KR20120137160A - 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조 및 이를 구비한 수술용 로봇의 제어방법 - Google Patents

Abstract

수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조 및 이를 구비한 수술용 로봇의 제어방법이 개시된다. 수술용 인스트루먼트(instrument)가 장착되는 수술용 로봇의 마스터부에 구비되며, 인스트루먼트가 그립(grip) 동작을 수행하도록 사용자로부터 그립 조작을 입력받기 위한 그립퍼(gripper) 구조로서, 제1 그립 요소(grip element)와, 제1 그립 요소에 대향하여 위치하는 제2 그립 요소와, 제1 그립 요소에 대해 벌어지는 방향으로 제2 그립 요소에 구동력을 인가하는 구동부와, 제1 그립 요소 및 제2 그립 요소 중 어느 하나 이상에 결합되며, 사용자의 그립 조작에 의한 힘을 감지하여 센싱신호를 출력하는 포스 센서(force sensor)와, 센싱신호를 수신하여 구동부가 제2 그립 요소에 인가하는 구동력의 크기를 조절하는 제어부를 포함하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조는, 그립 요소에 설치된 포스 센서와 한 쌍의 그립 요소 중 어느 한쪽을 벌어지도록 할 수 있는 구동부만으로 그립퍼의 개폐를 정밀하게 제어하고 그립퍼의 개폐 정도를 파악할 수 있다.

Description

수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조 및 이를 구비한 수술용 로봇의 제어방법{Master gripper of surgical robot and control method of surgical robot having the same}

수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조 및 이를 구비한 수술용 로봇의 제어방법에 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 로봇의 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.

수술용 로봇의 슬레이브부에는 수술용 인스트루먼트가 장착되며, 인스트루먼트의 말단에는 이펙터(effector)가 결합된다. 이펙터는 수술 동작의 종류에 따라 집게, 가위, 나이프, 바늘 등 다양한 형상 및 구조로 이루어지는데, 전술한 것처럼 마스터부에 설치되는 디바이스를 조작함에 따라, 인스트루먼트의 이펙터는 그 형상 및 구조에 따른 수술에 필요한 동작, 즉 그립(grip), 절단(cutting), 봉합(suturing) 등의 다양한 동작을 수행하게 된다.

이 중, 이펙터가 집게 구조로 이루어진 경우, 이펙터의 동작을 제어하기 위해 마스터 디바이스에는 그립퍼(gripper)가 설치될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 것처럼, 수술용 로봇의 마스터부에 집게 형상의 그립퍼(8)를 설치하고, 사용자가 그립퍼(8)를 조작하는 것에 상응하여 이펙터 또한 집게 동작을 수행하도록 하였다.

종래의 마스터 그립퍼(8)의 구조는, 한 쌍의 그립 요소(6)가 힌지축(4)에 결합된 집게 형태로서, 힌지축에 설치되는 모터(M1)를 작동시킴에 따라 집게 요소가 벌어지거나 닫히도록 하는 구조, 또는 외부의 구동모터(M2)가 와이어(W)에 의해 힌지축과 풀리(pulley) 결합되어 구동모터(M2)를 작동시킴에 따라 와이어(W)를 통해 장력이 전달되어 집게 요소가 벌어지거나 닫히도록 하는 구조로 이루어졌다.

이 경우, 모터(M1 또는 M2)에는 인코더(E)가 결합되어 있어서, 인코더(E)를 통해 전송되는 모터의 회전 정도에 관한 정보로부터 그립퍼가 벌어진 정도(또는 닫힌 정도)를 파악하고, 이에 따라 그립퍼의 개폐정도에 상응하여 이펙터가 집게 동작을 수행하도록 제어하게 된다.

그러나, 종래의 마스터 그립퍼 구조는, 힌지축(또는 외부)에 양방향으로의 회전을 제어할 수 있는 모터(예를 들면, 서보 모터)를 설치해야 하므로 그립퍼의 크기가 커지고 구조가 복잡하며, 풀리 와이어의 텐션(tension)을 적절하게 조절해야만 제대로 작동하게 되는 번거로움이 있었다. 즉, 와이어의 텐션이 너무 크면 모터가 원활하게 회전하기 힘들고, 텐션이 너무 작으면 백래쉬(backlash) 등의 문제가 발생할 수 있다는 한계가 있었다.

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, 구조가 간단하고 와이어의 텐션을 정밀하게 조절할 필요가 없으며 포스 피드백을 더욱 용이하게 구현할 수 있는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조 및 이를 구비한 수술용 로봇의 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 수술용 인스트루먼트(instrument)가 장착되는 수술용 로봇의 마스터부에 구비되며, 인스트루먼트가 그립(grip) 동작을 수행하도록 사용자로부터 그립 조작을 입력받기 위한 그립퍼(gripper) 구조로서, 제1 그립 요소(grip element)와, 제1 그립 요소에 대향하여 위치하는 제2 그립 요소와, 제1 그립 요소에 대해 벌어지는 방향으로 제2 그립 요소에 구동력을 인가하는 구동부와, 제1 그립 요소 및 제2 그립 요소 중 어느 하나 이상에 결합되며, 사용자의 그립 조작에 의한 힘을 감지하여 센싱신호를 출력하는 포스 센서(force sensor)와, 센싱신호를 수신하여 구동부가 제2 그립 요소에 인가하는 구동력의 크기를 조절하는 제어부를 포함하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조가 제공된다.

제1 그립 요소 및 제2 그립 요소는 소정의 지지점에 각각 결합되어 집게 구조를 이룰 수 있으며, 지지점은 힌지축을 포함하고, 제1 그립 요소 및 제2 그립 요소 중 적어도 하나 이상은 힌지축에 회전가능하도록 결합될 수 있다.

제1 그립 요소 및 제2 그립 요소에는 사용자의 손가락이 삽입될 수 있는 수용부가 형성되며, 포스 센서는 사용자의 손가락에 접촉되도록 수용부에 설치될 수 있다.

구동부는, 제2 그립 요소에 일단부가 결합되는 와이어, 로드 등의 결합수단과, 결합수단의 타단부에 결합되며, 결합수단에 인장력을 가하는 구동모터를 포함할 수 있다. 또는, 구동부는, 한 쌍의 그립 요소 모두에 구동력을 인가하여 한 쌍의 그립 요소가 서로 벌어지도록 할 수도 있다. 또는, 구동부는, 제1 그립 요소에 결합되는 제1 전자석과, 제1 전자석에 대향하여 제2 그립 요소에 결합되며, 제1 전자석에 대해 척력을 인가하는 제2 전자석을 포함할 수 있다.

제어부는, 사용자의 그립 조작에 의한 힘이 커질수록 구동력을 작게 하여 제2 그립 요소가 제1 그립 요소에 접근하도록 하고, 사용자의 그립 조작에 의한 힘이 작아질수록 구동력을 크게 하여 제2 그립 요소가 제1 그립 요소로부터 벌어지도록 할 수 있다.

제2 그립 요소가 제1 그립 요소에 대해 소정의 기준치 이상으로 벌어지는 것을 억제할 수 있도록, 구동력과 반대 방향의 힘을 제2 그립 요소에 인가하는 구동 제한부를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 구동 제한부는, 제2 그립 요소를 탄지하며, 제2 그립 요소가 제1 그립 요소에 대해 소정의 기준치로 벌어졌을 때 구동력보다 큰 탄성력을 인가하는 탄성체를 포함할 수 있다.

수술용 로봇은, 포스 센서로부터 출력되는 센싱신호를 사용하여, 사용자의 그립 조작에 상응하여 인스트루먼트가 그립 동작을 수행하도록 인스트루먼트를 제어할 수 있다. 이 경우, 제어부는, 인스트루먼트의 그립 동작에 따라 인스트루먼트에 가해지는 반력에 관한 정보를 수신하여, 포스 피드백(force feedback)이 구현될 수 있도록 구동력의 크기를 더 조절할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 마스터(master)부에는 그립 조작을 입력받는 그립퍼가 설치되고, 슬레이브(slave)부에는 그립 동작을 수행하는 수술용 인스트루먼트가 장착되는 수술용 로봇에서 포스 피드백(force feedback)을 구현하는 방법으로서, 그립퍼는, 서로 대향하여 위치하는 한 쌍의 그립 요소와, 한 쌍의 그립 요소가 벌어지도록 한 쌍의 그립 요소 중 어느 하나에 구동력을 인가하는 구동부와, 한 쌍의 그립 요소 중 어느 하나 이상에 설치되어 사용자의 그립 조작에 의한 힘을 감지하여 센싱신호를 출력하는 포스 센서를 포함하며, (a) 센싱신호를 수신하는 단계, 및 (b) 사용자의 그립 조작에 의한 힘이 커질수록 구동력의 크기가 작아지도록, 구동부가 상기 제2 그립 요소에 인가하는 구동력의 크기를 조절하는 단계를 포함하는 수술용 로봇의 제어방법이 제공된다. 한 쌍의 그립 요소는 소정의 지지점에 각각 결합되어 집게 구조를 이룰 수 있다.

단계 (a) 이후에, (c) 센싱신호를 사용하여, 사용자의 그립 조작에 상응하여 인스트루먼트가 그립 동작을 수행하도록 인스트루먼트를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 단계 (c) 이후에, (d) 인스트루먼트의 그립 동작에 따라 인스트루먼트에 가해지는 반력에 관한 정보를 수신하는 단계, 및 (e) 인스트루먼트에 가해지는 반력이 커질수록 구동력의 크기가 커지도록, 구동부가 상기 제2 그립 요소에 인가하는 구동력의 크기를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

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

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 그립 요소에 설치된 포스 센서와 한 쌍의 그립 요소 중 어느 한쪽을 벌어지도록 할 수 있는 구동부만으로 그립퍼의 개폐를 정밀하게 제어하고 그립퍼의 개폐 정도를 파악할 수 있다. 이에 따라 서보 모터나 인코더가 필요 없고 와이어의 텐션을 정밀하게 조절할 필요가 없어 보다 간단한 구조로 마스터 그립퍼를 제작할 수 있으며, 나아가 그립퍼와 인스트루먼트 간의 포스 피드백을 더욱 용이하게 구현할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇의 전체적인 구조를 나타낸 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 개념도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 개념도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 개념도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그립 조작에 의한 힘과 구동력 간의 관계를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 제한부를 나타낸 개념도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇의 제어방법을 나타낸 순서도.

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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇의 전체적인 구조를 나타낸 개념도이다. 도 2를 참조하면, 수술용 로봇(1), 마스터부(3), 슬레이브부(5), 인스트루먼트(7), 그립퍼(10)가 도시되어 있다.

본 실시예는, 수술용 로봇의 마스터 핸들에 적용되는 그립퍼(gripper)에 있어서, 사용자가 그립퍼를 잡고 누르는 힘을 감지할 수 있도록 그립 요소에 포스 센서를 부착하고, 그립 요소가 벌어지는 방향으로 구동력을 인가하는 모터 등을 결합하여, 포스 센서로부터의 신호에 따라 모터의 구동력을 조절함으로써, 그립퍼의 작동(개폐)을 제어할 수 있고, 포스 센서의 신호로부터 그립퍼의 개폐 정도를 쉽게 알 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 실시예에 따른 마스터 그립퍼 구조는, 종래의 마스터 그립퍼에서처럼 풀리 와이어의 텐션을 정밀하게 조정할 필요가 없고, 힌지축에 모터 및 인코더를 설치할 필요가 없어 간단하고 슬림한 구조로 제작이 가능하며, 포스 센서의 신호를 사용하여 용이하게 '그립퍼-인스트루먼트' 간 포스 피드백을 구현할 수 있다.

본 실시예에 따른 수술용 로봇(1)은, 도 2에 도시된 것처럼 마스터부(3)와 슬레이브부(5)로 이루어지며, 마스터부(3)에는 사용자가 잡고 조작하는 그립퍼(10)가 설치되고, 슬레이브부(5)에는 마스터부(3)로부터의 사용자 조작 명령에 따라 작동되는 수술용 인스트루먼트(7)가 장착될 수 있다. 이러한 수술용 로봇(1)의 구성은 하나의 일례를 도시한 것으로서, 마스터부와 슬레이브부가 반드시 별도의 장치로 분리되어야만 하는 것은 아니며, 하나의 장치에 각 부분으로서 구분될 수도 있음은 물론이다.

인스트루먼트(7)의 말단에는 한 쌍의 죠(jaw)를 포함하는 집게 구조의 이펙터가 결합될 수 있다. 이처럼, 그립퍼(10)의 구조(집게 구조)에 상응하는 구조의 이펙터를 구비한 인스트루먼트(7)를 장착할 경우, 수술용 로봇(1) 시스템에서는 사용자가 그립퍼(10)를 잡고 집게 동작을 수행함에 따라 이펙터가 사용자의 동작에 상응하는 동작을 수행하도록 제어할 수 있다.

이러한 수술용 로봇(1)의 '사용자 직관적' 제어에 있어서, 이하, 사용자가 그립퍼(10)의 각 부분(그립 요소)을 손가락(예를 들면, 엄지와 검지)으로 잡고 손가락을 벌리거나 오므려 한 쌍의 그립 요소가 서로 벌어지거나(개방) 오므라지도록(폐쇄) 조작하는 것을 '그립 조작'이라 하고, 그립 조작에 상응하여 이펙터(한 쌍의 죠)가 벌어지거나 오므라지도록 작동되는 것을 '그립 동작'이라 명명하여 설명한다.

전술한 것처럼, 본 실시예에 따른 그립퍼(10)는 수술용 로봇(1)의 마스터부(3)에 구비될 수 있으며, 수술용 로봇(1)의 슬레이브부(5)에는 수술용 인스트루먼트(7)가 장착될 수 있다. 본 실시예에 따른 수술용 로봇(1)은, 사용자가 그립퍼(10)를 잡고 그립 조작을 입력하면, 그에 따른 신호가 인스트루먼트(7)에 전달되어 인스트루먼트(7)가 그립 동작을 수행하는 구조로 이루어질 수 있다. 이하, 그립퍼의 세부적인 구성에 관하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 개념도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 개념도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 그립퍼(10), 힌지축(12), 그립 요소(14, 16), 수용부(15, 17), 포스 센서(18), 구동부(20), 와이어(22), 구동모터(24), 제어부(30)가 도시되어 있다.

본 실시예에 따른 그립퍼(10)는 기본적으로 소정의 지지점에 각각 결합된 한 쌍의 그립 요소(14, 16)로 이루어질 수 있다. 지지점은 한 쌍의 그립 요소(14, 16)가 집게 구조를 이룰 수 있도록 각 그립 요소(14, 16)가 결합되는 지점으로서, 예를 들어 소정의 힌지축(12)을 중심으로 한 쌍의 그립 요소(14, 16)를 각각 회전가능하도록 결합함으로써 한 쌍의 그립 요소(14, 16)가 집게 구조를 이루도록 할 수 있다.

다만, 그립퍼의 구조가 반드시 도 3에 도시된 것처럼 힌지축에 한 쌍의 그립 요소가 결합된 집게 구조에만 한정되어야 하는 것은 아니며, 구성하기에 따라서는, 도 4에 예시된 것처럼, 별도의 지지점(힌지축) 없이 대향하는 한 쌍의 그립 요소(14, 16)가 서로 가까워지거나 멀어지는 방식으로 작동하도록 그립퍼 구조를 구현하는 것도 가능함은 물론이다.

또한, 집게 구조를 이루기 위해 반드시 지지점에 힌지축을 설치해야만 하는 것은 아니며, 한 쌍의 그립 요소가 소정의 각도를 이루도록 지지점에서 서로 접합하여 'V'자 형태를 이루도록 하는 등 다양한 방식으로 집게 구조를 구현할 수 있음은 물론이다. 나아가, 집게 구조를 이루기 위해 반드시 한 쌍의 그립 요소(14, 16)가 모두 회전가능하도록 힌지축(12)에 결합되어야만 하는 것은 아니며, 어느 하나의 그립 요소만 회전가능하도록 힌지축에 결합되는 구조로도 집게 구조를 이룰 수 있다.

이하, 그립퍼의 구조에 대해서는, 도 3에 도시된 것처럼, 한 쌍의 그립 요소(14, 16)가 힌지축(12)을 중심으로 회전가능하게 결합된 집게 구조를 예로 들어 설명한다.

제1 그립 요소(14)와 제2 그립 요소(16)는 서로 대응되도록 각각 지지점에 결합되어 집게 구조를 이루게 되는데, 본 실시예에 따른 그립퍼(10)는 한 쌍의 그립 요소(14, 16)가 벌어지도록 구동력을 인가하는 구동부(20)와, 사용자의 그립 조작에 의한 힘을 감지하는 포스 센서(18)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

구동부(20)는 한 쌍의 그립 요소(14, 16)가 서로 벌어지도록 구동력을 인가하는데, 예를 들어 제2 그립 요소(16)가 제1 그립 요소(14)로부터 벌어지도록 제2 그립 요소(16)에 '잡아당기는 힘'을 부여하도록 할 수 있다. 물론, 구동부가 반드시 제2 그립 요소에만 구동력을 부여하는 것으로 한정되는 것은 아니며, 한 쌍의 그립 요소에 동시에 구동력을 인가하여 제1 그립 요소와 제2 그립 요소가 서로 벌어지도록 하는 등, 한 쌍의 그립 요소 중 어느 하나(본 실시예에서는, 제2 그립 요소)에 결과적으로 구동력이 인가되는 구조로 구현할 수도 있다.

이를 위해, 도 3에 도시된 것처럼, 구동모터(24)를 설치하고 구동모터(24)와 제2 그립 요소(16)를 와이어(22)나 로드 등과 같은 결합수단으로 연결하여, 구동모터(24)를 작동시킴에 따라 와이어(22)에 인장력이 가해져 제2 그립 요소(16)가 제1 그립 요소(14)로부터 벌어지도록 구동력을 인가할 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 결합수단으로서 와이어가 사용된 경우를 예로 들어 설명하나, 결합수단이 반드시 와이어에 한정되는 것은 아님은 물론이다.

이처럼, 구동모터(24)와 와이어(22)를 사용하여 구동부(20)를 구성할 경우, 본 실시예에 따른 구동모터(24)는 제1 그립 요소(14)로부터 제2 그립 요소(16)를 잡아당기는 방향으로(그립퍼(10)가 벌어지는 쪽으로) 힘을 가할 수만 있으면 되므로, 종래 그립퍼 구조에 사용되었던 서보 모터와 같이 양방향 회전을 제어할 수 있는 고가의 정교한 모터를 사용할 필요가 없으며, 회전식 모터가 아니더라도 제2 그립 요소(16)에 한쪽 방향으로 힘을 부여할 수 있는 다양한 형태의 모터(예를 들면, 리니어 모터)를 사용할 수도 있어, 간단하고 저렴하게 그립퍼를 제작할 수 있게 된다.

또한, 종래의 그립퍼 구조에서는 풀리 와이어의 텐션을 정밀하게 조절해야만 그립퍼가 원활하게 작동될 수 있었으나, 본 실시예에 따른 그립퍼 구조에서 와이어(22)는 잡아당기는 힘(인장력)을 전달하는 역할만 수행하므로 되므로, 와이어(22)의 텐션을 조절할 필요가 없다는 장점이 있다.

포스 센서(18)는 사용자의 그립 조작에 의한 힘을 감지하는 역할을 하는데, 예를 들어, 그립 조작을 위해 사용자가 그립퍼(10)를 잡았을 때 사용자의 손가락이 닿는 부위(예를 들면, 제2 그립 요소(16)상의 특정 부위)에 포스 센서(18)가 설치될 수 있다.

그립퍼(10)는 사용자가 손가락으로 잡고 그립 조작을 하는 입력 디바이스 이므로, 도 3에 도시된 것처럼, 각 그립 요소(14, 16)에는 사용자의 손가락(예를 들면, 엄지와 검지)이 삽입될 수 있도록 수용부(15, 17)가 형성될 수 있다. 이 경우, 본 실시예에 따른 포스 센서(18)는 수용부(15, 17) 내에 사용자의 손가락에 접촉되는 부위에 설치될 수 있다.

포스 센서(18)는 그립 조작 과정에서 사용자가 손가락으로 누르는 힘을 감지하여 그에 상응하는 센싱신호를 출력하는 센서로서, 본 실시예에 따른 그립퍼 구조에서는 이러한 센싱신호를 사용하여 그립퍼(10)의 작동을 제어하는 것을 특징으로 한다.

그립퍼 구조의 작동을 컨트롤하는 제어부(30)에서는, 포스 센서(18)로부터의 센싱신호를 받아, 사용자가 얼마만큼의 힘으로 그립 조작을 하는지 여부를 판단하고, 그에 맞춰 그립퍼(10)(한 쌍의 그립 요소(14, 16))가 오므라지도록(또는 벌어지도록), 구동력의 크기를 조절한다. 여기서, 제어부(30)는 그립퍼(10)의 제어만을 위해 별도로 구비된 프로세서일 수도 있고, 수술용 로봇(1)의 전체적인 제어를 위한 메인 컨트롤러의 일부 모듈로서 구현될 수도 있다.

즉, 전술한 바와 같이 구동부(20)가 제2 그립 요소(16)를 잡아당겨 그립퍼(10)가 벌어지도록 한 상태에서, 사용자가 포스 센서(18)에 힘을 가하여 센싱신호가 출력되면, 제어부(30)는 이에 따라 구동력의 크기를 줄임으로써, 사용자의 그립력에 의해 그립퍼(10)가 오므라지도록 제어하게 된다. 제어부(30)의 구체적인 구동방식에 관하여는 후술하는 도 6을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 개념도이다. 도 5를 참조하면, 그립퍼(10), 힌지축(12), 그립 요소(14, 16), 수용부(15, 17), 포스 센서(18), 구동부(20), 전자석(26, 28), 제어부(30)가 도시되어 있다.

도 5에는 구동부(20)의 다른 실시예가 예시되어 있다. 전술한 바와 같이 구동부(20)는 제2 그립 요소(16)가 제1 그립 요소(14)로부터 벌어지는 방향으로 구동력을 인가하는 역할을 하는데, 이를 위해, 도 5에 도시된 것처럼, 한 쌍의 그립 요소(14, 16)에 각각 서로 마주보도록 한 쌍의 전자석(26, 28)을 결합하되, 한 쌍의 전자석(26, 28)은 서로 밀어내는 힘, 즉 척력을 인가하도록 함으로써, 제2 그립 요소(16)가 제1 그립 요소(14)로부터 벌어지는 방향으로 구동력을 인가할 수 있다.

이처럼, 한 쌍의 그립 요소(14, 16) 사이에 전자석(26, 28)을 배치하고 전자석(26, 28)끼리 서로 척력이 작용하도록 함으로써, 전술한 구동부(20)(구동모터(24)와 와이어(22))가 '잡아당기는 힘'을 인가하는 것과 마찬가지의 메커니즘을 구현할 수 있다.

이 경우, 전자석(26, 28)에 공급되는 전류의 세기를 조절하여 자력의 크기를 조절함으로써, 구동력의 크기를 조절할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그립 조작에 의한 힘과 구동력 간의 관계를 나타낸 그래프이다.

전술한 것처럼, 본 실시예에 따른 그립퍼 구조에서는 포스 센서(18)로부터의 센싱신호를 사용하여 그립퍼(10)의 작동을 제어하게 된다. 즉, 사용자가 그립퍼(10)를 잡고 눌러 포스 센서(18)에 힘을 가하면 한 쌍의 그립 요소(14, 16)가 오므라지도록 하고, 사용자가 그립퍼(10)를 잡았던 힘을 해제하면 한 쌍의 그립 요소(14, 16)가 다시 벌어지도록 제어하는 것이다.

본 실시예에 따른 제어부(30)는, 사용자가 그립퍼(10)를 잡고 누르면(즉, 센싱신호에 의해 그립 조작에 의한 힘이 커진 것으로 감지되면), 구동부(20)가 제2 그립 요소(16)를 잡아당기는 힘을 줄여(도 6의 'A' 구간), 제2 그립 요소(16)가 제1 그립 요소(14) 쪽으로 접근할 수 있도록 함으로써, 그립퍼(10)가 오므라지도록 제어할 수 있다.

또한, 사용자가 그립퍼(10)를 잡고 누르는 힘을 해제하면(즉, 센싱신호에 의해 그립 조작에 의한 힘이 작아진 것으로 감지되면), 구동부(20)의 구동력을 다시 원래대로 크게 하여(도 6의 'B' 구간), 제2 그립 요소(16)가 제1 그립 요소(14)로부터 이격되도록 함으로써, 그립퍼(10)가 벌어지도록 제어할 수 있다.

정리하면, 본 실시예에 따른 제어부(30)는, 사용자가 그립퍼(10)를 잡는 동작을 하면, (포스 센서(18)로부터 신호를 받아) 구동부(20)의 잡아당기는 힘을 줄이고, 사용자가 잡고 있던 그립퍼(10)로부터 손가락을 떼면 구동부(20)가 다시 (초기 상태처럼) 잡아당기는 힘을 인가하도록 구동력의 크기를 조절할 수 있다.

한편, 본 실시예와 같이 포스 센서(18)의 센싱신호에 의해 제어되는 그립퍼(10)를 사용함으로써, 수술용 로봇(1)의 제어 과정에서 포스 피드백(force feedback)을 보다 쉽게 구현할 수 있다. 즉, 그립퍼(10)에 대한 사용자 조작(그립 조작)에 의해 제어되는 인스트루먼트(7)의 작동(그립 동작) 과정에서, 이펙터가 물체를 집었을 때 이펙터에 가해지는 반력을 그립퍼(10)의 작동에 반영함으로써, 사용자는 마치 자신의 손으로 물체를 집은 것과 같은 반력을 느끼면서 그립 조작을 수행할 수 있어 보다 직관적인 로봇 수술이 가능하게 된다.

먼저, 본 실시예에 따른 수술용 로봇(1)은, 포스 센서(18)로부터 출력되는 센싱신호를 사용하여, 그립퍼(10)의 작동을 제어할 뿐만 아니라, 슬레이브부(5)에 장착된 수술용 인스트루먼트(7)가 사용자의 그립 조작에 상응하여 그립 동작을 수행하도록 제어할 수 있다.

즉, 사용자가 그립퍼(10)를 잡고 눌러 포스 센서(18)로부터 센싱신호가 출력되면, 구동력을 조절하여 그립퍼(10)가 오므라지도록 할 뿐만 아니라, 인스트루먼트(7)(이펙터) 또한 오므라지도록 할 수 있으며, 사용자가 그립퍼(10)를 잡고 누르는 힘을 해제하여 포스 센서(18)로부터 센싱신호가 출력되면, 구동력을 조절하여 그립퍼(10)가 벌어지도록 할 뿐만 아니라, 인스트루먼트(7)(이펙터) 또한 벌어지도록 할 수 있다.

이처럼, 그립 요소에 포스 센서(18)를 설치함으로써, 그립퍼(10)에 대한 사용자의 그립 조작에 따라 그립퍼(10)의 작동뿐만 아니라 인스트루먼트(7)의 작동까지 서로 상응하도록 제어할 수 있다.

나아가, 인스트루먼트(7)의 그립 동작을 제어하는 과정에서 이펙터가 물체를 집게 되면 그에 따라 이펙터에 반력이 작용하게 되는데, 본 실시예에 따른 수술용 로봇(1)은 이펙터에 작용하는 반력값을 파악하여 그립퍼(10)의 조작 과정에 이 반력이 반영되도록 제어할 수 있다. 즉 포스 피드백 제어를 구현할 수 있다.

이를 위해, 본 실시예에 따른 제어부(30)는 그립 동작 과정에서 인스트루먼트(7)에 가해지는 반력에 관한 정보를 수신하여, 이 반력이 반영되도록 그립퍼(10)의 작동을 제어할 수 있다.

예를 들어, 인스트루먼트(7)가 딱딱한 물체를 집어 이펙터에 작용하는 반력이 커지면, 제어부(30)는 구동부(20)가 제2 그립 요소(16)를 잡아당기는 힘을 크게 하여 그립퍼(10)가 잘 오므라지지 않도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 사용자는 마치 자신의 손으로 딱딱한 물체를 집은 것과 같은 느낌을 받을 수 있다.

또한, 인스트루먼트(7)가 물렁물렁한 물체를 집어 이펙터에 작용하는 반력이 작아지면, 제어부(30)는 구동부(20)의 구동력을 작게 하여 그립퍼(10)가 잘 오므라지도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 사용자는 마치 자신의 손으로 물렁물렁한 물체를 집은 것과 같은 느낌을 받을 수 있다.

정리하면, 본 실시예에 따른 그립퍼 구조에서는, 인스트루먼트(7)의 그립 동작 과정에서 이펙터에 가해지는 반력에 관한 정보에 따라 그립퍼(10)에 작용하는 구동력의 크기가 조절되므로, 포스 피드백 제어를 용이하게 구현할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 제한부를 나타낸 개념도이다. 도 7을 참조하면, 그립퍼(10), 힌지축(12), 그립 요소(14, 16), 포스 센서(18), 구동부(20), 구동 제한부(40)가 도시되어 있다.

한편, 구동부(20)가 제2 그립 요소(16)를 잡아당기는 방향으로 구동력을 인가하면, 제2 그립 요소(16)는 제1 그립 요소(14)로부터 벌어지게 되는데, 이에 따라 그립퍼(10)가 필요 이상으로, 즉 사용자가 그립 조작을 하는 것이 어려워질 정도로 벌어질 우려가 있다.

이에, 본 실시예에 따른 그립퍼 구조에는, 제2 그립 요소(16)가 제1 그립 요소(14)로부터 소정의 기준치 이상으로 벌어지는 것을 억제할 수 있도록, 구동 제한부(40)가 더 설치될 수 있다.

구동 제한부(40)는 구동력과 반대 방향의 힘을 제2 그립 요소(16)에 인가함으로써 제2 그립 요소(16)가 제1 그립 요소(14)로부터 벌어지는 것을 제한하는 역할을 하는데, 이를 위해, 도 7에 도시된 것처럼 제2 그립 요소(16)가 탄성체에 탄지, 즉 탄성적으로 지지되도록 탄성체를 설치할 수 있다.

구동 제한부(40)로서 설치되는 탄성체는, 제2 그립 요소(16)가 제1 그립 요소(14)에 대해 미리 설정된 기준치로 이상으로 벌어지는 것을 방지할 수 있도록, 제2 그립 요소(16)가 기준치만큼 벌어졌을 때에 발휘되는 탄성력이 구동부(20)의 구동력보다 커질 정도의 탄성력을 가진 탄성체를 사용할 수 있다.

이로써, 기준치까지는 구동력에 의해 제2 그립 요소(16)가 제1 그립 요소(14)로부터 벌어지다가, 기준치까지 벌어졌을 때에는 구동 제한부(40)의 탄성력에 의해 제2 그립 요소(16)가 벌어지는 것이 억제될 수 있다.

한편, 구동 제한부(40)에 의해 제2 그립 요소(16)의 벌어짐이 억제된 상태일지라도, 사용자가 그립퍼(10)를 잡고 벌리는 방향으로 힘을 가하여 사용자에 의한 힘이 탄성력보다 커지게 되면 그립퍼(10)가 기준치보다 더 벌어질 수도 있다.

따라서, 본 실시예에 따른 그립퍼(10)는 구동 제한부(40)로 인하여, 기준치까지만 벌어진 상태를 유지하다가, 사용자의 그립 조작에 의해 (오므라지는 조작은 물론이고) 벌어지는 조작도 가능하게 된다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇의 제어방법을 나타낸 순서도이다.

이하, 전술한 마스터 그립퍼 구조가 구비된 수술용 로봇에서 그립퍼(10)를 제어하는 방법, 그립퍼(10)의 작동에 따라 인스트루먼트(7)의 그립 동작을 제어하는 방법 및 인스트루먼트(7)의 작동에 따라 그립퍼(10)에 포스 피드백을 구현하는 방법에 대해 설명한다.

사용자가 그립퍼(10)를 잡고 조작함에 따라 그립 요소에 설치된 포스 센서(18)로부터 센싱신호가 출력되는데, 그립퍼(10)를 제어하는 제어부(30)에서는 센싱신호를 수신한다(S10).

센싱신호로부터 사용자의 그립 조작에 따른 힘을 파악하여, 그립 조작의 힘이 커질수록 구동부(20)의 구동력의 크기가 작아지도록 구동력을 조절함으로써(S20), 그립퍼(10)가 오므라지도록 제어한다. 센싱신호로부터, 사용자의 그립 조작에 따른 힘이 작아지면, 구동력의 크기가 커지도록 함으로써 그립퍼(10)가 다시 벌어지도록 제어할 수 있음은 물론이다.

이처럼, 포스 센서(18)와 구동부(20)가 구비된 본 실시예에 따른 그립퍼(10)는, 사용자에 의한 그립 조작에 따라 그 작동(벌어짐, 오므라짐)이 제어될 수 있다.

포스 센서(18)로부터 출력되는 센싱신호는 그립퍼(10)의 작동뿐만 아니라, 수술용 로봇에 장착된 인스트루먼트(7)의 제어에도 사용될 수 있다. 즉, 사용자의 그립 조작에 따라 포스 센서(18)로부터 센싱신호가 출력되면, 이를 사용하여 인스트루먼트(7)가 (그립 조작에 상응하는) 그립 동작을 수행하도록 제어할 수 있다(S30).

즉, 센싱신호로부터 사용자의 그립 조작에 따른 힘을 파악하여, 그립 조작의 힘이 커질수록 이펙터 또한 오므라지도록 하고, 사용자의 그립 조작에 따른 힘이 작아지면, 이펙터 또한 벌어지도록 할 수 있다.

나아가, 본 실시예에 따른 마스터 그립퍼 구조는 '그립퍼-인스트루먼트' 간에 포스 피드백 제어를 구현하는 것도 용이하게 할 수 있는데, 그립퍼(10)의 작동에 상응하여 인스트루먼트(7)가 그립 동작을 수행하도록 하는 과정에서 인스트루먼트(7)에 가해지는 반력을 감지하고(S40), 감지된 반력값이 그립퍼(10)의 작동에 반영되도록 함으로써 포스 피드백을 구현할 수 있다.

즉, 인스트루먼트(7)에 가해지는 반력이 커질수록 구동부(20)의 구동력을 크게 함으로써 그립퍼(10)가 잘 오므라지지 않도록, 인스트루먼트(7)에 가해지는 반력이 작아질수록 구동부(20)의 구동력을 작게 함으로써 그립퍼(10)가 잘 오므라지도록, 구동력의 크기를 조절하여(S50), 인스트루먼트(7)에 가해지는 반력이 그립퍼(10)에 그대로 전달되도록 할 수 있으며, 이에 따라 사용자는 마치 손으로 직접 물체를 집는 것과 같은 느낌을 받으면서 로봇 수술을 수행할 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 : 수술용 로봇 3 : 마스터부
5 : 슬레이브부 7 : 인스트루먼트
10 : 그립퍼 12 : 힌지축
14, 16 : 그립 요소 15, 17 : 수용부
18 : 포스 센서 20 : 구동부
22 : 와이어 24 : 구동모터
26, 28 : 전자석 30 : 제어부
40 : 구동 제한부

Claims (15)

1. 수술용 인스트루먼트(instrument)가 장착되는 수술용 로봇의 마스터부에 구비되며, 상기 인스트루먼트가 그립(grip) 동작을 수행하도록 사용자로부터 그립 조작을 입력받기 위한 그립퍼(gripper) 구조로서,
   제1 그립 요소(grip element)와;
   상기 제1 그립 요소에 대향하여 위치하는 제2 그립 요소와;
   상기 제1 그립 요소에 대해 벌어지는 방향으로 상기 제2 그립 요소에 구동력을 인가하는 구동부와,
   상기 제1 그립 요소 및 상기 제2 그립 요소 중 어느 하나 이상에 결합되며, 사용자의 그립 조작에 의한 힘을 감지하여 센싱신호를 출력하는 포스 센서(force sensor)와;
   상기 센싱신호를 수신하여 상기 구동부가 상기 제2 그립 요소에 인가하는 구동력의 크기를 조절하는 제어부를 포함하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 그립 요소 및 상기 제2 그립 요소는 소정의 지지점에 각각 결합되어 집게 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 지지점은 힌지축을 포함하고, 상기 제1 그립 요소 및 상기 제2 그립 요소 중 적어도 하나 이상은 상기 힌지축에 회전가능하도록 결합되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 그립 요소 및 상기 제2 그립 요소에는 사용자의 손가락이 삽입될 수 있는 수용부가 형성되며, 상기 포스 센서는 사용자의 손가락에 접촉되도록 상기 수용부에 설치되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 구동부는,
   상기 제2 그립 요소에 일단부가 결합되는 결합수단과;
   상기 결합수단의 타단부에 결합되며, 상기 결합수단에 인장력을 가하는 구동모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 구동부는,
   상기 제1 그립 요소 및 상기 제2 그립 요소에 구동력을 인가하여 상기 제1 그립 요소와 상기 제2 그립 요소가 서로 벌어지도록 하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 구동부는,
   상기 제1 그립 요소에 결합되는 제1 전자석과;
   상기 제1 전자석에 대향하여 상기 제2 그립 요소에 결합되며, 상기 제1 전자석에 대해 척력을 인가하는 제2 전자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
   사용자의 그립 조작에 의한 힘이 커질수록 상기 구동력을 작게 하여 상기 제2 그립 요소가 상기 제1 그립 요소에 접근하도록 하고, 사용자의 그립 조작에 의한 힘이 작아질수록 상기 구동력을 크게 하여 상기 제2 그립 요소가 상기 제1 그립 요소로부터 벌어지도록 하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 제2 그립 요소가 상기 제1 그립 요소에 대해 소정의 기준치 이상으로 벌어지는 것을 억제할 수 있도록, 상기 구동력과 반대 방향의 힘을 상기 제2 그립 요소에 인가하는 구동 제한부를 더 포함하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 구동 제한부는,
    상기 제2 그립 요소를 탄지하며, 상기 제2 그립 요소가 상기 제1 그립 요소에 대해 소정의 기준치로 벌어졌을 때 상기 구동력보다 큰 탄성력을 인가하는 탄성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 인스트루먼트의 그립 동작에 따라 상기 인스트루먼트에 가해지는 반력에 관한 정보를 수신하여, 포스 피드백(force feedback)이 구현될 수 있도록 상기 구동력의 크기를 더 조절하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
    
12. 마스터(master)부에는 그립 조작을 입력받는 그립퍼가 설치되고, 슬레이브(slave)부에는 그립 동작을 수행하는 수술용 인스트루먼트가 장착되는 수술용 로봇에서 포스 피드백(force feedback)을 구현하는 방법으로서,
    상기 그립퍼는, 서로 대향하여 위치하는 한 쌍의 그립 요소와, 상기 한 쌍의 그립 요소가 벌어지도록 상기 한 쌍의 그립 요소 중 어느 하나에 구동력을 인가하는 구동부와, 상기 한 쌍의 그립 요소 중 어느 하나 이상에 설치되어 사용자의 그립 조작에 의한 힘을 감지하여 센싱신호를 출력하는 포스 센서를 포함하며,
    (a) 상기 센싱신호를 수신하는 단계; 및
    (b) 사용자의 그립 조작에 의한 힘이 커질수록 상기 구동력의 크기가 작아지도록, 상기 구동부가 상기 제2 그립 요소에 인가하는 구동력의 크기를 조절하는 단계를 포함하는 수술용 로봇의 제어방법.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 한 쌍의 그립 요소는 소정의 지지점에 각각 결합되어 집게 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 제어방법.
    
14. 제12항에 있어서,
    상기 단계 (a) 이후에,
    (c) 상기 센싱신호를 사용하여, 사용자의 그립 조작에 상응하여 상기 인스트루먼트가 그립 동작을 수행하도록 상기 인스트루먼트를 제어하는 단계를 더 포함하는 수술용 로봇의 제어방법.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 단계 (c) 이후에,
    (d) 상기 인스트루먼트의 그립 동작에 따라 상기 인스트루먼트에 가해지는 반력에 관한 정보를 수신하는 단계; 및
    (e) 상기 인스트루먼트에 가해지는 반력이 커질수록 상기 구동력의 크기가 커지도록, 상기 구동부가 상기 제2 그립 요소에 인가하는 구동력의 크기를 조절하는 단계를 더 포함하는 수술용 로봇의 제어방법.

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