KR20210096890A

KR20210096890A - 힘측정 모듈 및 이를 이용한 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템

Info

Publication number: KR20210096890A
Application number: KR1020200010504A
Authority: KR
Inventors: 고성영; 서빈상
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2020-01-29
Filing date: 2020-01-29
Publication date: 2021-08-06

Abstract

본 발명은 좁고 긴 작업공간에서 작업을 수행하게 되는 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템에 통합되어 미세한 외력의 측정이 가능한 힘측정 모듈과, 이를 포함하는 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 힘측정 모듈은, 중심축(C)에 대해 직각 방향으로 원위 단부의 외주면을 따라서 일정 원호각으로 절개 형성된 슬롯(111)을 갖는 튜브(110)와; 상기 튜브(110)에 삽입되어 고정되는 광섬유(120)와; 상기 슬롯(111)이 형성된 구간에 위치하도록 상기 광섬유(120)에 구비되는 제1광섬유 센서(131)를 포함한다.

Description

힘측정 모듈 및 이를 이용한 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템{Force sensor module and needle-typed concentric tube robot system}

본 발명은 좁고 긴 작업공간에서 작업을 수행하게 되는 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템에 통합되어 미세한 외력의 측정이 가능한 힘측정 모듈과, 이를 포함하는 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템에 관한 것이다.

망막이나 유리체에 이상이 있는 경우에 최소침습적 시술인 망막 유리체 수술이 시행되고 있다. 망막 유리체 수술은 출혈이나 염증 등으로 유리체가 혼탁해졌거나, 망막 박리 등과 같이 망막에 문제가 있는 경우에 레이저나 얇고 긴 수술 도구를 이용하여 유리체와 증식막을 제거하여 유리체강을 투명하게 하거나, 박리된 망막을 안정시키는 수술적 치료 방법을 가리킨다.

유리체는 안구 내부의 대부분을 채우고 있는 젤리 형태의 탄력을 갖는 투명한 조직이며, 출혈이나 염증이 발생하면 유리체가 혼탁하게 되어 시력장애가 오게 되며, 필요에 따라서는 유리체의 일부를 제거하게 된다.

망막 박리는 매년 1만 명에 한명 꼴로 발생하는 매우 흔한 질환이며, 망막이 안구 내벽으로부터 떨어져 들뜨게 되는 병적 상태를 말한다. 심한 경우에는 영구적 망막위축이 발생하여 실명하거나 안구가 위축될 수 있으며, 이러한 경우에 망막 유리체 수술이 필요하다.

망막 유리체 수술은 얇은 바늘형 수술 도구가 사용되며, 통상 0.64 ㎜(23 Gauge)에서 0.51 ㎜(25 Gauge) 정도의 도구가 많이 사용된다.

눈의 흰자 부분은 외부에서 접근이 가능하고, 삽입 시에 안구 뒤쪽 망막의 많은 부위에 접근이 가능하기 때문에 삽입점으로 많이 사용되며, 이와 같이 망막이나 망막 내의 혈관과 관련된 시술 작업에서는 과도한 힘이 인가되어서는 안 되며, 대략 0.06N 정도의 매우 작은 조작력만이 허용된다. 이러한 정밀하고 정교한 조작력이 요구되어 일반적으로 마이크로스콥을 통한 visual feedback을 통하여 수술이 진행된다.

일반적으로 힘토크 센서는 금속 구조물의 변형률을 스트레인 게이지(Strain Gauge)와 같은 센서를 이용하여 신호의 검출이 이루어지며, 부피가 매우 커서 바늘형 수술 도구에 시술용 센서로 이용되기 어려운 문제점이 있다.

최근 광섬유 센서(Fiber Bragg Grating: FBG)를 이용한 바늘형 수술 도구가 제안되어 있으며, 광섬유 센서는 광섬유에 일정 간격을 갖는 마킹(광섬유 격자)이 형성된다. 광섬유 센서는 마킹 간격에 비례하는 파장의 빛이 반사되는 성질을 이용하는 것으로, 온도나 압력에 의한 광섬유의 신축으로 인하여 마킹 간격의 변화가 발생되고 광섬유(글래스 코어)를 통과하는 빛의 파장 변화를 측정하여 온도 또는 외력을 계측한다.

종래에 광섬유 센서를 적용한 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템은 얇은 금속 와이어의 외주면에 길이 방향으로 장공의 요홈을 가공하고, 이 요홈 내에 광섬유 센서가 마련된 광섬유를 삽입하여 외력을 측정하는 것을 제안하고 있으나, 얇은 금속 와이어의 외주면에 요홈을 가공하는 것이 매우 어려우며, 긴 툴(tool)로 제작하기가 곤란하다. 또한 굴곡된 구조를 갖는 툴의 제작은 더욱 어려운 문제점이 있다.

등록특허공보 제10-1841067호(2018.03.22. 공고)

본 발명은 좁고 긴 작업공간에서 작업을 수행하게 되는 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템에 통합되어 미세한 외력의 측정이 가능한 힘측정 모듈과, 이를 포함하는 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 힘측정 모듈은, 중심축(C)에 대해 직각 방향으로 원위 단부의 외주면을 따라서 일정 원호각으로 절개 형성된 슬롯을 갖는 튜브와; 상기 튜브에 삽입되어 고정되는 광섬유와; 상기 슬롯이 형성된 구간에 위치하도록 상기 광섬유에 구비되는 제1광섬유 센서를 포함한다.

바람직하게는, 상기 튜브는, 상기 슬롯이 외주면 상에서 서로 다른 위상각을 갖고 적어도 두 개 이상 형성되며, 복수 슬롯에 각각 대응되어 상기 광섬유에 광섬유 센서가 구비된다.

바람직하게는, 상기 튜브는, 축방향(C)으로 탄성 변형이 이루어지는 굴신형 조인트를 더 포함하며, 상기 굴신형 조인트이 형성된 구간에 위치하도록 상기 광섬유는 광섬유 센서를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 제1광섬유 센서와 이격되어 상기 광섬유에 구비되는 제2광섬유 센서를 더 포함하며, 상기 튜브는, 상기 제1광섬유 센서가 위치하는 구간에 상기 슬롯이 적어도 두 개 이상이며, 상기 튜브와 상기 광섬유는 부분적으로 접착제에 의해 고정된다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템은, 힘측정 모듈이 내삽되는 동축 튜브를 포함하여 상기 힘측정 모듈은 상기 동축 튜브에 대해 전후 또는 회전 조작이 가능하다.

본 발명에 따른 힘측정 모듈은, 원위 단부의 외주면을 따라서 일정 원호각으로 절개된 슬롯이 형성된 튜브와, 튜브에 삽입되어 고정되는 광섬유와, 슬롯이 형성된 구간에 위치하도록 광섬유에 구비되는 광섬유 센서를 포함하여 좁고 긴 작업공간에서 작업을 수행하게 되는 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템에 통합되어 미세한 외력의 측정이 가능하며, 또한 제작이 용이한 효과가 있다.

또한 이러한 힘측정 모듈이 통합된 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템은 다양한 의료기기에 활용이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 힘측정 모듈의 단면 구성도,
도 2는 도 1의 A-A 선의 단면 구성도,
도 3의 (a)(b)(c)는 각각 본 발명의 힘측정 모듈의 단면 구성도의 다른 변형 예를 보여주는 단면 구성도,
도 4의 (a)(b)는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 힘측정 모듈의 구성도와, B-B 선의 단면 구성도,
도 5의 (a)(b)(c)는 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힘측정 모듈의 구성도와, C-C 선의 단면 구성도와 D-D 선의 단면 구성도,
도 6의 (a)(b)(C)는 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힘측정 모듈의 구성도와, E-E 선의 단면 구성도와 F-F 선의 단면 구성도,
도 7의 (a)(b)(c)(d)는 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힘측정 모듈의 구성도와, G-G 선의 단면 구성도와 H-H 선의 단면 구성도와, I-I 선의 단면 구성도,
도 8의 (a)(b)는 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힘측정 모듈의 구성도와, J-J 선의 단면 구성도,
도 9의 (a)(b)는 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힘측정 모듈의 구성도와, K-K 선의 단면 구성도와, L-L 선의 단면 구성도,
도 10의 (a)(b)(c)는 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힘측정 모듈의 구성도와, M-M 선의 단면 구성도와, N-N 선의 단면 구성도와, O-O 선의 단면 구성도,
도 11은 본 발명의 또 실시예에 따른 힘측정 모듈의 단면 구성도,
도 12의 (a)(b)(c)는 각각 도 11의 P-P 선의 단면 구성도와, Q-Q 선의 단면 구성도와, R-R 선의 단면 구성도,
도 13의 (a)(b)(c)는 각각 본 발명의 실시예에 따른 굴신형 조인트의 변형예들을 보여주는 도면,
도 14는 본 발명의 힘측정 모듈이 통합된 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템의 구성도,
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템을 이용한 안구 수술예를 보여주는 도면.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 힘측정 모듈의 단면 구성도이며, 도 2는 도 1의 A-A 선의 단면 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 실시예의 힘측정 모듈은, 중심축(C)에 대해 직각 방향으로 원위 단부의 외주면을 따라서 일정 원호각으로 절개 형성된 슬롯(111)이 형성된 튜브(110)와, 튜브(110)에 삽입되는 광섬유(120)와, 슬롯(111)이 형성된 구간에 위치하도록 광섬유(120)에 구비되는 제1광섬유 센서(131)를 포함한다.

튜브(110)는 플렉시블(flexible)한 가요성을 갖는 소재에 의해 제공될 수 있으며, 축방향(C)을 따라서 중공형 채널을 형성되어 광섬유(120)가 삽입된다.

한편 튜브(110)의 선단부는 사선으로 절단되어 천공 작업에 사용될 수 있는 천공팁(150)으로 사용가능하며, 바람직하게는, 중공형 채널에 의해 형성된 불규칙한 단면은 채워질 수 있다.

광섬유(120)는 튜브(110) 내에 삽입되며, 바람직하게는, 튜브(110)의 근위부에서 접착제(141)에 의해 고정된다. 한편, 광섬유(120)의 원위 단부에도 일부 구간에 접착제(141)에 의해 광섬유(120)와 고정되며, 따라서 튜브(110)와 광섬유(120)는 서로 슬립(slip)이 발생하지 않으면서 외력에 대해 일체로 변형이 이루어진다.

광섬유(120)는 굴절율이 높은 코어(core)와, 굴절율이 낮은 클래딩(cladding)으로 구성되어 코어의 입사광은 코어와 클래딩의 경사면에서 전반사가 이루어져 코어를 따라서 전파가 이루어지며, 각 광섬유 센서(131)(132)는 이러한 광섬유(120)의 코어에 일정 간격을 갖는 브래그 격자(Bragg Grating)가 형성하여 제공된다.

본 발명에서 광섬유 센서(131)(132)는 서로 이격 형성된 제1광섬유 센서(131)와 제2광섬유 센서(132)로 구성될 수 있으며, 바람직하게는, 제1광섬유 센서(131)는 슬롯(111)이 형성된 구간에 구비된다. 일반적으로 광섬유 센서는 압력(스트레인)에 대한 변형 보다 온도에 더 민감하며, 이에 본 발명은 제2광섬유 센서(132)를 추가하여 제1광섬유 센서(131)와 제2광섬유 센서(132)의 검출 신호를 비교하여 그 차이로 순수 변형률에 의한 브래그 파장 변화를 계산함으로써 온도에 의한 영향을 보상할 수 있다.

도 2를 참고하면, 튜브(110)는 180°의 원호각을 갖는 슬롯(111)이 형성되어 튜브(110) 자체의 중립축(즉, 무게중심 축)의 위치는 중심축(C)의 하단에 위치하게 되며, 도 2에서는 제1중립축(NA1)에 해당한다. 한편 광섬유(도 2에서는 광센서(131))의 중립축은 중심축(C)을 지나는 수평축 상에 위치하게 되며, 도 2에서는 제2중립축(NA2)에 해당한다.

따라서 슬롯(111)이 형성된 튜브(110)와 광섬유(110)로 구성된 힘측정 모듈(100)의 유효 중립축은 제1중립축(NA1)과 제2중립축(NA2) 사이의 위치인 제3중립축(NA3)으로 결정되어 중심축(C)에서 벗어나 아래에 위치한다. 따라서 힘측정 모듈(100)의 끝단에 힘이 작용하는 경우에 광섬유 센서(131)의 중심에 변형과 함께 브래그 격자의 변화가 발생되고 그에 따라서 변형률에 비례하는 브래그 파장의 변화를 측정하여 슬롯(111)이 형성된 방향으로 작용하는 힘을 측정할 수 있다.

한편 슬롯(111)의 길이(원호각)는 힘측정의 민감도(sensitivity)를 결정할 수 있다.

도 3의 (a)(b)(c)는 각각 본 발명의 힘측정 모듈의 단면 구성도의 다른 변형 예를 보여주는 단면 구성도이다. 도 3에서는 이해를 돕기 위하여 튜브와 광섬유는 서로 이격된 것으로 도시하고 있으나, 본 발명에서 튜브와 광섬유 사이가 공간적으로 이격될 필요는 없다.

도 3에 예시된 것과 같이, 각 튜브(211)(212)(213)에 절개 형성된 슬롯(211a)(212a)(213a)은 다양하게 결정될 수 있으며, 튜브(211)(212)(213)의 두께 등을 고려하여 슬롯(211a)(212a)(213a)은 다양한 크기(원호각)로 절개 형성될 수 있다. 바람직하게는, 슬롯의 크기(원호각)은 180°를 넘지 않는 것이 바람직하다(θ3 < 180°).

이와 같이 구성된 단일 슬롯이 형성된 튜브(111)를 포함하는 힘측정 모듈(100)은 슬롯이 형성된 방향의 1축(x-축)(도 2 참고) 방향의 힘측정을 위한 모듈로 사용될 수 있다.

한편 본 실시예에서 제1광섬유 센서(131)는 슬롯(111)이 형성된 구간에 위치하여 상단부가 바깥으로 노출되나, 절개된 형성된 슬롯(111)에 실리콘과 같이 자유롭게 변형이 가능하고 방수성을 갖는 보호층(미도시)이 추가될 수 있다.

도 4의 (a)(b)는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 힘측정 모듈의 구성도와, B-B 선의 단면 구성도이다.

도 4를 참고하면, 본 실시예의 힘센서 모듈(300)은 슬롯(311)이 형성된 튜브(310)와, 광섬유 센서(331)가 구비되어 튜브(310) 내에 삽입되는 광섬유를 포함하는 것은 앞서의 실시예와 동일하다. 다만, 본 실시예에서 슬롯(311)은 광섬유 센서(331)가 위치하는 구간 내에 복수 개로 구성될 수 있다. 이와 같이 슬롯(311)이 광섬유 센서(331)의 구간 내에 복수 개로 구성되어 힘센서 모듈(300)의 x축 방향의 중립축 편심을 유지하면서도 광섬유 센서(331)의 노출을 최소화하여 광섬유 센서(331)의 보호가 이루어질 수 있다.

한편, 복수의 슬롯(311)은 앞서 설명한 것과 같이, 보호층이 추가될 수 있다.

도 5의 (a)(b)(c)는 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힘측정 모듈의 구성도와, C-C 선의 단면 구성도와 D-D 선의 단면 구성도이다.

도 5를 참고하면, 본 실시예의 힘측정 모듈(400)은, 두 개의 제1 및 제2슬롯(411)(412)이 서로 90°의 위상각을 갖고 외주면이 절개 형성된 튜브(410)와, 튜브(410)에 삽입되는 광섬유에 각 슬롯(411)(412)과 대응되어 제1 및 제2광섬유 센서(431)(432)가 구비되는 것을 특징으로 한다.

제1 및 제2슬롯(411)(412)은 튜브(410)의 중심축에 대해 직각 방향으로 일정 원호각(예를 들어, 180°)으로 절개 형성되며, 제1슬롯(411)과 제2슬롯(412)은 서로 90°만큼 위상차를 갖는다. 즉, 제1슬롯(411)은 +x축 방향으로 개구되도록 절개 형성되며, 제2슬롯(412)은 +y축 방향으로 개구되도록 절개 형성된다.

이와 같이 제1슬롯(411)과 제2슬롯(412)이 서로 90°만큼 위상차를 갖고 형성됨으로써, 앞서 설명한 것과 같이 각 슬롯(411)(412)의 제1광섬유 센서(431)와 제2광섬유 센서(432)는 2축(x축/y축) 방향에 대한 힘 측정이 이루어질 수 있다.

한편, 앞서 설명한 것과 같이, 온도에 대한 영향을 보상하기 위하여 튜브(410)에 삽입되는 광섬유는 제3광섬유 센서(433)를 더 포함할 수 있다.

도 6의 (a)(b)(C)는 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힘측정 모듈의 구성도와, E-E 선의 단면 구성도와 F-F 선의 단면 구성도이다.

도 6을 참고하면, 본 실시예의 힘측정 모듈(500)은 2축의 힘측정 모듈의 다른 변형예로서, 서로 90°의 위상각을 갖고 외주면에 절개 형성된 제1슬롯(511)과 제2슬롯(512)을 갖는 튜브(510)와, 튜브(510)에 삽입되는 광섬유의 각 슬롯(511)(512)에 대응되어 제1 및 제2광섬유 센서(531)(532)가 구비되며, 특히 본 실시예에서 각 슬롯(511)(512)은 해당 광섬유 센서(531)(532)가 위치하는 구간 내에서 복수 개로 구성된다.

도면부호 533은 앞서 설명한 것과 같이, 온도 보상을 위해 추가된 광섬유 센서이다.

도 7의 (a)(b)(c)(d)는 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힘측정 모듈의 구성도와, G-G 선의 단면 구성도와 H-H 선의 단면 구성도와, I-I 선의 단면 구성도이다.

도 7을 참고하면, 본 실시예의 힘측정 모듈(600)은, 세 개의 슬롯(611)(612)(613)이 서로 120°의 위상각을 갖고 외주면이 절개 형성된 튜브(610)와, 튜브(610)에 삽입되는 광섬유에 각 슬롯(611)(612)(613)과 대응되는 세 개의 광섬유 센서(631)(632)(633)가 구비되는 것을 특징으로 한다.

각 슬롯(611)(612)(613)은 튜브(510)의 중심축에 대해 직각 방향으로 일정 원호각(예를 들어, 180°)으로 절개 형성되며, 각 슬롯(611)(612)(613)은 서로 120°만큼 위상차를 갖는다. 본 실시예에서 제1슬롯(611)은 +x축 방향으로 개구되도록 절개 형성되며, 제2슬롯(612)은 4사분면 상에서 대각선 방향으로 개구되도록 절개 형성되며, 제3슬롯(613)은 3사분면 상에서 대각선 방향으로 개구되도록 절개 형성됨을 보여주고 있다.

이와 같이 각 슬롯(611)(612)(613)이 서로 120°만큼 위상차를 갖고 형성됨으로써, 앞서 설명한 것과 같이 각 슬롯(611)(612)(613)에 위치하는 광섬유 센서(631)(632)(633)에 의해 2축의 힘 측정에 대한 정확도를 높일 수 있다.

앞서 설명한 것과 같이, 온도에 대한 영향을 보상하기 위하여 튜브에 삽입되는 광섬유는 추가 광섬유 센서(614)를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 실시예에서 튜브에 형성되는 슬롯들 사이의 위상차는 90°와 120°를 예시하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 일정 위상각(예를 들어, 45°~ 120°) 범위 내에서 결정될 수 있다.

도 8의 (a)(b)는 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힘측정 모듈의 구성도와, J-J 선의 단면 구성도이다.

도 8을 참고하면, 본 실시예의 힘측정 모듈(700)은, 굴곡 형상을 갖는 튜브(710)를 포함하며, 튜브(710)의 원위 단부에 슬롯(711)이 형성되고 이 슬롯(711) 구간에 광섬유 센서(731)가 위치하도록 광섬유가 튜브(710)에 삽입되는 것은 앞서 설명한 실시예와 동일하다.

본 실시예의 힘측정 모듈(700)은 시술의 편의를 위하여 전체적으로 굴곡된 형상을 갖거나 또는 원위 단부의 일부만이 굴곡된 형상을 가질 수 있다. 이러한 곡선을 갖는 힘측정 모듈은 소성 가공하여 일정 곡률을 갖고 탄성 변형이 이루어질 수 있다.

이와 같이, 앞서 설명한 실시예에 따른 직선 타입의 힘측정 센서들은 모두 굴곡된 형상을 가질 수 있으며, 도 9 및 도 10은 이러한 실시예들을 보여주고 있다.

예를 들어, 도 9의 (a)(b)는 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힘측정 모듈의 구성도와, K-K 선의 단면 구성도와, L-L 선의 단면 구성도를 보여주고 있으며, 본 실시예의 힘측정 모듈(800)은, 두 개의 슬롯(811)(812)이 서로 90°의 위상각을 갖고 외주면이 절개 형성되고 굴곡을 갖는 튜브(810)와, 튜브(810)에 삽입되는 광섬유에 각 슬롯(811)(812)과 대응되어 각각 광섬유 센서(831)(832)가 구비되는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 힘측정 모듈(800)은 굴곡된 형상을 가지면서 앞서 설명한 실시예(도 5 참고)와 같이 2축 방향에 대한 힘 측정이 이루어질 수 있다. 한편, 본 실시예에서 슬롯(811)(812)은 원위 단부의 굴곡된 구간에 형성되거나, 또는 굴곡된 구간이 끝나는 직선 구간에 형성될 수도 있다.

또한 도시되지 않았으나, 앞서 실시예에서 설명한 것과 같이, 온도에 대한 영향을 보상하기 위하여 광섬유는 추가 광섬유 센서를 더 포함할 수 있다.

다음으로, 도 10의 (a)(b)(c)는 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힘측정 모듈의 구성도와, M-M 선의 단면 구성도와, N-N 선의 단면 구성도와, O-O 선의 단면 구성도로서, 본 실시예의 힘측정 모듈(900)은, 세 개의 슬롯(911)(912)(913)이 서로 120°의 위상각을 갖고 외주면이 절개 형성된 튜브(910)와, 튜브(910)에 삽입되는 광섬유에 각 슬롯(911)(912)(913)과 대응되는 세 개의 광섬유 센서(931)(932)(933)가 구비되는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 힘측정 모듈(900)은 굴곡된 형상을 가지면서 앞서 설명한 실시예(도 7 참고)와 같이 확장된 2축 방향에 대한 보다 정확한 힘 측정이 이루어질 수 있다. 본 실시예에서 슬롯(911)(912)(913)은 원위 단부의 굴곡된 구간에 형성되거나, 또는 굴곡된 구간이 끝나는 직선 구간에 형성될 수도 있다. 앞서 실시예에서 설명한 것과 같이, 온도에 대한 영향을 보상하기 위한 광섬유 센서가 추가될 수 있다.

도 11은 본 발명의 또 실시예에 따른 힘측정 모듈의 단면 구성도이며, 도 12의 (a)(b)(c)는 각각 도 11의 P-P 선의 단면 구성도와, Q-Q 선의 단면 구성도와, R-R 선의 단면 구성도이다.

도 11 및 도 12를 참고하면, 본 실시예의 힘측정 모듈(1000)은 서로 일정 위상각을 갖고 외주면에 절개 형성된 두 개의 슬롯(1101)(1102)을 갖는 튜브(1100)와, 튜브(1100)에 구비되어 축방향(C)으로 탄성 변형이 가능한 굴신형 조인트(flexture joint)(1340)와, 굴신형 조인트(1340)와 함께 각 슬롯(1101)(1102)과 대응되어 튜브(1100)에 삽입되는 광섬유(1200)에 구비되는 광섬유 센서(1311)(1312)(1313)를 포함한다.

굴신형 조인트(1340)는 튜브(1100)의 선단에 구비되어 튜브(110)가 축방향(C)으로 신축 운동을 허용하게 되며, 굴신용 조인트(1340)에 배치되는 제1광섬유 센서(1311)에 의해 축방향(C)의 힘 측정이 가능하다. 이러한 굴신형 조인트(1340)는 다양한 변형예가 있을 수 있다.

도 13의 (a)(b)(c)는 각각 본 발명의 실시예에 따른 굴신형 조인트의 변형예들을 보여주는 도면으로, (a)는 좌우 대칭형 구조이며, (b)는 좌우 비대칭형 구조이며, (c)는 나선형 구조를 갖는 굴신형 조인트(1340)(1350)(1360)를 보여주고 있다. 이러한 굴신형 조인트(1340)(1350)(1360)는 튜브(1100)의 선단에 구비되어 축방향(c)으로 신축 운동이 이루어져 힘측정 모듈의 축방향에 대한 힘 측정이 이루어질 수 있다.

다시 도 11 및 도 12를 참고하면, 튜브(1100)에 마련된 제1슬롯(1101)과 제2슬롯(1102)은 앞서 실시예에서 설명한 것과 같이, 서로 일정 위상각(예를 들어, 90°)을 가지며, 각 슬롯(1101)(1102)에 배치되는 제2광섬유 센서(1312)와 제3광섬유 센서(1313)에 의해 2축 방향에 힘 측정이 이루어진다.

따라서 본 실시예에 따른 힘측정 모듈(1000)은 굴신형 조인트(1340)에 배치되는 제1광섬유 센서(1311)에 의해 축방향(C)에 대한 힘의 측정이 이루어지며, 제1슬롯(1101)과 제2슬롯(1102)에 각각 배치되는 제2광섬유 센서(1312)와 제3광섬유 센서(1313)에 의해 2축 방향의 측면 힘에 대한 측정이 이루어져 전체적으로 힘측정 센서(1000)에 작용하는 3축 방향의 힘 측정이 가능하다. 도면부호 1314는 온도에 대한 영향을 보상하기 위하여 마련되는 광섬유 센서이다.

이러한 굴신형 조인트를 채용한 힘측정 모듈은 앞서 설명한 굴곡형 타입 튜브에도 동일하게 적용될 수 있다.

도 14는 본 발명의 힘측정 모듈이 통합된 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템의 구성도이다.

도 14에 예시된 것과 같이, 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템(1200)은, 힘측정 모듈(1210)과, 힘측정 모듈(1210)이 내삽되는 동축 튜브(1220)를 포함하며, 힘측정 모듈(1210)은 동축 튜브(1220)에 대해 전후 또는 회전 움직임이 가능하다.

힘측정 모듈(1210)은 앞서 예시된 것과 같이 광섬유 센서를 포함하여 1축 또는 2축 이상의 힘 측정이 이루어지며, 이 힘측정 모듈(1210)은 동축 튜브(1220)에 삽입되어 총 4자유도의 움직임을 생성할 수 있으며, 동축 튜브의 개수가 추가될 수도록 자유도도 높아지게 된다.

도 15는 본 발명의 실시예에 따른 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템을 이용한 안구 수술예를 보여주는 도면이다.

도 15에 예시된 것과 같이, 안구 시술용 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템(1300)은 외부 트로카(1310)와, 외부 트로카(1310)를 통해 삽입되는 동축 튜브(1320)와, 동축 튜브(1320) 내에 삽입되는 힘측정 모듈(1330)을 포함한다. 힘측정 모듈(1330)은 앞서 설명한 것과 같이 광섬유 센서를 포함하여 힘측정이 이루어지며, 선단에는 천공팁(1331)이 마련될 수 있다.

이러한 안구 시술용 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템(1300)은 안구 시술에 적합한 3축 힘센싱이 가능한 4자유도의 수술용 로봇으로 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 : 힘측정 모듈
110 : 튜브 120 : 광섬유
131, 132 : 광섬유 센서
1200, 1300 : 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템

Claims

중심축(C)에 대해 직각 방향으로 원위 단부의 외주면을 따라서 일정 원호각으로 절개 형성된 슬롯을 갖는 튜브와;
상기 튜브에 삽입되어 고정되는 광섬유와;
상기 슬롯이 형성된 구간에 위치하도록 상기 광섬유에 구비되는 제1광섬유 센서를 포함하는 힘측정 모듈.
제1항에 있어서, 상기 튜브는, 상기 슬롯이 외주면 상에서 서로 다른 위상각을 갖고 적어도 두 개 이상 형성되며, 복수의 슬롯에 각각 대응되어 상기 광섬유에 광섬유 센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 힘측정 모듈.
제1항에 있어서, 상기 튜브는, 축방향(C)으로 탄성 변형이 이루어지는 굴신형 조인트를 더 포함하며, 상기 굴신형 조인트이 형성된 구간에 위치하도록 상기 광섬유는 광섬유 센서를 더 포함하는 힘측정 모듈.
제1항에 있어서, 상기 제1광섬유 센서와 이격되어 상기 광섬유에 구비되는 제2광섬유 센서를 더 포함하는 힘측정 모듈.
제1항에 있어서, 상기 튜브는, 상기 제1광섬유 센서가 위치하는 구간에 상기 슬롯이 적어도 두 개 이상인 것을 특징으로 하는 힘측정 모듈.
제1항에 있어서, 상기 튜브와 상기 광섬유는 부분적으로 접착제에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 힘측정 모듈.
제1항 내지 제6항에 따른 힘측정 모듈이 내삽되는 동축 튜브를 포함하여 상기 힘측정 모듈은 상기 동축 튜브에 대해 전후 또는 회전 조작이 가능한 것을 특징으로 하는 바늘형 동축 튜브 로봇 시스템.