KR20210101579A - 원격 작동 겸자 조작 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 사용자의 손가락에 의해 가압되어서 발생된 입력 변위 신호를 발생시키는 마스터 부재와, 상기 입력 변위 신호에 근거하여 동작되고, 동작되는 동작 정보가 측정되고, 상기 동작 정보에 근거하여, 파지력을 계산하고, 상기 계산된 파지력에 근거하여 상기 마스터 부재에 강성 변화 명령 신호 및 역감 피드백 중 하나 이상을 제공하는 슬레이브 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 작동 겸자 조작 장치를 제공한다.

Description

원격 작동 겸자 조작 장치{Tele-operated Forceps-driver Variable Stiffness Master Device}

본 발명은, 원격 작동 겸자 조작 장치에 관한 것으로서, 겸자 구동 장치를 제어하면서 동시에, 동작하는 겸자 구동 장치의 감각을 피드백할 수 있는 원격 작동 겸자 조작 장치에 관한 것이다.

종래의 기술로서, 겸자 구동을 위한 수술로봇 말단 장치가 알려져 있다.

겸자 구동 장치는, 전자기모터에 의해 구동되는 리니어 슬라이더(linear-slider)의 상단에 위치한 2개의 휠(wheel)이 겸자의 길이방향으로 구동되고, 이것의 구동에 의해 겸자의 그립(grip)이 발생하는 장치이다.

종래의 겸자 구동 장치의 경우, 조직을 파지할 때, 파지력 측정 센서의 부재로 인해, 조직에 인가된 파지력을 정밀하게 측정하고 미세하게 제어하기 어려운 문제가 있었다.

한편, 종래의 원격 조작기는 마스터 장치의 펜에 장착된 버튼이나 별도의 페달 등을 이용하여 슬레이브 장치를 조작하는 방식으로 구현되었으나, 이러한 방식의 경우, 장치를 직관적으로 조작하는 것이 어려운 문제가 있었다.

또한, 원격 조작기는 햅틱 피드백(Haptic feedback) 없이 비주얼 피드백(visual feedback)에 의존하여 원격 수술을 수행하는 경우, 조작의 파지여부 및 조직에 인가된 힘 등을 수술자가 직접 파악하기 어려운 문제가 있었다.

본 발명의 목적은, 겸자 구동 장치를 제어하면서 동시에, 동작하는 겸자 구동 장치의 감각을 피드백할 수 있는 원격 작동 겸자 조작 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 원격 작동 겸자 조작 장치는 사용자의 손가락에 의해 가압되어서 발생된 입력 변위 신호를 발생시키는 마스터 부재와, 상기 입력 변위 신호에 근거하여 동작되고, 동작되는 동작 정보가 측정되고, 상기 동작 정보에 근거하여, 파지력을 계산하고, 상기 계산된 파지력에 근거하여 상기 마스터 부재에 강성 변화 명령 신호 및 역감 피드백 중 하나 이상을 제공하는 슬레이브 부재를 포함한다.

본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 마스터 부재는, 손가락에 접촉되어 일 방향으로 가압되는 버튼부와, 상기 버튼부에 연결되고 상기 일 방향과 교차하는 방향으로 연장되도록 형성되어, 상기 손가락에 의한 가압에 의해 변형되는 변형막부와, 전원 공급에 의해 수축되도록 변형되어 상기 변형막부를 원래 상태로 복원시키는 방향으로 동작하게 하는 와이어를 포함한다.

상기 마스터 부재는, 상기 변형막부의 외측에 설치되어, 상기 변형막부를 지지하는 플렌지부와, 상기 플렌지부와, 상기 변형막부에 각각 설치되고, 상기 와이어가 고정 설치되는 복수의 와이어 고정부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 마스터 부재는, 중립 기저부를 사이에 두고 서로 대칭적으로 구비되고, 상기 마스터 부재는, 상기 중립 기저부에 인접하도록 배치된 변형막부의 일 면에 설치되고, 상기 변형막부의 변위를 센싱하여 상기 입력 변위 신호를 발생시키는 변위 센서와, 상기 변위 센서와 이격되도록 배치되고, 상기 중립 기저부를 사이에 두고 다른 변형막부의 일 면에 설치되는 자석부를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 마스터 부재는, 상기 버튼부에 설치되고, 손가락에 접촉되어 가압되는 힘을 센싱하는 힘 센서를 더 포함할 수 있다.

초기 상태에서, 버튼부를 가압하면 상기 변형막부가 탄성 변형되고, 상기 변형막부의 변위는 상기 변위 센서에 의해 측정되고, 상기 변형막부의 변위에 의해 상기 슬레이브 부재가 동작할 수 있다.

본 발명과 관련된 다른 일 예에 의하면, 본 발명의 원격 작동 겸자 조작 장치는 상기 마스터 부재로부터 변위 또는 힘 정보를 제공받아 상기 슬레이브 부재의 그립력을 제어할 수 있고, 상기 슬레이브 부재로부터 변위 또는 힘 정보를 제공받아 상기 마스터 부재의 목표 강성을 제어하는 제어부를 더 포함한다.

본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 의하면, 상기 슬레이브 부재는, 개폐 가능하도록 변형되는 파지부와, 상기 파지부를 수용 가능하도록 형성되는 바디와, 상기 바디에 회전 가능하도록 설치되어 상기 파지부의 양 측을 가압 또는 가압 해제 가능하게 하는 개폐부재를 포함한다.

또한, 상기 바디에는 상기 개폐부재의 회전량을 측정하여 상기 파지부의 파지되는 정도를 측정 가능하게 하는 회전 변위 센서와, 상기 개폐부재 및 상기 파지부의 사이에 배치되어 상기 개폐부재의 동작 동안에 파지력을 측정 가능하게 하는 힘 센싱 모듈이 설치된다.

바람직하게는, 상기 바디에 구동력을 발생시키는 모터가 설치가 설치되고, 상기 모터 및 상기 파지부 사이에는 상기 파지부가 파지되는 구동력을 제공하도록 강선이 설치될 수 있다.

본 발명의 원격 작동 겸자 조작 장치는 상용의 수술용 겸자를 장착하여 구동하는 슬레이브 부재와, 이 장치를 구동하는 마스터 부재로 구성된 시스템으로서, 미세 힘 제어 및 파지력 피드백이 가능하여 다양한 로봇-보조 원격 작동 미세 수술(robot-assisted tele-operation microsurgery)분야에 활용 가능하다.

또한, 본 발명의 원격 작동 겸자 조작 장치는 미세 유연 조직에 과도한 힘이 인가되는 것을 방지하는 기능(force-blocking function)과, 미세한 파지력을 증폭하여 원격 수술자에게 제공하는 기능(haptic feedback scaling function)을 구현할 수 있어 원격 미세수술 환경 증강 현실에도 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 원격 작동 겸자 조작 장치를 도시하는 사시도.
도 2a는 마스터 부재를 도시하는 사시도.
도 2b는 도 2a에서 B-B' 부분을 도시하는 단면도.
도 2c는 도 2b에서 C-C' 부분을 도시하는 단면도.
도 2d는 도 2b에서 D-D' 부분을 도시하는 단면도.
도 3a는 변형막부가 변형되지 않는 상태의 마스터 부재를 도시하는 종단면도.
도 3b는 변형막부가 변형된 상태의 마스터 부재를 도시하는 종단면도.
도 4a는 슬레이브 부재를 도시하는 사시도.
도 4b는 도 4a의 A 부분의 확대도.
도 4c는 초기 상태에서 파지부가 개방된 상태를 도시하는 슬레이브 부재의 평면도.
도 4d는 파지부가 폐쇄된 상태를 도시하는 슬레이브 부재의 평면도.
도 5는 제어부를 포함하는 일례의, 원격 작동 겸자 조작 장치의 신호 흐름을 도시하는 블록도.
도 6a는 초기 상태의 마스터 부재의 단면도.
도 6b는 초기 상태에서의 와이어와 변형막부를 도시하는 모식도.
도 7a는 버튼부가 가압된 상태의 마스터 부재의 단면도.
도 7b는 버튼부가 가압된 상태에서의 와이어와 변형막부를 도시하는 모식도.
도 8a는 역감 햅틱 피드백에 의해 와이어가 활성화된 상태의 마스터 부재의 단면도.
도 8b는 역감 햅틱 피드백에 의해 와이어가 활성화된 상태에서의 와이어와 변형막부를 도시하는 모식도.
도 9는 와이어와 변형막부의 길이 변화에 따른 손가락에 인가된 반력을 도시하는 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 원격 작동 겸자 조작 장치(100)를 도시하는 사시도이고, 도 2a는 마스터 부재(10)를 도시하는 사시도이다. 또한, 도 2b는 도 2a에서 B-B' 부분을 도시하는 단면도이며, 도 2c는 도 2b에서 C-C' 부분을 도시하는 단면도이고, 도 2d는 도 2b에서 D-D' 부분을 도시하는 단면도이다. 한편, 도 3a는 변형막부(12)가 변형되지 않는 상태의 마스터 부재(10)를 도시하는 종단면도이고, 도 3b는 변형막부(12)가 변형된 상태의 마스터 부재(10)를 도시하는 종단면도이다.

이하, 도 1 내지 도 3b를 참조하여, 본 발명의 원격 작동 겸자 조작 장치(100)와, 마스터 부재(10)에 대하여 서술한다.

본 발명의 원격 작동 겸자 조작 장치(100)는 마스터 부재(10)와, 슬레이브 부재(20)를 포함한다.

마스터 부재(10)는, 사용자의 손가락에 의해 가압되어서 발생된 입력 변위 신호를 발생시킨다. 입력 변위 신호는 후술하는 변위 센서에 의해 발생될 수 있다.

슬레이브 부재(20)는, 상기 입력 변위 신호에 근거하여 동작되고, 동작되는 동작 정보가 측정되고, 상기 동작 정보에 근거하여, 파지력을 계산하고, 상기 계산된 파지력에 근거하여 상기 마스터 부재(10)에 강성 변화 명령 신호 또는 역감 피드백을 제공한다. 슬레이브 부재(20)의 보다 상세한 설명에 대해서는 후술하기로 한다.

마스터 부재(10)는 버튼부(11)와, 변형막부(12)와, 와이어(14)를 포함할 수 있다.

버튼부(11)는, 손가락에 접촉되어 일 방향으로 가압될 수 있다. 버튼부(11)는 마스터 부재(10)의 강성 변화량을 측정할 수 있는 힘 센서(11a)를 구비할 수 있다. 도 2a를 참조하면, 버튼부(11)가 원형으로 형성되어 변형막부(12)의 중앙에 설치되어 있는 예가 도시된다.

변형막부(12)는, 버튼부(11)에 연결되고 상기 일 방향과 교차하는 방향으로 연장되도록 형성되어, 상기 손가락에 의한 가압에 의해 변형될 수 있다. 도 2a, 2c 및 2d를 참조하면, 변형막부는 전체적으로 원판의 형상일 수 있으며, 원주에서 중심방향으로 복수회 절곡된 형상으로 이루어진 예가 도시되는데, 이런 구조에 의해, 파손되지 않으면서, 변형될 수 있게 된다.

또한, 변형막부(12)는, 도 2a 및 2b 등에 도시되는 바와 같이, 복수 개로 배치되는 판구조로 형성되어, 손가락의 가압에 의해 버튼부(11)로부터 전달되는 강성을 충분히 견딜 수 있게 되는 것이 바람직하다.

와이어(14)는, 전원 공급에 의해 수축되도록 변형되어 상기 변형막부(12)를 원래 상태로 복원시키는 방향으로 동작하게 할 수 있다.

와이어(14)는 일례로, 형상 기억 합금(Shape Memory Alloy)의 액추에이터일 수 있다.

도 2c 및 2d를 참조하면, 와이어(14)에 전원을 공급하는 전원공급부(14a)가 전선(14b)을 통해 연결되어 있는 예가 도시된다. 하지만, 본 발명에 있어서, 와이어(14)에 전선(14b)으로 연결된 전원공급부(14a)의 연결관계는, 반드시 이러한 관계에 한정되는 것은 아니다.

마스터 부재(10)는 플렌지부(15)와, 와이어 고정부(17)를 더 포함할 수 있다.

플렌지부(15)는, 변형막부(12)의 외측에 설치되어, 상기 변형막부(12)를 지지할 수 있다.

플렌지부(15)는 내측이 비어있는 도넛형 구조로 형성되어, 변형막부(12)의 외측을 지지하면서, 변형막부(12)가 내측으로 변형 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 도 2a 및 2b를 참조하면, 복수 개의 플렌지부(15)가 구비되며, 복수의 플렌지부(15) 사이에 변형막부(12)가 끼어있도록 배치되는 예가 도시된다.

와이어 고정부(17)는 플렌지부(15)와, 상기 변형막부(12)에 각각 설치되고, 상기 와이어(14)가 고정 설치될 수 있다.

와이어 고정부(17)는 와이어(14)의 장력 조절에 의해 변형막부(12)가 변형될 수 있도록 플렌지부(15)에서 원주 방향을 따라서 복수 개가 배치될 수 있고, 변형막부(12)의 중심 부근에 6각형의 형상을 이루도록 배치되어 있을 수 있다.

와이어(14)는 플렌지부(15)와 변형막부(12)에 설치되어 있는 와이어 고정부(17)에 설치되어서 변형막부(12)의 변형에 의해 장력을 제공받게 되며, 또한, 와이어(14)로 전원이 인가되면 변형막부(12)를 변형시킬 수 있다.

도 2c 및 2d에 도시되는 바와 같이, 와이어(14)는 플렌지부(15)에 설치된 와이어 고정부(17) 2개에 거치되고, 이어서 변형막부(12)의 중심측에 배치된 와이어 고정부(17) 1개에 거치되고, 다시 플렌지부(15)에 설치된 와이어 고정부(17) 2개, 변형막부(12)의 중심측에 배치된 와이어 고정부(17) 1개에 거치되는 순서로서 배치되는 것이 바람직하다.

마스터 부재(10)는, 중립 기저부(16)를 사이에 두고 서로 대칭적인 형상을 구비할 수 있다. 마스터 부재(10)는, 변위 센서(18)와 자석부(19)를 더 포함할 수 있다.

변위 센서(18)는 중립 기저부(16)에 인접하도록 배치된 변형막부(12)의 일 면에 설치되고, 상기 변형막부(12)의 변위를 센싱하여 입력 변위 신호를 발생시킬 수 있다.

도 2a 및 2b를 참조하면, 중립 기저부(16)는 변형막부(12) 및 플렌지부(15)가 설치될 수 있는 원판형 구조를 구비하도록 이루어지는 것이 바람직하다.

자석부(19)는, 변위 센서(18)와 이격되도록 배치되고, 상기 중립 기저부를 사이에 두고 다른 변형막부(12)의 일 면에 설치될 수 있다.

버튼부(11)가 가압되면, 변위 센서(18)와 자석부(19)는 자석부(19)의 자성에 의해 인력이 작용하게 된다.

마스터 부재(10)는, 상기 버튼부(11)에 설치되고, 손가락에 접촉되어 가압되는 힘을 센싱하는 힘 센서(11a)를 더 포함할 수 있다.

도 4a는 슬레이브 부재(20)를 도시하는 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 A 부분의 확대도이며, 도 4c는 초기 상태에서 파지부(21)가 개방된 상태를 도시하는 슬레이브 부재(20)의 평면도이다. 또한, 도 4d는 파지부(21)가 폐쇄된 상태를 도시하는 슬레이브 부재(20)의 평면도이다.

도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 슬레이브 부재(20)는, 파지부(21), 바디(23), 개폐부재(25), 탄성부(26) 및 힘 센싱 모듈(28)을 포함할 수 있다.

본 발명에서, 슬레이브 부재(20)는, 일례로, 포셉 드라이버(forceps- driver)일 수 있다.

파지부(21)는 개폐 가능하도록 변형된다. 또한, 파지부(21)는 바디(23)에 의해 수용 가능하도록 바디(23)에 설치된다. 본 발명에서, 파지부(21)의 개폐는 파지부(21)의 일 단부가 조직이나 피부 등을 파지 가능한 상태 또는 파지 해제 상태에 있게 하는 것으로 이해될 수 있다.

파지부(21)는 일 단이 여닫히는 구조로 이루어지는 구성일 수 있다. 예를 들면, 파지부(21)는 겸자(forceps) 또는 수술용 가위일 수 있는데, 도 4a 등에는 파지부(21)가 겸자로 이루어진 예가 도시된다.

바디(23)는, 파지부(21)를 수용 가능하도록 이루어진다. 또한, 바디(23)는, 파지부(21)를 결합시키는 파지부 홀더(23)를 구비할 수 있다. 도 1a에는 파지부(21)의 우측단이 파지부 홀더(23)에 결합되고, 바디(23)에 파지부(21)가 여닫히며 수용될 수 있도록 설치되어 있는 예가 도시된다.

개폐부재(25)는 바디(23)에 회전 가능하게 설치되어 파지부(21)의 양 측을 가압 또는 가압 해제 가능하게 한다.

도 4a 및 4b에는 개폐부재(25)의 양 단이 파지부(21)를 가압하도록 바디(23)에 회전되도록 설치된 예가 도시된다.

개폐부재(25)가 파지부(21)의 양 측을 일 방향으로 가압하여 파지부(21)의 단부가 닫혀질 수 있고, 개폐부재(25)가 가압 해제 상태에서는, 파지부(21)로부터 일 방향으로 이격됨으로써 파지부(21)는 개방될 수 있다.

탄성부(26)는 개폐부재(25)의 일 측에 연결되어, 개폐부재(25)에 탄성력을 제공 가능하도록 이루어진다. 탄성부(26)는 일례로, 스프링일 수 있다. 탄성부(26)의 일 단은 바디(23)에 볼트에 의해 결합될 수 있고, 다른 일 단은 개폐부재(25)의 일 측에 연결되는 예가 도 4c 및 4d에 도시되어 있다.

강선(27)은 개폐부재(25)의 다른 일 측에 연결되어 모터(29)의 구동에 의해 개폐부재(25)를 회전 가능하게 한다.

한편, 바디(23)에는 구동력을 발생시키는 모터(29)가 설치될 수 있다. 모터(29)는 전원공급부로부터 전원을 공급받아, 모터(29)에 연결된 모터 출력부(29a)에 회전력을 제공한다. 또한, 모터 출력부(29a)에는 강선(27)이 설치되어, 모터(29)의 구동에 의해 강선(27)이 당겨지게 되어 파지부(21)가 파지하는 구동력을 제공한다.

또한, 바디(23)에는, 개폐부재(25)의 회전량을 측정하여 파지부(21)의 파지되는 정도를 측정 가능하게 하는 회전 변위 센서(24)가 설치될 수 있다. 도 4a를 참조하면, 바디(23)의 상부에는 커버(23c)가 설치되어 있고, 커버(23c)에 회전 변위 센서(24)가 설치되는 예가 도시된다. 하지만, 반드시 이런 구조에 한정되는 것은 아니다. 회전 변위 센서(24)는 일례로, 포지셔미터(positiometer)일 수 있다.

한편, 바디(23)에는, 개폐부재(25) 및 파지부(21)의 사이에 배치 가능하도록 힘 센싱 모듈(28)이 설치될 수 있다.

힘 센싱 모듈(28)은 개폐부재(25)의 동작 동안에 파지력을 측정 가능하게 한다. 도 4a 및 4b를 참조하면, 힘 센싱 모듈(28)은 PCB(Printed Circuit Board)를 구비한 센서(28a) 및 응력전달부(28b)를 포함할 수 있다.

PCB는 센서(28a)에 전원을 공급하고, 센서(28a)에 의해 측정된 힘에 대한 정보를 제공받아서 출력 가능하게 한다. 응력전달부(28b)는 개폐부재(25)가 파지부(21)의 양 측을 가압 또는 가압 해제할 때의 힘을 센서(28a)에 전달하도록 탄성의 재질, 일례로 우레탄인 것이 바람직하다.

도 5에는 제어부(30)를 포함하는 일례의, 원격 작동 겸자 조작 장치(100)의 신호 흐름을 도시하는 블록도가 도시된다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 원격 작동 겸자 조작 장치(100)는 제어부(30)를 더 포함할 수 있다.

제어부(30)는 마스터 부재(10)로부터 변위 또는 힘 정보를 제공받아 슬레이브 부재(20)의 그립력을 제어할 수 있고, 또한, 슬레이브 부재(20)로부터 변위 또는 힘 정보를 제공받아 마스터 부재(10)의 목표 강성을 제어할 수 있다.

또한, 제어부(30)는, 마스터 부재(10)의 변위 센서(18) 및 힘 센서(11a)로부터 각각 마스터 부재(10)의 변위 정보 및 힘 정보를 받아들여서, 슬레이브 부재(20)의 모터(29)로 동작 신호를 제공할 수 있다.

이를 위해, 도 5에 도시된 바와 같이, 제어부(30)는 마스터 부재(10)의 변위 센서(18) 및 힘 센서(11a)와 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제어부(30)는, 슬레이브 부재(20)의 모터(29)와도 전기적으로 연결될 수 있다.

또한, 제어부(30)는, 슬레이브 부재(20)의 변위 센서(18) 및 힘 센서(11a)로부터 각각 슬레이브 부재(20)의 변위 정보 및 힘 정보를 받아들여서, 마스터 부재(10)의 와이어(14)로 동작 신호를 제공할 수 있다.

이를 위해, 도 5에 도시된 바와 같이, 제어부(30)는 슬레이브 부재(20)의 회전 변위 센서(24) 및 힘 센싱 모듈(28)과 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제어부(30)는, 마스터 부재(10)의 액추에이터와도 전기적으로 연결될 수 있다.

도 6a는 초기 상태의 마스터 부재(10)의 단면도이고, 도 6b는 초기 상태에서의 와이어(14)와 변형막부(12)를 도시하는 모식도이다. 또한, 도 7a는 버튼부(11)가 가압된 상태의 마스터 부재(10)의 단면도이고, 도 7b는 버튼부(11)가 가압된 상태에서의 와이어(14)와 변형막부(12)를 도시하는 모식도이다. 한편, 도 8a는 역감 햅틱 피드백에 의해 와이어(14)가 활성화된 상태의 마스터 부재(10)의 단면도이고, 도 8b는 역감 햅틱 피드백에 의해 와이어(14)가 활성화된 상태에서의 와이어(14)와 변형막부(12)를 도시하는 모식도이다. 또한, 도 9는 와이어(14)와 변형막부(12)의 길이 변화에 따른 손가락에 인가된 반력을 도시하는 그래프이다.

이하, 도 6a 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 원격 작동 겸자 조작 장치(100)를 조작하는 일례에 대하여 서술한다.

도 6a에는, 초기 상태의 마스터 부재(10)의 단면이 도시되고, 도 6b에는 초기 상태에 변형막부(12)와 와이어(14)가 평형을 이루고 있는 예가 도시된다. 또한, 마스터 부재(10)에 하중에 가해지지 않기에, 도 4c에서와 같이 슬레이브 부재(20)의 파지부(21)는 개방되어 있다.

도 7a에서와 같이, 초기 상태에 있는 마스터 부재(10)의 버튼부(11)를 손가락으로 누르면 변형막부(12)가 탄성 변형되고, 이 때 탄성 변형 변위는 변위 센서(18)에 의해 측정되게 된다. 변위 센서(18)에 의해 측정된 변위 기반의 명령이 제어부(30)에 의해 제공되어 슬레이브 부재(20)는 작동하게 된다.

이 상태에서, 도 7b에 도시되는 바와 같이, 손가락이 마스터 부재(10)의 버튼부(11)를 누름으로써 변형막부(12)와 와이어(14)가 변형되고, 반력이 발생되지만, 아직 와이어(14)가 활성되기 전 상태에 있다.

한편, 슬레이브 부재(20)의 파지부(21)가 물체를 파지할 때 측정되는 파지력 기반의 명령을 마스터 부재(10)에 전달되게 되고, 강성 변화 명령에 따라 내장 형상기억합금 와이어(14)는 전기적으로 활성화되며 장치의 강성은 변화되고, 마스터 부재(10)의 강성 변화는 힘 센서(11a)와 변위 센서(18)에 의해 측정된 값을 기반으로 측정된다.

한편, 도 8a 및 8b에 도시되는 바와 같이, 손가락이 마스터 부재(10)의 버튼부(11)를 누름으로써 변형막부(12)와 와이어(14)가 변형된 상태에 있으며, 슬레이브 부재(20)로부터 역감 햅틱 피드백되어 와이어(14)가 활성되게 된다.

또한, 이하에서, 본 발명의 원격 작동 겸자 조작 장치(100)에 의한 양방향 구동에 대하여 서술한다.

사용자가 마스터 부재(10)의 버튼부(11)를 손가락으로 눌러 발생한 변형막부(12)의 탄성변형 변위를 마스터 부재(10)에 구비된 변위 센서(18)와 자석부(19)에 의해 측정된다.

마스터 부재(10)에서 측정된 변위 값을 바탕으로 슬레이브 부재(20)의 모터(29)를 작동시키며 모터(29) 작동에 의한 회전자(rotator)의 회전변위는 슬레이브 부재(20)의 상부에 장착된 회전 변위 센서(18)에 의해 측정된다.

또한, 개폐부재에 의해 파지부(21)가 닫히는 과정에서 파지부(21)에 인가되는 힘은 개폐부재에 장착된 힘 센싱 모듈에 의해 측정된다.

일례로, 파지부(21)가 닫히며 대상물을 파지하는 경우, 대상물에 인가되는 파지력은 힘 센싱 모듈(28)에 의해 측정된 값을 바탕으로 계산된다.

계산된 파지력을 바탕으로 마스터 부재(10)에 강성 변화 명령이 인가된다.

강성 변화 명령이 마스터 부재(10)로 인가되면, 마스터 부재(10)에 구성된 형상기억합금은 전기적으로 활성화되고 강성 변화가 야기되게 된다.

마스터 부재(10)의 강성 변화량은 마스터 부재(10)에 구비된 변위 센서(18)와 자석부(19), 그리고 버튼부(11)에 내장된 힘 센서(11a)에서 측정된 값을 바탕으로 계산된다.

이상에서 설명한 원격 작동 겸자 조작 장치(100)는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (10)

1. 사용자의 손가락에 의해 가압되어서 발생된 입력 변위 신호를 발생시키는 마스터 부재와,
   상기 입력 변위 신호에 근거하여 동작되고, 동작되는 동작 정보가 측정되고, 상기 동작 정보에 근거하여, 파지력을 계산하고, 상기 계산된 파지력에 근거하여 상기 마스터 부재에 강성 변화 명령 신호 및 역감 피드백 중 하나 이상을 제공하는 슬레이브 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 작동 겸자 조작 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 마스터 부재는,
   손가락에 접촉되어 일 방향으로 가압되는 버튼부와,
   상기 버튼부에 연결되고 상기 일 방향과 교차하는 방향으로 연장되도록 형성되어, 상기 손가락에 의한 가압에 의해 변형되는 변형막부와,
   전원 공급에 의해 수축되도록 변형되어 상기 변형막부를 원래 상태로 복원시키는 방향으로 동작하게 하는 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 작동 겸자 조작 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 마스터 부재는,
   상기 변형막부의 외측에 설치되어, 상기 변형막부를 지지하는 플렌지부와,
   상기 플렌지부와, 상기 변형막부에 각각 설치되고, 상기 와이어가 고정 설치되는 복수의 와이어 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 작동 겸자 조작 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 마스터 부재는, 중립 기저부를 사이에 두고 서로 대칭적으로 구비되고,
   상기 마스터 부재는,
   상기 중립 기저부에 인접하도록 배치된 변형막부의 일 면에 설치되고, 상기 변형막부의 변위를 센싱하여 상기 입력 변위 신호를 발생시키는 변위 센서와,
   상기 변위 센서와 이격되도록 배치되고, 상기 중립 기저부를 사이에 두고 다른 변형막부의 일 면에 설치되는 자석부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 작동 겸자 조작 장치.
   
5. 제2항 또는 제4항에 있어서,
   상기 마스터 부재는, 상기 버튼부에 설치되고, 손가락에 접촉되어 가압되는 힘을 센싱하는 힘 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 작동 겸자 조작 장치.
   
6. 제4항에 있어서,
   초기 상태에서, 버튼부를 가압하면 상기 변형막부가 탄성 변형되고, 상기 변형막부의 변위는 상기 변위 센서에 의해 측정되고, 상기 변형막부의 변위에 의해 상기 슬레이브 부재가 동작하는 것을 특징으로 하는 원격 작동 겸자 조작 장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 마스터 부재로부터 변위 또는 힘 정보를 제공받아 상기 슬레이브 부재의 그립력을 제어할 수 있고, 상기 슬레이브 부재로부터 변위 또는 힘 정보를 제공받아 상기 마스터 부재의 목표 강성을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 작동 겸자 조작 장치.
   
8. 제1항 또는 제7항에 있어서,
   상기 슬레이브 부재는,
   개폐 가능하도록 변형되는 파지부와,
   상기 파지부를 수용 가능하도록 형성되는 바디와,
   상기 바디에 회전 가능하도록 설치되어 상기 파지부의 양 측을 가압 또는 가압 해제 가능하게 하는 개폐부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 작동 겸자 조작 장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 바디에는 상기 개폐부재의 회전량을 측정하여 상기 파지부의 파지되는 정도를 측정 가능하게 하는 회전 변위 센서와,
   상기 개폐부재 및 상기 파지부의 사이에 배치되어 상기 개폐부재의 동작 동안에 파지력을 측정 가능하게 하는 힘 센싱 모듈이 설치되는 것을 특징으로 하는 원격 작동 겸자 조작 장치.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 바디에 구동력을 발생시키는 모터가 설치가 설치되고, 상기 모터 및 상기 파지부 사이에는 상기 파지부가 파지되는 구동력을 제공하도록 강선이 설치되는 것을 특징으로 하는 원격 작동 겸자 조작 장치.

Images