KR20200095193A

KR20200095193A - 위치 조절 암

Info

Publication number: KR20200095193A
Application number: KR1020190012993A
Authority: KR
Inventors: 권동수; 김창균; 천병식
Original assignee: 한국과학기술원; 주식회사 이지엔도서지컬
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2020-08-10
Also published as: KR102188210B1; CN113543943A; US12011830B2; WO2020159021A1; US20220097226A1

Abstract

일 실시 예에 따르면 위치 조절 암은, 일 지점으로부터 일정한 위치에 존재하는 원격 운동 중심(RCM)을 통과하는 가상의 축을 따라서 병진 이동 가능한 병진 링크를 구비하고, 상기 일 지점을 중심으로 적어도 2개의 방향으로 회전이 가능한 링크 어셈블리; 및 상기 링크 어셈블리의 자중에 의하여 상기 일 지점에 작용하는 중력 토크에 대하여, 반대되는 방향의 보상 토크를 제공하는 중력 토크 보상부를 포함할 수 있다.

Description

위치 조절 암{POSITIONING ARM}

아래의 설명은 위치 조절 암에 관한 것이다.

의료 분야, 산업 분야 등 다양한 분야에서, 로봇이 사용되어 오고 있다. 예를 들면, 의료 분야에서는, 수술 로봇 시스템의 일부로, 수술 도구(surgical instrument) 및 로봇 암(robot arm)의 위치를 자유롭고 안정적으로 위치시켜줄 수 있는 위치 조절 암(positioning arm)을 포함하는 지지 장치가 사용되고 있다.

회전 자유도가 존재하는 위치 조절 암은 일반적으로 많이 사용되며, 복강경 수술 로봇, 다빈치 시스템(Da Vinci system) 등 수술 로봇 등에서 널리 사용된다. 위와 같은 위치 조절 암의 자중, 또는 위치 조절 암에 로딩(loading)되는 인스트루먼트(instrument) 등의 무게는, 위치 조절 암의 조인트에 작용하여 중력 토크(gravitational torque)를 발생시킨다. 이러한 중력 토크는 위치 조절 암의 자세를 변경시킬 수 있으므로, 위치 조절 암의 자세를 일정하게 유지하기 위하여는 일정한 힘을 지속적으로 작용할 필요가 있다. 예를 들어, 사용자가 위치 조절 암을 버티는 힘을 제공하거나, 모터 등의 액추에이터를 이용하여 지속적인 토크를 제공하거나, 브레이크를 이용하여 고정할 수 있다.

그러나 위치 조절 암의 무게로 인하여, 사용자가 이러한 힘을 지속적으로 제공하면서 수술 작업을 수행하는 것은 매우 어렵고, 위치 조절 암을 지탱할 수 있는 무게에 한계가 있었다. 또한, 모터 등의 액추에이터를 이용한다 하더라도 과도한 부하가 걸리는 문제가 있었으며, 이를 극복하기 위하여 가격이 비싸고 부피가 커지며, 부피에 비하여 비효율적이라는 문제가 있었다. 브레이크를 이용하여 고정하는 방법의 경우, 브레이크를 풀고 조이는 과정이 요구되어 사용 편의성이 떨어지고 또한, 위치 조절 암의 위치를 조절하기 위하여 브레이크를 풀었을 때, 여전히 위치 조절 암의 무게를 사람이 견뎌야 하는 문제가 있었다. 따라서, 위치 조절 암의 자중을 보상하기 위한 중력 보상 수단이 요구되어 왔다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.

일 실시 예의 목적은, 3자유도 움직임에 대한 중력 보상 메커니즘이 적용된 위치 조절 암을 제공하는 것이다.

상기 링크 어셈블리는, 롤 회전 및 피치 회전이 가능하며, 롤 회전 각도 및 피치 회전 각도에 무관하게, 상기 병진 링크가 상기 원격 운동 중심을 통과하는 가상의 축을 따라서 병진 이동할 수 있다.

상기 링크 어셈블리는, 베이스에 대하여 롤 회전 가능한 기어 케이스; 상기 기어 케이스에 대하여 피치 회전 가능한 피치 링크; 상기 피치 링크의 길이 방향에 대하여 평행한 자세로 움직임 가능한 평행 링크; 및 상기 피치 링크 및 상기 평행 링크를 연결하는 연결 링크를 더 포함하고, 상기 병진 링크는, 상기 평행 링크에 구비된 가이드를 따라서 병진 이동 가능하게 설치될 수 있다.

상기 위치 조절 암은, 상기 베이스에 고정되는 중심 베벨 기어; 상기 중심 베벨 기어의 양측에 각각 맞물리고, 상기 기어 케이스에 대하여 회전 가능한 한 쌍의 회전 베벨 기어; 및 상기 한 쌍의 회전 베벨 기어에 각각 고정되어, 상기 한 쌍의 베벨 기어와 각각 함께 상기 기어 케이스에 대하여 회전 가능한 한 쌍의 회전체를 더 포함할 수 있다.

상기 한 쌍의 회전 베벨 기어 및 그에 대응하는 한 쌍의 회전체 사이에는 각각 연결 축부가 형성되고, 상기 연결 축부에 상기 링크 어셈블리가 일 방향으로 회전할 수 있게 설치될 수 있다.

상기 한 쌍의 회전 베벨 기어는, 상기 링크 어셈블리가 피치 회전할 때에 상대적으로 움직이지 않고, 상기 링크 어셈블리가 롤 회전할 때에 동일한 축에 대하여 반대 방향으로 회전할 수 있다.

상기 중력 토크 보상부는, 상기 링크 어셈블리의 롤 회전 또는 피치 회전에 따라서 길이가 변형되어, 상기 보상 토크를 생성하는 탄성력을 제공하기 위한 한 쌍의 탄성체를 포함할 수 있다.

상기 중력 토크 보상부는, 상기 한 쌍의 탄성체의 일측에 위치하는 지지대; 상기 한 쌍의 탄성체의 타측에 위치하고, 상기 피치 링크에 대하여 슬라이딩 가능한 한 쌍의 슬라이더; 일측이 상기 한 쌍의 회전체에 각각 고정되고, 타측이 상기 한 쌍의 슬라이더에 각각 고정되는 한 쌍의 보상 강선을 더 포함할 수 있다.

상기 위치 조절 암은, 상기 병진 링크의 병진 이동 거리에 따라서 발생되는 상기 중력 토크 및 상기 보상 토크의 차이를 감소시키는 중력 토크 조정부를 더 포함할 수 있다.

상기 지지대는 상기 한 쌍의 보상 강선이 지나는 경로의 측방에 배치되어, 상기 한 쌍의 보상 강선으로부터 상기 보상 토크를 전달받는 부분으로 기능하는 지지부를 포함하고, 상기 중력 토크 조정부는, 상기 병진 링크가 상기 원격 운동 중심을 향하여 병진 이동할 때 상기 지지대를 하강시켜 상기 보상 토크의 모멘트 암의 길이를 감소시키고, 상기 병진 링크가 상기 원격 운동 중심으로부터 멀어지는 방향으로 병진 이동할 때 상기 지지대를 상승시켜 상기 보상 토크의 모멘트 암의 길이를 증가시킬 수 있다.

상기 지지대는, 상기 피치 링크에 대하여 슬라이딩 가능하게 설치되고, 상기 중력 토크 조정부는, 상기 병진 링크 및 상기 지지대를 상호 연결함으로써, 상기 병진 링크가 병진 이동할 때 상기 지지대를 슬라이딩 이동시키는 조정 강선을 포함할 수 있다.

상기 중력 토크 조정부는, 상기 평행 링크에 대한 상기 병진 링크의 병진 이동 거리에 비례하여 상기 피치 링크에 대한 상기 지지대의 슬라이딩 이동 거리를 증감시키기 위한 변속 수단을 더 포함할 수 있다.

상기 조정 강선은, 상기 변속 수단의 일측 및 타측에 각각 연결되는 제 1 조정 강선 및 제 2 조정 강선을 포함하고, 상기 변속 수단은, 상기 제 1 조정 강선이 감기는 제 1 릴; 상기 제 2 조정 강선이 감기는 제 2 릴; 및 상기 제 1 릴에 대하여, 상기 제 2 릴이 설정 회전비로 회전되게 하는 감속기를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면 위치 조절 암은, 롤 회전 및 피치 회전이 가능하며, 일 지점으로부터 일정한 위치에 존재하는 원격 운동 중심(RCM)을 통과하는 가상의 축을 따라서 병진 이동 가능한 병진 링크를 구비하는 링크 어셈블리; 상기 링크 어셈블리가 피치 회전할 때에 상대적으로 움직이지 않고, 상기 링크 어셈블리가 롤 회전할 때에 맞물려 회전할 수 있는 복수 개의 베벨 기어; 상기 복수 개의 베벨 기어 중 하나 이상에 연결되어 상기 베벨 기어와 함께 회전하는 회전체; 및 상기 회전체에 연결되고, 상기 링크 어셈블리의 롤 회전 및 피치 회전에 따라서 탄성체를 변형시켜, 상기 링크 어셈블리의 자중에 의한 중력 토크에 대하여, 반대되는 방향의 보상 토크를 제공하는 중력 토크 보상부를 포함할 수 있다.

상기 위치 조절 암은, 상기 병진 링크의 병진 이동에 따라서 상기 보상 토크의 모멘트 암의 길이를 증감시킴으로써, 상기 중력 토크 및 상기 보상 토크의 차이를 감소시키는 중력 토크 조정부를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따른 위치 조절 암에 의하면, 중력 보상 메커니즘을 이용하여 작은 힘으로도 조작할 수 있다. 다시 말하면, 중력 보상 메커니즘을 통하여 구동원에 인가하여야 하는 입력 토크를 감소시킬 수 있으므로, 상대적으로 작고 가벼운 액추에이터를 사용하여 구동할 수 있고, 순수하게 중력 보상에만 요구되는 에너지 소모를 줄여줌으로써, 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다.

또한, 위치 조절 암을 사용하는 도중 전원이 다운되는 긴급 상황에서도, 위치 조절 암이 중력에 의해 쳐지지 않기 때문에, 특히, 수술 로봇 분야 등에서의 안정성을 증대시킬 수 있다.

일 실시 예에 따른 위치 조절 암은, 위치 조절 암 단부의 롤(roll), 피치(pitch) 및 병진 이동 3자유도 움직임에 대응하여, 변화하는 무게 중심에 대한 중력 보상 메커니즘을 구비함으로써, 반구상의 작업 공간(hemispherical work space) 상에서 중력에 무관하게 다양한 자세를 안정적으로 유지할 수 있다. 따라서, 받침점(fulcrum) 움직임을 나타내는 최소 침습 수술(minimally invasive surgery)용 수술 로봇 등에 널리 적용될 수 있다.

도 1은 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암을 개념적으로 도시한 측면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 피치 회전과, 병진 링크의 병진 이동을 나타내기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암이 전방으로 90도 피치 회전된 상태에서 그 일부를 간략히 도시한 평면도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 피치 회전을 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 롤 회전을 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10은 일 실시 예에 따른 병진 링크가 병진 이동할 때 중력 토크 조정부의 동작을 나타내기 위한 도면이다.
도 11은 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 개념도이다.
도 12 및 도 13은 일 실시 예에 따른 중력 토크 조정부를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 사시도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암을 개념적으로 도시한 측면도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 피치 회전과, 병진 링크의 병진 이동을 나타내기 위한 도면이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암이 전방으로 90도 피치 회전된 상태에서 그 일부를 간략히 도시한 평면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 위치 조절 암(1)의 단부(114)는, 베이스(B)에 대하여 적어도 3자유도, 구체적으로, 롤(roll) 회전, 피치(pitch) 회전 및 병진 이동이 가능하다. 도 1 내지 도 4에 도시된 좌표계(x0, y0, z0)는 롤 회전 축(Axis 1) 및 피치 회전 축(Axis 2)이 상호 교차하는 "일 지점"을 원점으로 하는 글로벌 좌표계이며, x0 축은 중력 방향으로 설정된 것임을 밝혀둔다.

위치 조절 암(1)은 일 지점에 작용하는 중력 토크에 반대되는 방향의 보상 토크를 제공하는 수단을 구비함으로써, 위치 조절 암(1)의 자세를 유지하는 데에 요구되는 동력을 감소시킬 수 있다. 위치 조절 암(1)은, 링크 어셈블리(11), 중심 베벨 기어(13), 회전 베벨 기어(14), 회전체(15), 연결 축부(16), 중력 토크 보상부(17) 및 중력 토크 조정부(18)를 포함할 수 있다.

링크 어셈블리(11)는, 일 지점으로부터 일정한 위치에 존재하는 원격 운동 중심(Remote Center of Motion, RCM)을 통과하는 가상의 축을 따라서 병진 이동 가능한 병진 링크(114)를 구비하고, 일 지점을 중심으로 적어도 2개의 방향으로 회전될 수 있다. 예를 들어, 링크 어셈블리(11)는, 롤 회전 및 피치 회전이 가능하며, 롤 회전 각도 및 피치 회전 각도에 무관하게, 병진 링크(114)가 원격 운동 중심(RCM)을 통과하는 축을 따라서 병진 이동될 수 있다. 링크 어셈블리(11)는, 기어 케이스(111), 피치 링크(112), 병진 링크(114), 평행 링크(115) 및 연결 링크(116)를 포함할 수 있다.

기어 케이스(111)는, 베이스(B)에 대하여 롤 회전할 수 있다. 예를 들어, 기어 케이스(111)는, 중심 베벨 기어(13) 및 베이스(B)를 연결하는 연결 축부(부호 없음)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 기어 케이스(111)는, 복수 개의 베벨 기어(13, 14)의 회전 축이 관통되는 구조를 구비하고, 회전 베벨 기어(14)가 중심 베벨 기어(13)에 맞물리도록 지지할 수 있다.

피치 링크(112)는, 기어 케이스(111)에 대하여 피치 회전할 수 있다. 예를 들어, 피치 링크(112)는, 회전 베벨 기어(14) 및 회전체(15)를 연결하는 연결 축부(16)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 피치 링크(112)는, 상호 평행하게 설치된 제 1 피치 링크(1121) 및 제 2 피치 링크(1122)를 포함할 수 있다.

병진 링크(114)는 베이스(B)에 대하여 롤 회전 및 피치 회전이 가능하며, 원격 운동 중심(RCM)을 지나는 가상의 축을 따라서 병진 이동할 수 있다. 예를 들어, 병진 링크(114)는, 평행 링크(115)에 구비된 가이드(1152)를 따라서 병진 이동 가능하게 설치될 수 있다. 도 1에는 병진 링크(114)를 단순화시켜 도시하였으나, 도 2 및 도 3 등처럼, 병진 링크(114)에는 각종 수술 도구(E) 등 원격 운동 중심(RCM)을 구현할 필요가 있는 각종 장비가 설치될 수 있다.

평행 링크(115)는, 피치 링크(112)의 길이 방향에 대하여 평행한 자세로 움직일 수 있다. 평행 링크(115)는, 연결 링크(116)에 연결되는 가로대(1151)와, 가로대(1151)에 수직한 방향으로 설치되어 병진 링크(114)를 가이드 하기 위한 가이드(1152)를 포함할 수 있다.

연결 링크(116)는, 피치 링크(112) 및 평행 링크(115)를 연결할 수 있다. 연결 링크(116)는, 제 1 피치 링크(1121)의 회전 축 및 제 2 피치 링크(1122)의 회전 축을 연결하는 가상의 선과 평행하게 설치될 수 있다. 예를 들어, 연결 링크(116)는, 상호 평행하게 설치된 제 1 연결 링크(1161) 및 제 2 연결 링크(1162)를 포함할 수 있다. 피치 링크(112)는, 제 1 연결 링크(1161)의 회전 축 및 제 2 연결 링크(1162)의 회전 축을 연결하는 가상의 선과 평행하게 설치될 수 있다.

이와 같은 링크 어셈블리(11)의 구조에 의하면, 피치 링크(112), 평행 링크(115) 및 연결 링크(116)가 평행사변형 형태의 4절 링크(4-bar linkage)와 유사한 형태의 운동을 할 수 있다. 따라서, 도 2 및 도 3에 나타나는 것과 같이, 위치 조절 암(1)의 피치 회전 각도에 무관하게, 병진 링크(114)가 원격 운동 중심(RCM)을 지나는 가상의 축을 따라서 병진 이동할 수 있다. 또한, 롤 회전 축(Axis 1) 및 피치 회전 축(Axis 2)이 동일한 일 지점에서 교차될 경우에는, 위치 조절 암(1)의 롤 회전 각도에도 무관하게, 병진 링크(114)가 동일한 원격 운동 중심(RCM)을 지나는 가상의 축을 따라서 병진 이동할 수 있다.

중심 베벨 기어(13)는, 베이스(B)에 대하여 회전하지 않도록, 베이스(B)에 고정될 수 있다.

한 쌍의 회전 베벨 기어(14)는, 중심 베벨 기어(13)의 양측에 각각 맞물리고, 기어 케이스(111)의 특정한 지점에 대하여 회전 가능하게 설치될 수 있다.

이상의 구조에 의하면, 복수 개의 베벨 기어(13, 14)는, 링크 어셈블리(11)가 피치 회전할 때에 상대적으로 움직이지 않고(도 5 참조), 링크 어셈블리(11)가 롤 회전할 때에 상호 맞물려 회전할 수 있다(도 6 내지 도 8 참조). 복수 개의 베벨 기어(13, 14)는 예를 들어, 1:1의 기어비를 가질 수 있다.

회전체(15)는, 복수 개의 베벨 기어(13, 14) 중 하나 이상에 연결되어 베벨 기어(13, 14)와 함께 회전할 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 회전체(15)는, 한 쌍의 회전 베벨 기어(14)에 각각 고정되어, 한 쌍의 회전 베벨 기어(14)와 각각 함께 기어 케이스(11)에 대하여 회전할 수 있다. 회전체(15)는, 연결 축부(16)에 고정되어 그에 대응하는 회전 베벨 기어(14)와 동일한 각도로 회전 가능한 캠(151)과, 연결 축부(16)로부터 이격되고 캠(151)에 회전 가능하게 설치되는 연결구(152)를 포함할 수 있다. 연결구(152)에는 후술할 보상 강선(174)이 연결될 수 있다.

연결 축부(16)는 한 쌍의 회전 베벨 기어(14) 및 그에 대응하는 한 쌍의 회전체(15) 사이에 각각 형성되고, 링크 어셈블리(11)는, 연결 축부(16)에 일 방향으로 회전할 수 있게 설치될 수 있다.

중력 토크 보상부(17)는, 링크 어셈블리(11)의 자중에 의하여 일 지점에 작용하는 중력 토크에 대하여, 반대되는 방향의 보상 토크를 제공할 수 있다. 예를 들어, 중력 토크 보상부(17)는, 링크 어셈블리(11)의 롤 회전 및/또는 피치 회전에 따라서 탄성체(171)의 길이를 변화시켜, 보상 토크를 제공할 수 있다. 예를 들어, 중력 토크 보상부(17)는, 한 쌍의 탄성체(171), 지지대(172), 한 쌍의 슬라이더(173) 및 한 쌍의 보상 강선(174)을 포함할 수 있다.

한 쌍의 탄성체(171)는, 예를 들면, 도시한 것처럼 압축 스프링일 수 있으나, 반드시 이와 같이 제한되는 것은 아니며, 통상의 기술자라면 압축 스프링 이외에도 널리 알려진 다양한 탄성 수단을 이용할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

지지대(172)는, 한 쌍의 탄성체(171)의 일측에 위치하여, 한 쌍의 탄성체(171)의 단부를 지지할 수 있다. 지지대(172)는, 보상 강선(174)이 지나는 경로의 측방에 배치되는 지지부(1721, 도 12 참조)를 포함할 수 있다. 지지부(1721)는, 보상 강선(174)에 접촉되어, 보상 강선(174)으로부터 보상 토크를 전달받는 부분으로 기능할 수 있다. 예를 들어, 지지부(1721)는, 보상 강선(174)의 움직임을 방해하지 않도록, 롤러 등으로 구성될 수 있다. 한편, 지지대(172)는, 피치 링크(112)에 대하여 슬라이딩 가능하게 설치됨으로써, 중력 토크 조정부(18)와도 상호 작용하는데 이는 후술하기로 한다.

한 쌍의 슬라이더(173)는, 한 쌍의 탄성체(171)의 타측에 위치할 수 있다. 다시 말하면, 탄성체(171)를 기준으로 지지대(172) 및 슬라이더(173)는 반대편에 위치할 수 있다. 한 쌍의 슬라이더(173)는, 피치 링크(112)에 대하여 각각 슬라이딩 가능하도록 설치됨으로써, 지지대(172) 및 슬라이더(173) 사이의 간격 변화에 따라서, 탄성체(171)의 변형량이 결정되고, 그에 따라 보강 강선(174)에 인가되는 장력이 변화될 수 있다.

한 쌍의 보상 강선(174)의 일측은 한 쌍의 회전체(15)에 각각 고정되고, 타측은 한 쌍의 슬라이더(173)에 각각 고정될 수 있다. 보상 강선(174)에 의하면, 회전체(15)의 회전 각도에 연동하여, 한 쌍의 슬라이더(173)의 위치가 조절될 수 있다. 또한, 보상 강선(174)은 지지대(172)를 관통하도록 설치됨으로써, 보상 강선(174)에 인가되는 장력 중 일부의 힘은, 지지대(172)를 피치 방향으로 회전시키는 토크를 제공한다. 정리하면, 한 쌍의 슬라이더(173) 및 지지대(172) 사이의 간격에 따라서, 보상 강선(174)이 지지대(172) 및 그에 연결된 피치 링크(112)에 제공하는 보상 토크가 변화될 수 있다.

중력 토크 조정부(18)는, 병진 링크(114)의 병진 이동 거리에 따라서 발생되는 중력 토크 및 보상 토크의 차이를 감소시킬 수 있다. 중력 토크 조정부(18)는, 병진 링크(114)가 원격 운동 중심(RCM)을 향하여 병진 이동할 때(즉, 링크 어셈블리(11)의 회전 모멘트가 감소할 때) 탄성체(171)의 탄성 위치 에너지를 감소시키고, 병진 링크(114)가 원격 운동 중심(RCM)으로부터 멀어지는 방향으로 병진 이동할 때(즉, 링크 어셈블리(11)의 회전 모멘트가 증가할 때) 탄성체(171)의 탄성 위치 에너지를 증가시킬 수 있다. 중력 토크 조정부(18)는, 조정 강선(181) 및 변속 수단(182)을 포함할 수 있다.

조정 강선(181)은, 병진 링크(114) 및 지지대(172)를 상호 연결함으로써, 병진 링크(114)가 병진 이동할 때 지지대(172)가 슬라이딩 이동되게 할 수 있다. 예를 들어, 조정 강선(181)은, 병진 링크(114) 및 변속 수단(182) 사이에 연결되는 제 1 조정 강선(1811)과, 변속 수단(182) 및 지지대(172) 사이에 연결되는 제 2 조정 강선(1812)을 포함할 수 있다.

변속 수단(182)은, 조정 강선(181)에 설치되고, 평행 링크(115)에 대한 병진 링크(114)의 병진 이동 거리에 비례하여, 피치 링크(112)에 대한 지지대(172)의 슬라이딩 이동 거리를 증감시킬 수 있다. 예를 들어, 변속 수단은, 제 1 조정 강선(1811)이 감기는 제 1 릴(1821)과, 제 2 조정 강선(1812)이 감기는 제 2 릴(1822)과, 제 1 릴(1821)에 대하여 제 2 릴(1822)이 설정 회전비로 회전되게 하는 감속기(1823)를 포함할 수 있다.

여기서, 설정 회전비는, 도 12 및 도 13을 통하여 후술하는 바와 같이 탄성체(171)의 탄성 계수 등 주어진 설계 사양을 고려하여, 중력 토크 및 보상 토크의 차이가 최소가 되도록 설정될 수 있다.

한편, 위치 조절 암(1)은, 마스터-슬레이브(mater-slave) 수술 시스템의 슬레이브 매니퓰레이터로 활용될 수도 있다. 예를 들어, 위치 조절 암(1)은 링크 어셈블리(11)를 롤 회전시키기 위한 롤 회전 모터(M_r)와, 링크 어셈블리(11)를 피치 회전시키기 위한 피치 회전 모터(M_p) 및 병진 링크(114)를 병진 이동시키기 위한 병진 이동 모터(M_t)를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 롤 회전 모터(M_r)는 베이스(B)에 연결되어 기어 케이스(111)를 롤 회전시킬 수 있다. 피치 회전 모터(M_p)는 기어 케이스(111)와 함께 회전하며 기어 케이스(111)에 대하여 피치 링크(112)를 피치 회전시킬 수 있다. 병진 이동 모터(M_p)는 평행 링크(115)에 설치되어 평행 링크(115)에 대하여 병진 링크(114)를 병진 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 평행 링크는(115)는, 볼 스크류 방식으로 병진 링크(114)를 이동시킬 수 있는 스크류 샤프트(1153)를 포함할 수 있다.

도 5는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 피치 회전을 나타내는 도면이다. 도 5에서는 이해의 편의를 위하여 기어 케이스(111)를 생략하여 도시하였음을 밝혀둔다.

설명에 앞서서 도 5에 도시한 좌표계를 참조하여 본 명세서의 도면에 전반적으로 기재되어 있는 좌표계에 대하여 먼저 설명하기로 한다. 먼저 (x0, y0, z0) 좌표계는 베이스(B)에 고정된 글로벌 좌표계(global coordinate system)이다. (x1, y1, z1) 좌표계는 z0 축을 기준으로 롤 회전 각도(θ1)만큼 회전된 좌표계이고, (x2, y2, z2) 좌표계는 y1 축을 기준으로 피치 회전 각도(θ2)만큼 회전된 좌표계이다. 상기 3개의 좌표계의 원점의 위치는 모두 링크 어셈블리(11)의 롤 회전 및 피치 회전의 중심으로 동일하다. 이와 같이 설정하면 (x2, y2, z2) 좌표계는 피치 링크(112)에 고정된 로컬 좌표계(local coordinate system)로 이해될 수 있다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 피치 링크(112)가 (x1, y1, z1) 좌표계 상에서 각도 θ2 만큼 피치 회전할 때, 즉, 피치 링크(112)가 기어 케이스(111)에 대하여 한 쌍의 베벨 기어(14)의 연결 축부(16)를 중심으로 피치 회전할 때에, 한 쌍의 회전 베벨 기어(14)는, 고정된 중심 베벨 기어(13)에 맞물려서 상대적으로 움직이지 않게 된다.

결과적으로, 링크 어셈블리(11)가 피치 회전할 때, 회전체(15) 및 피치 링크(112) 사이의 각도가 증가될수록 연결구(152) 및 지지대(172) 사이의 거리가 증가하게 된다. 따라서, 보상 강선(174)의 장력에 의해 슬라이더(173)가 지지대(172) 쪽으로 당겨지고, 그 결과 탄성체(171)가 압축됨으로써 탄성체(171)의 탄성력이 증가하는 만큼, 보상 강선(174)에 인가되는 장력이 증가하게 된다. 앞서 설명한 바와 같이 보상 강선(174)에 인가되는 장력은, 링크 어셈블리(11)의 자중에 의한 중력 토크에 반대되는 방향의 보상 토크를 제공할 수 있다. 이상의 피치 회전에 따라 달라지는 자세에 따른 중력 보상 과정은 기존의 연구 논문("Static balancing of a manipulator with hemispherical work space", Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 2010 IEEE/ASME International Conference on)을 통하여 밝혀져 있다.

도 6 내지 도 8은 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 롤 회전을 나타내는 도면이다. 도 6은 링크 어셈블리(11)를 z1 축을 중심으로 롤 회전시킬 때 한 쌍의 회전 베벨 기어(14) 및 회전체(15)가 각각 회전하는 방향을 도시한 것이고, 도 7 및 도 8은 실제로 링크 어셈블리(11)를 각도 θ1만큼 롤 회전시켰을 때 변화된 모습을 나타내는 도면이다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 기어 케이스(111)가 베이스(B)에 대하여 중심 베벨 기어(13)의 연결 축부를 중심으로 롤 회전할 때에, 한 쌍의 회전 베벨 기어(14)는, 고정된 중심 베벨 기어(13)의 중심 축인 z_0 축을 중심으로 기어 케이스(111)와 동일한 롤 회전 각도(θ1)로 공전(revolution)하게 된다. 결과적으로 한 쌍의 회전 베벨 기어(14)는, 한 쌍의 회전 베벨 기어(14)의 중심 축인 y_1 축을 중심으로 상호 반대 방향으로 각각 각도 θ1m 및 θ2m 만큼 자전(rotation)하게 된다.

따라서, 도 8을 기준으로 좌측에 위치하는 회전체(15)는, 도 7을 기준으로 우측으로 회전하게 되고, 그 결과 그에 대응하는 탄성체(171)의 탄성 위치 에너지가 변화함으로써, z0 축을 기준으로 시계 방향으로 작용하는 보상 토크(T2)를 변화시킨다.

마찬가지로, 도 8을 기준으로 우측에 위치하는 회전체(15)는, 도 7을 기준으로 좌측으로 회전하게 되고, 그 결과 그에 대응하는 탄성체(171)의 탄성 위치 에너지가 변화함으로써, z0 축을 기준으로 반시계 방향으로 작용하는 보상 토크(T1)를 변화시킨다.

결론적으로, 보상 토크 T1 및 T2의 합산 토크가 중력 토크를 보상하여 줄 수 있다. 이상의 롤 회전에 따라 달라지는 자세에 따른 중력 보상 과정은 기존의 연구 논문("Static balancing of a manipulator with hemispherical work space", Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 2010 IEEE/ASME International Conference on)을 통하여 밝혀져 있다.

이상 도 5 내지 도 8을 통하여, 링크 어셈블리(11)의 롤 회전 각도(

1) 및 피치 회전 각도(

2)의 변화에 따른 보상 토크 제공 원리에 대하여 서술하였다. 그러나, 도시된 실시 예와 같이, 링크 어셈블리(11)의 롤 회전 각도(

1) 및 피치 회전 각도(

2)가 변화하지 않더라도, 링크 어셈블리(11)를 구성하는 일부 부품(114: 병진 링크)이 다른 부품에 대하여 상대적으로 움직일 경우, 원점으로부터 링크 어셈블리(11)의 전체 무게 중심까지의 모멘트 암의 길이가 변화되므로, 기존 연구 논문에 따른 내용만으로는 그에 따라 변화되는 중력 토크를 보상할 수 없었다. 이하 이와 같은 상황에서도 중력 토크 및 보상 토크 사이의 차이를 줄여줄 수 있는 중력 토크 조정부(18)에 대하여 설명하기로 한다.

도 9 및 도 10은 일 실시 예에 따른 병진 링크가 병진 이동할 때 중력 토크 조정부의 동작을 나타내기 위한 도면이다. 도 9는 도 1의 상태에서 위치 조절 암의 일부 구성의 정면도이고, 도 10은 도 9의 상태에서 병진 링크가 원격 회전 중심(RCM)으로부터 멀어진 상태를 도시한 것이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 일 실시 예에 따른 위치 조절 암(1)은, 병진 링크(114)가 원격 회전 중심(RCM)으로부터 멀어질수록, 즉, 원점에 대한 링크 어셈블리(11)의 회전 모멘트가 증가할수록, 조정 강선(181)에 연결된 지지대(172)가 원점으로부터 먼 방향으로 슬라이딩 이동하는 구조를 갖는다. 따라서, 슬라이더(173) 및 지지대(172) 사이의 거리가 감소하고, 그 결과 탄성체(171)의 변형량이 증가할 수 있다. 또한, 지지대(173)가 상승하는 만큼, 일 지점(롤 회전 축 및 피치 회전 축이 상호 교차하는 지점)으로부터 지지부(1721, 도 12 참조)까지의 거리 h가 증가하게 된다. 이와 같이 거리 h가 증가하면, 보상 강선(174)이 링크 어셈블리(11)에 제공하는 보상 토크의 모멘트 암의 길이가 증가하게 된다. 결과적으로, 병진 링크(114)가 원격 회전 중심(RCM)으로부터 멀어질수록, 보상 토크가 증가됨으로써, 중력 토크 조정부(18)는 병진 링크(114)의 병진 이동에 따라 변화되는 중력 토크 및 보상 토크의 차이를 감소시킬 수 있다.

이상과 같이 실시 예에 따르면, 롤 회전, 피치 회전 및 병진 이동, 즉, 3가지 움직임에 따른 중력 토크의 변화에 대응하여, 변화되는 보상 토크를 제공할 수 있다. 한편, 이하에서는 상기 3가지 움직임에 따라 발생되는 보상 토크의 유효성을 개념도를 통해 이론적으로 설명하고, 나아가 중력 토크의 변화를 보다 정확하게 보상할 수 있는 구조 및/또는 조건에 대하여 설명하기로 한다.

도 11은 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 개념도이다. 한편, 도 11에 있어서, 중력 토크 조정부(18)는 생략하였음을 밝혀 둔다.

도 11을 참조하면, 일 실시 예에 따른 위치 조절 암(1)은 상호 슬라이딩 가능하게 연결된 3개의 질량체(m1, m2, m3)가 원점(O)에 대하여 움직이는 모델로 나타낼 수 있다. 이 때, (i) 제 1 질량체(m1)는 피치 링크(112)에 대응하고, (ii) 제 2 질량체(m2)는 평행 링크(115), 연결 링크(116), 중력 토크 보상부(17) 및 중력 토크 조정부(18)에 대응하고, (iii) 제 3 질량체(m3)는 병진 링크(114)에 대응하는 것으로 볼 수 있다. 3개의 질량체(m1, m2, m3)의 무게 중심 거리는 각각 l1, l2 및 l3이라고할 수 있다.

또한, 탄성체(171)은 영-길이 스프링(zero-length spring) 모델로 나타내고, 탄성 계수는 k라고 한다. 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 있어서 영-길이 스프링 모델은 앞서 도시한 실시 예에 따른 방식으로 구현할 수 있다는 것이 알려져 있다.

한편, h1, h 및 b는 아래와 같이 정의된다.

- h1: x1-z1 평면 좌표계 상에서 원점(O)으로부터 영-길이 스프링 모델의 일단까지의 거리

- h: x1-z1 평면 좌표계 상에서 원점(O)으로부터 영-길이 스프링 모델의 타단까지의 거리

- b: x1-z1 평면 좌표계 상에서 영-길이 스프링 모델 k의 타단으로부터 제 2 질량체(m2)까지의 거리

여기서, h1은 연결 축부(16)로부터 연결구(152)까지의 거리와 동일한 상수이다. h는 초기 값 h1에 피치 링크(112)에 대한 지지대(172)의 상대적인 병진 이동 거리(Δh = Δl2)을 합산한 변수이다. b는 제 2 질량체(m2)의 무게 중심 거리(l2)에서 변수 h를 뺀 상수이다.

먼저 피치 회전할 때의 중력 토크를 보상하기 위하여는, 피치 회전 각도 θ2에 무관하게 위치 조절 암(1)의 전체 포텐셜 에너지의 합이 상수가 되어야 한다. 3개의 질량체(m1, m2, m3)의 합을 m이라고 하고, 3개의 질량체(m1, m2, m3)의 전체 무게 중심 거리를 l이라고 할 때, 위치 조절 암(1)의 전체 포텐셜 에너지의 합은 아래의 수학식 1과 같이 탄성 위치 에너지 및 중력 위치 에너지의 합으로 표현될 수 있다.

수학식 1의 정리된 결과의 첫 번째 항으로부터 먼저

의 조건을 만족하여야 함을 알 수 있다. 상기 조건에 무게 중심 공식을 대입하면, 아래의 수학식 2가 얻어진다.

수학식 2로부터 제 3 질량체(m3)의 무게 중심 거리(l3)의 변화량(Δl3)은 앞서 정의한 h의 변화량(Δh = Δl2)에 비례하여야 함을 알 수 있다(

). 다시 말하면, 피치 링크(112)에 대한 병진 링크(114)의 병진 이동 거리가, 피치 링크(112)에 대한 지지대(172)의 병진 이동 거리에 비례하여 증감하는 구조를 채용하여야 하며, 실시 예에 따르면 해당 조건을 만족할 수 있음을 알 수 있다.

도 12 및 도 13은 일 실시 예에 따른 중력 토크 조정부를 설명하기 위한 도면이다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 롤 회전 각도(θ_r) 및 피치 회전 각도(θ_p)에 따른 중력 토크를 아래와 같은 수학식을 통하여 계산함으로써, 그에 맞는 탄성체(171)의 스프링 상수 k와, 감속 기어(1823)의 설정 회전비(c)를 감속비를 결정할 수 있다.

먼저 각각의 수학식에 사용되는 용어는 아래와 같으며, 앞서 설명한 용어와 중복되는 부분은 생략하기로 한다. 한편, 도 13 및 이하의 수학식에서, M_1, M_2, M_3, M_4 및 M_b는 각각 피치 링크(112), 연결 링크(116), 평행 링크(115), 병진 링크(114) 및 지지대(112)에 대응하고, H_i는 원점으로부터 M_i 각각의 무게 중심 위치까지의 높이를 나타내는 것임을 밝혀 둔다.

이하 롤 회전 각도(θ_r) 및 피치 회전 각도(θ_p)에 따른 중력 토크를 계산한 수학식은 아래와 같다.

이상의 전개 과정을 통하여, 최종적으로 결정된 탄성체(171)의 탄성 계수와, 감속 기어(1823)의 설정 회전비는 아래와 같이 결정될 수 있다.

이상처럼 탄성체(17)의 탄성 계수 및/또는 감속 기어(1823)의 설정 회전비를 나머지 설계 사양에 맞추어 변경함으로써, 중력 토크 및 보상 토크 사이의 차이를 줄여 보다 효율적인 중력 보상 장치를 제공할 수 있다.

이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims

일 지점으로부터 일정한 위치에 존재하는 원격 운동 중심(RCM)을 통과하는 가상의 축을 따라서 병진 이동 가능한 병진 링크를 구비하고, 상기 일 지점을 중심으로 적어도 2개의 방향으로 회전이 가능한 링크 어셈블리; 및
상기 링크 어셈블리의 자중에 의하여 상기 일 지점에 작용하는 중력 토크에 대하여, 반대되는 방향의 보상 토크를 제공하는 중력 토크 보상부를 포함하는 위치 조절 암.
제 1 항에 있어서,
상기 링크 어셈블리는,
롤 회전 및 피치 회전이 가능하며, 롤 회전 각도 및 피치 회전 각도에 무관하게, 상기 병진 링크가 상기 원격 운동 중심을 통과하는 가상의 축을 따라서 병진 이동 가능한 위치 조절 암.
제 2 항에 있어서,
상기 링크 어셈블리는,
베이스에 대하여 롤 회전 가능한 기어 케이스;
상기 기어 케이스에 대하여 피치 회전 가능한 피치 링크;
상기 피치 링크의 길이 방향에 대하여 평행한 자세로 움직임 가능한 평행 링크; 및
상기 피치 링크 및 상기 평행 링크를 연결하는 연결 링크를 더 포함하고,
상기 병진 링크는, 상기 평행 링크에 구비된 가이드를 따라서 병진 이동 가능하게 설치되는 위치 조절 암.
제 3 항에 있어서,
상기 베이스에 고정되는 중심 베벨 기어;
상기 중심 베벨 기어의 양측에 각각 맞물리고, 상기 기어 케이스에 대하여 회전 가능한 한 쌍의 회전 베벨 기어; 및
상기 한 쌍의 회전 베벨 기어에 각각 고정되어, 상기 한 쌍의 베벨 기어와 각각 함께 상기 기어 케이스에 대하여 회전 가능한 한 쌍의 회전체를 더 포함하는 위치 조절 암.
제 4 항에 있어서,
상기 한 쌍의 회전 베벨 기어 및 그에 대응하는 한 쌍의 회전체 사이에는 각각 연결 축부가 형성되고,
상기 연결 축부에 상기 링크 어셈블리가 일 방향으로 회전할 수 있게 설치되는 위치 조절 암.
제 4 항에 있어서,
상기 한 쌍의 회전 베벨 기어는,
상기 링크 어셈블리가 피치 회전할 때에 상대적으로 움직이지 않고, 상기 링크 어셈블리가 롤 회전할 때에 동일한 축에 대하여 반대 방향으로 회전하는 위치 조절 암.
제 4 항에 있어서,
상기 중력 토크 보상부는,
상기 링크 어셈블리의 롤 회전 또는 피치 회전에 따라서 길이가 변형되어, 상기 보상 토크를 생성하는 탄성력을 제공하기 위한 한 쌍의 탄성체를 포함하는 위치 조절 암.
제 7 항에 있어서,
상기 중력 토크 보상부는,
상기 한 쌍의 탄성체의 일측에 위치하는 지지대;
상기 한 쌍의 탄성체의 타측에 위치하고, 상기 피치 링크에 대하여 슬라이딩 가능한 한 쌍의 슬라이더;
일측이 상기 한 쌍의 회전체에 각각 고정되고, 타측이 상기 한 쌍의 슬라이더에 각각 고정되는 한 쌍의 보상 강선을 더 포함하는 위치 조절 암.
제 8 항에 있어서,
상기 병진 링크의 병진 이동 거리에 따라서 발생되는 상기 중력 토크 및 상기 보상 토크의 차이를 감소시키는 중력 토크 조정부를 더 포함하는 위치 조절 암.
제 9 항에 있어서,
상기 지지대는 상기 한 쌍의 보상 강선이 지나는 경로의 측방에 배치되어, 상기 한 쌍의 보상 강선으로부터 상기 보상 토크를 전달받는 부분으로 기능하는 지지부를 포함하고,
상기 중력 토크 조정부는,
상기 병진 링크가 상기 원격 운동 중심을 향하여 병진 이동할 때 상기 지지대를 하강시켜 상기 보상 토크의 모멘트 암의 길이를 감소시키고, 상기 병진 링크가 상기 원격 운동 중심으로부터 멀어지는 방향으로 병진 이동할 때 상기 지지대를 상승시켜 상기 보상 토크의 모멘트 암의 길이를 증가시키는 위치 조절 암.
제 10 항에 있어서,
상기 지지대는, 상기 피치 링크에 대하여 슬라이딩 가능하게 설치되고,
상기 중력 토크 조정부는, 상기 병진 링크 및 상기 지지대를 상호 연결함으로써, 상기 병진 링크가 병진 이동할 때 상기 지지대를 슬라이딩 이동시키는 조정 강선을 포함하는 위치 조절 암.
제 11 항에 있어서,
상기 중력 토크 조정부는,
상기 평행 링크에 대한 상기 병진 링크의 병진 이동 거리에 비례하여 상기 피치 링크에 대한 상기 지지대의 슬라이딩 이동 거리를 증감시키기 위한 변속 수단을 더 포함하는 위치 조절 암.
제 12 항에 있어서,
상기 조정 강선은, 상기 변속 수단의 일측 및 타측에 각각 연결되는 제 1 조정 강선 및 제 2 조정 강선을 포함하고,
상기 변속 수단은,
상기 제 1 조정 강선이 감기는 제 1 릴;
상기 제 2 조정 강선이 감기는 제 2 릴; 및
상기 제 1 릴에 대하여, 상기 제 2 릴이 설정 회전비로 회전되게 하는 감속기를 포함하는 위치 조절 암.
제 1 항에 있어서,
상기 병진 링크의 병진 이동 거리에 따라서 발생되는 상기 중력 토크 및 상기 보상 토크의 차이를 감소시키는 중력 토크 조정부를 더 포함하는 위치 조절 암.
롤 회전 및 피치 회전이 가능하며, 일 지점으로부터 일정한 위치에 존재하는 원격 운동 중심(RCM)을 통과하는 가상의 축을 따라서 병진 이동 가능한 병진 링크를 구비하는 링크 어셈블리;
상기 링크 어셈블리가 피치 회전할 때에 상대적으로 움직이지 않고, 상기 링크 어셈블리가 롤 회전할 때에 맞물려 회전할 수 있는 복수 개의 베벨 기어;
상기 복수 개의 베벨 기어 중 하나 이상에 연결되어 상기 베벨 기어와 함께 회전하는 회전체; 및
상기 회전체에 연결되고, 상기 링크 어셈블리의 롤 회전 및 피치 회전에 따라서 탄성체를 변형시켜, 상기 링크 어셈블리의 자중에 의한 중력 토크에 대하여, 반대되는 방향의 보상 토크를 제공하는 중력 토크 보상부를 포함하는 위치 조절 암.
제 15 항에 있어서,
상기 병진 링크의 병진 이동에 따라서 상기 보상 토크의 모멘트 암의 길이를 증감시킴으로써, 상기 중력 토크 및 상기 보상 토크의 차이를 감소시키는 중력 토크 조정부를 더 포함하는 위치 조절 암.