KR20150138520A - 척추수술용 보조로봇 - Google Patents

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KR20150138520A
KR20150138520A KR1020140065284A KR20140065284A KR20150138520A KR 20150138520 A KR20150138520 A KR 20150138520A KR 1020140065284 A KR1020140065284 A KR 1020140065284A KR 20140065284 A KR20140065284 A KR 20140065284A KR 20150138520 A KR20150138520 A KR 20150138520A
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Abstract

본 발명은 척추수술용 보조로봇에 관한 것으로, 수술도구가 관통 결합되는 회전체가 구비되는 수술도구지지대; 상기 수술도구지지대 일측에 설치되는 손잡이; 상기 회전체를 회전시키는 구동부재; 및 상기 수술도구지지대 타측에 설치되어 상기 수술도구(T)를 전·후진 동작시키는 리니어가이드를 포함하여 구성된다. 이에 따라, 수술도구가 전·후 이동할 시 진동 없이 부드럽게 이동할 수 있고, 일정한 힘으로 자동 회전시킬 수 있어 정교한 수술이 가능하다.

Description

척추수술용 보조로봇 {ASSISTANCE ROBOT FOR VERTEBRA SURGERY}
본 발명은 척추수술용 보조로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수술도구의 방향을 가이드하고, 자연스러운 이동과 자동 회전이 가능한 척추수술용 보조로봇에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 산업원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제고유번호:10040097, 과제명: 의료수술로봇영상기반 이비인후과 및 신경외과 수술용 최소침습 다자유도 수술로봇 시스템 기술 개발].
사람의 척추는 성인 기준으로 26개의 뼈, 즉, 7개의 경추, 12개의 흉추, 5개의 요추, 1개의 천추 및 1개의 미추로 이루어진다. 그리고 각각의 뼈 사이에는 흔히 디스크라 불리는 23개의 추간판이 존재하여 뼈를 이어주고, 탄력적으로 지탱한다. 따라서 척추는 신체를 지지하고, 평형을 유지하며, 척수를 보호하는 역할을 한다.
이렇듯 신체를 이루는 핵심적인 요소인 척추는 중요도만큼이나 관련 질병의 발생 빈도도 높은데, 허리 통증을 유발시키는 대표적인 질환으로 추간판 탈출증이 있다. 추간판 탈출증이란, 척추 뼈 사이의 추간판이 돌출되어 주변 신경을 자극함으로써 통증이 유발되는 것으로, 바르지 못한 자세, 노화 또는 외부로부터의 강한 충격 등에 의해 발생한다.
통상적으로 추간판 탈출증이 발생했을 경우, 그 치료방법에 있어 보존적 치료방법과 수술적 치료방법이 있다. 전자는 상대적으로 통증이 덜할 경우에 시행되는 것으로, 약물 치료와 운동을 병행하고, 필요에 따라 보조 기구 등을 이용한다. 반면, 후자는 증상이 상당히 진전되어 통증을 참기가 어려운 경우에 시행되는 것으로, 손상된 부위의 추간판을 제거하고, 그 사이에 인공 보조물(케이지)이나 자가 뼈를 삽입한다. 그리고 손상된 디스크 상·하부위의 척추 뼈에 척추경 나사못을 삽입 및 고정한 후, 척추경 나사못에 로드를 연결하여 척추 뼈 사이의 거리를 확보함으로써 척추 유합(FUSION)이 정상적으로 이루어지도록 하는 방식이 이용되고 있다. 또한, 위와 같은 추간판 탈출증 외에, 척추관, 신경근관 또는 추간공이 좁아지는 척추관 협착증, 퇴행성 척추질환, 척추 골절, 척추 기형 등 다양한 척추 관련 질병이 있으며, 대부분의 척추 질환에 척추 유합술이 이용된다.
한편, 척추 유합술과 같이 척추경 나사못을 척추 뼈에 결합시키는 수술을 하기 위해서는 수술 도구의 위치를 정확하게 유지시켜주는 가이드 장치가 있어야 하는데, 이와 같은 척추수술용 가이드 장치가 '특허문헌 1'에 개시되어 있다. 도 1은 종래의 척추수술용 가이드 장치를 도시한 평면도로서, 고정부(1); 상기 고정부(1)에 고정되는 포지션부(2); 상기 포지션부(2)와 연결되는 가이드부(3)로 이루어지고, 수술도구(4)가 가이드부(3)를 관통한다. 이에 따라 직선이동을 제외한 수술도구(4)의 위치를 제한하는 역할을 한다.
그러나 종래의 척추수술용 가이드 장치는 수술도구(4)의 방향을 가이드하는 것 외에는 별다른 기능이 없다. 따라서 척추경 나사못을 척추에 심는 경우와 같이 수술도구(4)를 조작할 때 수술자가 수술도구(4)를 직접 회전시켜야 하므로, 정교하면서 일정한 회전력 전달이 어려운 문제점이 있다.
또한, 수술도구(4)가 직선이동 시 가이드부(3)와의 마찰로 인해 진동이 발생하는 문제점이 있다.
KR 20-0198708 Y1 (2000. 10. 2.)
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 수술도구의 방향을 가이드 할 뿐만 아니라, 자연스러운 이동과 자동 회전을 시킬 수 있는 척추수술용 보조로봇을 제공하는 것이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 척추수술용 보조로봇은 수술도구를 가이드하는 척추수술용 보조로봇에 있어서, 상기 수술도구가 관통 결합되는 회전체가 구비되는 수술도구지지대; 상기 수술도구지지대 일측에 설치되는 손잡이; 상기 회전체를 회전시키는 구동부재; 및 상기 수술도구지지대 타측에 설치되어 상기 수술도구를 전·후진 동작시키는 리니어가이드를 포함하여 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 따른 척추수술용 보조로봇은 수술도구가 전·후 이동할 때 진동 없이 부드럽게 이동할 수 있고, 일정한 힘으로 자동 회전시킬 수 있어 정교한 척추 수술이 가능하다.
도 1은 종래의 척추수술용 가이드 장치를 도시한 평면도
도 2는 본 발명에 따른 척추수술용 보조로봇을 도시한 사시도
도 3은 도 2의 A부분을 확대도시한 사시도
도 4는 회전체의 측단면도
도 5는 홀더 및 홀더가이드가 체결되는 과정을 도시한 회전체의 측면도
도 6은 홀더 및 홀더가이드가 체결된 것을 도시한 회전체의 측면도
도 7은 도 2의 B부분을 확대도시한 사시도
도 8은 본 발명에 따른 척추수술용 보조로봇이 로봇암에 적용된 것을 도시한 사시도
아래에서는 본 발명에 따른 척추수술용 보조로봇을 첨부된 도면을 통해 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 척추수술용 보조로봇에 관한 것으로, 도 2는 본 발명에 따른 척추수술용 보조로봇을 도시한 사시도, 도 3은 도 2의 A부분을 확대도시한 사시도, 도 4는 회전체의 측단면도, 도 5는 홀더 및 홀더가이드가 체결되는 과정을 도시한 회전체의 측면도 및 도 6은 홀더 및 홀더가이드가 체결된 것을 도시한 회전체의 측면도이다.
본 발명에 따른 척추수술용 보조로봇은 수술도구(T)가 관통 결합되는 회전체(12)가 구비되는 수술도구지지대(10); 수술도구지지대(10) 일측에 설치되는 손잡이(20); 회전체(12)를 회전시키는 구동부재(30); 수술도구지지대(10) 타측에 설치되어 수술도구(T)를 전·후진 동작시키는 리니어가이드(40)로 구성된다.
아래에서는 각 구성요소에 대하여 상세히 설명한다.
수술도구지지대(10)는 삽입된 수술도구(T)를 지지하는 구성요소로서, 내부에 회전체(12)가 위치된다.
회전체(12)는 외주면에 후술할 구동기어(36)와 맞물리는 종동기어(15)와 일측에 홀더가이드(16)가 구비되는 제1 파이프(14); 및 홀더가이드(16)에 결합되는 홀더(19)가 구비되고, 내부에 수술도구(T)가 결합되며, 제1 파이프(15)와 함께 회전되는 제2 파이프(18)로 이루어져, 수술도구(T)를 고정시키고, 회전될 수 있도록 한다.
제1 파이프(14)는 중공형의 파이프 형상이다.
종동기어(15)는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 파이프(14)의 외주면에 고정된다. 따라서 후술할 구동기어(36)에서 종동기어(15)로 회전력이 전달되어 종동기어(15)가 회전되면, 제1 파이프(14)가 같이 회전된다.
홀더가이드(16)는 링형상으로 형성되고, 제1 파이프(14) 일측단에 고정되며, 둘레에 삽입홈(16a)이 형성된다.
제2 파이프(18)는 제1 파이프(14)와 같이 중공형의 파이프 형상으로, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 파이프(14)의 내부에 위치되어 제1 파이프(14)와 함께 회전된다. 제2 파이프(18) 내부로는 수술도구(T)가 삽입되어 볼트결합을 통해 견고하게 고정된다.
홀더(19)는 제2 파이프(18)의 일측단, 바람직하게는 홀더가이드(16)와 대응되는 부분에 형성된다. 홀더(19)는 홀더가이드(16)에 결합되어 맞물리는데, 이를 위해 홀더(19)의 둘레방향을 따라 삽입홈(16a)과 대응되는 결합돌기(19a)가 형성된다. 이에 따라, 홀더(19)의 결합돌기(19a)가 홀더가이드(16)의 삽입홈(16a)에 결합되어 제2 파이프(18)가 제1 파이프(14)의 회전에 연동된다.
또한, 필요에 따라 제2 파이프(18) 없이, 홀더(19) 내부에 수술도구(T)가 고정될 수도 있다.
한편, 삽입홈(16a) 및 결합돌기(19a)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 ㄱ자 형상으로 형성될 수 있는데, 이는 제2 파이프(18)가 제1 파이프(14)에 체결된 후 직선 방향으로 이동되지 않도록 하기 위한 것이다. 즉, 도 5(a) 상태에서, 도 5(b)에 도시된 바와 같이 결합돌기(19a)가 삽입홈(16a)에 삽입된 후 홀더(19)가 소정 각도로 회전되면, 도 6에 도시된 바와 같이 결합돌기(19a)의 절곡된 부분(19b)이 삽입홈(16a)의 꺾어진 부분(16b)에 삽입되어 수술도구(T)가 후측으로 이탈되지 않는다.
손잡이(20)는 수술도구지지대(10) 일측에 설치되어 수술자(OPERATOR)가 본 발명에 따른 척추수술용 보조로봇을 임의적으로 이동시키기 위한 구성요소이다. 손잡이(20)는 수술도구(T)가 위치된 내측 공간을 넓게 확보하기 위해 바깥 측으로 절곡되게 형성되는 것이 바람직하다.
구동부재(30)는 수술도구지지대(10)와 연결되어 회전체(12)를 회전시키는 구성요소로, 모터(31); 및 모터(31)와 연결되는 구동기어(36)로 이루어진다.
모터(31)는 수술도구지지대(10)와 연결되어 수술도구(T)에 회전력을 공급하는 구동원이다. 필요에 따라 모터(31)는 손잡이(20) 내부에 설치되거나 도 2에 도시된 바와 같이 후술할 가이드바(48) 내부에 설치되어 공간 효율성을 증대시킬 수 있다.
구동기어(36)는 수술도구지지대(10)의 종동기어(15)와 맞물려 모터(31)의 회전력을 수술도구(T)로 전달한다.
한편, 본 발명에 따른 척추수술용 보조로봇은 수술도구(T)의 회전을 정교하게 조절하기 위하여 모터(31)와 구동기어(36) 사이에 감속기를 더 구비할 수 있는데, 상기 감속기는 모터(31)와 연결되고, 제1 기어(33)가 설치되는 제1 축(32); 제1 기어(33)와 대응되는 제2 기어(35)와 상기 구동기어(36)가 설치되고, 제1 축(32)과 나란하게 배치되는 제2 축(34); 및 제1 기어(33) 및 제2 기어(35)를 연결하는 벨트(38)로 이루어진다.
제1 축(32)은 모터(31)와 연결되어 모터(31)의 작동에 따라 회전된다. 그리고 제1 축(32)에는 제1 기어(33)가 고정되어 제1 축(32)과 함께 회전된다.
제2 축(34)은 도 3에 도시된 바와 같이 제1 축(32)과 나란하게 배치되고, 제2 축(34)의 제1 기어(33)와 대향되는 위치에 제2 기어(35)가 고정 설치된다. 그리고 제1 기어(33)와 제2 기어(35)에는 벨트(38)가 연결되어 제1 기어(33)의 회전력이 제2 기어(35)로 전달된다. 여기서 벨트(38)는 제1 축(32)과 제2 축(34) 사이의 거리를 효율적으로 떨어뜨리는 역할을 한다. 즉, 벨트(38) 없이 같은 효과를 도출하기 위해서는 중간에 기어를 더 설치해야 하는데, 이로 인해 구조가 복잡해지고, 동력손실이 발생되는 문제가 발생한다. 본 발명은 제1 기어(33)와 제2 기어(35) 사이에 벨트(38)를 설치하여 위와 같은 문제를 최소화시킨다.
또한, 필요에 따라 벨트(38) 내측에 랙(RACK)과 같이 톱니가 형성되거나, 벨트(38) 중간에 아이들러(미도시)를 설치하여 기어와의 밀착력을 높일 수 있다.
구동기어(36)는 제2 축(34) 중 종동기어(15)와 맞물리는 위치에 고정 설치되어 모터(31)로부터 전달된 회전력을 종동기어(15)에 전달한다. 그리고 종동기어(15) 및 구동기어(36)는 헬리컬 기어로 형성되어 수술 중 기어 마찰음을 최소화시킬 수 있고, 컨트롤을 정교하게 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 척추수술용 보조로봇은 구동부재(30)에 의해 수술도구(T)가 자동으로 회전될 수도 있지만, 필요에 따라 수술자가 직접 수술도구(T)의 손잡이(T1)를 이용하여 수동으로 회전시킬 수도 있음은 물론이다.
도 7은 도 2의 B부분을 확대도시한 사시도이다.
리니어가이드(40)는 수술도구지지대(10)에 설치되어 수술도구지지대(10)에 1 자유도를 부가하는 구성요소로서, 구체적으로는 수술도구지지대(10)를 전·후진 동작시킨다.
리니어가이드(40)는 상면에 가이드레일(43)이 형성되는 베이스플레이트(42); 가이드레일(43)을 따라 슬라이딩되게 결합되는 슬라이딩블록(45); 및 슬라이딩블록(45)에 결합되어 상기 수술도구지지대(10)를 지지하는 가이드바(48)로 이루어진다.
베이스플레이트(42)는 리니어가이드(40)의 기초가 되는 바닥이다. 베이스플레이트(42) 전방 단부(42a)는 상부로 돌출 형성되어 후술할 슬라이딩블록(45)이 이탈되지 않도록 한다.
가이드레일(43)은 베이스플레이트(42) 상면에 설치되되, 베이스플레이트(42)의 길이방향을 따라 형성된다. 가이드레일(43)은 단일 개수 보다는 한 쌍이 구비되는 것이 안정성 측면에서 유리하다. 그리고 가이드레일(43) 양측면에는 홈(43a)이 형성된다.
후크(44)는 베이스플레이트(42) 상부의 후방에 설치된다. 도 7을 참조하면, 후크(44)는 레버와 같이 베이스플레이트(42)에 축 결합되고, 상기 축에 토션스프링과 같은 탄성부재가 결합되어 후크(44)가 탄성적으로 작동된다. 그리고 후크(44)는 끝단에 경사면(44a)이 형성된다.
슬라이딩블록(45)은 가이드레일(43)의 홈(43a) 형상에 맞게 형성되고, 가이드레일(43)에 결합되어 가이드레일(43)을 따라 직선운동된다.
걸림돌기(47)는 후크(44) 형상에 대응되도록 끝단에 경사면(47a)이 형성되고, 슬라이딩블록(45) 후방에 형성된다. 이에 따라 슬라이딩블록(45)이 가이드레일(43)을 따라 전·후 이동되다가 가이드레일(43)의 후단에 도달하면, 걸림돌기(47)의 경사면(47a)이 후크(44)의 경사면(44a)과 맞닿으면서 후크(44)를 들어올린 뒤 후크(44)에 체결된다. 따라서 본 발명에 따른 척추수술용 보조로봇은 수술도구지지대(10), 손잡이(20) 및 구동부재(30)가 자중에 의해 가이드레일(43)을 따라 임의적으로 이동되는 것을 방지할 수 있다.
가이드바(48)는 일단이 슬라이딩블록(45)과 연결되고, 타단이 수술도구지지대(10)와 연결되어 수술도구지지대(10)와 슬라이딩블록(45)이 연동되도록 한다. 본 발명의 실시예로 가이드바(48) 내부에 구동부재(30)가 내장된다.
도 8은 본 발명에 따른 척추수술용 보조로봇이 로봇암에 적용된 것을 도시한 사시도이다.
본 발명에 따른 척추수술용 보조로봇(100)은 도 8에 도시된 바와 같이 다자유도를 가지는 로봇암(200)에 결합되어 다양한 위치로 이동될 수 있다. 그리고 마커(M)가 설치되어 척추수술용 보조로봇(100)의 위치를 추적할 수 있다.
T: 수술도구 T1: 수술도구 손잡이
10: 수술도구지지대 12: 회전체
14: 제1 파이프 15: 종동기어
16: 홀더가이드 16a: 삽입홈
18: 제2 파이프 19: 홀더
19a: 결합돌기 20: 손잡이
30: 구동부재 31: 모터
32: 제1 축 33: 제1 기어
34: 제2 축 35: 제2 기어
36: 구동기어 38: 벨트
40: 리니어가이드 42: 베이스플레이트
43: 가이드레일 44: 후크
44a, 47a: 경사면 45: 슬라이딩블록
47: 걸림돌기 48: 가이드바
100: 척추수술용 보조로봇 200: 로봇암

Claims (7)

  1. 수술도구를 가이드하는 척추수술용 보조로봇에 있어서,
    상기 수술도구가 관통 결합되는 회전체가 구비되는 수술도구지지대;
    상기 수술도구지지대 일측에 설치되는 손잡이;
    상기 회전체를 회전시키는 구동부재 및
    상기 수술도구지지대 타측에 설치되어 상기 수술도구를 전·후진 동작시키는 리니어가이드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 척추수술용 보조로봇.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동부재는 모터 및 상기 모터와 연결되는 구동기어로 이루어지고,
    상기 회전체는 외주면에 상기 구동기어와 맞물리는 종동기어와 일측에 홀더가이드가 구비되는 제1 파이프; 및 상기 홀더가이드에 결합되는 홀더가 구비되고 내부에 상기 수술도구가 결합되며 상기 제1 파이프와 함께 회전되는 제2 파이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 척추수술용 보조로봇.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 홀더가이드는 링형상이고 둘레에 삽입홈이 형성되며,
    상기 홀더는 링형상이고 상기 삽입홈에 삽입되는 결합돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 척추수술용 보조로봇.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 결합돌기 및 상기 삽입홈은 ㄱ자 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 척추수술용 보조로봇.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 구동부재는 상기 모터와 연결되고 제1 기어가 설치되는 제1 축; 상기 제1 기어와 대응되는 제2 기어와 상기 구동기어가 설치되고 상기 제1 축과 나란하게 배치되는 제2 축; 및 상기 제1 기어 및 상기 제2 기어를 연결하는 벨트를 포함하는 것을 특징으로 하는 척추수술용 보조로봇.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 리니어가이드는 상면에 가이드레일이 형성되는 베이스플레이트; 상기 가이드레일을 따라 슬라이딩되게 결합되는 슬라이딩블록; 및 상기 슬라이딩블록에 결합되어 상기 수술도구지지대를 지지하는 가이드바로 이루어지는 것을 특징으로 하는 척추수술용 보조로봇.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 슬라이딩블록에 걸림돌기가 구비되고,
    상기 베이스플레이트에는 상기 걸림돌기에 탄성적으로 걸리는 후크가 구비되는 것을 특징으로 하는 척추수술용 보조로봇.
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