KR20120063743A - 수술 로봇용 근접센서 및 그 동작 방법 - Google Patents

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KR20120063743A
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Abstract

수술 로봇이나 내시경 등과 같은 의료기기에서 초음파를 이용하여 물체와의 근접거리를 측정할 수 있는 수술 로봇용 근접센서 및 그 동작 방법에 관한 것입니다. 수술 로봇용 근접센서는 원형 구조로 형성되며, 상기 원형 구조 내부에 캐비티(cavity)를 확보하는 내벽, 상기 내벽 외부에 위치하며 초음파 신호를 발생하고, 상기 발생된 초음파 신호를 감지하는 압전 폴리머 필름, 및 상기 압전 폴리머 필름 외부에 위치하며, 개방창을 통해 상기 발생된 초음파 신호를 전파하는 외벽으로 형성되어, 기기 간의 충돌이나 불필요한 접촉을 방지하여 보다 안전한 수술환경을 구축할 수 있다.

Description

수술 로봇용 근접센서 및 그 동작 방법{PROXIMITY SENSORS IN OPERATION ROBOT AND METHOD THEREOF}
본 발명의 일실시예는 수술로봇이나 내시경 등과 같이 사람의 몸 속으로 들어가는 의료기기에 적용하는 기술에 관한 것이다.
현재, 사용하는 수술 로봇은 "마스터(master)-슬레이브(slave)" 방식으로 사용된다. 즉, 의사가 마스터 로봇을 조작하면 마스터 로봇이 제어 신호를 생성하여 슬레이브 로봇에 전달하고, 슬레이브 로봇은 제어 신호에 따라 동작하여 환자를 수술한다. 의사는 마스터 로봇의 화면에 표시되는 인체 내부의 모습을 보면서, 조종기를 조정하여 슬레이브 로봇의 수술기구를 조종하여 수술을 수행할 수 있다.
이러한, 슬레이브 로봇(이하, '수술 로봇'이라 함)은 별도의 카메라를 인체 내에 삽입하여 이들 기구의 움직임에 대한 시야를 의사에게 전달한다. 그러나, 카메라의 시야가 제한적이고 움직임이 자유롭지 못하기 때문에, 수술 중에 시야의 중심에서 벗어난 수술 로봇의 기구가 서로 충돌하거나 인체의 다른 부위를 불필요하게 접촉하여 상처를 내는 경우가 종종 발생하게 된다.
따라서, 시각 이외에 수술 로봇의 기구가 인체 등 다른 물체와 어느 정도 접근해 있는 지를 의사에게 제공하는 추가적인 센서 시스템이 필요하다.
본 발명의 일실시예에 따른 수술 로봇용 근접센서는 원형 구조로 형성되며, 상기 원형 구조 내부에 캐비티(cavity)를 확보하는 내벽, 상기 내벽 외부에 위치하며, 초음파 신호를 발생하거나, 또는 상기 발생된 초음파 신호를 감지하는 압전 폴리머 필름, 및 상기 압전 폴리머 필름 외부에 위치하며, 개방창을 통해 상기 발생된 초음파 신호를 전파하는 외벽을 포함한다.
상기 수술 로봇용 근접센서는 상기 내벽과 상기 압전 폴리머 필름 간에 캐비티가 형성되도록 고정하며, 상기 압전 폴리머 필름을 상기 외벽에 밀착시키는 기둥을 더 포함할 수 있다.
상기 압전 폴리머 필름은 교류 발생 회로를 이용하여 상기 초음파 신호를 발생하는 발생부, 및 교류 신호 감지 회로를 이용하여 상기 발생된 초음파 신호를 감지하는 수신부를 포함할 수 있다.
상기 압전 폴리머 필름은 상기 내벽과 대응하는 내부 전극 및 상기 외벽과 대응하는 외부 전극으로 코팅되어, 상기 내부 전극 및 상기 외부 전극을 통해 전압을 입력받을 수 있다.
상기 외부 전극은 상기 초음파 신호를 발생하는 발생부 및 상기 발생된 초음파 신호를 감지하는 수신부에 연결될 수 있다. 상기 내부 전극은 제1 내부 배선 및 제2 내부 배선으로 분리되어, 상기 제1 내부 배선은 교류 발생 회로와 연결되며, 상기 제2 내부 배선은 교류 신호 감지 회로와 연결될 수 있다.
상기 외벽은 상기 개방창을 절연층으로 코팅하여 상기 압전 폴리머 필름을 보호할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 수술 로봇용 근접센서 동작 방법은 원형 구조로 형성된 내벽에서 상기 원형 구조 내부에 캐비티(cavity)를 확보하는 단계, 상기 내벽 외부에 위치하는 압전 폴리머 필름에서 초음파 신호를 발생하거나, 또는 상기 발생된 초음파 신호를 감지하는 단계, 및 상기 압전 폴리머 필름 외부에 위치한 외벽에서 개방창을 통해 상기 발생된 초음파 신호를 전파하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일측에 따르면, 압전 폴리머 필름에서 생성한 초음파를 이용하여 수술 로봇의 기구와 인체 간의 근접 거리를 측정함으로써, 기구 간의 충돌이나 인체와의 불필요한 접촉을 방지할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 압전 폴리머 필름에 교류 발생 회로를 연결하여 초음파 신호를 발생하고, 교류 신호 감지 회로를 연결하여 상기 초음파 신호를 감지함으로써, 용이하게 근접센서와 인체 간의 근접 거리를 측정할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 수술 로봇의 기구와 인체 간의 근접 거리를 이용하여 안전한 수술 환경을 구축할 수 있다.
도 1은 수술 로봇용 근접센서가 수술 로봇의 기구에 적용되는 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수술 로봇용 근접센서를 도시한 도면이다.
도 3은 수술 로봇용 근접센서의 가로 단면을 도시한 측면도이다.
도 4는 수술 로봇용 근접센서의 세로 단면을 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수술 로봇용 근접센서 동작 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 수술 로봇용 근접센서가 수술 로봇의 기구에 적용되는 일례를 도시한 도면이다.
일반적으로 수술 로봇은 마스터 로봇과 슬레이브 로봇으로 이루어져 있다. 구체적으로, 의사는 마스터 로봇의 화면에 표시되는 인체 내부의 모습을 보면서 조종기를 조작하여 슬레이브 로봇의 수술기구를 조종함으로써, 수술을 수행할 수 있다.
이러한, 슬레이브 로봇의 수술기구(100)는 용도에 따라 다양한 모양의 도구(110)와 관절(120)을 중심으로 다 자유도를 가지고 움직이게 되어있다. 도구(110)와 관절(120)은 기다란 로봇 팔(140)을 통하여 인체 밖의 슬레이브 수술 로봇과 연결된다. 충돌 방지를 위한 수술 로봇용 근접센서(130)는 로봇 팔(140) 부분에 다수 설치될 수 있다. 수술 로봇용 근접센서(130)는 초음파 신호를 발생한 시간과 초음파 신호를 감지한 시간의 차이를 이용하여, 로봇 팔(140)의 외벽과 다른 물체(예컨대, 인체 내 장기)와의 거리를 계산할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수술 로봇용 근접센서를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 수술 로봇용 근접센서(130)는 원형 구조로 형성되며, 상기 원형 구조 내부에 캐비티(cavity)를 확보하는 '내벽', 상기 내벽 외부에 위치하며, 초음파 신호를 발생하거나, 또는 상기 발생된 초음파 신호를 감지하는 '압전 폴리머 필름', 및 상기 압전 폴리머 필름 외부에 위치하며, 개방창을 통해 상기 발생된 초음파 신호를 전파하는 '외벽'으로 구성될 수 있다.
또한, 수술 로봇용 근접센서(130)는 상기 내벽과 상기 압전 폴리머 필름 간에 캐비티가 형성되도록 고정하며, 상기 압전 폴리머 필름을 상기 외벽에 밀착시키는 '기둥'을 더 구성할 수 있다.
압전 폴리머 필름은 초음파 신호를 발생하는 발생부(130A), 초음파 신호를 감지하는 수신부(130B)로 구성될 수 있다.
이하, 도 3은 근접센서(130)를 'A' 방향으로 자른 가로 단면을 나타낸다.
도 3은 수술 로봇용 근접센서의 가로 단면을 도시한 측면도이다.
도 3을 참조하면, 수술 로봇용 근접센서(130)는 외벽(131), 압전 폴리머 필름(132), 내벽(133), 외부 배선(134), 내부 배선(135), 및 기둥(136)으로 구성될 수 있다.
내벽(133)은 원형 구조로 형성되며, 상기 원형 구조 내부에 캐비티(cavity)를 확보한다. 원형 구조 내부는 수술에 필요한 기구, 내시경 등으로 형성될 수 있다. 따라서, 수술 로봇용 근접센서(130)는 수술 기구와 내시경을 둘러싸는 '표면'에 형성될 수 있다.
압전 폴리머 필름(132)은 내벽(133) 외부에 위치하며, 초음파 신호를 발생하거나, 또는 상기 발생된 초음파 신호를 감지한다. 예컨대, 압전 폴리머 필름(132)에 교류 전압을 인가하면, 압전 폴리머 필름(132)이 수축, 이완을 반복함으로써, 초음파 신호를 발생할 수 있다. 반대로, 상기 발생된 초음파 신호가 압전 폴리머 필름(132)에 수신되면, 초음파 신호에 의해 압전 폴리머 필름(132)이 수축 또는 이완하면서 교류 신호를 발생함으로써, 초음파 신호를 감지할 수 있다.
따라서, 압전 폴리머 필름(132)에 '교류 발생 회로'를 연결하면, 초음파 신호를 발생하는 발생부(130A)로 사용 가능하다. 또한, 압전 폴리머 필름(132)에 '교류 신호 감지 회로'를 연결하면, 초음파 신호를 감지하는 수신부(130B)로 사용 가능하다.
즉, 하나의 압전 폴리머 필름(132)을 이용하여 발생부(130A)와 수신부(130B)로 모두 사용 가능한 것이다. 이러한, 압전 폴리머 필름(132)은 'Polyvinylidene fluoride(PVDF)'일 수 있다.
기둥(136)은 압전 폴리머 필름(132)을 외벽(131)과 밀착시켜 주고 압전 폴리머 필름(132)과 내벽(133) 사이에 캐비티를 형성하여 교류 전압을 가했을 때 압전 폴리머 필름(132)의 진동을 극대화할 수 있도록 하는 역할을 한다.
외벽(131)은 초음파 신호의 전파를 원활히 하기 위해 창이 뚫려 있으며(개방창), 개방창의 모양이 근접 센서(130A, 130B)를 정의할 수 있다. 개방창은 도 2에 도시한 바와 같이 사각형으로 형성할 수도 있지만, 초음파 신호의 발생 효율을 최대화하는 다양한 모양으로 정의해도 무방하다.
외벽(131)은 압전 폴리머 필름(132)의 외부 전극이 상기 개방창을 통해 외부로 노출되는 부분에는 얇게 '절연층'을 코팅하여 압전 폴리머 필름(132)을 보호하도록 할 수 있다. 즉, 외벽(131)은 기둥(136)과 대응하게 형성되며, 압전 폴리머 필름(132)의 발생부(130A)와 수신부(130B)가 있는 부분을 절연층으로 코팅하여, 외부로 초음파 신호를 효율적으로 전파할 수 있도록 한다.
이하, 도 3은 근접센서(130)를 'B' 방향으로 자른 가로 단면을 나타낸다.
도 4는 수술 로봇용 근접센서의 세로 단면을 도시한 측면도이다.
도 4를 참조하면, 수술 로봇용 근접센서(130)의 각 구성요소는 도 3과 동일하다.
압전 폴리머 필름(132)은 양면에 전압을 인가하기 위한 전극이 코팅될 수 있다. 예컨대, 압전 폴리머 필름(132)은 내벽(133)과 대응하는 내부 전극 및 외벽(131)과 대응하는 외부 전극으로 코팅될 수 있다. 압전 폴리머 필름(132)은 상기 내부 전극 및 상기 외부 전극을 통해 전압을 입력받을 수 있다.
상기 외부 전극은 외부 배선(134)과 직접적으로 접촉될 수 있다. 예컨대, 상기 외부 전극은 상기 외부 배선을 통해 발생부(130A) 및 수신부(130B)에 연결될 수 있다.
상기 내부 전극은 내부 배선(135)과 연결될 수 있다. 내부 배선(135)은 제1 내부 배선(135A) 및 제2 내부 배선(135B)으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 제1 내부 배선(135A)은 교류 발생 회로와 연결되며, 제2 내부 배선(135B)은 교류 신호 감지 회로와 연결될 수 있다.
외부 배선(134)과 내부 배선(135)은 외벽(131)과 내벽(133)의 빈 공간을 이용하여 수술 로봇 시스템과 전선을 통해 연결된다.
도시한 바와 같이, 교류 발생 회로에 교류 전압을 가하면, 압전 폴리머 필름(132)은 개방창을 통해 초음파 신호를 발생하고, 외벽(131)은 발생된 초음파 신호를 공기 중으로 전파한다. 전파된 초음파 신호는 다른 로봇이나 인체 표면에서 반사되어 그 중의 일부가 수신부(130B)에서 감지된다. 수술 로봇용 근접센서(130)는 초음파 신호를 발생한 시간과 초음파 신호를 감지한 시간의 차이를 이용하여, 로봇 팔의 외벽과 다른 물체와의 거리를 계산할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수술 로봇용 근접센서 동작 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
단계 510에서, 수술 로봇용 근접센서(130)는 원형 구조로 형성된 내벽(133)에서 상기 원형 구조 내부에 캐비티를 확보한다. 원형 구조 내부는 수술에 필요한 기구, 내시경 등으로 형성될 수 있다. 즉, 내벽(133)은 수술 기구와 내시경이 있는 부분을 원형 구조로 둘러쌓는 '표면'에 형성될 수 있다.
단계 520에서, 수술 로봇용 근접센서(130)는 내벽(133) 외부에 위치하는 압전 폴리머 필름(132)에서 초음파 신호를 발생하거나, 또는 상기 발생된 초음파 신호를 감지한다. 압전 폴리머 필름(132)은 교류 발생 회로를 이용하여 상기 초음파 신호를 발생하는 발생부(130A), 교류 신호 감지 회로를 이용하여 상기 발생된 초음파 신호를 감지하는 수신부(130B)로 형성될 수 있다.
예컨대, 상기 교류 발생 회로에 교류 전압을 인가하면, 압전 폴리머 필름(132)이 수축, 이완을 반복함으로써, 초음파 신호를 발생할 수 있다. 반대로, 상기 발생된 초음파 신호가 압전 폴리머 필름(132)에 수신되면, 초음파 신호에 의해 압전 폴리머 필름(132)이 수축 또는 이완하면서 교류 신호를 발생함으로써, 초음파 신호를 감지할 수 있다.
단계 530에서, 수술 로봇용 근접센서(130)는 압전 폴리머 필름(132) 외부에 위치한 외벽(131)에서 개방창을 통해 상기 발생된 초음파 신호를 전파한다.
외벽(131)은 상기 초음파 신호를 효율적으로 전달하기 위해, 뚫린 개방창으로 상기 초음파 신호를 전파할 수 있다. 또한, 외벽은 상기 개방창을 절연층으로 코팅하여 압전 폴리머 필름(132)을 보호할 수 있다.
기둥(136)은 내벽(133)과 압전 폴리머 필름(132) 간에 캐비티가 형성되도록 고정하며, 압전 폴리머 필름(132)을 외벽(131)에 밀착시킬 수 있다.
실시예로, 압전 폴리머 필름(132)은 양면에 전압을 인가하기 위한 전극(내부 전극, 외부 전극)이 코팅될 수 있다. 예컨대, 압전 폴리머 필름(132)은 내벽(133)과 대응하는 내부 전극 및 외벽(131)과 대응하는 외부 전극으로 코팅될 수 있다. 상기 외부 전극은 외부 배선(134)과 직접적으로 접촉되고, 상기 외부 배선을 통해 발생부(130A) 및 수신부(130B)에 연결될 수 있다. 상기 내부 전극은 내부 배선(135)과 연결될 수 있다. 내부 배선(135)은 제1 내부 배선(135A) 및 제2 내부 배선(135B)으로 분리될 수 있으며, 제1 내부 배선(135A)은 교류 발생 회로와 연결되며, 제2 내부 배선(135B)은 교류 신호 감지 회로와 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
130: 수술 로봇용 근접센서
131: 외벽
132: 압전 폴리머 필름
133: 내벽
134: 외부 배선
135: 내부 배선
136: 기둥

Claims (13)

  1. 원형 구조로 형성되며, 상기 원형 구조 내부에 캐비티(cavity)를 확보하는 내벽;
    상기 내벽 외부에 위치하며, 초음파 신호를 발생하고, 상기 발생된 초음파 신호를 감지하는 압전 폴리머 필름; 및
    상기 압전 폴리머 필름 외부에 위치하며, 개방창을 통해 상기 발생된 초음파 신호를 전파하는 외벽
    을 포함하는, 수술 로봇용 근접센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내벽과 상기 압전 폴리머 필름 간에 캐비티가 형성되도록 고정하며, 상기 압전 폴리머 필름을 상기 외벽에 밀착시키는 기둥
    을 더 포함하는, 수술 로봇용 근접센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전 폴리머 필름은,
    교류 발생 회로를 이용하여 상기 초음파 신호를 발생하는 발생부; 및
    교류 신호 감지 회로를 이용하여 상기 발생된 초음파 신호를 감지하는 수신부
    를 포함하는, 수술 로봇용 근접센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전 폴리머 필름은,
    상기 내벽과 대응하는 내부 전극 및 상기 외벽과 대응하는 외부 전극으로 코팅되어, 상기 내부 전극 및 상기 외부 전극을 통해 전압을 입력받는, 수술 로봇용 근접센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 외부 전극은,
    상기 초음파 신호를 발생하는 발생부 및 상기 발생된 초음파 신호를 감지하는 수신부에 연결되고,
    상기 내부 전극은,
    제1 내부 배선 및 제2 내부 배선으로 분리되어, 상기 제1 내부 배선은 교류 발생 회로와 연결되며, 상기 제2 내부 배선은 교류 신호 감지 회로와 연결되는, 수술 로봇용 근접센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 외벽은,
    상기 개방창을 절연층으로 코팅하여 상기 압전 폴리머 필름을 보호하는, 수술 로봇용 근접센서.
  7. 원형 구조로 형성된 내벽에서 상기 원형 구조 내부에 캐비티를 확보하는 단계;
    상기 내벽 외부에 위치하는 압전 폴리머 필름에서 초음파 신호를 발생하고, 상기 발생된 초음파 신호를 감지하는 단계; 및
    상기 압전 폴리머 필름 외부에 위치한 외벽에서 개방창을 통해 상기 발생된 초음파 신호를 전파하는 단계
    를 포함하는, 수술 로봇용 근접센서 동작 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 내벽과 상기 압전 폴리머 필름 간에 캐비티가 형성되도록 고정하는 기둥을 형성하는 단계; 및
    상기 기둥에서 상기 압전 폴리머 필름을 상기 외벽에 밀착시키는 단계
    를 더 포함하는, 수술 로봇용 근접센서 동작 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 발생된 초음파 신호를 감지하는 단계는,
    상기 압전 폴리머 필름에서 교류 발생 회로를 이용하여 상기 초음파 신호를 발생하는 단계; 및
    상기 압전 폴리머 필름에서 교류 신호 감지 회로를 이용하여 상기 발생된 초음파 신호를 감지하는 단계
    를 포함하는, 수술 로봇용 근접센서 동작 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 압전 폴리머 필름을 상기 내벽과 대응하는 내부 전극 및 상기 외벽과 대응하는 외부 전극으로 코팅하는 단계; 및
    상기 압전 폴리머 필름에서 상기 내부 전극 및 상기 외부 전극을 통해 전압을 입력받는 단계
    를 더 포함하는, 수술 로봇용 근접센서 동작 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 외부 전극을, 상기 초음파 신호를 발생하는 발생부 및 상기 발생된 초음파 신호를 감지하는 수신부에 연결하는 단계
    를 더 포함하는, 수술 로봇용 근접센서 동작 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 내부 전극을 제1 내부 배선 및 제2 내부 배선으로 분리하는 단계;
    상기 제1 내부 배선을 교류 발생 회로에 연결하는 단계; 및
    상기 제2 내부 배선을 교류 신호 감지 회로에 연결하는 단계
    를 더 포함하는, 수술 로봇용 근접센서 동작 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 외벽에 포함된 상기 개방창을 절연층으로 코팅하여 상기 압전 폴리머 필름을 보호하는 단계
    를 더 포함하는, 수술 로봇용 근접센서 동작 방법.
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