KR20220027465A

KR20220027465A - 수술용 마스터 로봇

Info

Publication number: KR20220027465A
Application number: KR1020200108353A
Authority: KR
Inventors: 최종도; 이유진; 이규민; 정경식
Original assignee: (주)미래컴퍼니
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2022-03-08
Also published as: KR102480814B1

Abstract

본 발명은 수술용 마스터 로봇에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 마스터 로봇은 적어도 하나 이상의 수술 도구를 포함하는 슬레이브 로봇을 조작하는 수술용 마스터 로봇으로서, 베이스와 연결되며, 제1 축으로 회전 가능한 제1 암, 상기 제1 암과 연결되며, 제2 축으로 회전 가능한 제2 암, 제3 축으로 회전 가능한 핸들 및 상기 제2 암과 상기 핸들을 연결하며, 제4 축으로 회전 가능한 제3 암을 포함하고, 사용자가 상기 핸들을 파지했을 때, 상기 제1 축과, 상기 제2 축과, 상기 제3 축의 교차점은 상기 사용자의 손목의 회전 중심과 일치한다.

Description

수술용 마스터 로봇{MASTER ROBOT FOR SURGERY}

본 발명은 수술용 마스터 로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사용자의 조작 편의성이 향상된 수술용 마스터 로봇에 관한 것이다.

수술 로봇은 의사가 직접 수행하는 수술 행위를 대신 수행할 수 있는 로봇을 말한다. 수술 로봇은 의사가 환자와 직접 대면하고 수술을 진행하는 것이 아니라 원격지에서 수술을 진행할 수 있고, 사람에 비해 정확하고 정밀한 동작을 피로 없이 수행할 수 있는 장점을 갖는다.

일반적으로 수술 로봇은 사용자(예를 들어 의사)가 직접 조작하는 마스터 콘솔(master console)과 슬레이브 로봇(slave robot)으로 구성된다. 사용자가 마스터 콘솔에 구비된 핸들을 조작하면, 슬레이브 로봇이 사용자의 조작에 대응되도록 움직이면서 수술이 수행된다.

사용자는 손가락으로 핸들을 파지하여 마스터 콘솔을 조작하는데, 종래의 수술 로봇은 사용자의 손목 회전축과 마스터 콘솔의 회전축이 일치하지 않는다. 이로 인해, 사용자의 조작에 따라 마스터 콘솔의 위치 및/또는 방향이 커플링(coupling)되거나, 사용자가 의도하지 않은 동작이 슬레이브 로봇에 발생될 수 있다.

특히, 봉합술(suturing)과 같은 세심한 수술 동작을 진행하는 과정에서, 마스터 콘솔에 작용하는 관성으로 인해 사용자의 손목에 피로가 누적되어, 수술을 장시간 진행하기 어렵게 만든다.

전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지 기술이라 할 수는 없다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 사용자의 손목에 가해지는 피로를 경감하고, 조작의 편의성과 정확성을 개선할 수 있는 수술용 로봇의 마스터 콘솔을 제공하는 것이다.

다만 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 마스터 로봇은 적어도 하나 이상의 수술 도구를 포함하는 슬레이브 로봇을 조작하는 수술용 마스터 로봇으로서, 베이스와 연결되며, 제1 축으로 회전 가능한 제1 암, 상기 제1 암과 연결되며, 제2 축으로 회전 가능한 제2 암, 제3 축으로 회전 가능한 핸들 및 상기 제2 암과 상기 핸들을 연결하며, 제4 축으로 회전 가능한 제3 암을 포함하고, 사용자가 상기 핸들을 파지했을 때, 상기 제1 축과, 상기 제2 축과, 상기 제3 축의 교차점은 상기 사용자의 손목의 회전 중심과 일치한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 마스터 로봇은 상기 제2 암의 회전 반경과 상기 제3 암의 회전 반경의 합은 상기 제1 암의 회전 반경보다 클 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 마스터 로봇은 상기 제1 암은 요축으로 회전하고, 상기 제2 암은 피치축으로 회전하고, 상기 제3 암은 롤축으로 회전하고, 상기 제4 축은 상기 교차점을 지나도록 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 마스터 로봇은 상기 제4 축은 상기 교차점을 지나지 않도록 상기 제2 축과 이격하여 평행하게 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 마스터 로봇은 상기 제1 암은 롤축으로 회전하고, 상기 제2 암은 피치축으로 회전하고, 상기 제3 암은 요축으로 회전하고, 상기 핸들은 상기 제4 축과 평행한 상기 제3 축으로 회전할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 마스터 로봇은 상기 제1 암은 롤축으로 회전하고, 상기 제2 암은 요축으로 회전하고, 상기 제3 암은 피치축으로 회전하고, 상기 핸들은 상기 교차점을 지나는 상기 제3 축으로 회전할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 마스터 로봇은 상기 제1 축과 상기 제3 축의 사잇각은 예각일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 마스터 로봇은 상기 수술 도구는 적어도 3개 이상의 회전축을 구비하고, 사용자가 상기 핸들을 조작했을 때, 상기 베이스에 대해 상기 제1 암과, 상기 제2 암과, 상기 제3 암이 회전하는 순서는 상기 수술 도구의 회전축이 구동하는 순서에 대응될 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.

본 발명에 따른 수술용 마스터 로봇은 마스터 로봇의 회전축과 사용자의 손목의 회전축을 일치시켜 수술 로봇 조작의 정밀성을 향상시키고 사용자의 손목 피로를 경감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇을 나타낸다.
도 3은 도 2의 마스터 로봇의 구성요소와 그 연결관계를 간략히 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마스터 로봇을 나타낸다.
도 5는 도 4의 마스터 로봇의 구성요소와 그 연결관계를 간략히 나타낸다.
도 6은 슬레이브 로봇에 구비되는 수술 도구를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마스터 로봇을 나타낸다.
도 8은 도 7의 마스터 로봇의 구성요소와 그 연결관계를 간략히 나타낸다.
도 9는 종래의 마스터 로봇을 나타낸다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시예로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.

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

이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.

어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 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 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템(1)을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 수술용 로봇 시스템(1)은 사용자(O)가 슬레이브 로봇(20)을 원격 조종하는 마스터 콘솔(10)과, 수술대(2)에 누워있는 환자(P)에게 수술을 행하는 슬레이브 로봇(20)을 포함한다. 또한, 수술용 로봇 시스템(1)은 비전 카트(30)를 포함할 수 있다.

마스터 콘솔(10)은 사용자(O)가 직접 조작하는 마스터 로봇(도 2의 100 참조)과, 수술 상태 및/또는 사용자(O)의 상태를 확인할 수 있는 디스플레이 장치(미도시)를 구비할 수 있다.

후술하는 바와 같이, 마스터 콘솔(10)은 사용자(O)가 조작할 수 있는 마스터 로봇(100)을 구비할 수 있다. 마스터 로봇(100)은 사용자(O)가 조작할 수 있도록 한 개 이상의 핸들(140)을 구비할 수 있다. 사용자(O)가 핸들(140)을 조작하면 그에 따른 조작 신호가 유선 또는 무선 통신망을 통해 슬레이브 로봇(20)으로 전송되어, 로봇 암(21)이 제어된다. 즉, 사용자(O)의 조작에 의해 로봇 암(21)의 위치 이동, 회전, 절단 작업 등의 수술 동작이 수행될 수 있다.

마스터 콘솔(10)의 상기 디스플레이 장치는 후술하는 슬레이브 로봇(20)의 수술 도구(23)를 통해 촬영되는 영상이 표시될 수 있다. 또한, 상기 디스플레이 장치에는 가상의 조작 패널이 수술 도구(23)를 통해 촬영되는 영상과 함께 표시되거나 독립적으로 표시될 수 있다.

상기 디스플레이 장치는 사용자(O)가 영상을 확인할 수 있는 다양한 형태로 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 디스플레이 장치는 하나 이상의 모니터로 구성될 수 있으며, 각각의 모니터에는 수술 시 필요한 정보들이 개별적으로 표시될 수 있다.

마스터 콘솔(10)은 슬레이브 로봇(20)과 반드시 물리적으로 분리되어야 하는 것은 아니며, 슬레이브 로봇(20)과 일체로 구성될 수 있다.

슬레이브 로봇(20)은 사용자(O)의 조작에 따른 마스터 콘솔(10)의 동작을 모사하여, 환자(P)에게 수술을 실시할 수 있다. 이를 위해 슬레이브 로봇(20)은 하나 이상의 로봇 암(21)을 포함할 수 있다. 로봇 암(21)은 인간의 팔 및/또는 손목과 유사한 기능을 가지고 있으며 손목 부위에 소정의 수술 도구(23)가 부착될 수 있다.

예를 들어, 슬레이브 로봇(20)의 로봇 암(21)은 3축 방향의 병진 및/또는 회전 운동이 가능하도록 다자유도를 가질 수 있다. 또한, 로봇 암(21)은 환자(P)의 수술 부위에 삽입되는 수술 도구(23)를 길이 방향으로 이동시키는 병진 구동부(미도시), 수술 도구(23)를 회전시키는 회전 구동부(미도시), 수술 도구(23)의 단부에 설치되어 수술 병변을 절개 또는 절단하는 수술 도구 구동부(미도시)를 포함할 수 있다. 다만, 이러한 구성은 예시이며, 로봇 암(21)의 구성은 이에 한정되지 않는다.

일 실시예로, 슬레이브 로봇(20)은 환자(P)를 수술하기 위하여 하나 이상 구비될 수 있다. 또한, 슬레이브 로봇(20)은 수술 부위를 화상 이미지로 표시하기 위한 별도의 디스플레이 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.

또한, 앞서 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 복강경 이외의 다양한 수술용 내시경(예를 들어, 흉강경, 관절경, 비경 등)이 이용되는 수술들에 범용적으로 사용될 수 있다.

비전 카트(30)는 마스터 콘솔(10)이나 슬레이브 로봇(20)과 떨어져 설치되고, 외부에서 수술 진행 상황을 확인할 수 있도록 표시부(31)를 구비할 수 있다.

표시부(31)에서 디스플레이되는 영상은 마스터 콘솔(10)의 상기 디스플레이 장치에서 표시되는 영상과 동일할 수 있다. 보조자(A)는 표시부(31)의 영상을 확인하면서, 사용자(O)의 수술 작업을 보조할 수 있다. 예를 들어, 보조자(A)는 수술의 진행 상태에 따라 수술 도구(23)를 수술 도구 카트(3)에서 교체할 수 있다.

제어부(40)는 마스터 콘솔(10), 슬레이브 로봇(20) 및 비전 카트(30)와 연결되어, 각각의 신호를 송수신할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇(100)을 나타내고, 도 3은 도 2의 마스터 로봇(100)의 구성요소와 그 연결관계를 간략히 나타낸다. 보다 구체적으로, 도 2 및 도 3은 사용자(O)가 마스터 로봇(100)에 대해 어떠한 조작도 가하지 않은 초기 위치에 있는 마스터 로봇(100)을 나타낼 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇(100)은 베이스(110)와, 제1 암(120)과, 제2 암(130)과, 핸들(140)과, 제3 암(150)을 포함할 수 있다.

베이스(110)는 일 방향으로 연장되며, 고정되거나 이동 또는 회전 가능한 상태로 배치될 수 있다. 도 2에는 베이스(110)가 Y축 방향으로 연장되는 것으로 나타냈으나 그 방향은 특별히 한정하지 않는다.

제1 암(120)은 베이스(110)와 연결되며, 제1 축(Ax1)으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 제1 암(120)은 일단(120a)이 베이스(110)의 일단(110a)과 연결된 상태에서, 제1 축(Ax1)을 중심으로 회전할 수 있다. 일 실시예로, 제1 축(Ax1)은 요축(Z축)일 수 있다.

제1 암(120)은 "L"자로 굽어진 형상을 가질 수 있으며, 제1 암(120)의 타단(120b)은 제2 암(130)과 연결될 수 있다.

제2 암(130)은 제1 암(120)과 연결되며, 제2 축(Ax2)으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 제2 암(130)은 일단(130a)이 제1 암(120)의 타단(120b)과 연결된 상태에서, 제2 축(Ax2)을 중심으로 회전할 수 있다. 일 실시예로, 제2 축(Ax2)은 피치축(X축)일 수 있다.

마찬가지로, 제2 암(130)은 "L"자로 굽어진 형상을 가질 수 있으며, 제2 암(130)의 타단(130b)은 제3 암(150)과 연결될 수 있다.

핸들(140)은 마스터 로봇(100)의 일측에 배치되며, 사용자(O)가 직접 파지하여 마스터 로봇(100)을 조작하는데 이용된다. 예를 들어, 도 2에 나타낸 바와 같이, 핸들(140)은 돌출부(141)와 돌출부(141)의 양측에 배치되는 한 쌍의 스트랩(142)을 포함할 수 있다. 사용자(O)는 검지와 엄지를 각각 한 쌍의 스트랩(142)에 끼운 상태에서 손목을 움직여 마스터 로봇(100)을 조작할 수 있다. 다만, 핸들(140)의 구조나 형상은 이에 한정하지 않으며, 핸들(140)은 조작 방식에 따라 다양한 구조를 가질 수 있다.

일 실시예로, 사용자(O)가 조작하지 않은 상태에서 한 쌍의 스트랩(142)은 돌출부(141)와 접촉 상태를 유지하며, 사용자(O)가 손가락을 끼운 상태에서 외측으로 힘을 주면 돌출부(141)를 중심으로 소정의 각도로 벌어질 수 있다.

핸들(140)은 제3 축(Ax3)으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 핸들(140)은 제3 암(150)의 타단(150b)과 연결된 상태에서, 제3 축(Ax3)을 중심으로 회전할 수 있다. 일 실시예로, 제3 축(Ax3)은 롤축(Y축)일 수 있다.

이와 같은 구성을 통해 사용자(O)가 핸들(140)을 조작함에 따라, 제1 암(120)과, 제2 암(130)과, 핸들(140)의 움직임에 의한 마스터 로봇(100)의 3축 방향으로의 움직임이 구현될 수 있다.

제3 암(150)은 제1 암(120)과, 제2 암(130)과, 핸들(140)에 의해 구현되는 마스터 로봇(100)의 3축 방향으로의 움직임에 더하여, 마스터 로봇(100)에 여유 자유도(redundancy)를 부여할 수 있다. 제3 암(150)은 제2 암(130)과 핸들(140)을 연결하며, 제4 축(Ax4)으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 제3 암(150)은 일단(150a)이 제2 암(130)의 타단(130b)과 연결되고, 타단(150b)이 핸들(140)과 연결된 상태에서, 제4 축(Ax4)을 중심으로 회전할 수 있다.

일 실시예로, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 마스터 로봇(100)의 초기 위치에서 제4 축(Ax4)은 제1 축(Ax1)과 평행하게 배치될 수 있다.

도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇(100)은 사용자(O)가 핸들(140)을 파지했을 때, 제1 암(120)의 제1 축(Ax1)과, 제2 암(130)의 제2 축(Ax2)과, 핸들(140)의 제3 축(Ax3)의 교차점(C1)은 사용자(O)의 손목의 회전 중심(R1)과 일치할 수 있다.

보다 구체적으로, 사람의 손목 관절은 피치 운동, 요 운동, 롤 운동이 가능하도록 3축 방향으로 회전할 수 있다. 그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇(100)과 같이, 수술용 로봇 등 인간의 동작과 유사한 동작을 제공하는 매니퓰레이터(manipulator)는 일반적으로 사람의 손목 관절 동작을 모사하기 위해 3축 이상의 회전 운동을 구현할 수 있도록 구성된다.

그런데 도 9에 나타낸 바와 같이, 종래의 수술용 마스터 로봇(M)은 마스터 로봇(M)을 구성하는 각각의 암의 회전축이 교차하는 점(C2)은 사용자 손목의 회전 중심(R2)과 어긋나도록 배치된다. 이에 따라, 핸들과 연결되며 요축 방향으로 회전하는 암의 길이가 지나치게 짧아 충분한 회전 반경을 확보할 수 없게 된다. 그리고 사용자 손목의 회전 중심(R2)은 교차점(C2)에 대해 요축과 수직인 롤축 방향으로 과도하게 이격된다.

이로 인해, 사용자가 손목의 회전 중심(R2)과 마스터 로봇(M)의 교차점(C2)이 어긋난 상태에서 조작을 하는 과정에서, 마스터 로봇(M)의 위치 및/또는 방향이 커플링(coupling)되고, 슬레이브 로봇에 의도하지 않는 동작이 발생될 수 있다. 또한, 사용자의 손목에 과도한 피로가 누적될 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇(100)은 제1 암(120)의 제1 축(Ax1)과, 제2 암(130)의 제2 축(Ax2)과, 핸들(140)의 제3 축(Ax3)의 교차점(C1)은 사용자(O)의 손목의 회전 중심(R1)과 일치하도록 배치된다.

이에 따라, 사용자(O)가 장시간 마스터 로봇(100)을 사용하더라도 손목에 가해지는 피로를 경감할 수 있고, 마스터 로봇(100) 자체의 관성이 사용자의 손목에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 또한, 마스터 로봇(100)의 각각의 암들의 위치 및/또는 방향이 커플링되는 것을 방지하여, 슬레이브 로봇(20)에 의도치 않은 움직임이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

일 실시예로, 제2 암(130)의 회전 반경과 제3 암(150)의 회전 반경의 합은 제1 암(120)의 회전 반경보다 클 수 있다.

보다 구체적으로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 암(120)은 제1 축(Ax1)을 중심으로 회전 반경 r1의 원을 그리며 회전할 수 있다. 또한, 제2 암(130)은 제2 축(Ax2)을 중심으로 회전 반경 r2의 원을 그리며 회전할 수 있다. 또한, 제3 암(150)은 제4 축(Ax4)을 중심으로 회전 반경 r4의 원을 그리며 회전할 수 있다. 그리고 r2 + r4 > r1를 만족할 수 있다.

이에 따라, 제1 암(120)의 제1 축(Ax1), 즉 요축 방향으로 가동 범위를 충분히 확보하면서, 제1 암(120)의 제1 축(Ax1)과, 제2 암(130)의 제2 축(Ax2)과, 핸들(140)의 제3 축(Ax3)의 교차점(C1)을 사용자(O)의 손목의 회전 중심(R1)과 일치하도록 배치할 수 있다.

일 실시예로, 여유 조인트인 제3 암(150)의 제4 축(Ax4)도 제1 축(Ax1)과, 제2 축(Ax2)과, 제3 축(Ax3)의 교차점(C1)을 지나도록 배치될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇(100)은 여유 조인트를 포함하는 모든 암의 회전축이 사용자(O)의 손목의 회전 중심(R1)을 지나도록 배치될 수 있다.

다른 실시예로, 제4 축(Ax4)은 교차점(C1)을 지나지 않도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 암(130)은 X축 방향으로 보다 길게 연장되며, 제3 암(150)은 제2 암(130)의 타단(130b)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 제3 암(150)의 제4 축(Ax4)은 초기 위치에서 제1 암(120)의 제1 축(Ax1)과 일치하지 않으며, 제4 축(Ax4)은 교차점(C1)을 지나지 않을 수 있다.

또는, 제3 암(150)은 제2 암(130)의 단부가 아니라 그로부터 내측으로 이격된 위치에서 연결될 수 있다. 즉, 제3 암(150)이 제2 암(130)의 타단(130b)에 연결되는 것이 아니라, -X축 방향으로 보다 이격하여 제2 암(130)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 제3 암(150)의 제4 축(Ax4)은 초기 위치에서 제1 암(120)의 제1 축(Ax1)과 일치하지 않으며, 제4 축(Ax4)은 교차점(C1)을 지나지 않을 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마스터 로봇(100A)을 나타내고, 도 5는 도 4의 마스터 로봇(100A)의 구성요소와 그 연결관계를 간략히 나타낸다.

도 4에 나타낸 마스터 로봇(100A)은 전술한 실시예의 마스터 로봇(100)과 비교했을 때, 암의 연결, 동작 및 배치 관계가 일부 상이할 수 있다. 마스터 로봇(100A)의 나머지 구성은 마스터 로봇(100)의 구성과 동일할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 전술한 실시예의 마스터 로봇(100)의 구성은 본 실시예에 따른 마스터 로봇(100A)의 구성과 상충 또는 모순되지 않는 범위에서 그대로 포함될 수 있다.

마스터 로봇(100A)의 제1 암(120)은 베이스(110)와 연결되며, 제1 축(Ax1)으로 회전할 수 있다. 일 실시예로, 제1 축(Ax1)은 롤축(Y축)일 수 있다. 또한, 제1 암(120)은 베이스(110)에서 제2 암(130)으로 연장되며, 적어도 1회 이상 절곡된 형상을 가질 수 있다.

제2 암(130)은 제1 암(120)과 연결되며, 제2 축(Ax2)으로 회전할 수 있다. 일 실시예로, 제2 축(Ax2)은 피치축(X축)일 수 있다.

제3 암(150)은 제2 암(130)과 핸들(140)을 연결하며, 제4 축(Ax4)으로 회전할 수 있다. 일 실시예로, 제4 축(Ax4)은 요축(Z축)일 수 있다.

핸들(140)은 제3 축(Ax3)으로 회전할 수 있다. 일 실시예로, 제3 축(Ax3)은 제4 축(Ax4)과 평행하게 배치될 수 있다.

즉, 전술한 실시예의 마스터 로봇(100)과 달리, 마스터 로봇(100A)에서 핸들(140)의 제3 축(Ax3)은 마스터 로봇(100A)에 여유 자유도를 부여하기 위한 축으로 기능할 수 있다.

이와 같이, 핸들(140)의 제3 축(Ax3)이 요축인 제4 축(Ax4)과 평행하게 배치되고, 여유 조인트(redundant joint)로 기능함으로써 사용자(O)의 조작 편의성을 향상시킬 수 있다. 특히, 사람의 손목은 요축 방향으로의 가동 범위가 다른 방향으로의 가동 범위보다 훨씬 크기 때문에, 요축으로 회전 가능한 여유 조인트를 추가로 구비함으로써, 사용자(O)의 조작 편의성을 향상시킬 수 있다.

일 실시예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇(100A)은 제1 암(120)의 제1 축(Ax1)과, 제2 암(130)의 제2 축(Ax2)과, 제3 암(150)의 제4 축(Ax4)의 교차점(C1)은 사용자(O)의 손목의 회전 중심(R1)과 일치하도록 배치된다.

이에 따라, 사용자(O)가 장시간 마스터 로봇(100A)을 사용하더라도 손목에 가해지는 피로를 경감할 수 있고, 마스터 로봇(100A) 자체의 관성이 사용자의 손목에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 또한, 마스터 로봇(100A)의 각각의 암들의 위치 및/또는 방향이 커플링되는 것을 방지하여, 슬레이브 로봇(20)에 의도치 않은 움직임이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

일 실시예로, 핸들(140)의 제3 축(Ax3)은 교차점(C1)과 어긋나도록 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 핸들(140)의 제3 축(Ax3)은 제3 암(150)의 제4 축(Ax4)과 평행하게 배치되되, 그로부터 이격하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 제3 축(Ax3)은 교차점(C1)을 지나지 않게 된다.

한편, 전술한 바와 같이, 마스터 로봇(100A)에서 베이스(110)와 직결되는 제1 암(120)은 롤축(Y축)인 제1 축(Ax1)으로 회전하고, 제1 암(120)과 연결되는 제2 암(130)은 피치축(X축)인 제2 축(Ax2)으로 회전하고, 제2 암(130)과 연결되는 제3 암(150)과, 제3 암(150)과 연결되는 핸들(140)은 각각 요축(Z축)인 제4 축(Ax4)과 제3 축(Ax3)으로 회전할 수 있다. 이에 따라, 사용자(O)가 핸들(140)을 조작하면, 베이스(110)에 대해 각각의 암들은 롤축-피치축-요축 순서대로 구동될 수 있다.

또한, 도 1 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 마스터 로봇(100A)에 의해 구동되는 슬레이브 로봇(20)의 수술 도구(23)는 마스터 로봇(100A)에 대응되는 복수 개의 회전축을 구비할 수 있다.

예를 들어, 수술 도구(23)는 슬레이브 로봇(20)의 로봇 암(21)의 단부와 연결되는 연결부(21a)와, 연결부(21a)에 소정의 방향으로 회전 가능하도록 연결되는 회전부(21b)와, 회전부(21b)에 다른 방향으로 회전 가능하도록 연결되는 그립부(21c)를 포함할 수 있다.

그리고 마스터 로봇(100A)의 동작에 의해, 수술 도구(23) 기준 좌표계에서 연결부(21a)는 롤축 방향으로, 회전부(21b)는 피치축 방향으로, 그립부(21c)는 요축 방향으로 순서대로 회전할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇(100A)은 각각의 암들의 구동 순서를 슬레이브 로봇(20)의 수술 도구(23)의 구동 순서와 일치시켜, 직관적이고 용이한 조작을 가능하게 한다.

특히, 도 4 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 핸들(140)의 제3 축(Ax3)은 제3 암(150)의 제4 축(Ax4)에 대해 일 방향으로 소정의 거리만큼 이격하여 배치되며, 이는 요축 방향으로 회동하는 그립부(21c)가 연결부(21a) 및 회전부(21b)의 회전축의 교차점(C3)에서 이격하여 배치되는 구성에 대응될 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇(100A)은 각각의 암들의 배치 관계 및 구동 관계에 관한 구성을 수술 도구(23)의 회전 조인트의 배치 관계 및 구동 관계에 관한 구성에 대응시켜, 사용자(O)가 직관적으로 마스터 로봇(100A)을 용이하게 조작할 수 있도록 한다.

도 4 내지 도 6에는 마스터 로봇(100A)과 수술 도구(23)가 롤축-피치축-요축 방향의 순서대로 구동되는 것으로 나타냈으나, 이에 한정하지 않는다. 마스터 로봇(100A)과 수술 도구(23)의 구동 순서는 적절히 선택될 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마스터 로봇(100B)을 나타내고, 도 8은 도 7의 마스터 로봇(100B)의 구성요소와 그 연결관계를 간략히 나타낸다.

도 7에 나타낸 마스터 로봇(100B)은 전술한 실시예의 마스터 로봇(100)과 비교 했을 때, 암의 연결, 동작 및 배치 관계가 일부 상이할 수 있다. 마스터 로봇(100B)의 나머지 구성은 마스터 로봇(100)의 구성과 동일할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 전술한 실시예의 마스터 로봇(100, 100A)의 구성은 본 실시예에 따른 마스터 로봇(100B)의 구성과 상충 또는 모순되지 않는 범위에서 그대로 포함될 수 있다.

마스터 로봇(100B)의 제1 암(120)은 베이스(110)와 연결되며, 제1 축(Ax1)으로 회전할 수 있다. 일 실시예로, 제1 축(Ax1)은 롤축(Y축)일 수 있다.

제2 암(130)은 제1 암(120)과 연결되며, 제2 축(Ax2)으로 회전할 수 있다. 일 실시예로, 제2 축(Ax2)은 요축(Z축)일 수 있다.

제3 암(150)은 제2 암(130)과 핸들(140)을 연결하며, 제4 축(Ax4)으로 회전할 수 있다. 일 실시예로, 제4 축(Ax4)은 피치축(X축)일 수 있다.

핸들(140)은 제3 축(Ax3)으로 회전할 수 있다. 일 실시예로, 제3 축(Ax3)은 제1 축(Ax1), 제2 축(Ax2) 및 제4 축(Ax4) 중 어느 축과도 평행하지 않도록 배치될 수 있다.

즉, 전술한 실시예의 마스터 로봇(100)과 달리, 마스터 로봇(100B)에서 핸들(140)의 제3 축(Ax3)은 마스터 로봇(100B)에 여유 자유도를 부여하기 위한 축으로 기능할 수 있다.

일 실시예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇(100B)은 제1 암(120)의 제1 축(Ax1)과, 제2 암(130)의 제2 축(Ax2)과, 제3 암(150)의 제4 축(Ax4)의 교차점(C1)은 사용자(O)의 손목의 회전 중심(R1)과 일치하도록 배치된다. 이에 따라, 사용자(O)가 장시간 마스터 로봇(100A) 사용하더라도 손목에 가해지는 피로를 경감할 수 있고, 마스터 로봇(100A) 자체의 관성이 사용자의 손목에 미치는 영향을 줄일 수 있다.

일 실시예로, 핸들(140)의 제3 축(Ax3)은 교차점(C1)을 지나도록 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 핸들(140)의 제3 축(Ax3)은 제1 축(Ax1)과, 제2 축(Ax2)과, 제4 축(Ax4)의 교차점(C1)을 지나되, 제1 축(Ax1)과, 제2 축(Ax2)과, 제4 축(Ax4) 중 어느 축과도 평행하지 않도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제3 축(Ax3)은 제1 축(Ax1)과 소정의 각도(θ)를 이루도록 배치될 수 있다. 일 실시예로, 각도(θ)는 예각일 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇(100B)의 여유 조인트를 포함하는 암들의 회전축 전부는 하나의 교차점(C1)을 지나도록 배치될 수 있다. 또한, 교차점(C1)은 사용자(O)의 손목의 회전 중심(R1)과 일치하도록 배치될 수 있다.

이에 따라, 사용자(O)가 장시간 마스터 로봇(100B)을 사용하더라도 손목에 가해지는 피로를 더욱 경감할 수 있고, 마스터 로봇(100B) 자체의 관성이 사용자의 손목에 미치는 영향을 더욱 줄일 수 있다. 또한, 마스터 로봇(100B)의 각각의 암들의 위치 및/또는 방향이 커플링되는 것을 방지하여, 슬레이브 로봇(20)에 의도치 않은 움직임이 발생하는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

이와 같이 도면에 도시된 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 충분히 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 기초하여 정해져야 한다.

실시예에서 설명하는 특정 기술 내용은 일 실시예들로서, 실시예의 기술 범위를 한정하는 것은 아니다. 발명의 설명을 간결하고 명확하게 기재하기 위해, 종래의 일반적인 기술과 구성에 대한 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재는 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로 표현될 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.

발명의 설명 및 청구범위에 기재된 "상기" 또는 이와 유사한 지시어는 특별히 한정하지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 지칭할 수 있다. 또한, 실시 예에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 또한, 실시예에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 실시예들이 한정되는 것은 아니다. 실시예에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 실시예를 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상, 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시예의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.

1: 수술용 로봇 시스템
10: 마스터 콘솔
20: 슬레이브 로봇
30: 비전 카트
40: 제어부
100: 마스터 로봇

Claims

적어도 하나 이상의 수술 도구를 포함하는 슬레이브 로봇을 조작하는 수술용 마스터 로봇으로서,
베이스와 연결되며, 제1 축으로 회전 가능한 제1 암;
상기 제1 암과 연결되며, 제2 축으로 회전 가능한 제2 암;
제3 축으로 회전 가능한 핸들; 및
상기 제2 암과 상기 핸들을 연결하며, 제4 축으로 회전 가능한 제3 암;을 포함하고,
사용자가 상기 핸들을 파지했을 때, 상기 제1 축과, 상기 제2 축과, 상기 제3 축의 교차점은 상기 사용자의 손목의 회전 중심과 일치하는, 수술용 마스터 로봇.
제1 항에 있어서,
상기 제2 암의 회전 반경과 상기 제3 암의 회전 반경의 합은 상기 제1 암의 회전 반경보다 큰, 수술용 마스터 로봇.
제1 항에 있어서,
상기 제1 암은 요축으로 회전하고,
상기 제2 암은 피치축으로 회전하고,
상기 제3 암은 롤축으로 회전하고,
상기 제4 축은 상기 교차점을 지나도록 배치되는 수술용 마스터 로봇.
제1 항에 있어서,
상기 제4 축은 상기 교차점을 지나지 않도록 상기 제2 축과 이격하여 평행하게 배치되는, 수술용 마스터 로봇.
제1 항에 있어서,
상기 제1 암은 롤축으로 회전하고,
상기 제2 암은 피치축으로 회전하고,
상기 제3 암은 요축으로 회전하고,
상기 핸들은 상기 제4 축과 평행한 상기 제3 축으로 회전하는, 수술용 마스터 로봇.
제1 항에 있어서,
상기 제1 암은 롤축으로 회전하고,
상기 제2 암은 요축으로 회전하고,
상기 제3 암은 피치축으로 회전하고,
상기 핸들은 상기 교차점을 지나는 상기 제3 축으로 회전하는, 수술용 마스터 로봇.
제1 항에 있어서,
상기 제1 축과 상기 제3 축의 사잇각은 예각인, 수술용 마스터 로봇.
제1 항에 있어서,
상기 수술 도구는 적어도 3개 이상의 회전축을 구비하고,
사용자가 상기 핸들을 조작했을 때, 상기 베이스에 대해 상기 제1 암과, 상기 제2 암과, 상기 제3 암이 회전하는 순서는 상기 수술 도구의 회전축이 구동하는 순서에 대응되는, 수술용 마스터 로봇.