KR20170125174A

KR20170125174A - 최소침습수술용 로봇장치

Info

Publication number: KR20170125174A
Application number: KR1020160054766A
Authority: KR
Inventors: 최혁렬; 김의겸; 이동혁; 김용범; 석동엽
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2016-05-03
Filing date: 2016-05-03
Publication date: 2017-11-14

Abstract

본 발명은 최소침습수술용 로봇장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 최소침습수술용 로봇장치는
절개부를 통해 수술부위로 삽입되는 캐뉼러(cannular)와, 일측에 제1결합부가 형성되어 상기 캐뉼러의 후단부에 배치되는 제1하우징과, 상기 제1결합부에 회전 가능하게 설치되는 복수의 종동휠과, 동력전달기구를 통해 상기 종동휠과 연결되고 상기 캐뉼러 선단부에 배치되고 상기 종동휠의 회전에 의해 구동하는 이펙터가 형성된 수술유닛;과, 일측에 상기 제1결합부와 맞물려 결합위치를 안내하는 제2결합부가 형성되어 로봇암에 연결되는 제2하우징과, 상기 제1결합부와 제2결합부의 결합과 동시에 상기 종동휠과 맞물리는 복수의 구동휠과, 상기 하우징 내에 배치되어 상기 구동휠에 회전력을 제공하는 구동모터를 포함하는 구동유닛; 및 상기 제1하우징과 제2하우징을 고정하는 체결부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

최소침습수술용 로봇장치{ROBOT APPARATUS FOR MINIMALLY INVASIVE SURGERY}

본 발명은 최소침습수술용 로봇장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수술기구에 공통으로 적용되는 구동모터를 분리하여 로봇 암에 고정함으로써, 수술기구의 소형화 및 경량화를 이루고, 수술기구를 간편하게 교체할 수 있는 최소침습수술용 로봇장치에 관한 것이다.

의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 수술기구를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다. 특히, 수술 부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제를 야기한다.

이에 대해, 피부를 절개하는 대신 작은 삽입공을 천공하고, 이를 통해 내시경, 복강경, 수술기구(surgical instrument), 미세수술용 현미경 등의 수술기구를 삽입하여 체내에서 수술이 이루어지도록 하는 최소 침습 수술(MIS : Minimum Invasive Surgery)이 각광받고 있다. 한편, 이러한 최소 침습 수술은 집도의에 의해 수동으로 진행될 수도 있으나, 최근에는 시술자가 직접 기구를 조작하는 대신 수술용 로봇을 사용하여 기구를 정교하게 조작하여 수술을 수행하는 로봇 수술이 대안으로서 제시되고 있다.

로봇을 이용한 수술은 의료진 및 환자 모두가 만족하는 새로운 수술 방법으로 각광받고 있다. 대표적인 수술 로봇으로는 미국 인튜이티브 서지컬 사(Intuitive Surgical 社) 의 다빈치 시스템(DaVinci surgical robot)이 있다.

이러한 수술 로봇은 기구의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터(master) 입력부와, 마스터 입력부로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave) 로봇으로 이루어지며, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇을 통합하여 구성하거나, 각각 별도의 장치로 구성하여 수술실에 배치하게 된다.

슬레이브 로봇에는 수술을 위한 조작을 위해 로봇암(robotic arm)을 구비하게 되며, 로봇암의 선단부에는 수술기구가 장착된다.

한편, 환자의 몸에 직접 삽입되는 수술기구는 감염의 문제와 직결되기 때문에 잦은 교체가 불가피하다. 이로 인해 수술기구의 교체성은 수술 로봇에 있어 금전적인 문제뿐만 아니라 수술 시간에도 관련되는 중요한 항목이다.

하지만, 종래의 수술기구는 캐뉼러와 이펙터 및 구동모터가 일체로 구성되고, 수술 종류에 따라 다수의 수술기구들이 하나의 세트를 구성된다. 즉, 각각의 수술기구들이 구동모터와 구동회로를 공통적으로 구비하고 있으므로, 원격수술에 요구되는 소형화와 경량화를 저해하는 요소로 작용할 뿐만 아니라, 수술기구의 비용이 증가하게 되는 문제가 있다.

시술 중에 다른 수술기구를 이용할 필요성이 있는 경우에 현재 사용 중인 로봇암을 위치이동하고 수술보조자에 의해 수술기구를 교체하여 재이동하는 방법 등이 사용되고 있다. 하지만, 이러한 경우에 수술보조자가 수술기구를 교체할 수 있는 공간으로 로봇암을 이동시켜야 하므로, 로봇암의 불필요한 동선을 야기시킬 수 있다. 이는 가능한 짧은 시간 내에 시술을 완료해야하는 수술의 특성상 불필요한 시간을 낭비하게 되는 문제가 있다. 또한, 수술기구를 교체하는 단순한 작업을 위한 별도의 인력이 추가적으로 필요한 문제가 있다.

특허문헌 1. 등록특허 제10-1155464호 (2012년06월15일)

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수술기구의 소형화 및 경량화를 이루고, 수술기구를 간편하게 교체할 수 있는 최소침습수술용 로봇장치를 제공함에 있다.

또한, 수술유닛과 구동유닛을 결합하는 과정에서 결합위치가 안내되도록 할 수 있는 최소침습수술용 로봇장치를 제공함에 있다.

또한, 수술 중 감지되는 힘을 실시간으로 측정하고, 상기 이펙터에 연결되는 와이어의 장력을 통해 그리퍼의 잡는 힘을 측정할 수 있는 최소침습수술용 로봇장치를 제공함에 있다.

또한, 로봇을 이용한 수술 시에 환자의 삽입공의 손상을 최소화할 수 있는 최소침습수술용 로봇장치를 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 삽입공을 통해 수술부위로 삽입되는 캐뉼러(cannular)와, 일측에 제1결합부가 형성되어 상기 캐뉼러의 후단부에 배치되는 제1하우징과, 상기 제1결합부에 회전 가능하게 설치되는 복수의 종동휠과, 동력전달기구를 통해 상기 종동휠과 연결되고 상기 캐뉼러 선단부에 배치되고 상기 종동휠의 회전에 의해 구동하는 이펙터가 형성된 수술유닛;과, 일측에 상기 제1결합부와 맞물려 결합위치를 안내하는 제2결합부가 형성되어 로봇암에 연결되는 제2하우징과, 상기 제1결합부와 제2결합부의 결합과 동시에 상기 종동휠과 맞물리는 복수의 구동휠과, 상기 하우징 내에 배치되어 상기 구동휠에 회전력을 제공하는 구동모터를 포함하는 구동유닛; 및 상기 제1하우징과 제2하우징을 고정하는 체결부재;를 포함하는 최소침습수술용 로봇장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 제1결합부와 제2결합부의 서로 마주하는 면에는 결합위치를 안내하기 위한 가이드돌기와 가이드홈으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1결합부와 제2결합부는 제1하우징과 제2하우징의 결합면 테두리를 따라 다수 마련되는 것이 바람직하다.

본 발명 최소침습수술용 로봇장치는 수술기구에 공통으로 적용되는 구동모터를 분리하여 로봇암에 고정함으로써, 수술기구의 소형화 및 경량화를 이루고, 수술기구를 간편하게 교체할 수 있는 장점이 있다.

또한, 수술유닛과 구동유닛을 결합하는 과정에서 결합위치가 안내되도록 할 수 있는 장점이 있다.

또한, 수술유닛에 힘센서와 토크센서를 마련하여, 수술 중 감지되는 힘을 실시간으로 측정하고, 상기 이펙터에 연결되는 와이어의 장력을 통해 그리퍼의 잡는 힘을 측정할 수 있는 장점이 있다.

또한, 삽입공을 통해 인체 내부로 삽입되는 캐뉼러의 삽입공이 이중 평행 사변형 구조의 링크부에 의해 기구적으로 고정되도록 함으로써 로봇을 이용한 수술 시에 환자의 삽입공의 손상을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명 최소침습수술용 로봇장치의 사시도,
도 2는 본 발명 최소침습수술용 로봇장치의 수술유닛을 분리한 상태를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명 최소침습수술용 로봇장치의 수술유닛과 구동유닛의 결합부위를 나타낸 사시도,
도 4 및 도 5는 본 발명 최소침습수술용 로봇장치의 수술유닛과 구동유닛의 결합부위를 나타낸 단면도,
도 6은 본 발명 최소침습수술용 로봇장치의 로봇암의 제1구동부와 제2구동부를 나타낸 사시도이고,
도 7은 본 발명 최소침습수술용 로봇장치의 평면도이고,
도 8은 본 발명 최소침습수술용 로봇장치의 배면도이고,
도 9는 본 발명 최소침습수술용 로봇장치의 측면도이고,
도 10은 본 발명 최소침습수술용 로봇장치에 따른 링크부의 제1평면 동작을 도시한 것이고,
도 11은 본 발명 최소침습수술용 로봇장치에 따른 링크부의 제1평면 링크운동을 나타낸 개념도이고,
도 12는 본 발명 최소침습수술용 로봇장치에 따른 링크부의 제2평면 동작을 도시한 것이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예 에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 최소침습수술용 로봇장치에 대하여 상세하게 설명한다.

첨부도면 중, 도 1은 본 발명 최소침습수술용 로봇장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명 최소침습수술용 로봇장치의 수술유닛을 분리한 상태를 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명 최소침습수술용 로봇장치의 수술유닛과 구동유닛의 결합부위를 나타낸 사시도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명 최소침습수술용 로봇장치의 수술유닛과 구동유닛의 결합부위를 나타낸 단면도이고, 도 6은 본 발명 최소침습수술용 로봇장치의 로봇암의 제1구동부와 제2구동부를 나타낸 사시도이다.

상기 도면에서 도시하는 바와 같은, 본 발명 최소침습수술용 로봇장치는 수술유닛(110)과, 상기 수술유닛(110)을 작동시키기 위한 구동유닛(120) 및 상기 수술유닛(110)의 위치를 조절하기 위한 로봇암(130)을 포함한다.

상기 수술유닛(110)은 신체의 피부와 같은 신체 조직을 관통하는 삽입공(R)을 통해 신체 내부로 삽입되어 수술부위를 처치하기 위한 것으로서, 삽입공(R)을 관통하여 환자의 체내 수술부위로 삽입되는 캐뉼러(111)(cannular)와, 후면에 제1결합부가 형성되어 상기 캐뉼러(111)의 후단부에 배치되는 제1하우징(112)과, 상기 제1하우징(112)의 후면에 회전 가능하게 설치되는 복수의 종동휠(115)과, 상기 캐뉼러(111) 선단부에 배치되고 와이어와 같은 동력전달기구를 통해 상기 종동휠(115)과 연결되어 상기 종동휠(115)의 회전에 의해 구동하는 이펙터(116)를 포함한다.

상기 제1하우징(112)은 선단이 상기 캐뉼러(111)와 연결되는 중공의 원통형 바디로 이루어지고, 후면에는 구동유닛(120)과 결합하기 위한 제1결합부가 형성되며, 원통형 바디의 양측에는 길이방향으로 관통공(114)이 형성된다. 상기 제1결합부는 후술할 구동유닛(120)의 제2결합부와 맞물리면서 제1하우징(112)과 제2하우징(121)의 결합위치를 안내하기 위한 것으로서, 구동유닛(120)과 마주하는 면의 중앙을 기준으로 상하, 좌우에 각각 배치되는 복수의 가이드돌기로 이루어진다.

상기 이펙터(116)는 대상물을 잡을 수 있는 그리퍼로 이루어질 수 있으며, 축회전(twist), 그리퍼의 개폐 각도(grip angle), 손목 회동(wrist) 및 그립 방향(grip direction) 등의 4 자유도 구동이 가능하도록 구성될 수 있다.

상기 종동휠(115)은 상기 제1하우징(112)의 후면에 회전 가능하게 배치되는 것으로, 동력전달기구를 통해 이펙터(116)와 연결됨으로써, 종동휠(115)의 회전구동에 의해 이펙터(116)를 구동시킬 수 있도록 구성된다. 또한, 본 실시예에서는 상기 이펙터(116)의 4 자유도 구동을 위해 4개의 종동휠(115)이 배치되는 것으로 예를 들었으나, 반드시 4개의 종동휠(115)을 설치해야 하는 것은 아니며, 필요에 따라서는 그 이상 또는 그 이하의 종동휠(115)을 배치하여 이펙터(116)를 구동할 수 있을 것이다.

한편, 상기 동력전달기구는 와이어로 구성될 수 있으며, 와이어를 통해 동력을 전달할 수 있도록 상기 종동휠(115)과 이펙터(116)에는 각각 와이어가 권취되는 풀리가 마련될 수 있다. 이러한 동력전달기구를 이용해 이펙터(116)를 구동하는 구성은 공지의 구성이므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

또한, 상기 수술유닛(110)은 이펙터(116)에 3축 카테시안(cartesian) 힘(x,y,z)을 측정할 수 있는 힘센서를 배치하여 수술 중 감지되는 힘을 실시간으로 측정할 수 있도록 하고, 상기 이펙터(116)의 4자유도 움직임을 구현하는 각각의 종동휠(115)에 토크센서(117)를 배치하여 와이어의 장력을 이용해 그리퍼의 잡는 힘(grasping force)과 같은 힘을 측정할 수 있다. 상기 토크센서(117)는 제1회전체와 제2회전체, 토크 전달부 및 토크 측정부를 포함하여 구성될 수 있으며, 이러한 토크 센서는 등록특허 제1487843호에 개시된 '토크 측정센서'를 통해 공지된 구성이므로, 토크 센서의 구성 및 작용에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 즉 제1회전체는 종동휠(115)에 연결되고 제2회전체에는 와이어가 연결되도록 함으로써, 제1회전체와 제2회전체 사이에 작용하는 토크를 이용해 그리퍼의 잡는 힘을 측정할 수 있다.

상기 구동유닛(120)은 전면에 상기 제1결합부와 맞물려 결합위치를 안내하는 제2결합부가 형성되고 로봇암(130)에 연결되는 제2하우징(121)과, 상기 제1결합부와 제2결합부의 결합과 동시에 상기 수술유닛(110)의 종동휠(115)과 맞물리도록 제2하우징(121)의 전면에 배치되는 복수의 구동휠(124)과, 상기 하우징 내에 배치되어 상기 구동휠(124)에 회전력을 제공하는 구동모터(125)와, 사용자의 입력신호에 따라 구동모터(125)를 제어하기 위한 컨트롤러(126)를 포함한다.

상기 제2하우징(121)은 일측이 로봇암(130)에 연결되는 중공의 원통형 바디로 이루어지고, 전면에는 상기 수술유닛(110)의 제1결합부와 결합하기 위한 제2결합부가 형성되고, 양측에는 상기 제1하우징(112)의 관통공(114)과 연통하는 체결공(123)이 형성된다.

상기 제2결합부는 상기 수술유닛(110)의 제1결합부와 맞물리면서 제1하우징(112)과 제2하우징(121)의 결합위치를 안내하기 위한 것으로서, 상기 수술유닛(110)과 마주하는 면의 테두리에 복수의 가이드홈으로 이루어진다.

구체적으로, 상기 제1결합부와 제2결합부는 서로 마주하는 면에 복수의 가이드돌기와 가이드홈의 형태로 이루어지며, 상기 제1결합부와 제2결합부가 서로 맞물린 상태에서는 제1하우징(112)과 제2하우징(121)의 결합위치가 안내된다.

즉, 제1하우징(112)의 후면부 상하, 좌우에 각각 돌출 형성된 제1결합부는 제2하우징(121)의 전면부 상하, 좌우에 각각 함몰 형성된 제2결합부에 삽입되면서, 제1하우징(112)과 제2하우징(121)의 결합위치가 안내되도록 할 수 있다. 즉, 상기 제1결합부의 양측면에는 경사면이 형성되어 대략 선단부의 단면이 작은 사다리꼴 단면 형태를 가지게 되고, 상기 제1결합부가 삽입되는 제2결합부 역시 양측면에 경사면이 형성되어 상기 제1결합부에 대응하는 형상을 가지게 되므로, 제1결합부가 제2결합부에 용이하게 삽입되도록 할 수 있다. 특히, 상기 제1결합부와 제2결합부는 제1하우징(112)과 제2하우징(121)의 중심을 기준으로 상하, 좌우에 각각 형성되어 있으므로, 제1결합부를 제2결합부에 삽입하는 것에 의해 제1하우징(112)과 제2하우징(121)의 결합위치가 안내된다.

또한, 상기 제1결합부와 제2결합부가 서로 맞물린 상태에서는, 제1하우징(112)의 관통공(114)과 제2하우징(121)의 체결공(123)이 연통되며, 제1하우징(112)의 관통공(114)을 통해 체결부재(C)를 삽입하여 체결방향으로 회전시키면, 체결부재(C)의 후단부가 제1하우징(112) 측에 지지된 상태에서 체결부재(C)의 선단부가 상기 제2하우징(121)의 체결공(123)에 나사결합되면서, 제1하우징(112)과 제2하우징(121)이 고정된다.

한편, 본 실시예에서는 체결부재(C)가 상기 관통공(114)과 체결공(123)을 통해 제1하우징(112)과 제2하우징(121)을 결합하는 볼트의 형태로 이루어지는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 제한하는 것은 아니며, 임의 분리를 방지하면서 견고한 체결력을 제공할 수 있는 다른 형태의 체결요소로 체결부재(C)를 구성하는 것도 가능할 것이다.

상기 구동모터(125)는 이펙터(116)의 구동을 위한 구동력을 제공하는 것으로서, 회전속도와 회전량을 제어할 수 있는 스테핑 모터가 적용될 수 있으며, 구동휠(124)과의 사이에 회전토크를 증가시키기 위한 감속기가 배치될 수 있다.

상기 구동휠(124)은 상기 구동모터(125)에 의해 회전하는 것으로, 상기 수술유닛(110)의 종동휠(115)과 맞물릴 수 있도록 제2하우징(121)의 전면에서 상기 종동휠(115)에 대응하는 위치에 각각 배치된다. 즉, 제1하우징(112)과 제2하우징(121)이 서로 결합된 상태에서, 수술유닛(110)의 종동휠(115)이 구동유닛(120)의 구동휠(124)에 맞물려 구동력이 전달되므로, 구동모터(125)를 통해 이펙터(116)를 구동시킬 수 있게 된다.

한편, 구동휠(124)과 종동휠(115)의 서로 마주하는 면에는 구동휠(124)과 종동휠(115)이 서로 밀착한 상태에서 서로 맞물리는 요철부가 각각 형성되어, 구동휠(124)의 회전력이 종동휠(115)에 그대로 전달되므로 이펙터(116)가 오작동하는 것을 방지할 수 있다. 아울러, 도면에는 도시하지 않았으나 구동휠(124)과 종동휠(115) 중 적어도 어느 하나를 결합방향으로 탄성지지하는 탄성부재를 마련함으로써, 구동휠(124)과 종동휠(115)이 탄력적으로 밀착되도록 하는 것이 바람직할 것이다.

한편, 상기 수술유닛(110)의 후단부 중앙에는 상기 힘센서와 토크센서(117)에서 측정된 측정값을 전달하기 위한 제1커넥터(118)가 형성되고, 상기 구동유닛(120)의 선단부 중앙에는 상기 제1커넥터(118)와 전기적으로 연결될 수 있는 제2커넥터(127)가 형성될 수 있다. 이러한 제1커넥터(118)와 제2커넥터(127)는 암,수형으로 구성되고, 수술유닛(110)과 구동유닛(120)의 결합방향으로 접속/분리 가능한 구조로 이루어짐으로써, 상기 수술유닛(110)과 구동유닛(120)의 착탈과정에서 전기적으로 접속 또는 분리되도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 로봇암(130)은 수술유닛(110)이 삽입공(R)을 통해 신체의 내부로 삽입된 상태에서 수술유닛(110)을 이동시키되, 삽입공(R)을 기준으로 수술유닛(110)을 이동시키는 것으로서, 이중 평행 사변형 구조(Double Parallelogram Mechanism)의 링크를 이용해 삽입공(R)이 기구적으로 일정한 위치에 고정되도록 할 수 있다.

이러한 로봇암(130)은 원격지에 배치되는 마스터 로봇을 통해 입력되는 입력신호에 의해 구동 제어되는 슬레이브 로봇으로 구성될 수 있다.

상기 삽입공(R)이란 수술유닛(110)을 신체 내에 삽입하기 위해서 절개되는 피부 표면상의 특정 위치이다. 상술한 바와 같이 수술유닛(110)은 신체 내에 삽입되어 신체 내부에서 여러 동작을 수행하며 수술을 실시하는데, 이때, 수술유닛(110)의 캐뉼러(111)가 삽입공(R)에서 벗어나게 되면 절개부위가 확장되므로, 로봇을 이용한 최소침습수술에서는 수술유닛(110)이 삽입공(R)을 기준으로 움직이도록 하는 것이 중요하다.

상기 로봇암(130)은 이중 평행 사변형 구조(Double Parallelogram Mechanism)로 이루어지는데, 이중 평행 사변형 구조에 의하면, 로봇암(130)은 원격중심운동(RCM : Remote Center of Motion, 이하 'RCM'이라고 함)을 기준으로 캐뉼러(111)를 회동시킬 수 있다. 따라서, 로봇암(130)의 RCM에 삽입공(R)을 일치시켜 수술을 실시하면, 수술유닛(110)의 회동 중심점이 삽입공(R)에서 벗어나지 않게 된다. 이러한 로봇암(130)은 베이스(131)와 이중 평행 사변형 구조를 위한 링크부(132)와 제1구동부(133) 및 제2구동부(134)를 포함한다.

베이스(131)는 로봇암(130)의 하측면을 구성하는 것으로서, 상면에는 후술하는 제1링크(132a)가 축 회전 가능한 상태로 설치되고, 한 쌍의 제1구동부(133)의 단부가 각각 회동가능하게 연결된다.

링크부(132)는 베이스(131)와 구동유닛(120)을 연결하는 것으로서, 수술유닛(110)이 삽입공(R)을 중심으로 회동할 수 있도록 링크운동 한다. 이러한 링크부(132)는 이중 평행 사변형 구조(Double Parallelogram Mechanism)를 이루는 제1링크(132a)와 제2링크(132b)와 제3링크(132c)와 제4링크(132d)와 제5링크(132e) 및 제6링크(132f)를 포함한다.

제1링크(132a)는 베이스(131)에 축 회전가능한 상태로 설치되는 것으로서, 일단부에 제2링크(132b)가 회동가능하게 연결되며, 타단부에는 제3링크(132c)가 회동가능하게 연결된다.

제2링크(132b)는 하면에 제1구동부(133)가 연결되는 것으로서, 일단부가 상기 제1링크(132a)의 일단부에 회동가능하게 연결되며, 중앙부분은 제4링크(132d)와 회동가능하게 연결된다.

제3링크(132c)는 상기 제2링크(132b)와 나란하게 배치되고 일단부가 상기 제1링크(132a)의 타단부에 회동가능하게 연결되는 것으로서, 타단부는 제4링크(132d)의 일단부에 회동가능하게 연결된다.

제4링크(132d)는 상기 제1링크(132a)와 나란하게 배치되고 중앙부분이 제2링크(132b)의 중앙부분과 X자 형태로 교차하면서 회전가능하게 연결되고 일단부가 제3링크(132c)의 타단부에 회전가능하게 연결된다.

제5링크(132e)는 상기 제4링크(132d)와 나란하게 배치되고 일단부가 상기 제2링크(132b)의 단부에 회전가능하게 연결되고 타단부는 후술하는 제6링크(132f)의 타단부에 회전가능하게 연결된다.

제6링크(132f)는 상기 제2링크(132b)와 나란하게 배치되고 양단부가 제4링크(132d)와 제5링크(132e)의 타단부에 각각 회전가능하게 연결되며, 여기에 상기 구동유닛(120)이 설치된다.

특히, 상기 링크부(132)는 이중 평행 사변형 구조로 이루어져 있으므로, 제1링크(132a)의 축선과 제6링크(132f)의 축선의 교차점은 링크부(132)의 링크운동과정에서 일정한 위치에 고정되어 RCM으로 설정된다. 따라서 상기 수술유닛(110)의 삽입공(R)을 상기 RCM에 위치시키면, 링크부(132)가 링크운동하는 과정에서 수술유닛(110)이 삽입공(R)을 중심으로 이동하도록 할 수 있다. 따라서, 상술한 제1링크(132a)와 제2링크(132b)와 제3링크(132c)와 제4링크(132d)와 제5링크(132e)와 제6링크(132f)를 포함하는 이중 평행 사변형 구조의 링크부(132)에 의하면, 수술유닛(110)이 삽입공(R)을 포함하는 가상의 평면인 제1평면 상에서 삽입공(R)을 기준으로 회동하게 되므로, 수술유닛(110)이 삽입공(R)을 벗어나지 않고 회동될 수 있다.

제1구동부(133)는 수술유닛(110)이 삽입공(R)을 포함하는 가상의 평면인 제1평면과 상기 제1평면과 교차하는 가상의 평면인 제2평면에서 회동할 수 있도록 상기 링크부(132)를 링크운동시키는 것으로서, 한 쌍으로 마련되어 제2링크(132b)의 양측에 각각 사선방향으로 배치되며, 일단부는 제2링크(132b)에 각각 회동가능하게 연결되고 타단부는 베이스(131)의 상면에 각각 회동가능하게 연결된다.

한 쌍의 제1구동부(133)가 동시에 같은 변위로 이완되거나 수축하는 경우, 제2링크(132b)가 제1링크(132a)의 일단부를 중심으로 회동되는데, 이러한 제2링크(132b)의 회동에 의해서, 상기 제1링크(132a), 제2링크(132b)와 함께 이중 평행 사변형 구조를 이루는 제3링크(132c) 내지 제6링크(132f)가 동시에 링크운동한다. 이에 의해서, 수술유닛(110)이 상기 제1평면 상에서 회동된다. 이때, 수술유닛(110)은 링크부(132)의 구조에 의해 RCM을 기준으로 회동하게 되므로, 캐뉼러(111)가 삽입공(R)을 벗어나지 않은 채로 제1평면상에서 회동할 수 있다.

한편, 한 쌍의 제1구동부(133)가 서로 다른 변위로 이완되거나 수축하는 경우, 베이스(131)에 장착되는 제1링크(132a)가 축 회전하게 된다. 이러한 회전에 의해서, 링크부(132)가 제1평면과 교차하는 가상의 평면인 제2평면상에서 회동된다. 따라서, 수술유닛(110)이 링크부(132)와 함께 제2평면 상에서 회동하게 된다. 이때, 수술유닛(110)의 축선은 삽입공(R)을 경유하도록 배치되어 있으므로, 수술유닛(110)의 회동 중심점이 삽입공(R)을 벗어나지 않은 채로 제2평면상에서 회동할 수 있다.

이러한 제1구동부(133)는 볼스크류 방식으로 마련되어 이완되거나 수축하면서 제2링크(132b)에 구동력을 제공하여 링크부(132)를 링크운동시키거나 회전시키는 것으로, 제1모터(133a)와 제1스크류(133b)와 제1로드(133c)를 포함한다.

제1모터(133a)는 회전력을 제공하는 것으로서, 후술하는 제1스크류(133b)에 연결된다. 제1스크류(133b)는 제1모터(133a)에 연결되어 회전하는 것으로서, 후술하는 제1로드(133c)가 장착된다. 제1로드(133c)는 상술한 제1스크류(133b)가 회전하는 경우 제1스크류(133b)의 길이방향을 따라 이동하는 것으로서, 제1스크류(133b)에 장착된다. 이러한 제1로드(133c)는 제1구동부(133)의 전체 길이를 늘리거나 줄일 수 있는데, 이에 의해서, 제1구동부(133)가 제2링크(132b)로 구동력을 제공하여 링크부(132)가 링크운동하거나 회전할 수 있다.

제1모터(133a)와 제1스크류(133b)와 제1로드(133c)를 포함하는 제1구동부(133)는 길이 자체가 수축하거나 이완하기 때문에, 길이가 변하지 않는 일반적인 구동링크와 비교하였을 때, 작업반경, 즉, 수술유닛(110)의 회동반경은 그대로 유지되면서, 링크 자체의 운동반경은 대폭적으로 축소될 수 있다. 따라서, 다수개의 로봇을 이용하여 수술을 시도하는 경우, 로봇 간에 발생할 수 있는 충돌, 즉, 간섭을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예의 로봇암(130)에 의하면, 수술유닛(110)의 삽입공(R)을 링크부(132)의 RCM에 일치시키면, 수술유닛(110)이 삽입공(R)에서 벗어나지 않고 회동할 수 있어, 로봇을 이용한 수술 시에 환자의 삽입공(R)이 확대되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 로봇암(130)은 상술한 바와 같이, 이중 평행 사변형 구조(Double Parallelogram Mechanism)의 링크부(132)에 의해 삽입공(R)이 일정하게 유지된 상태로 동작할 수 있으므로 제어가 간편하고, 로봇암(130)의 크기 및 중량이 대폭적으로 감소될 수 있다. 이에 의해서, 로봇암(130)의 휴대가 용이해져 로봇 수술의 활용도가 극대화되는 효과가 있다.

제2구동부(134)는 상기 제6링크(132f)에 위치고정되어 구동유닛(120)을 캐뉼러(111)와 나란한 축방향으로 직선운동시키는 것으로서, 볼스크류 방식으로 마련될 수 있다. 이러한 제2구동부(134)는 제2모터(134a)와 제2스크류(134b)와 제2로드(134c)를 포함한다.

제2모터(134a)는 회전력을 제공하는 것으로서, 후술하는 제2스크류(134b)에 연결된다. 제2스크류(134b)는 상술한 제2모터(134a)에 연결되어 회전하는 것으로서, 후술하는 제2로드(134c)가 장착된다. 제2로드(134c)는 상술한 제2스크류(134b)에 장착되어 제2스크류(134b)가 회전하는 경우 제2스크류(134b)의 길이방향을 따라 이동하는 것으로서, 구동유닛(120)에 결합된다.

따라서, 상술한 제2모터(134a)와 제2스크류(134b)와 제2로드(134c)를 포함하는 제2구동부(134)에 의하면, 수술유닛(110)의 캐뉼러(111)를 용이하게 직선운동시킬 수 있다.

지금부터는 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 최소침습수술용 로봇장치의 동작에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 수술유닛(110)의 착탈 과정을 살펴보면, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수술유닛(110)은 구동유닛(120)으로부터 분리할 수 있도록 탈착 가능한 결합구조를 갖는다.

특히, 수술유닛(110)의 제1하우징(112)에 형성된 가이드돌기 형태의 제1조립부(113)는 제1하우징(112)의 후면 중앙을 기준으로 상하, 좌우에 각각 배치되므로, 이러한 제1조립부(113)가 구동유닛(120)의 제2하우징(121)에 형성된 가이드홈 형태의 제2조립부(122)에 맞물린 상태에서는, 제1하우징(112)과 제2하우징(121)의 결합위치가 안내된다.

또한, 상기 제1조립부(113)와 제2조립부(122)의 양측면에는 삽입위치를 안내하기 위한 경사면이 각각 형성되어 있으므로, 제1하우징(112)과 제2하우징(121)의 조립이 용이하게 이루어진다.

상기와 같이 제1결합부와 제2결합부에 의해 제1하우징(112)과 제2하우징(121)의 결합위치가 안내된 상태에서, 서로 연통하게 되는 제1하우징(112)의 관통공(114)과 제2하우징(121)의 체결공(123)으로 체결부재(C)를 삽입한 뒤, 체결부재(C)를 체결방향으로 회전시키면 체결부재(C)의 선단부가 체결공(123)에 나사결합되면서 수술유닛(110)과 구동유닛(120)의 조립이 완료된다.

한편, 구동유닛(120)으로부터 수술유닛(110)을 분리하고자 하는 경우에는, 체결부재(C)를 체결 반대방향으로 회전시켜 체결공(123)과의 나사결합이 해제되도록 하면, 수술유닛(110)과 구동유닛(120)이 분리가능한 상태가 되므로, 다른 수술유닛(110)으로 간편하게 교체할 수 있다.

즉, 본 실시예에 따르면, 수술기구를 구동하기 위한 구동유닛(120)을 수술유닛(110)으로부터 분리구성함으로써 수술기구의 소형화 및 경량화를 달성하여 휴대성을 향상시킬 수 있다. 또한, 수술유닛(110)이 구동유닛(120)에 간편하게 착탈되도록 구성하여, 수술도중 오염된 수술유닛(110)을 쉽고 빠르게 교체할 수 있으므로, 수술시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

도 9는 본 발명 최소침습수술용 로봇장치의 측면도이고, 도 10은 본 발명 최소침습수술용 로봇장치에 따른 링크부의 제1평면 동작을 도시한 것이고, 도 11은 본 발명 최소침습수술용 로봇장치에 따른 링크부의 제1평면 링크운동을 나타낸 개념도이고, 도 12는 본 발명 최소침습수술용 로봇장치에 따른 링크부의 제2평면 동작을 도시한 것이다.

도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제1구동부(133)가 동시에 같은 변위로 이완하거나 수축하는 경우, 제2링크(132b)가 제1링크(132a)의 일단부를 중심으로 회동하는데, 이러한 제2링크(132b)의 회동에 의해서, 이중 평행 사변형 구조를 이루는 링크부(132)의 제1 내지 제6링크(132f)가 서로 연동하게 된다.

이에 의해서, 제6링크(132f)에 고정된 고정유닛과 함께 수술유닛(110)이 제1평면 상에서 회동된다. 이때, 수술유닛(110)은 링크부(132)의 구조에 의해 삽입공(R)을 중심으로 회동하게 되므로, 수술유닛(110)의 캐뉼러(111)가 삽입공(R)을 벗어나지 않은 채로 제1평면상에서 회동할 수 있다.

또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제1구동부(133)가 각각 다른 변위로 이완하거나 수축하는 경우, 베이스(131)에 장착되는 제1링크(132a)가 축 회전하게 된다.

이러한 회전에 의해서, 링크부(132)가 제1평면에 수직하는 가상의 평면인 제2평면상에서 회동된다. 따라서, 제6링크(132f)에 연결되어 있는 구동유닛(120)과 함께 수술유닛(110)이 제2평면상에서 회동된다. 이때, 수술유닛(110)은 링크부(132)의 구조에 의해 삽입공(R)을 중심으로 회동하게 되므로, 수술유닛(110)의 캐뉼러(111)가 삽입공(R)을 벗어나지 않은 채로 제2평면상에서 회동할 수 있다.

따라서, 본 발명의 최소침습수술용 로봇장치의 동작에 의하면, 로봇을 이용한 수술 시에 캐뉼러(111)의 회동 중심점이 삽입공(R)을 벗어나는 것이 방지되므로, 수술을 위해 환자의 신체에 형성하는 삽입공(R)의 손상을 최소화할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

110:수술유닛, 111:캐뉼러, 112:제1하우징,
113:제1조립부, 114:관통공, 115:종동휠,
116:이펙터, 117:토크센서, 120:구동유닛,
121:제2하우징, 122:제2조립부, 123:체결공,
124:구동휠, 125:구동모터, 126:컨트롤러,
130:로봇암, 131:베이스, 132:링크부,
132a:제1링크, 132b:제2링크, 132c:제3링크,
132d:제4링크, 132e:제5링크, 132f:제6링크,
133:제1구동부, 133a:제1모터, 133b:제1스크류,
133c:제1로드, 134:제2구동부, 134a:제2모터,
134b:제2스크류, 134c:제2로드, C:체결부재,
R:삽입공

Claims

삽입공을 통해 수술부위로 삽입되는 캐뉼러(cannular)와, 일측에 제1결합부가 형성되어 상기 캐뉼러의 후단부에 배치되는 제1하우징과, 상기 제1결합부에 회전 가능하게 설치되는 복수의 종동휠과, 동력전달기구를 통해 상기 종동휠과 연결되고 상기 캐뉼러 선단부에 배치되고 상기 종동휠의 회전에 의해 구동하는 이펙터가 형성된 수술유닛;
일측에 상기 제1결합부와 맞물려 결합위치를 안내하는 제2결합부가 형성되어 로봇암에 연결되는 제2하우징과, 상기 제1결합부와 제2결합부의 결합과 동시에 상기 종동휠과 맞물리는 복수의 구동휠과, 상기 하우징 내에 배치되어 상기 구동휠에 회전력을 제공하는 구동모터를 포함하는 구동유닛; 및
상기 제1하우징과 제2하우징을 고정하는 체결부재;를 포함하는 최소침습수술용 로봇장치.
제 1항에 있어서,
상기 제1결합부와 제2결합부의 서로 마주하는 면에는 결합위치를 안내하기 위한 가이드돌기와 가이드홈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 최소침습수술용 로봇장치.
제 2항에 있어서,
상기 제1결합부와 제2결합부는 제1하우징과 제2하우징의 결합면 테두리를 따라 다수 마련되는 것을 특징으로 하는 최소침습수술용 로봇장치.