KR20130080909A - 수술 로봇 및 그 제어 방법 - Google Patents

수술 로봇 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR20130080909A
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Abstract

본 발명은 콘솔과 머니퓰레이터 어셈블리를 가지는 수술 로봇에 있어서, 머니퓰레이터 어셈블리는, 복수의 링크와, 서로 인접한 링크 사이에 마련된 모터를 가지는 암; 콘솔로부터 전송된 명령에 기초하여 모터를 제어하는 원격 모드와, 외력에 기초하여 모터를 제어하는 매뉴얼 모드와의 모드 전환 여부를 판단하고, 원격 모드와 매뉴얼 모드 사이의 모드 전환이 판단되면 모드 전환 전의 모터의 출력 데이터를 전환된 모드의 입력 데이터로 설정하고 설정된 입력 데이터에 기초하여 전환된 모드에서 모터를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명은 수술 로봇 팔에 대하여 매뉴얼 모드와 원격 모드 간의 모드 전환 시 진동이 유발되는 것을 방지할 수 있고, 급격한 자세의 변형을 억제할 수 있어 수술 로봇의 안정성을 높일 수 있다.

Description

수술 로봇 및 그 제어 방법{Surgical robot and method for controlling the same}
본 발명은 안정성 향상을 위해 모터를 제어하는 수술 로봇 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
수술 로봇은 사용자의 명령에 따라 수술 도구를 움직여 환부를 치료 또는 수술하는 로봇이다.
수술 로봇에 의해 수행되는 수술에는, 환부의 크기를 최소화 하는 최소침습수술(Minimal Invasive Surgery, 또는 복강경 수술(Laparoscopic surgery)이라 함), 다빈치 로봇(da Vinci Robot) 수술 등이 있다.
여기서 최소침습수술은 배를 완전히 열고 수술을 하는 개복수술(Open Surgery)과 달리 몇 개의 작은 절개구(Small Incision)을 내고 배에 가스를 채워 수술 공간을 만든 후, 절개구를 통해 복강경(Laparoscope)과 수술용 작동기(Manipulator)를 넣어 복강 안의 영상을 보면서 수술용 작동기로 수술을 하는 것이다.
이러한 최소침습수술은 수술 후 통증이 적고, 장 운동의 조기회복 및 음식물의 조기 섭취가 가능하며 입원 기간이 짧고 정상 상태로의 복귀가 빠르며 절개범위가 작아 미용효과가 우수하다. 이로 인해 최소침습수술은 담낭 절재술, 전립선 암 수술, 탈장 교정술 등에 사용되고 있고 그 분야를 점점 더 넓혀가고 있는 추세이다.
하지만 최소침습수술은 수술 도구의 조정이 어렵고 절개구를 통하여 도구를 움직여야 하는 어려움이 있다. 또한 최소침습수술은 복강 내의 실제 위치와 사용자가 영상을 통해 표시되는 위치가 상하좌우 반전되기 때문에 숙련된 의사와 의료진을 필요로 한다.
이러한 최소침습수술의 단점을 극복한 것이 다빈치 로봇(daVinci robot)을 이용한 수술이다. 여기서 다빈치 로봇은 사용자에게 좌우 반전 없이 10배 내지 15배의 확대된 입체 영상을 전달하고 사용자의 움직임을 정교하게 암 및 수술 도구에 전달한다.
이러한 수술 로봇은 절개구에 복강경과 수술용 작동기를 삽입한 후 시술을 위한 공간을 확보하고 확보된 공간 내에서 수술용 작동기를 동작시켜 환부를 치료 또는 수술한다.
이때 수술용 작동기의 삽입이 완료되면 수술용 작동기의 동작을 제어하고, 시술이 완료되면 수술용 작동기의 동작을 정지시킨 후 수술용 작동기를 외부로 인출한다.
이 경우 수술용 작동기의 동작 모드가 변경되고 동작 모드 변경 시 제어 연산의 불일치나 출력의 불연속이 발생되어 수술용 작동기에 순간적인 진동이 발생되거나 급격한 자세 변형이 초래되어 환부나 절개구 주변의 생체 부위에 피해를 주는 위험 상황이 발생되는 문제가 있다.
일 측면은 매뉴얼 모드에서 원격 모드로 모드가 전환되면 매뉴얼 모드 완료 시점의 각도를 원격 모드의 초기 각도로 설정하는 수술 로봇 및 그 제어 방법을 제공한다.
다른 측면은 원격 모드에서 매뉴얼 모드로 모드가 전환되면 원격 모드 완료 시점의 토크를 원격 모드의 초기 토크로 설정하는 수술로봇 및 그 제어 방법을 제공한다.
일 측면에 따른 수술 로봇에 있어서, 콘솔과 머니퓰레이터 어셈블리를 가지는 수술 로봇에 있어서, 머니퓰레이터 어셈블리는, 복수의 링크와, 서로 인접한 링크 사이에 마련된 모터를 가지는 암; 콘솔로부터 전송된 명령에 기초하여 모터를 제어하는 원격 모드와, 외력에 기초하여 모터를 제어하는 매뉴얼 모드와의 모드 전환 여부를 판단하고, 원격 모드와 매뉴얼 모드 사이의 모드 전환이 판단되면 모드 전환 전의 모터의 출력 데이터를 전환된 모드의 입력 데이터로 설정하고 설정된 입력 데이터에 기초하여 전환된 모드에서 모터를 제어하는 제어부를 포함한다.
머니퓰레이터 어셈블리는 암에 작용하는 외력을 검출하는 토크 검출부를 더 포함하고, 제어부는 외력이 검출되면 매뉴얼 모드를 제어한다.
제어부는, 매뉴얼 모드로 모터 제어 시 외력에 대응되는 토크를 산출하고 산출된 토크에 기초하여 모터에 인가되는 전류를 제어한다.
머니퓰레이터 어셈블리는 모터의 각도를 검출하는 각도 검출부를 더 포함하고, 제어부는 매뉴얼 모드 중 콘솔로부터 명령이 전송되면 매뉴얼 모드를 원격 모드로 전환하고, 검출된 각도를 원격 모드의 초기 각도로 설정한다.
제어부는, 초기 각도에서 콘솔로부터 전송된 명령에 대응되는 각도까지 모터의 각도를 변경 제어한다.
제어부는, 원격 모드로 모터 제어 시 콘솔로부터 전송된 명령에 기초하여 위치 명령을 생성하고, 생성된 위치 명령에 대응되는 각도를 산출하고 산출된 각도에 기초하여 모터에 인가되는 전류를 제어한다.
제어부는, 산출된 각도에 기초하여 모터에 인가되는 전류 제어 시 모터의 속도를 제어한다.
제어부는, 원격 모드에서 매뉴얼 모드로의 전환이 판단되면 원격 모드로 모터 제어 시 모터의 토크를 확인하고, 확인된 토크를 매뉴얼 모드의 초기 토크로 설정한다.
머니퓰레이터 어셈블리는 암에 작용하는 외력을 검출하는 토크 검출부를 더 포함하고, 제어부는 원격 모드에서 매뉴얼 모드로 전환되면 외력에 대응되는 토크를 산출하고, 초기 토크에서 산출된 토크까지 모터의 토크를 제어한다.
제어부는, 보간 연산을 수행하여 모터의 토크를 제어한다.
제어부는, 위치 명령 및 토크 명령을 생성하는 명령 생성부; 생성된 위치 명령에 대응하여 모터의 각도를 조정하는 위치 조정부; 생성된 토크 명령에 대응되는 토크를 추종하기 위한 전류 및 모터의 각도를 조정하기 위한 전류를 산출하는 전류 산출부; 산출된 전류에 기초하여 모터에 인가되는 펄스를 조정하는 전력 변환부를 포함한다.
다른 측면에 따른 수술 로봇의 제어 방법은, 콘솔과 머니퓰레이터 어셈블리를 가지는 수술 로봇의 제어 방법에 있어서, 머니퓰레이터 어셈블리에 마련된 암에 작용하는 외력을 검출하고, 검출된 외력에 기초하여 암에 마련된 모터의 토크를 제어하는 매뉴얼 모드를 수행하고, 콘솔로부터 명령 전송 여부를 판단하고, 콘솔로부터 명령이 전송되면 매뉴얼 모드에서 원격 모드로의 모드 전환 시점이라고 판단하고, 모터의 각도를 검출하고, 검출된 각도를 원격 모드의 초기 각도로 설정하고, 초기 각도에서 콘솔로부터 전송된 명령에 대응되는 각도까지 모터의 각도를 변경 제어하고, 원격 모드를 제어한다.
매뉴얼 모드를 수행하는 것은, 외력에 대응되는 토크 명령을 생성하고, 생성된 토크 명령을 추종하기 위한 전류를 산출하고, 산출된 전류의 펄스폭을 조절하여 모터에 인가하는 것을 포함한다.
원격 모드를 수행하는 것은, 콘솔로부터 전송된 명령에 기초하여 위치 명령을 생성하고, 생성된 위치 명령에 대응되는 각도를 산출하고, 산출된 각도에 대응되는 전류를 산출하고, 전류의 펄스폭을 조절하여 모터에 인가하는 것을 포함한다.
수술 로봇의 제어 방법은, 모터의 속도를 제어하는 것을 더 포함한다.
수술 로봇의 제어 방법은, 원격 모드 수행 중 암에 작용하는 외력이 검출되면 원격 모드에서 매뉴얼 모드로의 전환 시점이라고 판단하고, 원격 모드 수행이 완료된 시점의 모터의 토크를 확인하고, 확인된 토크를 매뉴얼 모드의 초기 토크로 설정하고, 초기 토크에서 외력에 대응되는 토크까지 모터의 토크를 제어하는 것을 더 포함한다.
모터의 토크를 제어하는 것은, 보간 연산을 수행하는 것을 포함한다.
일 측면에 따르면, 수술 로봇 팔에 대하여 매뉴얼 모드와 원격 모드 간의 모드 전환 시 진동이 유발되는 것을 방지할 수 있고, 급격한 자세의 변형을 억제할 수 있어 수술 로봇의 안정성을 높일 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 수술 로봇에 마련된 머니퓰레이터 어셈블리의 예시도이다.
도 2는 실시예에 따른 수술 로봇에 마련된 머니퓰레이터 어셈블리의 암의 예시도이다.
도 3 은 실시예에 따른 수술 로봇에 마련된 수술 도구의 예시도이다.
도 4는 실시예에 따른 수술 로봇의 제어 구성도이다.
도 5는 실시예에 따른 수술 로봇의 상세 제어 구성도이다.
도 6 및 도 7은 실시예에 따른 수술 로봇의 제어 순서도이다.
도 8은 실시예에 따른 수술 로봇의 매뉴얼 모드의 예시도이다.
도 9는 실시예에 따른 수술 로봇의 모드 전환 시 데이터 전환 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 수술 로봇에 마련된 머니퓰레이터 어셈블리의 예시도이고, 도 2는 실시예에 따른 수술 로봇에 마련된 머니퓰레이터 어셈블리의 암의 예시도이며, 도 3 은 실시예에 따른 수술 로봇에 마련된 수술 도구의 예시도이다.
수술 로봇은 수술대나 수술대의 근처에 설치된 머니퓰레이터 어셈블리(100)와, 사용자가 환부를 관찰하고 머니퓰레이터 어셈블리(100)를 제어하는 콘솔(200)을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 머니퓰레이터 어셈블리(100)는 몸체(110)와, 몸체(110)에 이동 가능하게 장착되고 수술 도구(150)가 각각 분리 가능하게 결합되는 복수의 수술용 암(120)과, 몸체(110)에 이동 가능하게 장착되고 카메라와 조명이 마련되어 있어 환부 및 그 주변의 영상을 획득하는 내시경용 암(130)과, 내시경용 암(130)을 통해 획득된 환부의 영상을 표시하는 표시장치(140)를 포함한다.
그리고 머니퓰레이터 어셈블리(100)는 콘솔(200)과 통신을 수행하고, 복수의 암(120, 130)의 동작을 제어하기 위한 제어장치(160)를 더 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이 복수의 수술용 암 및 내시경용 암은 복수의 링크(121, 122, 123, 124)를 포함한다. 여기서 서로 인접한 링크는 관절에 의해 연결되고, 이 관절에는 모터가 마련되어 있다.
즉 각 암은 몸체(110)에 연결되는 제1링크(121), 관절을 통해 제1링크(121)에 연결되는 제2링크(122), 관절을 통해 제2링크(122)에 연결되는 제3링크(123)를 포함한다.
여기서 제2, 3, 4링크(122, 123, 124)는 제1링크(121)의 축(Y축)을 중심으로 회전하고, 제3, 4 링크(123, 124)는 제2링크(122)의 축(X축)을 중심으로 회전하며, 제4링크(124)는 제3링크(123)의 축(Z축)을 중심으로 이동한다.
아울러 제4링크(124)는 제3링크(123)의 축(Z축)을 중심으로 회전 가능하도록 제3링크(123)에 설치하는 것도 가능하다.
여기서 제 4링크(124)에는 수술 도구(150)가 분리 가능하게 결합된다. 이때 제2링크(124)에 결합된 수술 도구(150)는 제어장치(160)에 전기적으로 연결된다.
각 암(120, 130)은 각 링크가 이동되도록 각 링크에 이동력을 인가하는 모터(125, 126, 127)를 포함한다. 이로 인해 복수의 암은 자유로운 움직임이 가능하여 사용자(즉, 의사)의 손동작을 정교하게 전달할 수 있다.
좀 더 구체적으로 각 암은 제1링크(121) 내에 설치되어 다른 링크(122, 123, 124)를 회전시키는 제1모터(125)와, 제2링크(122) 내에 설치되어 제3, 4 링크(123, 124)를 회전시키는 제2모터(126)와, 제3링크(123) 내에 설치되어 제4링크(124)를 상하 이동시키는 제3모터(127)를 포함한다.
즉 복수의 수술용 암(120)은 콘솔(200)의 명령에 따라 각 모터를 회전시켜 다 축 방향으로 이동하고, 수술 도구(150)는 콘솔(200)로부터 전송된 명령에 따라 각 모터를 회전시켜 다 축 방향으로 이동하며 엔드 이펙터를 구동시키고, 내시경용 암(130)은 콘솔(200)의 명령에 따라 각 모터를 회전시켜 다 축 방향으로 이동한다.
즉, 머니퓰레이터 어셈블리(100)의 복수의 암(120, 130)은 원격 모드에 의해 이동 가능하다.
또한 수술용 암(120) 및 내시경용 암(130)은, 사용자에 의해 수동 이동 가능하다.
즉, 머니퓰레이터 어셈블리(100)의 복수의 암(120, 130)은 매뉴얼 모드에 의해 이동 가능하다.
머니퓰레이터 어셈블리(100)는 각 암과 몸체(110)와의 연결 부분에 설치되어 각 암에 인가되는 외력을 검출하는 토크 검출부(161)를 더 포함한다.
토크 검출부(161)는 몸체(110)와의 연결 부분 뿐만 아니라 암의 다른 링크에 설치하는 것도 가능하다.
여기서 토크 검출부(161)는, 힘/토크 검출부(Multi-Axis Force and Torque Sensor)를 이용하여 암에 전달되는 외력의 3방향 성분과 모멘트의 3방향 성분을 검출하는 것도 가능하다. 여기서 외력은 암(120, 130)에 작용한 사용자의 힘이다.
각 암(120, 130)은 제1, 2, 3 모터(125, 126, 127)의 회전 각도를 검출하는 각도 검출부(162)를 더 포함한다.
이러한 각도 검출부(162)는 증분형 인코더(Incremental Encoder), 절대형 인코더(Absolute Encoder), 자기식 인코더(Magnetic Encoder), 퍼텐쇼미터(Potentiometer) 중 어느 하나로 구현 가능하다.
표시장치(140)는 의사보다는 보조자를 위해 마련된 장치로, 환부의 치료 또는 수술 영상을 2차원 또는 3차원으로 출력한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 수술 도구(150)는 제1링크(151)와, 관절을 통해 제1링크(151)에 연결된 제2링크(152)와, 관절을 통해 제2링크(152)에 연결되고 환부에 접촉하여 치료 또는 수술을 수행하는 엔드 이펙터(153, 154)을 포함한다.
엔드 이펙터(153, 154)는 제1링크(151)와 제2링크(152) 사이의 관절 축을 중심으로 회전하고, 제2링크(152)와 엔드 이펙터(153, 154) 사이의 관절 축을 중심으로 회전하며, 제1링크(151)의 연장 축(z축)을 중심으로 회전한다.
그리고 엔드 이펙터(153, 154)는 작동 범위를 포함한다.
이 엔드 이펙터(153, 154)의 동작은, 제1링크(151) 내 케이블을 통해 이루어진다. 이 케이블은 암을 통해 전달된 전기적 신호를 전송한다.
엔드 이펙터(153, 154)는 가위, 그래스퍼, 바늘 홀더, 미세 해부기구(micro-dissector), 스테이플 어플라이어(staple applier), 태커(tacker), 흡입 세척 도구(suction irrigation tool), 클립 어플라이어, 컷팅 블레이드, 관주기(irrigator), 카테터, 및 흡입 오리피스와 같은 엔드 이펙터 중 어느 하나이다.
또한, 수술 도구의 엔드 이펙터는 조직의 용해 제거(ablating), 절제 (resecting), 절개(cutting) 응고(coagulating)를 위한 전기 수술 프로브 중 어느 하나로 이루어지는 것도 가능하다.
수술 도구(150)의 서로 인접한 링크를 연결하는 관절에는 모터(미도시)가 마련되어 있다. 즉, 엔드 이펙터는 관절의 모터에 의해 다 축 방향으로 회전한다.
수술 도구(150)는 스트레인 게이지와 같은 센서를 더 포함하는 것도 가능하다. 이 스트레인 게이지에서 센싱된 데이터를 콘솔(200)로 전달하고, 이를 사용자가 조정하는 입력부에게 전달함으로써 사용자가 수술도구(150)에서 발생되는 압력 등을 직접 느끼도록 하는 것도 가능하다.
머니퓰레이터 어셈블리(100)는 몸체(110) 상의 버튼 또는 스위치 등의 더 포함하여 보조자로부터 동작 명령을 직접 입력받는 것도 가능하다.
도 4는 실시예에 따른 수술 로봇의 제어 구성도로, 머니퓰레이터 어셈블리(100)의 제어장치(160)와 콘솔(200)의 제어 구성도이다.
머니퓰레이터 어셈블리(100)의 제어장치(160)는 토크 검출부(161), 각도 검출부(162), 영상 획득부(163), 제1제어부(164), 저장부(165), 모터 구동부(166), 광구동부(167), 표시 구동부(168) 및 제1통신부(169)를 포함한다.
토크 검출부(161)는 복수의 암에 각각 마련되어 각 암에 작용하는 외력을 검출한다.
각도 검출부(162)는 복수의 암의 각 모터에 마련되어 각 모터의 회전 각도를 검출한다.
영상 획득부(163)는 내시경 내의 카메라로부터 수집된 영상을 획득한다. 여기서 카메라는 이차원(2D) 영상 수집을 위해 하나 또는 삼차원(3D) 영상 수집을 위해 두 개 마련 가능하다.
영상 획득부(163)는 획득된 영상을 영상 처리하는 것도 가능하다.
제1제어부(164)는 사용자에 의해 인가된 외력 및 콘솔(200)로부터 전송된 명령에 기초하여 내시경용 암(130)과 복수의 수술용 암(120)의 동작을 제어한다.
여기서 사용자에 의해 인가된 외력에 기초하여 암을 제어하는 모드를 매뉴얼 모드(Manual mode), 콘솔(200)로부터 전송된 명령에 기초하여 암을 제어하는 모드를 원격 모드(Tele-Operation mode)라 한다.
좀 더 구체적으로 매뉴얼 모드는 최적의 가동 각 범위를 갖는 암의 자세를 만든 후 그 자세를 유지시킬 수 있도록 사용자에 의한 외력에 기초하여 복수의 암에 마련된 복수의 모터 중 적어도 하나의 모터의 토크를 제어하는 것이고, 원격 모드는 콘솔(200)로부터 전송된 명령에 기초하여 복수의 암에 마련된 복수의 모터 중 적어도 하나의 모터의 위치(즉, 각도)를 제어하는 것이다.
즉 제1 제어부(164)는 원격 모드 및 매뉴얼 모드에 따라 환자의 환부 관찰을 위한 내시경용 암(130)의 동작을 제어하고, 환부의 치료 또는 수술을 위한 수술 도구(150)와 복수의 수술용 암(120)의 작동을 제어한다.
제1제어부(164)는 매뉴얼 모드 제어 시 토크 검출부(161)를 통해 검출된 외력에 대응되는 토크를 산출하고 산출된 토크에 기초하여 모터에 인가되는 전류를 제어한다.
제1제어부(164)는 원격 모드 제어 시 콘솔(200)로부터 전송된 명령에 기초하여 위치 명령을 생성하고, 생성된 위치 명령에 대응되는 각도를 산출하고 산출된 각도에 기초하여 모터에 인가되는 전류를 제어한다.
제1제어부(164)는 매뉴얼 모드와 원격 모드와의 모드 전환 여부를 판단하고, 모드 전환 시점이라고 판단되면 모드 전환 전 모드에서의 모터의 출력 데이터를 모드 전환 후 전환된 모드의 입력 데이터로 설정하고 설정된 입력 데이터에 기초하여 전환된 모드의 수행을 제어한다.
좀 더 구체적으로 제1제어부(164)는 매뉴얼 모드로 모터 제어 중 콘솔(200)로부터 명령이 전송되면 매뉴얼 모드에서 원격 모드로의 모드 전환 시점이라고 판단하고, 매뉴얼 모드의 정지 시점에 각도 검출부(162)를 통해 검출된 각도를 확인하고, 확인된 각도를 원격 모드의 초기 각도로 설정하고, 초기 각도에서 콘솔(200)로부터 전송된 명령에 대응되는 각도까지 모터의 각도를 변경 제어한다.
제1제어부(164)는 위치 제어의 응답 특성을 개선하기 위해 각도 변경 시 모터의 속도를 제어한다.
제1제어부(164)는 원격 모드로 모터 제어 중 암에 외력이 인가된다고 판단되면 원격모드에서 매뉴얼 모드로의 모드 전환 시점이라고 판단하고, 원격 모드의 정지 시점에 발생된 토크를 확인하고, 확인된 토크를 매뉴얼 모드의 초기 토크로 설정하고, 설정된 초기 토크에서 외력에 대응되는 토크까지 모터의 토크를 제어한다.
이때 제1제어부(164)는 보간 연산을 수행하여 모터의 토크를 제어한다.
이러한 제1제어부(164)의 모드 전환을 위한 모터의 제어 구성을 도 5를 참조하여 구체적으로 설명한다.
모드 전환을 위해 모터를 제어하는 제1제어부(164)는, 명령 생성부(164a), 제1필터부(164b), 위치 조절부(164c), 속도 제어부(164d), 제2필터부(164e), 전류 산출부(164f), 펄스 조절부(164g), 차분부(164h)를 포함한다.
명령 생성부(164a)는 매뉴얼 모드 시 외력이 검출되면 외력에 대응되는 토크를 산출하고 산출된 토크 추종을 위한 명령을 생성하여 토크 명령을 출력하고, 원격 모드 시 콘솔로부터 전송된 명령에 대응되는 위치 추종을 위한 명령을 생성하여 위치 명령을 출력한다.
명령 생성부(164a)는 매뉴얼 모드에서 원격 모드로 모드 전환 시 모터의 각도를 검출하고 검출된 각도를 원격 모드의 초기 각도로 설정 후 설정된 초기 각도를 추종하기 위한 위치 명령을 출력하고, 원격 모드에서 매뉴얼 모드로 모드 전환 시 모터의 토크를 확인하고 확인된 토크를 매뉴얼 모드의 초기 토크로 설정 후 설정된 초기 토크를 추종하기 위한 토크 명령을 출력한다.
제1필터부(164b)는 명령 생성부(164a)에서 생성된 위치 명령을 필터링한다.
위치 조절부(164c)는 명령 생성부(164a)로부터 출력된 위치와 모터의 실제 위치에 기초하여 속도 명령을 산출하고 산출된 속도 명령을 출력하며, 두 개의 위치 신호가 일치되도록 모터의 위치를 조절한다.
속도 제어부(164d)는 위치 조절부에서 출력된 속도 명령과 차분부에서 출력된 실제 속도에 기초하여 토크 명령을 산출하여 출력하고, 두 개의 속도 신호가 일치되도록 모터의 속도를 제어한다.
이와 같이 실제 위치 및 실제 속도를 반영함으로써 응답성 및 토크 추종성을 향상시킬 수 있다.
제2필터부(164e)는 암을 이루는 링크의 고유 진동수에 의한 공진이나 진동의 제거를 목적으로 설치된 필터로, 토크 명령을 필터링하고 필터링된 토크 명령을 출력한다.
제2필터부(164e)에서 출력되는 토크 명령은 전류 산출부(164f) 및 명령생성부(164a)로 입력된다.
전류 산출부(164f)는 속도 제어부 및 명령 생성부 중 어느 하나로부터 토크 명령이 입력되면 입력된 토크를 추종하기 위한 전류를 산출한다. 또한 전류 산출부(164f)는 모터에 흐르는 실제 전류의 전류 피드백 신호가 입력된다.
전류 산출부(164f)는 토크를 추종하기 위한 전류와 실제 전류를 비교하여 모터에 인가될 전류를 산출하여 펄스 조절부로 출력한다.
펄스 조절부(164g)는 전력 변환기로, 산출된 전류가 생성되도록 펄스폭을 조절하고 조절된 펄스폭에 의해 전력이 변환되도록 한다. 이에 의해 변환된 전력을 모터에 인가한다.
차분부(164h)는 각도 검출부에서 검출된 각도를 미분하여 실제 속도를 검출하는 미분기이다. 이 차분부(164h)는 검출된 실제 속도를 속도 제어부에 출력한다.
모터는 암에 마련되어 링크를 이동시키는 모터로, 서보 모터이다.
각도 검출부는 서보 모터의 회전 위치, 즉 회전 각도를 검출하는 인코더로 서보 모터의 회전축에 접속하여 회전축의 회전 위치를 검출한다.
이때 검출된 모터의 각도는 명령 생성부 및 위치 조절부로 출력한다.
이와 같이 모터의 위치 제어 시 제2필터부(164e)로부터 출력된 토크 명령이 명령 생성부로 다시 입력되고, 모터의 토크 제어 시 각도 검출부에서 검출된 실제 각도가 명령 생성부로 다시 입력됨으로써, 위치 제어와 토크 제어 간의 출력 데이터를 공유할 수 있다.
즉, 모터의 위치 제어와 토크 제어 간에 제어 구성이 직렬로 연결됨으로써 서로 출력 데이터를 공유할 수 있다. 이로 인해 모터를 안정적으로 제어할 수 있다.
저장부(165)는 환부의 영상을 저장하고, 각 암(120, 130)에 마련된 모터의 토크 및 각도를 저장한다.
모터 구동부(166)는 제1제어부의 명령에 따라 각 암(120, 130)에 마련된 모터, 수술 도구(150)에 마련된 모터를 구동시킨다.
광 구동부(167)는 내시경 내의 조명을 구동시킨다. 여기서 조명은 하나 또는 두 개 이상으로 마련 가능하다.
표시 구동부(168)는 제1제어부(164)의 명령에 따라 표시 장치(140)를 구동시킨다.
제1통신부(169)는 제1제어부(164)의 명령에 따라 환부의 영상을 콘솔(200)에 전송하고 콘솔(200)로부터 전송된 각 모터의 구동 명령을 수신하여 제1제어부(164)에 전송한다.
제1통신부(169)는 각 암(120, 130)에 마련된 각 모터의 토크 및 각도 데이터를 콘솔(200)에 전송하는 것도 가능하다.
콘솔(200)은 머니퓰레이터 어셈블리(100)의 내시경에서 획득된 환부의 영상을 사용자가 보면서 가상의 수술 동작을 수행하면 사용자의 가상의 수술 동작과 같이 수술 도구가 움직이도록 하여 환부의 치료 또는 수술이 가능하도록 하는 기기이다.
이러한 콘솔(200)은 입력부(210), 제2제어부(220), 출력부(230) 및 제2통신부(240)를 포함한다.
입력부(210)는 머니퓰레이터 어셈블리(100)에 마련된 복수의 수술용 암(120), 내시경 암(130), 수술 도구(150)를 제어하기 위한 명령을 입력받는다.
여기서 입력부(210)는 소형 손목 짐벌, 조이스틱, 글러브(glove), 트리거-건(trigger-gun), 음성 인식 장치 중 적어도 하나를 포함한다.
입력부(210)는 전기 소작을 하여 지혈을 유도하거나 수술 도구나 내시경 암의 상하좌우 움직임을 제어할 수 있는 4개의 발판 등을 더 포함하는 것도 가능하다.
제2제어부(220)는 입력부(210)를 통해 입력된 명령에 대응되는 암에 마련된 모터의 구동 명령, 수술 도구의 구동 명령, 내시경의 구동 명령의 전송을 제어한다.
제 2 제어부(220)는 암에 마련된 모터, 수술 도구에 마련된 모터의 각도 및 토크의 저장을 제어한다.
제 2 제어부(220)는 암에 마련된 모터, 수술 도구, 내시경의 구동 명령이 입력되면 모터의 각도 및 토크를 확인하고, 확인된 각도 또는 토크를 이용하여 다음 명령을 생성하고, 생성된 명령의 전송을 제어하는 것도 가능하다.
제 2 제어부(220)는 머니퓰레이터 어셈블리(100)로부터 전송된 영상의 출력을 제어한다.
출력부(230)는 사용자에게 환부의 영상을 출력한다.
이러한 출력부(230)는 입체영상을 볼 수 있는 영안 렌즈를 포함한다.
출력부(230)는 최적의 생생한 현장감(true presence)으로 환부를 관찰하여 사용자가 암, 수술 도구, 내시경 등을 조작할 수 있도록, 실시간 입체 영상(stereo image)으로 변환시켜 출력하는 것이 가능하다.
제2통신부(240)는 머니퓰레이터 어셈블리(100)의 제1통신부(169)와 유무선 통신을 수행한다.
제2통신부(240)는 머니퓰레이터 어셈블리(100)에 마련된 복수의 수술용 암(120), 내시경 암(130), 수술 도구(150)를 제어하기 위한 신호를 송신하고, 머니퓰레이터 어셈블리(100)로부터 환부의 영상 신호를 수신한다.
또한 제 2 통신부(240)는 머니퓰레이터 어셈블리(100)의 암 및 수술도구에 마련된 모터의 각도 및 토크를 수신하는 것도 가능하다.
도 6 및 도 7은 실시예에 따른 수술 로봇의 제어 순서도이다. 이를 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다.
도 6은 매뉴얼 모드에서 원격 모드로의 모드 전환의 제어 순서도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 의사 또는 보조자는 환자의 환부를 덮은 피부에 작은 구멍을 뚫어 절개구(h)를 형성시키고, 수술대 주변에 위치한 머니퓰레이터 어셈블리(100)의 복수의 암에 각각 외력을 인가하여 각 절개구(h)의 위치에 내시경용 암(130)과 복수의 수술용 암(120)을 위치시킨 후 절개구(h)에 내시경과 복수의 수술 도구를 삽입한다.
이때 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 매뉴얼 모드로 각 암에 마련된 모터의 구동을 제어한다.
이하, 복수의 암 중 하나의 암에 마련된 하나의 모터를 예를 들어 설명한다.
우선, 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리(100) 내 제어 장치(160)는 암에 인가된 외력을 검출(301)한다. 이때 외력은 암에 마련된 토크 검출부(161)에 의해 검출된다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 외력에 대응하여 암을 부드럽게 움직일 수 있도록 하기 위한 모터의 토크 명령을 생성(302)한다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 산출된 토크를 추종하기 위한 전류를 산출(303)하고, 산출된 전류에 대응하여 펄스폭을 조절함으로써 전력을 변환한다.
여기서 산출된 토크를 추종하기 위한 전류 산출 시, 모터에 인가된 실제 전류를 피드백 받아 피드백된 실제 전류를 반영하는 것도 가능하다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 변환된 전력을 모터에 인가(304)함으로써 해당 모터에 토크 명령에 대응되는 토크가 발생되도록 한다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 모드 전환 시점인지 판단(305)한다. 여기서 모드 전환 시점인지 판단하는 것은, 콘솔(200)로부터 암의 구동 명령이 입력되는지 판단하는 것이다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 콘솔로부터 명령이 전송되면 매뉴얼 모드에서 원격 모드로의 모드 전환 시점이라고 판단하고, 매뉴얼 모드의 정지 시점의 모터의 각도를 검출(306)한다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 검출된 각도를 원격 모드의 초기 각도로 설정(307)하고 초기 각도에서 콘솔(200)로부터 전송된 명령에 대응되는 각도까지 모터의 각도를 변경하는 위치 제어를 수행한다.
도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 각도의 증감 여부에 무관하게 원격 모드의 초기 각도부터 콘솔로부터 전송된 명령에 대응되는 각도까지 모터의 각도를 부드럽게 변경함으로써 모터를 안정적으로 제어할 수 있다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 콘솔(200)로부터 전송되는 명령에 대응하여 모터의 위치 명령을 생성하면서 암의 이동을 원격에서 제어하는 원격 모드를 수행한다.
여기서 원격 모드를 수행하는 것은, 콘솔(200)로부터 전송된 명령에 기초하여 위치 명령을 생성(308)하고, 생성된 위치 명령에 대응되는 각도를 산출(309)한 후 산출된 각도에 대응되는 속도 명령을 생성한다. 이때 속도 명령은 명령 생성부로부터 직접 입력받는 것도 가능하다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 속도 명령에 대응되는 토크 명령을 생성하고, 생성된 토크 명령을 추종하기 위한 전류를 산출(310)한다.
이때 모터의 각도를 검출하고, 검출된 각도를 미분하여 실제 속도를 산출하고, 산출된 실제 속도를 속도 명령에 반영하여 토크 명령을 생성하는 것도 가능하다.
또한 토크 명령을 추종하기 위한 전류 산출 시, 모터에 인가된 실제 전류를 피드백 받아 피드백된 실제 전류를 반영하는 것도 가능하다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 산출된 전류에 대응하여 펄스폭을 조절함으로써 전력을 변환한다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 변환된 전력을 모터에 인가(311)함으로써 해당 모터에 위치 명령에 대응되는 토크가 발생되도록 한다.
도 7은 원격 모드에서 매뉴얼 모드로의 모드 전환의 제어 순서도이다.
수술 로봇은 콘솔로부터 전송된 명령에 기초하여 모터의 위치를 제어하는 원격 모드를 수행함으로써 환부를 치료 또는 수술한다.
여기서 원격 모드를 수행하는 것은, 콘솔(200)로부터 전송된 명령에 기초하여 위치 명령을 생성(401)하고, 생성된 위치 명령에 대응되는 각도를 산출(402)한 후 산출된 각도에 대응되는 속도 명령을 생성한다. 이때 속도 명령은 명령 생성부로부터 직접 입력받는 것도 가능하다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 속도 명령에 대응되는 토크 명령을 생성하고, 생성된 토크 명령을 추종하기 위한 전류를 산출(403)한다.
이때 모터의 각도를 검출하고, 검출된 각도를 미분하여 실제 속도를 산출하고, 산출된 실제 속도를 속도 명령에 반영하여 토크 명령을 생성하는 것도 가능하다.
또한 토크 명령을 추종하기 위한 전류 산출 시, 모터에 인가된 실제 전류를 피드백 받아 피드백된 실제 전류를 반영하는 것도 가능하다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 산출된 전류에 대응하여 펄스폭을 조절함으로써 전력을 변환한다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 변환된 전력을 모터에 인가(404)함으로써 해당 모터에 위치 명령에 대응되는 토크가 발생되도록 한다.
즉, 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 원격 모드 제어 시 위치 명령, 토크 명령 등에 기초하여 암이 목표 위치로 이동되도록 모터를 구동시키고, 속도 명령을 더 반영하여 암이 좀 더 부드럽고 정확하게 목표 위치로 이동될 수 있도록 한다. 이로써 위치 제어의 응답특성을 개선할 수 있다.
다음 원격 모드에서 매뉴얼 모드로의 모드 전환 시점인지 판단(405)한다.
즉, 원격 모드로 모터 제어 중 환부의 치료 또는 수술이 완료되었거나, 암의 위치를 수동으로 변경하고자 할 경우, 원격 모드에서 매뉴얼 모드로의 모드 전환이 이루어진다.
수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 원격 모드 수행 중 암에 외부의 외력이 검출되면 원격 모드에서 매뉴얼 모드로의 전환 시점이라고 판단하고, 원격 모드 수행이 정지된 시점의 모터의 토크를 확인(406)하고, 확인된 토크를 매뉴얼 모드의 초기 토크로 설정한다.
그리고 매뉴얼 모드의 초기 토크에서 외력에 대응되는 토크까지 보간(407)을 수행함으로써 모터의 토크를 제어한다.
도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 토크의 증감 여부에 무관하게 매뉴얼 모드의 초기 토크부터 외력에 대응되는 토크까지 모터의 토크를 부드럽게 변경함으로써 모터를 안정적으로 제어할 수 있다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 주기적으로 외력에 대응되는 토크를 검출(408)하고, 외력에 대응하여 암을 부드럽게 움직일 수 있도록 하기 위한 모터의 토크 명령을 생성(409)한다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 산출된 토크를 추종하기 위한 전류를 산출(410)하고, 산출된 전류에 대응하여 펄스폭을 조절함으로써 전력을 변환한다.
여기서 산출된 토크를 추종하기 위한 전류 산출 시, 모터에 인가된 실제 전류를 피드백 받아 피드백된 실제 전류를 반영하는 것도 가능하다.
다음 수술 로봇의 머니퓰레이터 어셈블리는 변환된 전력을 모터에 인가(411)함으로써 해당 모터에 토크 명령에 대응되는 토크가 발생되도록 한다.
이와 같이 원격 모드를 위한 위치 제어와 매뉴얼 모드를 위한 토크 제어 시 서로 최종 출력 데이터를 공유하게 됨으로써 모드 전환 시 안정적인 제어 전환이 가능하다.
또한 수술 로봇의 암에 대하여 매뉴얼 모드와 원격 모드 간의 모드 전환에서 발생되는 진동 및 급격한 자세 변형을 억제할 수 있어 수술 로봇의 안정성을 높을 수 있다.
100: 머니퓰레이터 어셈블리 110: 몸체
120: 수술용 암 130: 내시경용 암
140: 표시장치 150: 수술 도구
160: 제어장치 200: 콘솔

Claims (17)

  1. 콘솔과 머니퓰레이터 어셈블리를 가지는 수술 로봇에 있어서,
    상기 머니퓰레이터 어셈블리는,
    복수의 링크와, 서로 인접한 링크 사이에 마련된 모터를 가지는 암;
    상기 콘솔로부터 전송된 명령에 기초하여 모터를 제어하는 원격 모드와, 외력에 기초하여 상기 모터를 제어하는 매뉴얼 모드와의 모드 전환 여부를 판단하고, 상기 원격 모드와 매뉴얼 모드 사이의 모드 전환이 판단되면 모드 전환 전의 상기 모터의 출력 데이터를 전환된 모드의 입력 데이터로 설정하고 상기 설정된 입력 데이터에 기초하여 상기 전환된 모드에서 상기 모터를 제어하는 제어부를 포함하는 수술 로봇.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 머니퓰레이터 어셈블리는 상기 암에 작용하는 외력을 검출하는 토크 검출부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 외력이 검출되면 상기 매뉴얼 모드를 제어하는 수술 로봇.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 매뉴얼 모드로 상기 모터 제어 시 상기 외력에 대응되는 토크를 산출하고 상기 산출된 토크에 기초하여 상기 모터에 인가되는 전류를 제어하는 수술 로봇.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 머니퓰레이터 어셈블리는 상기 모터의 각도를 검출하는 각도 검출부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 매뉴얼 모드 중 상기 콘솔로부터 명령이 전송되면 상기 매뉴얼 모드를 상기 원격 모드로 전환하고, 상기 검출된 각도를 상기 원격 모드의 초기 각도로 설정하는 수술 로봇.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 초기 각도에서 상기 콘솔로부터 전송된 명령에 대응되는 각도까지 상기 모터의 각도를 변경 제어하는 수술 로봇.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 원격 모드로 상기 모터 제어 시 상기 콘솔로부터 전송된 명령에 기초하여 위치 명령을 생성하고, 상기 생성된 위치 명령에 대응되는 각도를 산출하고 상기 산출된 각도에 기초하여 상기 모터에 인가되는 전류를 제어하는 수술 로봇.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 산출된 각도에 기초하여 상기 모터에 인가되는 전류 제어 시 상기 모터의 속도를 제어하는 수술 로봇.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 원격 모드에서 상기 매뉴얼 모드로의 전환이 판단되면 상기 원격 모드로 상기 모터 제어 시 상기 모터의 토크를 확인하고, 확인된 토크를 상기 매뉴얼 모드의 초기 토크로 설정하는 수술 로봇.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 머니퓰레이터 어셈블리는 상기 암에 작용하는 외력을 검출하는 토크 검출부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 원격 모드에서 상기 매뉴얼 모드로 전환되면 상기 외력에 대응되는 토크를 산출하고, 상기 초기 토크에서 상기 산출된 토크까지 상기 모터의 토크를 제어하는 수술 로봇.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제어부는,
    보간 연산을 수행하여 상기 모터의 토크를 제어하는 수술 로봇.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 위치 명령 및 토크 명령을 생성하는 명령 생성부;
    상기 생성된 위치 명령에 대응하여 상기 모터의 각도를 조정하는 위치 조정부;
    상기 생성된 토크 명령에 대응되는 토크를 추종하기 위한 전류 및 상기 모터의 각도를 조정하기 위한 전류를 산출하는 전류 산출부;
    상기 산출된 전류에 기초하여 상기 모터에 인가되는 펄스를 조정하는 전력 변환부를 포함하는 수술 로봇.
  12. 콘솔과 머니퓰레이터 어셈블리를 가지는 수술 로봇의 제어 방법에 있어서,
    상기 머니퓰레이터 어셈블리에 마련된 암에 작용하는 외력을 검출하고,
    상기 검출된 외력에 기초하여 상기 암에 마련된 모터의 토크를 제어하는 매뉴얼 모드를 수행하고,
    상기 콘솔로부터 명령 전송 여부를 판단하고,
    상기 콘솔로부터 명령이 전송되면 상기 매뉴얼 모드에서 상기 원격 모드로의 모드 전환 시점이라고 판단하고,
    상기 모터의 각도를 검출하고,
    상기 검출된 각도를 상기 원격 모드의 초기 각도로 설정하고
    상기 초기 각도에서 상기 콘솔로부터 전송된 명령에 대응되는 각도까지 상기 모터의 각도를 변경 제어하고,
    상기 원격 모드를 제어하는 수술 로봇의 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 매뉴얼 모드를 수행하는 것은,
    상기 외력에 대응되는 토크 명령을 생성하고,
    상기 생성된 토크 명령을 추종하기 위한 전류를 산출하고,
    상기 산출된 전류의 펄스폭을 조절하여 상기 모터에 인가하는 것을 포함하는 수술 로봇의 제어 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 원격 모드를 수행하는 것은,
    상기 콘솔로부터 전송된 명령에 기초하여 위치 명령을 생성하고,
    상기 생성된 위치 명령에 대응되는 각도를 산출하고,
    상기 산출된 각도에 대응되는 전류를 산출하고,
    상기 전류의 펄스폭을 조절하여 상기 모터에 인가하는 것을 포함하는 수술 로봇의 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 모터의 속도를 제어하는 것을 더 포함하는 수술 로봇의 제어 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 원격 모드 수행 중 상기 암에 작용하는 외력이 검출되면 상기 원격 모드에서 상기 매뉴얼 모드로의 전환 시점이라고 판단하고,
    상기 원격 모드 수행이 완료된 시점의 상기 모터의 토크를 확인하고,
    상기 확인된 토크를 상기 매뉴얼 모드의 초기 토크로 설정하고,
    상기 초기 토크에서 상기 외력에 대응되는 토크까지 상기 모터의 토크를 제어하는 것을 더 포함하는 수술 로봇의 제어 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 모터의 토크를 제어하는 것은,
    보간 연산을 수행하는 것을 포함하는 수술 로봇의 제어 방법.
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