KR20190143745A - 강성 가변형 다자유도 수술로봇 - Google Patents

Abstract

강성 가변형 다자유도 수술로봇이 개시된다. 본 발명에 따른 강성 가변형 다자유도 수술로봇은, 일단부가 고정되고, 타단부와 다수 개로 연결된 제1 와이어의 선택적인 견인에 따라 자유롭게 굽힘작동하는 베이스부; 및 상기 베이스부의 타단부에 일단부가 결합되고, 타단부와 다수 개로 연결된 제2 와이어의 선택적인 견인에 따라 자유롭게 굽힘작동하며 신체 내 환부에 대한 외과 처치를 수행하는 헤드부를 포함하되, 환부에 대한 용이하고 정확한 접근을 위해, 상기 베이스부 및 헤드부는 각각 제어전원의 인가에 따라 강성이 개별적으로 가변되며 굽힘작동을 하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 제어전원의 인가에 따라 강성이 각각 선택적, 개별적으로 가변되는 한편, 제1,2 와이어에 의한 굽힘작동이 각각 자유자재로 수행되는 베이스부 및 헤드부가 얇은 막대형상으로 일체화됨에 따라 신체 내 환부를 지향한 침습 내지 삽입이 정확하고 정밀하게 이루어질 수 있고, 이로 인해 환부에 대한 효과적인 외과적 처치는 물론, 최소 출혈 및 적은 통증으로 빠른 수술 회복이 도모될 수 있다.

Description

강성 가변형 다자유도 수술로봇{SURGICAL ROBOTS WITH VARIABLE STIFFNESS AND STEERING WITH MULTI-FREEDOM}

본 발명은 강성 가변형 다자유도 수술로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 제어전원의 인가에 따라 강성이 각각 개별적으로 가변되며 굽힘작동을 하는 2이상의 소형 분절체로 구성되어 환부에 대한 외과 처치를 수행하게 되는 다자유도 수술로봇에 관한 것이다.

최소침습수술이란 신체를 크게 절개하여 열지 않고 절개 부위를 최소화해 시행하는 수술로서, 절개 부위가 작아 흉터나 후유증이 거의 없고 회복이 빠른 장점이 있다.

이러한 장점으로 인해 최소침습수술을 위한 미세 수술용 장치는 협소 공간 내에서 다양한 외과적 처치 등이 수행될 수 있도록 하기 위해, 그 제작 및 제어에 많은 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다.

종래의 미세 수술용 장치 중 미국공개특허 제20130018303호(공개일: 2013.01.17)는, 곡률을 가진 형상기억합금을 주요 구성으로 한 기술을 개시하고 있는데, 이러한 장치는 서로 다른 지름과 곡률 또는 신율(elongation,伸率)을 갖는 형상기억합금들을 서로 겹쳐서 소정 작동 즉, 펴짐이나 휘어짐 또는 길이방향 신축을 구현함으로써, 말단에 대한 위치 제어를 할 수 있었다.

하지만, 이러한 종래의 선행기술은 복수의 연결체가 서로 연계되는 관계를 고려하여 말단의 위치를 제어하여야 하는 관계상, 정확히 원하는 위치로의 제어를 위해서는 연산식이 과도하게 복잡해진다는 문제가 있었다.

또한, 형상기억합금의 형상을 제어하기 위한 전원이 인가되지 않은 상태에서는 휨변형이 자유롭게 이루어질 수밖에 없는 미세 수술용 장치는, 카테터와 같은 관체에 의한 유도 없이 환부를 향해 직접 삽입되는 경우 신체 내 조직에 의한 간섭으로 인해 휘면서 의도치 않는 방향으로 삽입되는 문제가 있었다.

나아가 환부을 지향한 정확한 침습을 위해 카테터와 같은 수술용 관체를 사용하게 되면, 절개 부위가 넓어져 최소침습술의 장점이 퇴색된다는 점에서 미세 수술용 장치에 대한 강성을 효과적으로 확보할 수 있는 구조적인 개선 내지 개량이 요구되고 있다.

미국공개특허 제20130018303호(공개일: 2013.01.17)

본 발명의 목적은, 신체 내 환부를 지향한 침습 내지 삽입과정에서 다수의 분절체 각각의 강성이 선택적, 개별적으로 가변되며 굽힘작동을 자유자재로 할 수 있고, MRI 장치 내에서 간섭없이 호환 사용이 가능하며, 소형화와 제조의 용이성이 확보될 수 있는 강성 가변형 다자유도 수술로봇을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 일단부가 고정되고, 타단부와 다수 개로 연결된 제1 와이어의 선택적인 견인에 따라 자유롭게 굽힘작동하는 베이스부; 및 상기 베이스부의 타단부에 일단부가 결합되고, 타단부와 다수 개로 연결된 제2 와이어의 선택적인 견인에 따라 자유롭게 굽힘작동하며 신체 내 환부에 대한 외과 처치를 수행하는 헤드부를 포함하되, 환부에 대한 용이하고 정확한 접근을 위해, 상기 베이스부 및 헤드부는 각각 제어전원의 인가에 따라 강성이 개별적으로 가변되며 굽힘작동을 하는 것을 특징으로 하는 강성 가변형 다자유도 수술로봇에 의해 달성된다.

상기 베이스부는, 중앙부에 중공과, 상기 제1 와이어와의 결합을 위해 상기 중공 주변에 관통형성된 체결공을 포함하는 타단부의 제1 지지체; 및 상기 제1 지지체와 결합하되, 상기 제1 와이어의 견인에 따라 휨변형되고, 리드선을 통한 제어전원의 인가시 복원되며 강성이 증대되는 일단부의 코일형 제1 형상기억체를 포함할 수 있다.

상기 헤드부는, 중앙부에 중공과, 상기 제2 와이어와의 결합을 위해 상기 중공 주변에 관통형성된 다수의 체결공을 포함하는 타단부의 제2 지지체; 및 상기 제2 지지체와 결합하되, 상기 제2 와이어의 견인에 따라 휨변형되고, 리드선을 통한 제어전원의 인가시 복원되며 강성이 증대되는 일단부의 코일형 제2 형상기억체를 포함할 수 있다.

상기 헤드부는, 상기 제2 지지체와 결합되는 원추형 캡과, 상기 캡에 설치되는 외과처치부를 더 포함하고, 상기 외과처치부는, 전기소작기, 석션관 및 자기유도코일 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 제1 와이어는, 상기 제1 형상기억체의 중앙부를 통과하고, 상기 제2 와이어는, 상기 제2 형상기억체의 중앙부, 상기 제1 지지체의 중공 및 상기 제1 형상기억체의 중앙부를 각각 순차로 통과하여 각각 외부 액추에이터와 연결될 수 있다.

상기 강성 가변형 다자유도 수술로봇은, 상기 베이스부와 상기 헤드부 사이에서, 상기 베이스부의 타단부에 일단부가 결합되고, 타단부와 다수 개로 연결된 제3 와이어의 선택적인 견인에 따라 자유롭게 굽힘작동하는 미들부를 더 포함할 수 있다.

상기 미들부는, 중앙부에 중공과, 상기 제3 와이어와의 결합을 위해 상기 중공 주변에 관통형성된 다수의 체결공을 포함하는 타단부의 제3 지지체; 및 상기 제3 지지체와 결합하되, 상기 제3 와이어의 견인에 따라 휨변형되고, 리드선을 통한 제어전원의 인가시 복원되며 강성이 증대되는 일단부의 코일형 제3 형상기억체를 포함할 수 있다.

상기 강성 가변형 다자유도 수술로봇은, 상기 베이스부와 상기 헤드부 사이 및 상기 베이스부의 일단부 중 적어도 어느 하나에 구비되어 신축작동을 하는 변형부를 더 포함할 수 있다.

상기 변형부는, 중앙부에 중공을 갖는 제4 지지체; 및 상기 제4 지지체와 결합하되, 리드선을 통한 제어전원의 단속에 따라 신축작동을 하는 코일형 제4 형상기억체를 포함할 수 있다.

상기 강성 가변형 다자유도 수술로봇은, MRI 영상과 연계된 외과수술에 사용하기 위해, 상기 베이스부 및 상기 헤드부를 비자성체 소재로 형성하고, 이들을 둘러싸 밀폐시키는 가요성의 외피를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 제어전원의 인가에 따라 강성이 각각 선택적, 개별적으로 가변되는 한편, 제1,2 와이어에 의한 굽힘작동이 각각 자유자재로 수행되는 베이스부 및 헤드부가 얇은 막대형상으로 일체화됨에 따라 신체 내 환부를 지향한 침습 내지 삽입이 정확하고 정밀하게 이루어질 수 있고, 이로 인해 환부에 대한 효과적인 외과적 처치는 물론, 최소 출혈 및 적은 통증으로 빠른 수술 회복이 도모될 수 있다.

또한, 제1,2 와이어, 베이스부 및 헤드부 등을 비자성체 소재로 형성하면서 가요성의 신축성 외피로 상술한 구성들의 외곽을 밀폐시키게 되면, MRI 장치 내에서 간섭없이 사용될 수 있어 MRI 영상과 연계된 정밀한 외과수술이 가능함은 물론이고, 인서트 사출성형 방식을 통해 베이스부 및 헤드부를 이루는 기본 골격이 일체를 이루며 소형화된 형태로 손쉽게 제작될 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강성 가변형 다자유도 수술로봇의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 와이어의 배선을 보여주기 위한 도 1에 대한 단면도이다.
도 3은 도 1의 분해사시도이다.
도 4는 도 1의 수술로봇과 연계되는 각종 외부 장치와의 결합관계를 개략적도식화한 블록도이다.
도 5는 도 4의 수술로봇과 외부 액추에이터 간의 연결관계를 구체적으로 나타낸 사용상태도이다.
도 6a는 도 5에 따른 수술로봇의 헤드부가 좌우 굽힘작동시 작동상태를 각각 나타낸 도면이다.
도 6b는 도 5에 따른 수술로봇의 헤드부가 상하 굽힘작동시 작동상태를 각각 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 변형예에 따른 강성 가변형 다자유도 수술로봇의 작동상태를 도시한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강성 가변형 다자유도 수술로봇의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 와이어의 배선을 보여주기 위한 도 1에 대한 단면도이고, 도 3은 도 1의 분해사시도이고, 도 4는 도 1의 수술로봇과 연계되는 각종 외부 장치와의 결합관계를 개략적도식화한 블록도이고, 도 5는 도 4의 수술로봇과 외부 액추에이터 간의 연결관계를 구체적으로 나타낸 사용상태도이고, 도 6a는 도 5에 따른 수술로봇의 헤드부가 좌우 굽힘작동시 작동상태를 각각 나타낸 도면이고, 도 6b는 도 5에 따른 수술로봇의 헤드부가 상하 굽힘작동시 작동상태를 각각 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 변형예에 따른 강성 가변형 다자유도 수술로봇의 작동상태를 도시한 단면도이다.

발명의 설명 및 청구범위 등에서 방향을 지칭하는 상(위쪽), 하(아래쪽), 좌우(옆쪽 또는 측방), 전(정,앞쪽), 후(배,뒤쪽) 등은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 도면 및 구성 간의 상대적 위치를 기준으로 정한 것으로, 이하에서 설명되는 각 방향은 이와 다르게 특별히 한정하는 경우를 제외하고, 이에 기초한 것이다.

본 발명에 따른 강성 가변형 다자유도 수술로봇(100)은, 제어전원의 인가에 따라 강성이 각각 선택적, 개별적으로 가변되며 굽힘작동이 각각 자유자재로 수행되는 2이상의 분절체(110,120,130)를 얇은 막대형상으로 제작하여 신체 내 환부(T)를 지향한 침습 내지 삽입이 정확하고 정밀하게 이루어질 수 있고, MRI 장치 내에서 간섭 없이 사용될 수 있으며, 인서트 사출성형 방식을 통해 분절체의 기본 골격이 일체를 이루며 소형화된 형태로 손쉽게 제작될 수 있도록 하기 위해 안출된 발명이다.

위와 같은 기능 내지 작용을 구현하기 위해, 본 발명에 따른 강성 가변형 다자유도 수술로봇(100)은, 기본적으로 베이스부(110), 헤드부(120) 및 외피(150) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

다만, 더욱 높은 자유도로 수술로봇(100)의 다양한 작동이 구현될 수 있도록 하기 위해, 본 발명의 실시예에서는 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 베이스부(110)와 동일한 구조로 베이스부(110)와 헤드부(120) 사이에 개재되어 작동하는 분절체인 미들부(130)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 변형예에 따른 수술로봇(100)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 베이스부(110)의 일단부에 구비되어 신축작동을 하는 분절체인 변형부(140)를 더 포함하여 이루어지게 되며, 도시된 바와 달리 베이스부(110)와 헤드부(120) 사이에 변형부(140)가 구비될 수도 있다.

이하에서는, 상술한 각 구성들에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저, 베이스부(110)는, 제어전원의 인가에 따라 강성이 가변되며 굽힘작동을 수행하는 하나의 분절체(分節體, segment)로서, 일단부가 고정된 상태에서 타단부가 다수의 제1 와이어(112)와 연결되는 구조로 이루어져 수술로봇(100)의 기저를 형성할 수 있다.

이때, 베이스부(110)의 굽힘작동은, 베이스부(110)의 타단부에서 일단부를 향해 길게 배치된 제1 와이어(112)의 선택적인 견인에 따라 베이스부(110)의 타단부가 일단부에 대하여 상대적으로 휘어지는 작동이면 충분하므로 특별하게 베이스부(110)의 구조나 형상은 제한되지 않는다.

다만, 제1 와이어(112)의 견인 길이에 대응하는 만큼 베이스부(110)의 굽힘작동이 정확하게 이루어지도록 하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 베이스부(110)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 지지체(114) 및 제1 형상기억체(116) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 제1 지지체(114)는, 베이스부(110)의 타단부에 구비되어 제1 와이어(112)의 견인에 따라 베이스부(110)의 일단부에 대하여 상대적인 굽힘작동을 하게 되는 판상의 구성요소로서, 중앙부에는 인접한 와이어가 관통하는 중공(114a)과, 중공(114a) 주변에 관통형성되어 제1 와이어(112)가 결합되는 다수의 체결공(114b)을 포함하게 된다.

이때, 체결공(114b)은 적어도 2개 이상이 중공(114a) 주변에 배치될 수 있는데, 실시예의 경우 제1 와이어(112)에 의한 4방향 굽힘작동과 후술할 리드선(116a,126a,136a,146a) 등의 배선을 위해 중공(114a)을 기준으로 8개를 대칭되게 형성할 수 있다.

제1 와이어(112)는, 견인력을 제공하는 외부 액추에이터(10)와 제1 지지체(114)의 체결공(114b) 상호 간을 연결(도 4 및 도 5 참조)하여 베이스부(110)의 굽힘작동을 가능하게 하는 얇은 섬유형상의 구성요소로서, 베이스부(110)의 다방향 굽힘작동을 위해 적어도 2개 이상으로 구성될 수 있다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 제1 와이어(112)는, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 베이스부(110)의 4방향 굽힘작동을 위해 4개의 와이어로 이루어져 제1 지지체(114)에 대칭형태로 배치된 4개의 체결공(114b)에 각각 일단부가 결합되고, 타단부는 코일형상으로 제작된 후술할 제1 형상기억체(116)의 중앙부를 통과하여 외측으로 인출된 후 외부 액추에이터(10)와 각각 연결된다.

이러한 제1 와이어(112)는 외부 액추에이터(10)의 견인력을 손실 없이 제1 지지체(114)에 정확히 전달할 수 있도록 탄성변형율이 적고, 인장강도 및 내마모성이 우수한 합성수지나 섬유강화 복합소재로 제작될 수 있다.

위와 같이 배치되어 외부 액추에이터(10)에 의해 각각 견인되는 4개의 제1 와이어(112)로 인해 베이스부(110)는 고정된 일단부에 대하여 4방향의 2자유도로 대략 90°의 굽힘작동(일례로,┌ 또는 ┐)을 수행할 수 있게 된다.

제1 형상기억체(116)는, 1방향 형상기억효과 즉, 마르텐사이트 상태(냉각)일 때 강성이 약화되며 자유롭게 휨변형되고, 오스테나이트 상태(가열시)일 때 강성이 증대되며 원래 형상으로 복원되는 성질을 갖는 형상기억합금(비자성체의 금속합금 또는 고분자 소재 등)으로 제작되는 구성요소로서, 상술한 제1 지지체(114)와 일체를 이루도록 결합되어 베이스부(110)의 골격을 이루게 된다.

이러한 제1 형상기억체(116)는, 상술한 바와 같은 성질을 갖는 것이라면, 판형상, 막대형상 등 그 구체적인 형상은 특별하게 제한되지 않지만, 마르텐사이트 상태에서 보다 자유로운 휨변형이 이루어질 수 있도록 하기 위해, 본 발명의 실시예에서는 제1 형상기억체(116)를 코일형상으로 제작하게 된다.

코일형상의 제1 형상기억체(116)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 양단부에 각각 한 쌍의 리드선(116a)이 실버 페이스트(비자성체)로 접합되는데, 이는 그 자체로 저항체인 제1 형상기억체(116)가 소정의 제어전원(대략 2V 내지 5V)을 선택적으로 인가받아 통전에 의해 가열(강성 증대)되거나 단전에 의해 냉각(강성 약화)되도록 하기 위한 것으로, 이로 인해 제1 형상기억체(116)의 강성은 필요에 따라 자유롭게 가변될 수 있는 것이다.

즉, 상술한 한 쌍의 리드선(116a)을 통해 소정의 제어전원(대략 2V 내지 5V)이 제1 형상기억체(116)에 인가되면, 제1 형상기억체(116)는 저항체로서 발열(오스테나이트 상태)함에 따라 자체 강성이 증대되며 원래 형상으로의 복원이 강제될 수 있는 것이다.

반대로 소정의 제어전원(대략 2V 내지 5V)이 단전되면, 제1 형상기억체(116)는 저항체로서 발열을 멈추고 냉각(마르텐사이트 상태)됨에 따라 자체 강성이 약화되므로, 제1 와이어(112)의 견인을 통해 자유로운 휨변형이 가능해지는 것이다.

따라서 4방향에 각각 결합된 제1 와이어(112)에 대한 견인과 리드선(116a)을 통한 제어전원의 단속을 적절하게 조합하는 제어를 통해 베이스부(110)는, 4방향으로 굽힘작동을 하며 필요시 견고한 강성으로 환부(T)를 향하여 정밀하게 침습 내지 삽입될 수 있게 되는 것이다.

한편, 제1 형상기억체(116) 자체의 절연을 위해, 그 표면에는 산화막이 코팅처리될 수 있고, 리드선(116a)은 여분의 체결공(114b)을 통해 깔끔하게 배선되어 외측으로 인출된 후, 도 4에 도시된 제2 전원제어장치(20b) 등과 연결됨으로써 소정의 제어전원을 제공받거나, 이와 달리 전원공급장치(DC)와 펄스폭제어장치(PWM)로 구성되는 제1 전원제어장치(11)와 연결될 수도 있음은 물론이다.

헤드부(120)는, 상술한 베이스부(110)와 동일하게 제어전원의 인가에 따른 강성의 가변과 굽힘작동은 물론, 신체 내 환부(T)에 대한 외과적 처치까지도 수행하게 되는 하나의 분절체(分節體, segment)로서, 베이스부(110)의 타단부 즉, 제1 지지체(114)에 일단부가 결합된 상태에서 타단부가 다수의 제2 와이어(122)와 연결되는 구조로 이루어져 수술로봇(100)의 선단을 형성할 수 있다.

이때, 헤드부(120)의 굽힘작동은, 헤드부(120)의 타단부에서 일단부를 향해 길게 배치된 제2 와이어(122)의 선택적인 견인에 따라 헤드부(120)의 타단부가 일단부에 대하여 상대적으로 휘어지는 작동이면 충분하므로, 특별하게 헤드부(120)의 구조나 형상은 제한되지 않는다.

다만, 제2 와이어(122)의 견인 길이에 대응하는 만큼 헤드부(120)만의 굽힘작동이 정확하게 이루어지도록 하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 헤드부(120)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 제2 지지체(124), 제2 형상기억체(126), 캡(128) 및 외과처치부(129) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 제2 지지체(124)는, 헤드부(120)의 타단부에 구비되어 제2 와이어(122)의 견인에 따라 헤드부(120)의 일단부에 대하여 상대적인 굽힘작동을 하게 되는 판상의 구성요소로서, 중앙부에 관통형성된 중공(124a)과, 중공(124a) 주변에 관통형성되어 제2 와이어(122)가 결합되는 다수의 체결공(124b)을 포함하게 된다.

체결공(124b)은 적어도 2개 이상이 중공(124a) 주변에 배치될 수 있는데, 실시예의 경우 제2 와이어(122)에 의한 4방향 굽힘작동과 후술할 연결부재(129c) 등의 배선을 위해 중공(124a)을 기준으로 8개를 대칭되게 형성할 수 있다.

제2 와이어(122)는, 견인력을 제공하는 외부 액추에이터(10)와 제2 지지체(124)의 체결공(124b) 상호 간을 연결(도 4 및 도 5 참조)하여 헤드부(120)의 굽힘작동을 가능하게 하는 얇은 섬유형상의 구성요소로서, 헤드부(120)의 다방향 굽힘작동을 위해 적어도 2개 이상으로 구성될 수 있다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 제2 와이어(122)는, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 베이스부(110)의 4방향 굽힘작동을 위해 4개의 와이어로 이루어져 제2 지지체(124)에 대칭으로 배치된 4개의 체결공(124b)에 각각 일단부가 결합된다.

그리고 제2 와이어(122)의 타단부는, 코일형상으로 제작된 후술할 제2 형상기억체(126)의 중앙부에서 다발 형태로 모여 제1 지지체(114)의 중공(114a) 및 제1 형상기억체(116)의 중앙부를 순차로 통과(수술로봇(100)의 중심축을 따라 통과)한 후 외측으로 인출되어 외부 액추에이터(10)와 각각 연결된다.

여기서 체결공(124b)과 결합되는 일단부 쪽을 제외하고 4개의 제2 와이어(122) 모두를 수술로봇(100)의 중심축을 따라 배치한 후 외부 액추에이터(10)와 각각 연결한 이유는, 제2 와이어(122)에 대한 견인력이 베이스부(110) 등에 영향을 미치지 않고 온전히 헤드부(120)의 굽힘에만 작용하도록 하기 위함이다.

즉, 수술로봇(100)의 중심축을 따라 배치된 제2 와이어(122)에 견인력이 작용하더라도 베이스부(110) 등에는 중심축 방향의 순수한 압축력만으로 작용하게 되어 베이스부(110)의 굽힘작동이 발생하지 않게 되지만, 제2 지지체(124)의 가장자리에 위치한 체결공(124b)과 결합된 제2 와이어(122) 쪽에서는 견인력이 회전토크로 작용하게 되는 결과, 헤드부(120)만의 굽힘작동이 발생하게 되는 것이다.

이러한 제2 와이어(122)는 상술한 제1 와이어(112)와 마찬가지로 외부 액추에이터(10)의 견인력을 손실 없이 제2 지지체(124)에 정확히 전달할 수 있도록 탄성변형율이 적고, 인장강도 및 내마모성이 우수한 합성수지나 섬유강화 복합소재로 제작될 수 있다.

위와 같이 배치되어 외부 액추에이터(10)에 의해 각각 견인되는 4개의 제2 와이어(122)로 인해 헤드부(120)는 베이스부(110)의 제1 지지체(114)에 대하여 4방향의 2자유도로 대략 90°의 굽힘작동을 독립적으로 수행할 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 수술로봇(100)의 중심축을 따라 배치된 제2 와이어(122) 및 제1 와이어(112)로 인해 헤드부(120)와 베이스부(110)는, 각각 서로에게 영향을 주지 않고 개별적으로 정확한 굽힘작동(일례로, ┌┘)을 하며 4자유도로 형태가 가변될 수 있다.

제2 형상기억체(126)는, 상술한 제1 형상기억체(116)와 마찬가지로 1방향 형상기억효과를 발휘하는 형상기억합금으로 제작되는 구성요소로서, 상술한 제2 지지체(124)와 일체를 이루도록 결합되어 헤드부(120)의 골격을 이루게 된다.

이러한 제2 형상기억체(126)는, 상술한 제1 형상기억체(116)와 동일하므로, 이에 대한 구체적인 형상과 휨변형, 제어전원 인가에 따른 강성의 가변 등에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

캡(128)은, 신체 내 환부(T)로 본 발명에 따른 수술로봇(100)이 용이하게 침습되고 후술할 외과처치부(129)가 설치될 공간을 제공하기 위해 마련된 구성요소로서, 원추형상으로 제2 지지체(124)와 결합되어 헤드부(120)의 단부를 이루게 된다.

외과처치부(129)는, 상술한 캡(128)에 설치되어 신체 내 환부(T)에 대한 외과적 처치를 수행하게 되는 구성요소로서, 전기소작기(129a), 석션관(suction) 및 자기유도코일 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 전기소작기(129a)는, 뾰족한 적극팁을 통해 전기에너지(대략 300KHz~3MHz)를 환부(T)에 흘려 최소 출혈 및 적은 통증으로 절개나 지혈(응고) 등의 외과적 처치를 수행하는 장치이고, 석션관(129b)은 환부(T) 주변에 대한 세척을 위해 이물질 등을 흡인하거나 또는 환부(T)에 식염수나 질소 등을 제공하는 관체이고, 자기유도코일은 자기장에 반응하여 MRI 영상에서 소정의 표식을 제공하는 장치를 말한다.

이러한 외과처치부(129)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 수술로봇(100)의 중심축 즉, 제1,2 지지체의 중공(114a,124a)과 제1,2 형상기억체(116,126)의 중앙부를 관통하거나 또는 여분의 체결공(114b,124b)을 관통하는 연결부재(129c)를 통해 외부 수술장치(20)인 유체공급장치(20a)나 제2 전원제어장치(20b)와 접속될 수 있다.

상술한 바와 같은 베이스부(110)의 골격을 이루는 제1 지지체(114) 및 제1 형상기억체(116)와, 헤드부(120)의 골격을 이루는 제2 지지체(124) 및 제2 형상기억체(126)는, 각 형상기억체를 금형 내에 인서트한 후 각 지지체를 일체로 사출성형하는 방식으로 제조될 수 있다.

이로 인해 별도의 조립 공정이 없이 제조 시간과 비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 필요에 따라 크기나 형상을 달리하며 소형의 맞춤형 수술로봇(100)을 보다 쉽게 양산할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 강성 가변형 다자유도 수술로봇(100)은, 베이스부(110) 및 헤드부(120) 등을 비자성체 소재로 형성하고, 이들을 둘러싸 밀폐시키는 가요성의 외피(150)를 더 포함할 수 있다.

즉, 각각의 형상기억체 자체는 비자성체의 금속합금 또는 고분자 소재 등으로 제작하고, 각각의 와이어 및 지지체, 캡(128), 외과처치부(129) 또한 합성수지 등을 소재로 하고, 리드선(116a,126a,136a)은 구리 또는 은(실버)을 소재로 하며, 리드선(116a,126a,136a)과 각각의 형상기억체 간은 실버 페이스트로 접합시키는 방식으로 비자성체의 수술로봇(100)을 제작할 수 있다.

이때, 베이스부(110) 및 헤드부(120) 등을 비자성체 소재로 형성하는 이유는, 자성체에 의한 자기장의 간섭 없이 MRI 영상과 연계된 외과수술에 본 발명에 따른 수술로봇(100)을 사용하기 위한 것으로, 이로 인해 간섭 없는 선명한 MRI 영상의 현시가 가능해 짐에 따라 환부(T)를 정확, 정밀하게 확인하며 다양한 외과적 처치가 수행될 수 있게 된다.

나아가 MRI 영상으로 신체 내부의 시야확보가 가능하므로, 별도의 관체인 내시경 등의 투입이 불필요해짐에 따라 더욱 작은 크기의 최소 절개로 외과적 처치가 능해져 수술 흉터나 후유증 또한 저감될 수 있게 된다.

가요성의 외피(150)는, 베이스부(110) 및 헤드부(120)를 포함하는 수술로봇(100)을 둘러싸 신체 내 체액의 침투와 누전을 방지하는 구성요소로서, 신축성과 밀폐성이 우수한 실리콘 또는 합성수지로 제작할 수 있다.

미들부(130)는, 본 발명에 따른 수술로봇(100)이 3차원 공간상에 작동하는 범위인 자유도를 확장하기 위해 부가되는 분절체(分節體, segment)로서, 베이스부(110)와 동일한 구조로 이루어져 제어전원의 인가에 따라 강성이 가변되며 제1 베이스부(110)와 동일한 굽힘작동을 수행하게 된다.

이때, 미들부(130)의 굽힘작동은, 미들부(130)의 타단부에서 일단부를 향해 길게 배치된 제3 와이어(132)의 선택적인 견인에 따라 미들부(130)의 타단부가 일단부에 대하여 상대적으로 휘어지는 작동이면 충분하므로 미들부(130)의 구조나 형상은 특별하게 제한되지 않는다.

다만, 제3 와이어(132)의 견인 길이에 대응하는 만큼 미들부(130)만의 굽힘작동이 정확하게 이루어지도록 하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 미들부(130)는, 도 1 내지 도 3 등에 도시된 바와 같이 베이스부(110)와 헤드부(120) 사이에서 베이스부(110)의 타단부 즉, 제1 지지체(114)에 제3 형상기억체(136)가 결합된 상태에서 타단부의 제3 지지체(134)가 다수의 제3 와이어(132)와 연결되는 구조로 이루어져 수술로봇(100)의 중앙부를 형성할 수 있다.

제3 지지체(134)는, 미들부(130)의 타단부에 구비되어 제3 와이어(132)의 견인에 따라 미들부(130)의 일단부에 대하여 상대적인 굽힘작동을 하게 되는 판상의 구성요소로서, 중앙부에는 인접한 와이어가 관통하는 중공(134a)과, 중공(134a) 주변에 관통형성되어 제3 와이어(132)가 결합되는 다수의 체결공(134b)을 포함하게 된다.

제3 와이어(132)는, 견인력을 제공하는 외부 액추에이터(10)와 제3 지지체(134)의 체결공(134b) 상호 간을 연결(도 4 및 도 5 참조)하여 베이스부(110)의 굽힘작동을 가능하게 하는 얇은 섬유형상의 구성요소로서, 상술한 헤드부(120)의 제2 와이어(122)와 동일한 배선 배치 및 소재로 이루어지므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 수술로봇(100)의 중심축을 따라 배치된 제3 와이어(132), 제2 와이어(122) 및 제1 와이어(112)로 인해 헤드부(120), 미들부(130) 및 베이스부(110)는, 각각 서로에게 영향을 주지 않고 개별적으로 정확한 굽힘작동하며 보다 확장된 범위인 6자유도로 형태가 가변될 수 있게 된다.

제3 형상기억체(136)는, 상술한 제1 형상기억체(116)와 마찬가지로 1방향 형상기억효과를 발휘하는 형상기억합금으로 제작되는 구성요소로서, 상술한 제3 지지체(134)와 일체를 이루도록 결합되어 미들부(130)의 골격을 이루게 된다.

이러한 제3 형상기억체(136)는, 상술한 제1 형상기억체(116)와 동일하므로, 이에 대한 구체적인 형상과 휨변형, 제어전원 인가에 따른 강성의 가변 등에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

미들부(130)의 골격을 이루는 제3 지지체(134) 및 제3 형상기억체(136)는, 헤드부(120) 및 베이스부(110)와 함께 일체로 사출성형될 수 있어 본 발명에 따른 수술로봇(100)의 제조 시간과 비용이 절약될 수 있다.

이상에서 설명한 구성들로 이루어진 본 발명에 따른 강성 가변형 다자유도 수술로봇(100)이 베이스부(110)의 굽힘작동을 통해 신체 내 특정 환부(T)로 접근하는 과정을 도 4 내지 도 6을 참조하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

우선, 베이스부(110), 미들부(130) 및 헤드부(120)로 구성된 본 발명의 실시예에 따른 수술로봇(100)이, 도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 제1,2,3 와이어(112,122,132)를 통해 각각 외부 액추에이터(10)와 연결되면, 베이스부(110), 미들부(130) 및 헤드부(120)는, 제어부(30)를 통한 신축형 형상기억체(12)(또는 스탭모터)의 신축에 따라 각각 독립적인 4방향 굽힘작동을 수행하게 된다.

다음으로, 시술자는, 도 5에 도시된 바와 같이 수술로봇(100) 및 외부 액추에이터(10)가 통합되어 일체화된 장치를 환자가 위치한 MRI 장치 내로 투입하고, MRI 영상을 통해 확인된 환부(T)와 인접한 신체 일영역을 수술을 위해 최소 절개한다.

그리고 시술자는, 제어부(30)를 통해 제2 전원제어장치(20b)를 제어하여 모든 리드선(116a,126a,136a)에 소정의 제어전원을 인가하여 베이스부(110), 미들부(130) 및 헤드부(120) 각각의 강성을 강화한 다음, 수술로봇(100) 및 외부 액추에이터(10)가 일체화된 장치를 전진시켜 헤드부(120)가 휘지 않고 정확히 신체 내 환부(T)를 향해 침습 내지 삽입되게 한다.

다음으로, 도 6a의 (a)에 도시된 바와 같이, 헤드부(120)가 신체 내로 침습된 상태에서 수술로봇(100)을 기준으로 우측 방향에 환부(T)가 발견된 경우, 시술자는 헤드부(120)의 우측 굽힘작동을 담당하는 제2 와이어(122a)가 견인되도록, 제어부(30)를 통해 외부 액추에이터(10)의 해당 신축형 형상기억체(12)를 수축시키는 제어를 하게 된다.

반대로, 도 6a의 (b)에 도시된 바와 같이, 헤드부(120)가 신체 내로 침습된 상태에서 수술로봇(100)을 기준으로 좌측 방향에 환부(T)가 발견된 경우, 시술자는 헤드부(120)의 좌측 굽힘작동을 담당하는 제2 와이어(122d)가 견인되도록, 제어부(30)를 통해 외부 액추에이터(10)의 해당 신축형 형상기억체(12)를 수축시키는 제어를 하게 된다.

다음으로, 도 6b의 (a)에 도시된 바와 같이, 헤드부(120)가 신체 내로 침습된 상태에서 수술로봇(100)을 기준으로 상부 방향에 환부(T)가 발견된 경우, 시술자는 헤드부(120)의 상방 굽힘작동을 담당하는 제2 와이어(122b)가 견인되도록, 제어부(30)를 통해 외부 액추에이터(10)의 해당 신축형 형상기억체(12)를 수축시키는 제어를 하게 된다.

반대로, 도 6b의 (b)에 도시된 바와 같이, 헤드부(120)가 신체 내로 침습된 상태에서 수술로봇(100)을 기준으로 하부 방향에 환부(T)가 발견된 경우, 시술자는 헤드부(120)의 하방 굽힘작동을 담당하는 제2 와이어(122c)가 견인되도록, 제어부(30)를 통해 외부 액추에이터(10)의 해당 신축형 형상기억체(12)를 수축시키는 제어를 하게 된다.

이때, 헤드부(120)만의 정확한 4방향 굽힘작동을 보조하기 위해, 베이스부(110) 및 미들부(130)에 대응하는 리드선(116a,136a)에는 소정의 제어전원을 인가하여 베이스부(110) 및 미들부(130)의 강성을 강화하는 제어가 병행될 수 있음은 물론이다. 이와 같이 굽힘작동이 필요한 분절체와 불필요한 분절체를 구분하여 불필요한 분철체에 대하여는 위와 같이 강성을 강화하는 제어가 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

변형부(140)는, 3차원 공간상에서 다단의 굽힘작동을 하는 본 발명에 따른 수술로봇(100)에 부분적으로 신축작동을 부여하기 위해 부가되는 분절체(分節體, segment)로서, 베이스부(110)와 헤드부(120) 사이에 구비되거나 또는 베이스부(110)의 일단부 즉, 제1 형상기억체(116) 쪽에 구비되어 제어전원의 인가에 따라 신축작동을 수행하게 된다.

이때, 변형부(140)의 신축작동은, 길이방향으로 신축하는 탄성 스프링에 대하여 상술한 베이스부(110) 등과 같은 와이어의 견인력이 일시에 작용하도록 하는 방식으로 구현될 수 있다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 변형부(140)는, 견인력이 작용하는 와이어를 이용하지 않고, 도 7에 도시된 바와 같이, 제4 지지체(144) 및 신축형의 제4 형상기억체(146) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 제4 지지체(144)는, 베이스부(110)의 일단부에 구비되어 후술할 제4 형상기억체(146)의 신축작동에 따라 함께 이동하는 판상의 구성요소로서, 중앙부에는 인접한 와이어 등이 관통하는 중공(144a)이 형성될 수 있다.

제4 형상기억체(146)는, 2방향 형상기억효과 즉, 오스테나이트 상태인 고온(가열시)에서 길이가 신장되고, 마르텐사이트 상태인 저온(냉각시)에서 원래의 수축된 형상으로 복원되는 성질을 갖는 형상기억합금(비자성체의 금속합금 또는 고분자 소재 등)으로 제작되는 구성요소로서, 상술한 제4 지지체(144)와 일체를 이루도록 결합되어 변형부(140)의 골격을 이루게 된다.

이러한 제4 형상기억체(146)는, 상술한 바와 같은 성질을 갖는 것이라면, 판형상, 막대형상 등 그 구체적인 형상은 특별하게 제한되지 않지만, 길이변형의 변위를 증대하기 위해 코일형상으로 제작하게 된다.

코일형상의 제4 형상기억체(146)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 양단부에 각각 한 쌍의 리드선(146a)이 실버 페이스트(비자성체)로 접합되는데, 이는 그 자체로 저항체인 제4 형상기억체(146)가 소정의 제어전원(대략 2V 내지 5V)을 선택적으로 인가(②)받아 통전에 의해 가열(신장-③)되거나 단전(①)에 의해 냉각(수축)되도록 하기 위한 것으로, 이로 인해 제4 형상기억체(146)의 길이는 필요에 따라 자유롭게 가변될 수 있는 것이다.

이렇게 제4 형상기억체(146)에 접속된 리드선(146a)을 통해 제어전원을 적절히 단속함으로써, 시술자는 외부 액추에이터(10)와 일체화된 수술로봇(100) 전체를 전방 또는 후방으로 직접 이동시키지 않고도, 외과처치부(129)를 정밀하게 직진 또는 후진시키며 환부(T)에 정확히 위치시킬 수 있게 된다.

한편, 제4 형상기억체(146)도 자체의 절연을 위해, 그 표면에는 산화막이 코팅처리될 수 있고, 리드선(146a)은 외측으로 인출된 후 도 4에 도시된 제2 전원제어장치(20b) 등과 연결됨으로써 소정의 제어전원을 제공받을 수 있다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

T: 환부(종양) 10: 외부 액추에이터
11: 제1 전원제어장치 12: 신축형 형상기억체
20: 외부 수술장치 20a: 유체공급장치, 전기소작장치
20b: 제2 전원제어장치 30: 제어부
100: 강성 가변형 다자유도 수술로봇
110: 베이스부 112: 제1 와이어
114: 제1 지지체 114a: 중공
114b: 체결공 116: 제1 형상기억체(강성 가변형)
116a: 리드선 120: 헤드부
122: 제2 와이어 124: 제2 지지체
124a: 중공 124b: 체결공
126: 제2 형상기억체(강성 가변형) 126a: 리드선
128: 캡 129: 외과처치부
129a: 전기소작기 129b: 석션관
129c: 연결부재 130: 미들부
132: 제3 와이어 134: 제3 지지체
134a: 중공 134b: 체결공
136: 제3 형상기억체(강성 가변형) 136a: 리드선
140: 변형부 144: 제4 지지체
144a: 중공 146: 제4 형상기억체(신축형)
146a: 리드선 150: 외피

Claims (10)

1. 일단부가 고정되고, 타단부와 다수 개로 연결된 제1 와이어의 선택적인 견인에 따라 자유롭게 굽힘작동하는 베이스부; 및
   상기 베이스부의 타단부에 일단부가 결합되고, 타단부와 다수 개로 연결된 제2 와이어의 선택적인 견인에 따라 자유롭게 굽힘작동하며 신체 내 환부에 대한 외과 처치를 수행하는 헤드부를 포함하되,
   환부에 대한 용이하고 정확한 접근을 위해, 상기 베이스부 및 헤드부는 각각 제어전원의 인가에 따라 강성이 개별적으로 가변되며 굽힘작동을 하는 것을 특징으로 하는 강성 가변형 다자유도 수술로봇.
2. 제1항에 있어서,
   상기 베이스부는,
   중앙부에 중공과, 상기 제1 와이어와의 결합을 위해 상기 중공 주변에 관통형성된 체결공을 포함하는 타단부의 제1 지지체; 및
   상기 제1 지지체와 결합하되, 상기 제1 와이어의 견인에 따라 휨변형되고, 리드선을 통한 제어전원의 인가시 복원되며 강성이 증대되는 일단부의 코일형 제1 형상기억체를 포함하는 것을 특징으로 하는 강성 가변형 다자유도 수술로봇.
3. 제1항에 있어서,
   상기 헤드부는,
   중앙부에 중공과, 상기 제2 와이어와의 결합을 위해 상기 중공 주변에 관통형성된 다수의 체결공을 포함하는 타단부의 제2 지지체; 및
   상기 제2 지지체와 결합하되, 상기 제2 와이어의 견인에 따라 휨변형되고, 리드선을 통한 제어전원의 인가시 복원되며 강성이 증대되는 일단부의 코일형 제2 형상기억체를 포함하는 것을 특징으로 하는 강성 가변형 다자유도 수술로봇.
4. 제3항에 있어서,
   상기 헤드부는,
   상기 제2 지지체와 결합되는 원추형 캡과, 상기 캡에 설치되는 외과처치부를 더 포함하고,
   상기 외과처치부는, 전기소작기, 석션관 및 자기유도코일 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 강성 가변형 다자유도 수술로봇.
5. 제3항에 있어서,
   상기 제1 와이어는, 상기 제1 형상기억체의 중앙부를 통과하고,
   상기 제2 와이어는, 상기 제2 형상기억체의 중앙부, 상기 제1 지지체의 중공 및 상기 제1 형상기억체의 중앙부를 각각 순차로 통과하여 각각 외부 액추에이터와 연결되는 것을 특징으로 하는 강성 가변형 다자유도 수술로봇.
6. 제3항에 있어서,
   상기 강성 가변형 다자유도 수술로봇은,
   상기 베이스부와 상기 헤드부 사이에서, 상기 베이스부의 타단부에 일단부가 결합되고, 타단부와 다수 개로 연결된 제3 와이어의 선택적인 견인에 따라 자유롭게 굽힘작동하는 미들부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강성 가변형 다자유도 수술로봇.
7. 제6항에 있어서,
   상기 미들부는,
   중앙부에 중공과, 상기 제3 와이어와의 결합을 위해 상기 중공 주변에 관통형성된 다수의 체결공을 포함하는 타단부의 제3 지지체; 및
   상기 제3 지지체와 결합하되, 상기 제3 와이어의 견인에 따라 휨변형되고, 리드선을 통한 제어전원의 인가시 복원되며 강성이 증대되는 일단부의 코일형 제3 형상기억체를 포함하는 것을 특징으로 하는 강성 가변형 다자유도 수술로봇.
8. 제2항에 있어서,
   상기 강성 가변형 다자유도 수술로봇은,
   상기 베이스부와 상기 헤드부 사이 및 상기 베이스부의 일단부 중 적어도 어느 하나에 구비되어 신축작동을 하는 변형부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강성 가변형 다자유도 수술로봇.
9. 제8항에 있어서,
   상기 변형부는,
   중앙부에 중공을 갖는 제4 지지체; 및
   상기 제4 지지체와 결합하되, 리드선을 통한 제어전원의 단속에 따라 신축작동을 하는 코일형 제4 형상기억체를 포함하는 것을 특징으로 하는 강성 가변형 다자유도 수술로봇.
10. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강성 가변형 다자유도 수술로봇은,
    MRI 영상과 연계된 외과수술에 사용하기 위해, 상기 베이스부 및 상기 헤드부를 비자성체 소재로 형성하고, 이들을 둘러싸 밀폐시키는 가요성의 외피를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강성 가변형 다자유도 수술로봇.
    

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