KR20140121933A - 수술 로봇 - Google Patents

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KR20140121933A
KR20140121933A KR1020130037939A KR20130037939A KR20140121933A KR 20140121933 A KR20140121933 A KR 20140121933A KR 1020130037939 A KR1020130037939 A KR 1020130037939A KR 20130037939 A KR20130037939 A KR 20130037939A KR 20140121933 A KR20140121933 A KR 20140121933A
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최병준
심영보
김용재
김정훈
노세곤
이연백
이종원
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삼성전자주식회사
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Abstract

일 실시 예에 따른 수술 로봇은 수술 도구를 갖는 슬레이브 장치를 포함하며, 상기 수술 도구는 복수의 솔레노이드 세그먼트로 이루어진 링크를 적어도 하나 이상 포함하는 몸체 및 상기 몸체 일단에 장착된 엔드 이펙터를 포함한다.

Description

수술 로봇{Surgical robot}
수술 로봇이 개시된다. 더욱 상세하게는, 벤더블(Bendable)한 상태 또는 리지드(Rigid)한 상태로 변환 가능한 수술 도구를 포함하는 수술 로봇이 개시된다.
최소 침습 수술(Minimal Invasive Surgery)이란 환부의 크기를 최소화하는 수술을 통칭한다. 최소 침습 수술은 인체의 일부(예: 복부)에 큰 절개창을 열고 시행하는 개복 수술과는 달리, 인체에 0.5㎝∼1.5㎝ 크기의 적어도 하나의 절개공(또는 침습구)을 형성하고, 이 절개공을 통해 내시경과 각종 수술도구들을 넣은 후 영상을 보면서 시행하는 수술 방법이다.
이러한 최소 침습 수술은 개복 수술과는 달리 수술 후 통증이 적고, 장 운동의 조기 회복 및 음식물의 조기 섭취가 가능하며 입원 기간이 짧고 정상 상태로의 복귀가 빠르며 절개 범위가 좁아 미용 효과가 우수하다는 장점을 갖는다. 이와 같은 장점으로 인하여 최소 침습 수술은 담낭 절제술, 전립선암 수술, 탈장 교정술 등에 사용되고 있고 그 분야를 점점 더 넓혀가고 있는 추세이다.
일반적으로 최소 침습 수술에 이용되는 수술 로봇은 마스터 장치와 슬레이브 장치를 포함한다. 마스터 장치는 의사의 조작에 따른 제어신호를 생성하여 슬레이브 장치로 전송하고, 슬레이브 장치는 마스터 장치로부터 제어신호를 수신하여 수술에 필요한 조작을 환자에게 가하게 되며, 마스터 장치와 슬레이브 장치를 통합하여 구성하거나, 각각 별도의 장치로 구성하여 수술실에 배치한 상태에서 수술을 진행하고 있다.
이러한 수술 로봇은 크게 환자 신체에 여러 개의 침습구를 형성하여 각각의 침습구에 수술 도구를 하나씩 삽입하여 시술하는 멀티 포트 수술 로봇과 하나의 침습구를 형성하고, 형성된 하나의 침습구에 다수 개의 수술 도구를 한꺼번에 삽입하여 시술하는 싱글 포트 수술 로봇을 포함한다. 여기에서, 싱글 포트 수술 로봇은 멀티 포트 수술 로봇과 비교하여 하나의 침습구를 형성하므로, 환부가 협소하고 회복기간이 빠른 이점이 있어 최근 각광받고 있으나, 수술 방법은 용이하지 않다.
구부러진 가이드 튜브를 용이하게 통과할 수 있는 수술 도구를 포함하는 수술 로봇을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 수술 로봇은 수술 도구를 갖는 슬레이브 장치를 포함하며, 상기 수술 도구는 복수의 솔레노이드 세그먼트로 이루어진 링크를 적어도 하나 이상 포함하는 몸체 및 상기 몸체 일단에 장착된 엔드 이펙터를 포함한다.
도 1은 수술 로봇의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 복강 내부로 수술 도구 삽입용 가이드 튜브를 삽입하여 수술 부위로 이동시킨 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 수술 부위로 이동한 가이드 튜브에 수술 도구를 삽입한 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 수술 도구의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 수술 도구에서 링크를 이루는 각 체절 간에 척력이 발생하는 원리 및 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 도 4의 수술 도구에서 링크를 이루는 각 체절 간에 인력이 발생하는 원리 및 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 각 체절 간에 척력이 발생한 경우 외력에 따라 형태가 변하는 링크 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 각각의 솔레노이드 세그먼트 중심부를 통과하는 와이어를 도시한 도면이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
또한, 개시된 발명은 싱글 포트 수술 로봇에 적용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 싱글 포트 수술 로봇은 다수 개의 수술 도구를 하나의 침습구를 통해 환자의 복강 내로 삽입하여 수술 동작을 수행하는 수술 로봇을 말하며, 이는 다수 개의 침습구를 형성하고, 각각의 침습구로 하나의 수술 도구를 삽입하는 멀티 포트 수술 로봇과는 반대의 개념으로 볼 수 있다.
또한, 이후 설명에서는 슬레이브 장치와 슬레이브 장치를 원격으로 제어하는 마스터 장치를 포함하는 수술 로봇을 예로 들어 설명하고 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 조작자가 직접 수술 도구를 조작하는 수술 로봇의 경우에도 적용 가능함은 물론이다.
도 1은 수술 로봇의 외관을 도시한 도면이고, 도 2는 복강 내부로 수술 도구 삽입용 가이드 튜브를 삽입하여 수술 부위로 이동시킨 상태를 도시한 도면이며, 도 3은 수술 부위로 이동한 가이드 튜브에 수술 도구를 삽입한 상태를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 수술 로봇은 크게 수술대에 누워있는 환자(P)에게 수술을 행하는 슬레이브 장치(200)와 조작자(예로써, 의사)의 조작을 통해 슬레이브 장치(200)를 원격으로 제어하는 마스터 장치(100)를 포함할 수 있다. 이때, 환자(P) 측에는 조작자를 보조할 조작자가 한 명 이상 위치할 수 있다.
여기에서, 조작자를 보조한다는 것은 환자(P)가 위치하는 실제 공간에서 조작자의 조작에 의해 원격으로 이루어지는 수술 작업을 보조하는 것을 의미할 수 있으며, 예를 들어, 사용되는 수술 도구의 교체 등이 이에 해당될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 수술 종류에 따라 수술 작업에 다양한 수술 도구가 사용될 수 있는데, 슬레이브 장치(200)의 로봇 암(210) 개수 및 한 번에 장착되는 수술 도구의 개수가 제한적일 수 있고, 또한, 침습구가 하나인 경우 상기 침습구를 통해 환자(P)의 복강 내부로 삽입될 수 있는 수술 도구의 개수 등이 제한적일 수 있다.
이에 따라, 수술 작업이 진행되는 과정에서 수술 도구를 교체할 필요가 있는 경우, 조작자는 환자(P) 측에 위치한 보조자에게 수술 도구의 교체를 지시하고, 보조자는 조작자의 지시에 따라 환자(P) 복강 내로 삽입된 수술 도구를 꺼낸 후 다른 수술 도구를 다시 복강 내로 삽입하거나 또는 로봇 암(210)에 장착된 수술 도구를 분리한 후 다른 수술 도구를 다시 로봇 암(210)에 장착하는 등의 수술 도구 교체 작업을 수행할 수 있다.
마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200)는 물리적으로 독립된 별도의 장치로 분리 구성될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 예로써 하나로 통합된 일체형 장치로 구성되는 것 역시 가능할 것이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 마스터 장치(100)는 입력부(110) 및 표시부(120)를 포함할 수 있다.
입력부(110)는 수술 로봇의 동작 모드를 선택하는 명령, 슬레이브 장치(200)의 로봇 암(210), 수술 도구(220) 및 촬영부(230) 등의 동작을 원격으로 제어하기 위한 명령 등을 조작자로부터 입력받을 수 있는 구성을 의미하며, 본 실시 예에서 입력부(110)로 햅틱 디바이스, 클러치 페달, 스위치, 버튼 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 예로써 음성 인식 디바이스 등과 같은 구성도 사용될 수 있다. 이하 설명에서는 입력부(110)로 햅틱 디바이스가 사용된 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 입력부(110)로 상술한 다양한 수단이 사용될 수 있음은 자명하다.
도 1에서는 입력부(110)가 두 개의 핸들(111, 113)을 포함하는 것으로 도시하고 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과할 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 하나의 핸들을 포함할 수도 있고 또는 세 개 이상의 핸들을 포함하는 것 역시 가능할 것이다. 조작자는 양손으로 두 개의 핸들(111, 113)을 각각 움직임으로써, 슬레이브 장치(200)의 로봇 암(210)의 동작을 제어할 수 있다. 즉, 조작자가 입력부(110)를 조작하면, 제어부(미도시)는 입력부(110)의 상태 정보에 대응되는 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어 신호를 통신부(미도시)를 통해 슬레이브 장치(200)로 전송할 수 있다. 여기에서, "제어 신호"는 상술한 바와 같이, 로봇 암(210), 수술 도구(220) 및 촬영부(230)의 동작을 제어하는 명령 등을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
마스터 장치(100)의 표시부(120)에는 촬영부(230)를 통해 수집된 환자(P) 신체 내부에 대한 실제 영상 및 환자의 수술 전 의료 영상을 3차원 영상으로 변환한 가상 영상 등이 화상 이미지로 표시될 수 있다. 이를 위해, 마스터 장치(100)는 슬레이브 장치(200)로부터 전송되는 영상 데이터를 수신 및 처리하여 표시부(120)로 출력하기 위한 영상 처리부(미도시)를 포함할 수 있다. 여기에서, "영상 데이터"는 전술한 바와 같이, 촬영부(230)를 통해 수집된 실제 영상, 환자의 수술 전 의료 영상을 3차원 영상으로 변환한 가상 영상 등을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
표시부(120)는 하나 이상의 모니터로 구성될 수 있으며, 각 모니터에 수술 시 필요한 정보들이 개별적으로 표시되도록 구현할 수 있다. 예를 들어, 표시부(120)가 세 개의 모니터로 구성된 경우, 이중 하나의 모니터에는 촬영부(230)를 통해 수집된 실제 영상이 표시되고, 다른 두 개의 모니터에는 각각 환자의 수술 전 의료 영상을 3차원 영상으로 변환한 가상 영상 및 슬레이브 장치(200)의 동작 상태에 관한 정보와 환자 정보 등이 표시되도록 구현할 수 있다. 다른 예로, 복수의 모니터에 동일한 영상이 표시되도록 구현할 수 있으며, 이때, 각각의 모니터마다 동일한 영상이 표시될 수도 있고, 복수의 모니터 전체에 하나의 영상이 표시될 수도 있다. 또한, 모니터의 수량은 표시를 요하는 정보의 유형이나 종류 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다. 상술한 표시부(120)는 예로써, LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode) 등으로 구현될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
여기에서, "환자 정보"는 환자의 상태를 나타내는 정보일 수 있으며, 예를 들어, 체온, 맥박, 호흡 및 혈압 등과 같은 생체 정보일 수 있다. 이러한 생체 정보를 마스터 장치(100)로 제공하기 위해 후술할 슬레이브 장치(200)는 체온 측정 모듈, 맥박 측정 모듈, 호흡 측정 모듈, 혈압 측정 모듈 등을 포함하는 생체 정보 측정 유닛을 더 포함할 수 있다. 이를 위해, 마스터 장치(100)는 슬레이브 장치(200)로부터 전송되는 생체 정보를 수신 및 처리하여 표시부(120)로 출력하기 위한 신호 처리부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
슬레이브 장치(200)는 복수의 로봇 암(210) 및 로봇 암(210) 단부에 장착된 수술 도구(surgical instrument)들(220)을 포함할 수 있다.
도 1에 자세하게 도시하지는 않았으나, 복수의 로봇 암(210)은 각각 복수의 링크 및 복수의 관절을 포함할 수 있으며, 각 관절은 링크와 링크를 연결하며, 1 자유도(Degree Of Freedom;DOF) 이상을 가질 수 있다. 자유도(Degree Of Freedom: DOF)란 기구학(Kinematics) 또는 역기구학(Inverse Kinematics)에서의 자유도를 말한다. 기구의 자유도란 기구의 독립적인 운동의 수, 또는 각 링크 간의 상대 위치의 독립된 운동을 결정하는 변수의 수를 말한다. 예를 들어, x축, y축, z축으로 이루어진 3차원 공간상의 물체는, 물체의 공간적인 위치를 결정하기 위한 3 자유도(각 축에서의 위치)와, 물체의 공간적인 자세(orientation)를 결정하기 위한 3 자유도(각 축에 대한 회전 각도) 중에서 하나 이상의 자유도를 갖는다. 구체적으로, 물체가 각각의 축을 따라 이동 가능하고, 각각의 축을 기준으로 회전 가능하다고 한다면, 이 물체는 6 자유도를 갖는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 로봇 암(210)의 각 관절에는 관절의 상태와 관련된 정보를 검출할 수 있는 검출부(미도시)가 마련될 수 있다. 예로써, 검출부(미도시)는 관절에 가해진 힘/토크 정보를 검출하는 힘/토크 검출부, 관절의 위치 정보를 검출하는 위치 검출부 및 관절의 속도 정보를 검출하는 속도 검출부를 포함할 수 있다. 여기에서, 속도 검출부는 위치 검출부로 사용되는 위치 센서의 종류에 따라 생략 가능하다. 이때, 위치 센서로는 포텐쇼미터(Potentiometer), 엔코더(Encoder) 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이, 로봇 암(210)의 각 관절에 검출부를 마련함으로써, 검출부를 통해 각 관절의 상태 정보를 검출하고, 검출된 각 관절의 상태 정보를 역기구학(Inverse Kinematics)에 적용하여 수술 도구(220)의 위치 및 방향을 연산할 수 있다.
또한, 본 실시 예에서 수술 도구들(220)은 환자(P)의 복부에 형성된 하나의 침습구 즉 "싱글 포트(single port)"로 모두 삽입될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이 환자(P) 복부에 형성된 싱글 포트(S)로 수술 도구(220)를 모두 삽입하여 시술하는 이른바 "싱글 포트 수술"은 환자(P) 복부에 여러 개의 침습구를 형성하고, 각 포트로 하나의 수술 도구를 삽입하여 시술하는 "멀티 포트 수술"과 비교하여 흉터를 최소화할 수 있고, 회복 속도가 빠른 장점이 있다.
또한, 본 실시 예에서 수술 도구들(220)은 도 3과 같이 싱글 포트(S)로 삽입되어 수술 부위를 향하도록 구부러지는 가이드 튜브(240)에 마련된 통로(미도시)를 통과함으로써 수술 부위에 도달할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, 환자(P) 복부에 형성된 싱글 포트(S)로 촬영부(230)가 삽입된 가이드 튜브(240)를 진입시킨 후(1), 촬영부(230)로 복강 내부를 확인하면서(2) 가이드 튜브(240)를 구부려 수술 부위로 이동시킨다(3). 이후, 가이드 튜브(240)의 이동이 완료되면, 가이드 튜브(240)에 마련된 수술 도구 진입 통로(미도시)로 각종 수술 도구(220)를 통과시켜 도 3과 같이 수술 도구(220)가 수술 부위에 도달하도록 할 수 있다.
이때, 가이드 튜브(240)가 구부러져 있기 때문에 가이드 튜브(240) 내의 수술 도구 진입 통로(미도시) 역시 구부러진 형태가 되므로, 수술 도구(220)는 가이드 튜브(240)의 수술 도구 진입 통로(미도시)를 통과할 때는 구부러진 형태를 따라 구부러지면서 통과할 수 있도록 (Flexible)한 상태가 요구되고, 통과 후 시술할 때에는 조작의 편의 및 안전을 위해 리지드(Rigid)한 상태가 요구된다. 즉, 본 실시 예에서는 수술 도구(220)가 상황에 따라 벤더블(Bendable)한 상태 또는 리지드(Rigid)한 상태가 되도록 제어할 수 있다.
이를 위해, 본 실시 예에 따른 수술 도구(220)는 도 4에 도시한 바와 같이, 복수의 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)로 이루어진 링크(221)를 적어도 하나 이상 포함하는 몸체(223) 및 몸체(223) 일단에 장착된 엔드 이펙터(225)를 포함할 수 있다. 여기에서, "솔레노이드 세그먼트"는 전류가 흐를 때 전자석으로 변하게 되는 최소 단위 구성을 의미할 수 있으며, 각각의 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)에는 흐르는 전류에 따라 자계를 발생시키는 코일(coil)(510, 520, 도 5 참조)이 내장될 수 있다. 이때, 코일(510, 520)은 후술되는 제1전원이 인가되는 제1코일(510) 및 제2전원이 인가되는 제2코일(520)을 포함할 수 있다. 또한, 각각의 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)에는 도 5와 같이, 제1코일(510)이 통과하는 제1홀(222A) 및 제2코일(520)이 통과하는 제2홀(222B)이 마련될 수 있다.
또한, 각각의 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)는 중심부에 통로를 갖는 원통 형상으로 구현될 수 있으나, 그 형상이 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형상으로 구현될 수 있음은 물론이다. 이때, 각 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D) 중심부의 통로에는 다양한 역할을 하는 각종 와이어(wire)가 통과할 수 있다. 여기에서, 각종 와이어(wire)는 예를 들어, 엔드 이펙터(225)로 구동력을 전달하기 위한 와이어 및 각 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)들이 인력 발생으로 인하여 서로 결합될 때, 결합 강도를 향상시키기 위한 와이어 등을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 이에 대해서는 이후 상세히 설명할 것이다.
또한, 도 4에서는 링크(221)가 4개의 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)로 이루어진 것으로 도시하고 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 하나의 링크(221)를 이루는 솔레노이드 세그먼트의 개수가 특별히 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 실시 예에서 복수의 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)는 도 4와 같이 일렬로 배치될 수 있으며, 일렬로 배치된 각각의 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)에서 첫 번째 솔레노이드 세그먼트(221A)를 기준으로 홀수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221A, 221C)은 제1전원과 연결되고, 짝수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221B, 221D)은 제2전원과 연결될 수 있다.
즉, 홀수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221A, 221C)은 제1전원이 인가되는 제1코일(510)로 연결하고, 짝수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221B, 221D)은 제2전원이 인가되는 제2코일(520)로 연결하는 것이다. 이에 따라, 제1코일(510) 및 제2코일(520)에 각각 제1전원 및 제2전원을 인가하면, 홀수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221A, 221C)이 동시에 동일한 극성을 갖는 전자석으로 동작하고, 짝수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221B, 221D)이 동시에 동일한 극성을 갖는 전자석으로 동작할 수 있다.
이와 같이, 홀수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221A, 221C)과 짝수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221B, 221D)을 각각 제1코일(510)과 제2코일(520)로 연결하여 커플링(coupling)하고, 제1코일(510) 및 제2코일(520)로 인가되는 제1전원 및 제2전원의 전류 흐름 방향을 변경함으로써, 홀수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221A, 221C)과 짝수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221B, 221D) 사이에 인력 또는 척력이 발생하도록 할 수 있다. 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
우선, 도 5를 살펴보면, 홀수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221A, 221C)에는 모두 제1전원이 인가되는 제1코일(510)이 연결되어 있고, 짝수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221B, 221D)에는 모두 제2전원이 인가되는 제2코일(520)이 연결되어 있다. 이때, 제1전원이 인가되는 단자를 각각 V1 및 V3로 나타내고, 제2전원이 인가되는 단자를 각각 V2 및 V4로 나타내었다. 도 5와 같이, 제1전원의 V1 단자에는 (+)전압을, V3 단자에는 (-)전압을 인가하고, 제2전원의 V2 단자에는 (-)전압을, V4 단자에는 (+)전압을 인가하면, 홀수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221A, 221C)에는 전류 I1이 화살표 방향으로 흐르고, 짝수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221B, 221D)에는 전류 I2가 화살표 방향으로 흐르게 된다. 즉, 전류 I1과 I2는 서로 반대 방향으로 흐르게 된다. 이에 따라, 홀수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221A, 221C)과 짝수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221B, 221D)의 서로 마주하는 각각의 면은 동일한 극성을 갖게 되어 각각의 솔레노이드 세그먼트들(221A, 221B, 221C, 221D) 사이에는 척력(Repulsive force)이 발생하게 된다.
한편, 도 6을 살펴보면, 제1전원의 V1 단자에는 (+)전압을, V3 단자에는 (-)전압을 인가하고, 제2전원의 V2 단자에는 (+)전압을, V4 단자에는 (-)전압을 인가하면, 홀수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221A, 221C)에는 전류 I1이 화살표 방향으로 흐르고, 짝수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221B, 221D)에는 전류 I2가 화살표 방향으로 흐르게 된다. 즉, 전류 I1과 I2는 서로 같은 방향으로 흐르게 된다. 이에 따라, 홀수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221A, 221C)과 짝수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221B, 221D)의 서로 마주하는 각각의 면은 반대 극성을 갖게 되어 각각의 솔레노이드 세그먼트들(221A, 221B, 221C, 221D) 사이에는 인력(Attractive force)이 발생하게 된다.
즉, 홀수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221A, 221C) 전부 제1전원이 인가되도록 제1코일(510)로 연결하고, 짝수 번째 솔레노이드 세그먼트들(221B, 221D) 전부 제2전원이 인가되도록 제2코일(520)로 연결한 다음, 제1전원 및 제2전원의 전류 흐름 방향을 같거나 반대가 되도록 변화시켜 각 솔레노이드 세그먼트들(221A, 221B, 221C, 221D)의 극성 변화를 유도함으로써, 각각의 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D) 사이에 척력 또는 인력이 발생하는 것이다. 이때, 척력이 발생하면 수술 도구(220)는 벤더블(Bendable)한 상태가 되고, 인력이 발생하면 수술 도구(220)는 리지드(Rigid)한 상태가 될 수 있다.
즉, 각각의 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D) 사이에 척력이 발생하면, 도 5와 같이 각 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D) 간에 간극이 발생하게 되고, 도 7과 같이 링크(221)에 외력(Fext)이 가해지면, 링크(221)는 외력(Fext)이 향하는 방향으로 구부러질 수 있는 벤더블(Bendable)한 상태가 되는 것이다. 이와 같이, 수술 도구(220)의 링크(221)를 가해진 외력(Fext)에 따라 유연하게 구부러질 수 있도록 구현함으로써, 구부러진 상태인 가이드 튜브(240)의 수술 도구 진입 통로(미도시)로 수술 도구(220)를 통과시킬 때, 수술 도구(220)가 구부러진 형태를 따라 구부러지면서 통과하는 것이 가능하다.
그러나, 가이드 튜브(240)를 통과하고 난 후, 수술 동작을 수행할 때에는 수술 도구(220)가 외력에 의해 구부러져 형태가 변형되면 조작이 용이하지 않고, 위험한 상황이 발생할 가능성이 있으므로, 각각의 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)로 흐르는 전류 방향이 동일하도록 제1전원 및 제2전원을 인가함으로써, 각각의 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)가 인력으로 인해 서로 결합하여 리지드(Rigid)한 상태가 되도록 할 수 있다.
이를 위해, 본 실시 예에 따른 슬레이브 장치(200)는 각각의 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)를 구동시키기 위한 제1구동부(미도시)를 포함할 수 있다. 여기에서, "제1구동부"는 마스터 장치(100)로부터 전송되는 제어 신호에 따라, 각 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)가 특정 극성을 갖는 전자석이 되도록 하는 역할을 할 수 있다.
예를 들어 설명하면, 조작자가 수술 작업을 수행하기 위해 수술 도구(220)를 도 3과 같이 가이드 튜브(240)로 삽입하고자 할 때, 수술 도구(220)가 구부러져 있는 가이드 튜브(240)를 용이하게 통과할 수 있도록 수술 도구(220)의 몸체(223)를 벤더블(Bendable)한 상태로 만들기 위해 조작자는 마스터 장치(100)의 입력부(110)를 조작하고, 마스터 장치(100)의 제어부(미도시)는 조작자에 의해 조작되는 입력부(110)의 상태와 대응되는 제어 신호를 생성하여 슬레이브 장치(200)로 전송한다. 이때, 생성된 제어 신호는 수술 도구(220)의 몸체(223)를 벤더블(Bendable)한 상태가 되도록 하는 신호일 수 있다.
이후, 마스터 장치(100)로부터 제어 신호를 전송받은 슬레이브 장치(200)는 상술한 "제1구동부"를 이용하여 수술 도구(220)의 몸체(223)가 전송받은 제어 신호에 대응되는 상태(벤더블(Bendable)한 상태)가 되는 조건의 전압을 각각의 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)에 인가할 수 있다.
한편, 수술 도구(220)가 가이드 튜브(240)를 완전히 통과하고 난 후, 환부에 수술 동작을 가하고자 할 때, 수술 동작의 편의성 및 안전성 향상을 위해 수술 도구(220)의 몸체(223)가 리지드(Rigid)한 상태로 만들도록 조작자는 마스터 장치(110)의 입력부(110)를 조작하고, 마스터 장치(100)의 제어부(미도시)는 조작자에 의해 조작되는 입력부(110)의 상태와 대응되는 제어 신호를 생성하여 슬레이브 장치(200)로 전송한다. 이때, 생성된 제어 신호는 수술 도구(220)의 몸체(223)를 리지드(Rigid)한 상태가 되도록 하는 신호일 수 있다. 이후, 슬레이브 장치(200)는 "제1구동부"를 이용하여 수술 도구(220)의 몸체(223)가 전송받은 제어 신호에 대응되는 상태(리지드(Rigid)한 상태)가 되는 조건의 전압을 각각의 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)에 인가할 수 있다.
또한, 본 실시 예에 따른 수술 도구(220)의 몸체(223)는 도 4와 같이 링크(221)를 복수 개 포함할 수 있고, 링크(221)와 링크(221)를 연결하는 관절(227)을 복수 개 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에서, 관절(227)은 가동 관절을 의미할 수 있으며, 1 자유도(DOF) 이상을 가질 수 있다. 이러한 관절(227)은 몸체(223)에 손목이나 팔꿈치에 상응하는 기능을 부여할 수 있으므로, 마치 조작자가 직접 손으로 수술을 수행하는 것처럼 직관적인 조작이 가능하게 한다. 이를 위해, 본 실시 예에 따른 슬레이브 장치(200)는 각 관절(227)을 구동시키기 위한 구동부(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 도 7에 도시한 바와 같이, 수술 도구(220)는 각 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D) 사이를 연결하는 탄성부재(700)를 더 포함할 수 있다. 이때, 탄성부재(700)로는 스프링 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이, 각각의 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)를 연결하는 탄성부재(700)를 포함함으로써, 각 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D) 사이에 척력이 발생하는 경우 각 솔레노이드 세그먼트가 척력으로 인해 튕겨 나가는 것을 방지하여 원래의 배열 상태를 유지할 수 있는 동시에 변형에 대해서는 유연하게 대응하는 것이 가능하다.
또한, 도 8을 참조하면 상술한 바와 같이, 각 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D) 중심부의 통로에는 다양한 역할을 하는 각종 와이어(wire)(800)가 통과할 수 있다. 여기에서, 각종 와이어(wire)(800)는 예를 들어, 엔드 이펙터(225)로 구동력을 전달하기 위한 와이어 및 각 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)들이 인력으로 인하여 물리적으로 결합될 때, 각 솔레노이드 세그먼트(221A, 221B, 221C, 221D)들 간의 결합 강도를 향상시키기 위한 결합부재용 와이어 등을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
엔드 이펙터(225)는 수술 도구(220)에서 환자(P)의 환부에 실제로 작용하는 부분을 의미하는 것으로, 예로써, 클램프, 그래스퍼, 가위, 스태플러, 바늘 홀더, 메스, 절단 블레이드 등을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 수술에 필요한 공지된 도구라면 어떤 것이든 사용 가능할 것이다.
또한, 일단에 엔드 이펙터(225)가 장착된 수술 도구(220)의 몸체(223) 타단은 로봇 암(210) 단부에 장착될 수 있으며, 로봇 암(210) 단부에는 엔드 이펙터(225)를 구동시키기 위한 제2구동부(미도시)가 마련될 수 있다. 이때, 엔드 이펙터(225)로 구동력을 전달하기 위한 와이어는 엔드 이펙터(225)와 제2구동부(미도시) 사이에 연결될 수 있다.
예를 들어 설명하면, 엔드 이펙터(225)가 환부에 수술 동작 예로써, 그립핑(gripping), 절단(cutting), 봉합(suturing) 등과 같은 수술 동작을 가하도록 하기 위해 조작자는 마스터 장치(100)의 입력부(110)를 조작하고, 마스터 장치(100)의 제어부(미도시)는 조작된 입력부(110)의 상태에 대응되는 제어 신호를 생성하여 슬레이브 장치(200)로 전송한다. 이후, 슬레이브 장치(200)는 제2구동부(미도시)를 이용하여 수술 도구(220)의 엔드 이펙터(225)가 마스터 장치(100)로부터 전송된 제어 신호에 대응되는 수술 동작을 하도록 구동시킬 수 있다. 이때, 제2구동부(미도시)로부터 엔드 이펙터(225)로 구동력을 전달하는 역할을 와이어(800)가 할 수 있다.
또한, 슬레이브 장치(200)의 촬영부(230)는 입체 영상을 획득하기 위한 스테레오 카메라 및 조명수단 등을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시 예에서 촬영부(230)는 내시경일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에서, 내시경으로는 로봇 수술에서 주로 사용되는 복강경뿐 아니라, 흉강경, 관절경, 비경, 방광경, 직장경, 십이지장경, 심장경 등 다양한 수술용 내시경이 사용될 수 있다. 또한, 슬레이브 장치(200)는 촬영부(230)를 구동시키기 위한 구동부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 마스터 장치
110 : 입력부
111, 113 : 핸들
120 : 표시부
200 : 슬레이브 장치
210 : 로봇 암
220 : 수술 도구
221 : 링크
221A, 221B, 221C, 221D : 솔레노이드 세그먼트
222A : 제1홀
222B : 제2홀
223 : 몸체
225 : 엔드 이펙터
227 : 관절
230 : 촬영부
240 : 가이드 튜브
510 : 제1코일
520 : 제2코일
700 : 탄성부재
800 : 와이어

Claims (16)

  1. 수술 도구를 갖는 슬레이브 장치를 포함하는 수술 로봇에 있어서,
    상기 수술 도구는,
    복수의 솔레노이드 세그먼트로 이루어진 링크를 적어도 하나 이상 포함하는 몸체; 및
    상기 몸체 일단에 장착된 엔드 이펙터
    를 포함하는 수술 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 몸체는 상기 링크를 복수 개 포함하고,
    상기 링크와 링크를 연결하는 복수의 관절을 더 포함하는 수술 로봇.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 솔레노이드 세그먼트는 일렬로 배치되는 수술 로봇.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 일렬로 배치된 복수의 솔레노이드 세그먼트에서 첫 번째 솔레노이드 세그먼트를 기준으로 홀수 번째 솔레노이드 세그먼트들은 제1코일로 연결되고, 짝수 번째 솔레노이드 세그먼트들은 제2코일로 연결되는 수술 로봇.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1코일에는 제1전원이 인가되고, 상기 제2코일에는 제2전원이 인가되는 수술 로봇.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1전원의 전류 흐름 방향과 상기 제2전원의 전류 흐름 방향이 반대인 경우, 상기 복수의 솔레노이드 세그먼트 사이에는 척력이 발생하는 수술 로봇.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1전원의 전류 흐름 방향과 상기 제2전원의 전류 흐름 방향이 동일한 경우, 상기 복수의 솔레노이드 세그먼트 사이에는 인력이 발생하는 수술 로봇.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 솔레노이드 세그먼트 각각의 중심부에는 통로가 형성된 수술 로봇.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수술 도구는,
    상기 통로를 관통하도록 마련되어 상기 복수의 솔레노이드 세그먼트의 결합 강도를 향상시키는 결합부재를 더 포함하는 수술 로봇.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 결합부재는 와이어(wire)인 수술 로봇.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 수술 로봇은,
    상기 슬레이브 장치의 동작을 제어하는 마스터 장치를 더 포함하는 수술 로봇.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 슬레이브 장치는,
    상기 마스터 장치로부터 전송되는 제어 신호에 따라 상기 복수의 솔레노이드 세그먼트를 구동시키는 제1구동부를 더 포함하는 수술 로봇.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 슬레이브 장치는,
    상기 마스터 장치로부터 전송되는 제어 신호에 따라 상기 엔드 이펙터를 동작시키는 제2구동부를 더 포함하는 수술 로봇.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 수술 도구는,
    상기 제2구동부로부터 상기 엔드 이펙터로 구동력을 전달하는 와이어를 더 포함하는 수술 로봇.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 수술 도구는,
    상기 각 솔레노이드 세그먼트 사이를 연결하는 탄성부재를 더 포함하는 수술 로봇.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 탄성부재는 스프링인 수술 로봇.
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