
상기 웜휠(520)의 축(522)에 각각 설치되고, 상기 제1 와이어(W1)를 안내하는 안내홈(532)이 외주면에 형성된 한 쌍의 마찰자(530)로 구비된 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.
제18항에 있어서,
상기 마찰자(530) 사이의 간격을 조절하기 위한 조절나사(544)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 내시경 수술용 로봇장치.