KR20170030692A - 로봇의 위치 설정 방법 및 그 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 의료용 로봇 시스템에 있어서, 시술장 내에 위치하는 제1 의료기기, 적어도 둘 이상의 발광장치와 수광장치를 가지며 제1 의료기기의 일측에 놓이는 로봇, 그리고, 제1 의료기기와 로봇의 공간 좌표를 수광장치의 신호를 이용하여 파악하는 제어부;를 포함하며, 제1 의료기기는 발광 장치에 대응하는 둘 이상의 반사장치(411, 412, 413)를 가지도록 하는 의료용 로봇 시스템이 제공된다.

Description

로봇의 위치 설정 방법 및 그 시스템{METHOD TO DETERMINE LOCATION OF ROBOT AND SYSTEM THEREOF}
본 개시(Disclosure)는 로봇의 위치 설정 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 특히 시술장에서 사용되는 의료용 로봇과 그 주변 기기들의 공간 좌표를 설정하는 방법에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1은 미국 등록특허공보 제8,160,205호에 제시된 로봇 환자 위치 어셈블리(100, Robotic patient positioning assembly)에 관한 것으로, 환자를 지지하는 카우치(103, Patient treatment couch), 카우치에 연결되는 로봇 팔(102)로 구성된다. 로봇 팔은 환자 카우치(103)를 5축 자유도에 따라 움직일 수 있도록 설정되어 있다. 5축은 하나의 실질적인 수직, 직선 각도의 자유도이다. 로봇 환자 위치 어셈블리(100)는 환자 카우치(103)의 위치를 감지하기 위한 센서시스템(104)을 더 포함할 수 있다. 이 로봇 환자 위치 어셈블리는 로봇 팔(102)과 환자 카우치(103)의 움직임을 제어하기 위한 컨트롤러(101), 사용자가 손으로 직접 이동할 수 있게 하는 것도 가능한 유저 인터페이스 유닛(105), 그리고 치료 방사선 장치(109, Theraputic radiation treatment system)과 이미징 시스템(107, Imaging system)을 더하여 구성된다. 컨트롤러(101)가 센서시스템(미도시)과 로봇 환자 위치 어셈블리(100)의 사용자 인터페이스 유닛(105)에 연결되어, 센서시스템으로부터 전달되는 신호에 따라 시술장 내에서 정해진 좌표계에 따른 환자 카우치(103)의 위치를 계산하도록 한다. 로봇 환자 위치 어셈블리(100)의 센서시스템는 환자 카우치(103)의 위치를 감지하며, 리졸버 기반(Resolver-based)의 센서시스템일 수 있다. 또는, 적외선 삼각측량 시스템(infrared triangulation system), 레이저 스캐닝 시스템(Laser scanning system), 또는 광학적 트래킹 시스템(Optical tracking system)일 수 있을 것이다.
환자 카우치(103)의 위치와 다른 의료장비의 위치를 시술장 내에서 좌표로 알아 내는 것은 시술을 자동화 함에 있어서 매우 중요한 부분일 것이고, 그러기 위해 도 1의 개시에서와 같이 여러 센싱 시스템이 사용되고 있다. 그러나, 이들 장비가 대부분 고가이며, 최초 세팅에 많은 시간이 걸리기 때문에, 수술장비를 위한 절대 공간이 마련되지 않은 의료기관들이 이런 수술장비를 쉽게 들여놓기 어렵게 하는 단점이 있다. 따라서, 이런 문제점을 해결하기 위한 방법이 필요하다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 의료용 로봇 시스템에 있어서, 시술장 내에 위치하는 제1 의료기기, 적어도 둘 이상의 발광장치와 수광장치를 가지며 제1 의료기기의 일측에 놓이는 로봇, 그리고, 제1 의료기기와 로봇의 공간 좌표를 수광장치의 신호를 이용하여 파악하는 제어부를 포함하며, 제1 의료기기는 발광 장치에 대응하는 둘 이상의 반사장치를 가지도록 하는 의료용 로봇 시스템이 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 미국 등록특허공보 제8,160,205호에 제시된 로봇 환자 위치 어셈블리의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 로봇 위치 설정 시스템의 일 예를 설명하기 위한 도면,
도 3 (a), (b), (c)는 로봇 위치 설정 시스템의 센서 시스템의 예를 설명하기 위한 도면,
도 4 (a), (b), (c), (d), (e)는 로봇 위치 설정 시스템의 반사장치 배열의 다양한 실시예를 설명하기 위한 도면,
도 5 는 로봇 위치 설정 시스템의 로봇 암에 설치된 발광부와 수광부의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 2는 본 개시에 따른 로봇 위치 설정 시스템의 예를 보인다. 외과 수술, 생검등을 시행하는 시술장에는 환자가 위치할 수 있는 환자 카우치(이하, 제 1의료기기, 200), 로봇 베이스(310)와 매니퓰레이터(320)를 가지는 로봇, 그리고 이들을 통합하는 제어부가 있을 수 있다. 필요에 따라, 제어부는 제 1의료기기(200)나 로봇에 통합되거나, 별도의 장치로 만들어 질 수 있다. 시술 장 내의 각 구성 요소들은 필요에 따라 이동 가능한 상태이다. 이들이 제어부가 인식하고 있는 시술에 필요한 위치에 놓였는지 확인하거나, 그러한 위치로 움직이도록 할 필요가 있다. 이를 위해, 적어도 둘 이상의 발광장치(401, 402, 403)와 수광장치(421, 422, 423)가 로봇에 위치하며, 제 1의료기기(200)에 발광장치(401, 402, 403)와 수광장치(421, 422, 423)에 대응하는 위치에 반사장치(411, 412, 413)가 놓이는 구성을 가지도록 한다.
시술장 내에서 시술에 필요한 장비들의 위치를 정확하게 파악하는 방법은 여러가지가 있을 수 있다. 적외선 센서를 이용한 광학 장비와 마커를 이용한 방법등으로 매니퓰레이터(320) 끝에 위치하는 수술도구, 환자, 영상 장비의 위치를 실시간으로 파악할 수 있다. 이런 광학 장비를 쓰지 않고, 그들의 위치를 파악하게 하려면, 로봇 스스로 위치를 제어부에 알려 줄 수 있어야 한다. 로봇은 매니퓰레이터(320) 각 관절에 움직임(회전, 길이의 신장)을 측정할 수 있는 엔코더 혹은 각 관절(제 1암(322), 제 2암(323), 제 3암(324)의 연결부위)의 변위를 측정할 수 있는 센서를 가질 수 있으며, 이들을 통해서 변위값을 알 수 있다. 변위값은 각 로봇 암이 가진 기본 길이와 함께 매니퓰레이터(320) 끝의 위치를 기구학적으로 알 수 있도록 한다. 따라서, 제어부는 로봇의 움직임을 좌표값으로 알아 낼 수 있다.
제어부가 파악한 위치는 시술장 내 공간에서의 절대적인 좌표가 아닌 로봇 베이스(310)에 대한 상대적인 값이다. 만약, 로봇 베이스(310)가 시술장 내에서 고정된 제 1의료기기(200)에 대해 미리 지정된 위치에 있을 수 있다면, 제어부는 시술장 공간에 대한 매니퓰레이터(320) 움직임의 절대 좌표를 알 수 있게 될 것이다.
로봇을 시술장 내에 미리 지정된 위치에 정확하게 이르게 하는 방법은 여러가지가 있을 수 있다. 본 실시예에 따른 로봇 위치 설정 시스템에 따르면, 이를 위해 매니퓰레이터(320)의 지정된 위치에 다수의 발광장치(401, 402, 403)와 수광장치(421, 422, 423)를 설치하고, 시술장 내에 고정된 위치에 있는 제1 의료기기(예를 들면 환자가 위치하게 되는 환자 카우치(200, Couch) 혹은 이미징 장치)에 반사장치(411, 412, 413)를 설치하여, 다수의 발광장치(401, 402, 403)의 빛이 각각 대응하는 반사장치(411, 412, 413)에 반사되어 대응하는 수광장치(421, 422, 423)로 들어오게 하여, 제어부가 로봇이 미리 지정된 위치에 위치한 것으로 인식하게 할 수 있다. 그 다음부터 제어부는 로봇이 미리 지정된 위치에 있음을 인식하고, 매니퓰레이터(320) 움직임을 시술장 내에서의 절대 좌표값으로 나타낼 수 있게 된다.
반사장치(411, 412, 413)와 발광장치(401, 402, 403)가 대응점을 찾도록 운용자가 로봇을 임의로 움직일 수도 있고 자동화시킬 수도 있다. 이를 위해, 로봇 베이스(310)는 자동 주행 시스템을 포함하고 있을 수 있다. 로봇 베이스(310)는 시술장 내에서 미리 지정된 위치를 자동으로 찾아가고, 제어부가 수광장치(421, 422, 423)와 반사장치(411, 412, 413)가 대응되는 모든 점을 찾아내게 되면, 로봇 베이스(310)는 고정장치를 작동하여, 더 이상 로봇 베이스(310)가 움직이지 않도록 고정한다.
로봇은 시술장 내에서 시술도구가 장착되어 생검, 외과적 중재 시술등을 하는 의료용 로봇일 수 있다. 로봇은 매니퓰레이터(320)가 장착되는 로봇 베이스(310)를 가진다. 로봇 베이스(310)는 그 하부에 한 쌍 이상의 바퀴(311)와 고정장치를 가진다. 로봇의 이동이 필요한 때, 고정장치는 지면에서 떨어지도록 한다. 로봇 베이스(310)가 시술장 내에서 미리 지정된 위치에 위치하거나 운용자가 고정이 필요하다고 인식하게 되면, 로봇 베이스(310)는 고정장치를 지면에 일정한 압력으로 닿게 하여, 더이상 움직이지 않게 된다. 고정장치는 하나 이상 있을 수 있다.
로봇 베이스(310)에는 다관절 매니퓰레이터(320)가 장착된다. 매니퓰레이터(320)의 끝에는 의료도구가 장착된 엔드이펙터가 장착될 수 있다. 혹은 매니퓰레이터(320) 끝에 의료도구가 장착될 수도 있을 것이다. 매니퓰레이터(320)는 하나 이상의 암이 회전 가능하게 연결되는 다관절 구조를 가진다. 본 실시예에 따르면, 매니퓰레이터(320)는 베이스에 장착되는 암 베이스(321), 암 베이스(321)에 연결되는 제 1암(322), 제 1암(322)에 연결되는 제 2암(323), 제 2암(323)에 연결되는 제 3암(324)을 가지는 구조를 가진다. 제 3암(324)은 매니퓰레이터(320)를 장착하거나, 의료도구를 장착할 수 있다.
이런 매니퓰레이터(320)의 다관절 구조는 필요에 따라 변형이 가능하다. 암(arm)이 두 개인 구조, 네 개인 구조 등 매뉴퓰레이터의 목적에 따라 필요한 만큼의 관절과 각각의 형상을 가지도록 할 수 있다.
도 3은 발광장치(401, 402, 403), 반사장치(411, 412, 413)와 수광장치(421, 422, 423)가 빛을 주고받는 받는 방법에 대한 것이다. 발광장치(401, 402, 403)는 레이저(Laser) 혹은 적외선 발광장치(401, 402, 403) 일 수 있다. 도 3(a)에 따르면, 반사장치(411, 412, 413)는 발광장치(401, 402, 403)로부터 방사된 빛이 수직으로 두 번 반사될 수 있는 구조를 가지게 된다. 간단하게는 두 개의 반사면을 90도 각도로 맞대어 구성(미도시)할 수도 있고, 도 3(b)와 같이 깔대기 모양으로 만들 수도 있을 것이다. 반사장치(411, 412, 413)에 의해 두 번 방향이 꺾인 빛은 다시 발광장치(401, 402, 403) 방향이지만, 발광장치(401, 402, 403)에서 조금 떨어진 부분으로 향하게 된다. 빛의 도달 위치에 수광장치(421, 422, 423)가 있다.
제어부는 발광장치(401, 402, 403)와 수광장치(421, 422, 423)에 신호전달 가능하게 연결되어 있다. 제어부는 발광장치(401, 402, 403)에 빛을 내도록 명령할 수 있다. 또한 수광장치(421, 422, 423)에 빛이 감지되면, 신호가 제어부로 가게 되어, 발광장치(401, 402, 403) 또는 수광장치(421, 422, 423)와 반사장치(411, 412, 413)가 정확한 위치에서 대응되고 있음을 제어부가 인식할 수 있게 된다.
도 3(c)는 반사장치(411, 412, 413)가 없는 다른 실시예의 구성을 나타낸다. 반사장치(411, 412, 413)의 위치에 수광장치(421, 422, 423)를 위치하게 한다. 발광장치(401, 402, 403)로부터 나온 빛은 수광장치(421, 422, 423)가 정확한 위치에 대응하게 되면, 수광장치(421, 422, 423)로 들어가게 된다. 수광장치(421, 422, 423)는 제어부에 빛의 감지 여부를 알릴 수 있는 통신장치를 가진다. 따라서, 제어부의 명령에 따라 발광장치가 빛을 발사하고, 발광장치(401, 402, 403)와 수광장치(421, 422, 423)가 대응하는 위치에 있어, 수광장치(421, 422, 423)에 빛이 입사하게 되면 빛의 감지 여부를 제어부에 알리게 된다.
도 4는 반사장치(411, 412, 413)의 배열하는 방법의 여러가지 실시예를 보인다. 로봇 위치 설정 시스템은 위치 설정이 필요한 장비들이 두 점 이상의 미리 마주보는 대응점이 있음이 확인되면, 장비들이 미리 지정된 위치에 있음을 확인하는 구조를 가진다. 따라서, 로봇과 제1 의료기기의 구조와 형상에 따라 다양한 실시예를 가질 수 있을 것이다. 도 4(a)는 제1 의료기기가 그 일 평면상에 서로 다른 두 직선이 생기도록 3점에 반사장치(411, 412, 413)의 배열을 가지도록 한다. 도 4(b)는 제1 의료기기의 일 평면상의 2점에 반사장치(411, 412, 413)가 배열되도록 한다. 도 4(c)는 제1 의료기기가 로봇과 마주볼 수 있는 두 평면 상에 각각 하나씩 반사장치(411, 412, 413)를 배열하도록 한다. 제1 의료기기상의 반사장치(411, 412, 413)의 배열에 따라, 로봇의 발광장치(401, 402, 403)와 수광장치(421, 422, 423) 위치가 대응되도록 바뀔 것이다. 반사장치(411, 412, 413) 사이의 거리는 충분히 떨어질 필요가 있다. 로봇이 원하는 위치에 있도록 하기 위해서는 각 반사장치(411, 412, 413)들 사이의 거리를 충분히 떨어뜨려 위치 오차를 줄일 수 있다.
도 4(d)와 도 4(e)는 반사장치(411, 412, 413)가 평면인 경우 발광장치(401, 402, 403)와 수광장치(421, 422, 423)를 배치하는 방법을 나타낸다. 도 4(d)는 빛의 직진성을 이용하여 발광장치(401, 402, 403)에서 나와 반사장치(411, 412, 413)에서 반사된 빛이 입사각과 동일한 각도록 반사되는 원리를 이용하여 수광장치(421, 422, 423)를 배치하도록 한다. 도 4(e)에 따르면 발광장치(401, 402, 403)와 수광장치(421, 422, 423)는 일체로 형성된다. 동일한 장치에서 조사된 빛이 반사되어 확산되면서 돌아온 빛을 감지하도록 한다. 이런 구성은 레이저를 이용하여 거리를 감지 가능한다. 특별히 반사부(411, 412, 413)가 없더라도 이 장비를 통해서 사용자는 특정 위치를 가진 환자 카우치에 발광장치(401, 402, 403)가 대비되게 되었음을 알 수 있게 된다.
매니퓰레이터(320)의 특성을 고려하여 도 5에서와 같이, 매니퓰레이터(320) 각 암에 발광장치(401, 402, 403)와 수광장치(421, 422, 423)를 장착할 수도 있다. 이렇게 발광장치(401, 402, 403)와 수광장치(421, 422, 423)를 구성하면, 매니퓰레이터(320) 자체에 결함이 있는지에 대해서도 본 시스템에 의해 검증이 될 수 있을 것이다.
본 개시에 설명한 로봇 위치 설정 시스템에 의해, 운용자는 시술장에서 비싼 광학 장비 없이도 필요한 장비의 공간 절대 좌표를 알 수 있게 된다. 운용자는 이동가능한 로봇을 손쉽고 정확하게 미리 지정된 위치에 놓을 수 있게 된다. 로봇의 위치 잡는 시간을 단축하여 시술을 더 빠르고 효율적으로 할 수 있게 된다.
이하, 이 발명의 실시예에 관하여 기술한다. 본 개시에 따른, 로봇 위치 설정 시스템은 아래 실시예의 다양한 조합에 의해 구현 가능하다.
(1) 의료용 로봇 시스템에 있어서, 시술장 내에 위치하는 제1 의료기기, 적어도 둘 이상의 발광장치와 수광장치를 가지며 제1 의료기기의 일측에 놓이는 로봇 그리고, 제1 의료기기와 로봇의 공간 좌표를 수광장치의 신호를 이용하여 파악하는 제어부를 포함하며, 제1 의료기기는 발광 장치에 대응하는 둘 이상의 반사장치를 가지도록 하는 의료용 로봇 시스템.
(2) 적어도 하나의 반사장치는 제1 의료기기의 상부를 향하도록 배치되며, 로봇은 적어도 일부분이 제1 의료기기의 상부에서 움직일 수 있는 의료용 로봇 시스템.
(3) 제1 의료기기 상부에 2개의 반사장치가 있고, 로봇에는 대응되는 2 개의 발광장치와 수광장치가 장착되는 의료용 로봇 시스템.
(4) 제1 의료기기의 측면에 적어도 1개의 반사장치가 있고, 로봇에는 대응되는 적어도 1개의 발광장치와 수광 장치가 장착되는 의료용 로봇 시스템.
(5) 발광장치는 제1 의료기기에 반사 장치를 대신하여 장착되는 의료용 로봇 시스템.
(6) 발광장치는 레이저이며, 수광장치는 광 디텍터인 의료용 로봇 시스템.
(7) 수광장치로부터 나온 빛이 반사장치에 반사되어 수광장치에 감지될 수 있도록 자동 주행하는 의료용 로봇 시스템.
(8) 제1 의료기기는 환자용 테이블이며, 발광부와 수광부는 로봇에 형성된 매니퓰레이터에 장착되는 의료용 로봇 시스템.
(9) 의료용 로봇 시스템에 있어서, 시술장 내에 위치하는 환자용 테이블, 적어도 둘 이상의 일체로 된 발광장치와 수광장치가 장착된 매니퓰레이터을 가지며, 환자용 테이블의 일측에 놓이는 로봇, 그리고 환자용 테이블과 로봇의 공간 좌표를 수광장치의 신호를 이용하여 파악하는 제어부를 포함하며, 환자용 테이블은 발광 장치에 대응하는 둘 이상의 반사장치를 가지도록 하는 의료용 로봇 시스템.
(10) 발광장치와 수광장치가 일체로 형성되는 의료용 로봇 시스템.
200 제 1의료기기
310 로봇 베이스 311 바퀴
320 매니퓰레이터
322 제 1암 323 제 2암 324 제 3암
401, 402, 403 발광장치
411, 412, 413 반사장치

Claims (10)

  1. 의료용 로봇 시스템에 있어서,
    시술장 내에 위치하는 제1 의료기기;
    적어도 둘 이상의 발광장치와 수광장치를 가지며 제1 의료기기의 일측에 놓이는 로봇; 그리고
    제1 의료기기와 로봇의 공간 좌표를 수광장치의 신호를 이용하여 파악하는 제어부;를 포함하며,
    제1 의료기기는 발광 장치에 대응하는 둘 이상의 반사장치를 가지도록 하는 의료용 로봇 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 반사장치는 제1 의료기기의 상부를 향하도록 배치되며, 로봇은 적어도 일부분이 제1 의료기기의 상부에서 움직일 수 있는 의료용 로봇 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    제1 의료기기 상부에 2개의 반사장치가 있고, 로봇에는 대응되는 2 개의 발광장치와 수광장치가 장착되는 의료용 로봇 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    제1 의료기기의 측면에 적어도 1개의 반사장치가 있고, 로봇에는 대응되는 적어도 1개의 발광장치와 수광 장치가 장착되는 의료용 로봇 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    발광장치는 제1 의료기기에 반사 장치를 대신하여 장착되는 의료용 로봇 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    발광장치는 레이저이며, 수광장치는 광 디텍터인 의료용 로봇 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    수광장치로부터 나온 빛이 반사장치에 반사되어 수광장치에 감지될 수 있도록 자동 주행하는 의료용 로봇 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    제1 의료기기는 환자용 테이블이며, 발광부와 수광부는 로봇에 형성된 매니퓰레이터에 장착되는 의료용 로봇 시스템.
  9. 의료용 로봇 시스템에 있어서,
    시술장 내에 위치하는 환자용 테이블;
    적어도 둘 이상의 발광장치와 수광장치가 장착된 매니퓰레이터을 가지며, 환자용 테이블의 일측에 놓이는 로봇; 그리고
    환자용 테이블과 로봇의 공간 좌표를 수광장치의 신호를 이용하여 파악하는 제어부;를 포함하며,
    환자용 테이블은 발광 장치에 대응하는 둘 이상의 반사장치를 가지도록 하는 의료용 로봇 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    발광장치와 수광장치가 일체로 형성되는 의료용 로봇 시스템.
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WO2018216963A1 (ko) * 2017-05-26 2018-11-29 재단법인 대구경북과학기술원 영상 시스템이 결합된 마이크로로봇 제어 시스템

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