KR20220148563A

KR20220148563A - 다자유도 초정밀 조작장치

Info

Publication number: KR20220148563A
Application number: KR1020210055782A
Authority: KR
Inventors: 송철; 임진택; 백지연
Original assignee: 재단법인대구경북과학기술원
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2021-04-29
Publication date: 2022-11-07
Also published as: KR102576237B1

Abstract

본 발명은, 미세 수술 과정을 도우는 매니퓰레이터를 포함하되, 상기 매니퓰레이터는, 하우징과, 상기 하우징의 내부에 수용되는 제1작동부 및 제2작동부와, 상기 제1,2작동부의 하측에 연결되는 제3작동부와, 상기 제3작동부의 하부에 연결되며, 대상물로 인접되는 수술도구를 포함하되, 상기 제1작동부와 제2작동부는, 상기 수술도구를 상기 하우징의 축방향을 따라 이동시켜, 대상물과 상기 수술도구 단부와의 거리와 각도를 조정하며, 상기 제3작동부는, 상기 수술도구를 상기 하우징의 반경방향을 따라 이동시켜, 상기 수술도구가 대상물로 이동되도록 하는 다자유도 초정밀 조작장치를 제공한다.
본 발명에 따른 다자유도 초정밀 조작장치에 따르면, 대상물과 수술도구의 단부와의 거리를 조정하는 제1,2모터를 구비한 제1,2작동부와, 제1,2작동부의 하측에 연결되고 수술도구를 하우징의 반경방향을 따라 이동시켜 대상물과 수술도구가 이루는 각도를 조정하는 제3모터를 구비한 제3작동부를 구비함으로써, 종래에 1자유도로 매니퓰레이터를 제어하던 것과 비교하였을 때 본 발명은 3자유도로 제어가 가능하며, 사용자의 손떨림에도 불구하고 정밀한 제어가 가능하고, 대상물과 수술도구의 단부와의 거리와 대상물과 수술도구의 각도를 목적하는 바에 맞게 최적으로 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 매니퓰레이터를 사용자가 사용하고자 하는 경우 손에 쥘 수 있는 크기로 제작이 되어 사용자의 작업 편의성을 향상시킬 수 있다.
게다가, 본 발명에 의하면, 수술도구를 통해 대상물로 레이저를 조사하는 광원부와, 대상물과 매니퓰레이터를 촬영하는 촬영부로부터 데이터를 수신하여 제1,2,3모터를 제어하는 제어부를 통해, 수술도구의 대상물의 삽입 목적지점을 기준으로 수술도구의 단부의 좌표를 산출이 가능하며, 수술도구와 대상물의 이동되어야 하는 거리를 정확하게 파악을 가능하게 한다.
따라서 본 발명에 따른 다자유도 초정밀 조작장치에 따르면, 사용자의 손 떨림 현상을 발생을 줄이고 대상물과 수술도구의 단부와의 거리와 대상물과 수술도구의 각도를 자유롭게 조절하며, 수술도구가 대상물로부터 이동되어야 하는 거리를 정확하게 파악이 가능하여 작업 시 사용자에게 편의성을 제공한다.

Description

다자유도 초정밀 조작장치{Multi-degree of freedom ultra-precision operation device}

본 발명은 다자유도 초정밀 조작장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안구의 망막으로 삽입되어 목적하는 망막 층으로 물질을 주입하는 다자유도 초정밀 조작장치에 관한 것이다.

일반적으로, 광결맞음 단층 촬영법(OCT; Optical Coherence Tomography)은, 황반부와 황반 주변부의 망막 및 시신경 유두, 신경 섬유층의 단층분석 횡단면을 고해상도로 나타냄으로써, 망막 및 맥락막 질환의 평가 및 녹내장의 조기 진단에 이용되는 기법이다.

이와 같은 광결맞음 단층 촬영 이후에는, 조작장치에 구비된 수술도구 망막에 삽입하여 원하는 망막 층에 물질을 주입하게 된다. 이때, 수술도구가 망막에 삽입될 시에 수술도구가 망막의 표면에 대해 90도를 이루는 경우는 거의 없으며 예각 주입이 이루어지는 경우가 대부분이다

하지만 종래의 조작장치에 의하면 망막의 표면과 수술도구가 이루는 각도를 정확하제 알지 못한 상태에서 망막층의 물질을 주입하는 작업을 하다 보니 사용자가 작업 시에 손떨림 현상이 심하게 나타나게 되어 오차가 심하게 발생하게 되는 경우가 많아지게 되며 이에 따라 망막의 손상률이 높아지게 된다.

대한민국 등록특허 제10-2076907호(발명의 명칭 : 로봇 매니퓰레이터)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서 사용자가 조작장치를 사용하여 작업 시에 손 떨림 현상을 발생을 줄이고 정밀한 제어가 가능하게 하는 다자유도 초정밀 조작장치를 제공하고자 하는데 목적이 있다.

본 발명은, 미세 수술 과정을 도우는 매니퓰레이터를 포함하되, 상기 매니퓰레이터는, 하우징과, 상기 하우징의 내부에 수용되는 제1작동부 및 제2작동부와, 상기 제1,2작동부의 하측에 연결되는 제3작동부와, 상기 제3작동부의 하부에 연결되며, 대상물로 인접되는 수술도구를 포함하되, 상기 제1작동부와 제2작동부는, 상기 수술도구를 상기 하우징의 축방향을 따라 이동시켜, 대상물과 상기 수술도구 단부와의 거리와 각도를 조정하며, 상기 제3작동부는, 상기 수술도구를 상기 하우징의 반경방향을 따라 이동시켜, 상기 수술도구가 대상물로 이동되도록 하는 다자유도 초정밀 조작장치를 제공한다.

상기 제1작동부와 제2작동부는, 상기 하우징의 반경방향을 따라 배치된다.

상기 제1작동부는, 제1모터와, 상기 제1모터에 상기 하우징의 축방향을 따라 이동 가능하게 설치되는 제1이동부재와, 상기 제1이동부재의 하단에 회전 가능하게 설치되며, 하단이 상기 제3작동부에 연결되는 제1링크부재를 포함하며, 상기 제2작동부는, 제1모터와 인접하게 배치되는 제2모터와, 상기 제2모터에 상기 하우징의 축방향을 따라 이동 가능하게 설치되며, 상기 제1이동부재와 이격 배치되는 제2이동부재와, 상기 제2이동부재의 하단에 회전 가능하게 설치되며, 상기 제1링크부재와 이격 배치되고, 하단이 상기 제3작동부에 연결되는 제2링크부재를 포함한다.

상기 제3작동부는, 상기 수술도구가 하단에 연결되는 제3모터와, 상기 제1,2링크부재의 하단이 양 단부에 각각 회전 가능하게 설치되며, 상기 제3모터가 이동 가능하게 설치되는 지지부재를 포함한다.

상기 매니퓰레이터는, 중력방향에 대해 상기 하우징이 기울어진 정도를 측정하는 제1각도센서와, 중력방향에 대해 상기 수술도구가 기울어진 정도를 측정하는 제2각도센서를 더 포함한다.

상기 제1각도센서는, 상기 제1,2작동부의 상측에 설치되며 상기 제2각도센서는, 상기 제3작동부와 인접하게 설치되어 상기 제3작동부와 동시에 구동된다.

상기 수술도구를 통해 대상물로 레이저를 조사하며, 대상물로부터 반사된 레이저를 통해 대상물과 상기 수술도구 사이의 거리를 측정하는 광원부와, 대상물과 상기 매니퓰레이터를 촬영하는 촬영부와, 상기 광원부와 촬영부로부터 데이터를 수신하며, 전달받은 데이터에 기초하여 상기 제1 내지 제3작동부를 제어하는 제어부를 더 포함한다.

상기 제어부는, 상기 수술도구가 삽입되어야 하는 대상물의 삽입 목적지점을 기준으로, 상기 수술도구의 단부의 좌표를 산출한다.

본 발명에 따른 다자유도 초정밀 조작장치에 따르면, 대상물과 수술도구의 단부와의 거리를 조정하는 제1,2모터를 구비한 제1,2작동부와, 제1,2작동부의 하측에 연결되고 수술도구를 하우징의 반경방향을 따라 이동시켜 대상물과 수술도구가 이루는 각도를 조정하는 제3모터를 구비한 제3작동부를 구비함으로써, 종래에 1자유도로 매니퓰레이터를 제어하던 것과 비교하였을 때 본 발명은 3자유도로 제어가 가능하며, 사용자의 손떨림에도 불구하고 정밀한 제어가 가능하고, 대상물과 수술도구의 단부와의 거리와 대상물과 수술도구의 각도를 목적하는 바에 맞게 최적으로 조절할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 매니퓰레이터를 사용자가 사용하고자 하는 경우 손에 쥘 수 있는 크기로 제작이 되어 사용자의 작업 편의성을 향상시킬 수 있다.

게다가, 본 발명에 의하면, 수술도구를 통해 대상물로 레이저를 조사하는 광원부와, 대상물과 매니퓰레이터를 촬영하는 촬영부로부터 데이터를 수신하여 제1,2,3모터를 제어하는 제어부를 통해, 수술도구의 대상물의 삽입 목적지점을 기준으로 수술도구의 단부의 좌표를 산출이 가능하며, 수술도구와 대상물의 이동되어야 하는 거리를 정확하게 파악을 가능하게 한다.

따라서 본 발명에 따른 다자유도 초정밀 조작장치에 따르면, 사용자의 손 떨림 현상을 발생을 줄이고 대상물과 수술도구의 단부와의 거리와 대상물과 수술도구의 각도를 자유롭게 조절하며, 수술도구가 대상물로부터 이동되어야 하는 거리를 정확하게 파악이 가능하여 작업 시 사용자에게 편의성을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 다자유도 초정밀 조작장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 매니퓰레이터를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 대상물의 삽입 목적지점을 기준으로, 수술도구의 단부의 좌표를 산출하는 형상을 도시한 도면이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면 본 발명에 따른 다자유도 초정밀 조작장치(100)는 매니퓰레이터(110), 수술도구(120), 제1작동부(130) 및 제2작동부(140), 제3작동부(150)를 포함한다.

상기 매니퓰레이터(110)는 대상물(114)로 물질(미도시)을 주입한다.

여기서, 상기 대상물(114)과 상기 물질은 사람의 망막과 이에 주입하는 물질이 될 수 있으나 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.

그리고 상기 매니퓰레이터(110)는 상기 대상물(114)과 일정거리를 두고 배치가 되고 사용자가 손에 쥘 수 있는 크기로 제작이 되어 사용자의 작업 편의성을 향상시킬 수 있다.

상기 수술도구(120)는 상기 매니퓰레이터(110)의 하우징(111) 내부에 이동가능하게 설치되며 상기 물질이 흡입되어 상기 대상물(114)로 주입되도록 한다.

상기 제1,2작동부(130,140)는 상기 하우징(111)의 내부에 반경방향을 따라 배치되어 상기 수술도구(120)를 상기 하우징(111)의 축방향을 따라 이동시켜 상기 대상물(114)과 상기 수술도구(120)의 단부와의 거리와 각도를 조정한다.

상기 제3작동부(150)는, 상기 제1,2작동부(130,140)의 하측에 연결되며 상기 대상물(114)로 물질을 주입하는 상기 수술도구(120)와 결합된다.

여기서, 상기 제3작동부(150)는 상기 수술도구(120)를 상기 하우징(111)의 반경방향을 따라 이동시켜, 상기 수술도구(120)가 상기 대상물(114)로 이동되도록 하는 역할을 한다.

이하부터는 상기 하우징(111)에 배치되어 상기 대상물(114)과 상기 수술도구(120)의 단부와의 거리를 조정하는 상기 제1작동부(130) 및 상기 제2작동부(140)와, 상기 대상물(114)과 상기 수술도구(120)가 이루는 각도를 조정하도록 하는 상기 제3작동부(150)의 형상에 대해서 보다 상세하게 설명하도록 한다.

상기 제1작동부(130)는, 상기 하우징(111) 내부에 배치되는 제1모터(131)와, 상기 제1모터(131)에 상기 하우징(111)의 축방향을 따라 이동 가능하게 설치되는 제1이동부재(132)와, 상기 제1이동부재(132)의 하단에 회전 가능하게 설치되며, 하단이 상기 제3작동부(150)에 연결되는 제1링크부재(133)를 포함한다.

상기 제2작동부(140)는, 제1모터(131)와 인접하게 배치되는 제2모터(141)와, 상기 제2모터(141)에 상기 하우징(111)의 축방향을 따라 이동 가능하게 설치되며, 상기 제1이동부재(132)와 이격 배치되는 제2이동부재(142)와, 상기 제2이동부재(142)의 하단에 회전 가능하게 설치되며, 상기 제1링크부재(133)와 이격 배치되고, 하단이 상기 제3작동부(150)에 연결되는 제2링크부재(143)를 포함한다.

그리고 상기 제1,2작동부(130,140)의 하측에 연결되는 상기 제3작동부(150)는, 상기 수술도구(120)의 하단에 연결되는 제3모터(151)와, 상기 제1,2링크부재(133,143)의 하단이 양 단부에 각각 회전 가능하게 설치되며, 상기 제3모터(151)가 이동 가능하게 설치되는 지지부재(152)를 포함한다.

이때 상기 제1,2이동부재(132,142)와 상기 지지부재(152)는 도면에 도시된 바와 같이 직육면체 막대 형상으로 구비될 수 있고 상기 제1,2,3모터(131,141,151)는 선형모터, 회전 모터 중 어느 하나로 구비될 수 있으나 반드시 이에 한정하는 것은 아님은 물론이다.

부가적으로 상기 제1,2작동부(130,140)의 상측과 상기 제3작동부(150)와 결합되어 상기 매니퓰레이터(110)의 상기 하우징(111)내부에 중력방향에 대해 상기 하우징(111)의 기울어진 정도를 측정하도록 제1각도센서(112)와 제2각도센서(113)를 더 포함한다.

즉, 이와 같이 상기 제1작동부(130)와 상기 제2작동부(140) 및 상기 제3작동부(150)에 상기 제1모터(131) 내지 상기 제3모터(151)가 사용되기에 3자유도로 제어가 가능하여 사용자가 사용 시에 손떨림에도 불구하고 정밀한 제어가 가능하다. 또한, 상기 매니퓰레이터(110)의 상기 하우징(111)내부에 상기 제1,2각도센서(112,113)를 통해 상기 하우징(111)내부에 중력방향에 대해 상기 하우징(111)의 기울어진 정도가 측정되기에 상기 매니퓰레이터(110)에서 상기 대상물(114)과 상기 수술도구(120)의 단부와의 알맞은 거리와 상기 대상물(114)과 상기 수술도구(120)의 각도를 목적하는 바에 맞게 최적으로 조절하도록 한다.

따라서 사용자가 상기 매니퓰레이터(110)로부터 상기 대상물(114)에 물질을 주입하고자 하는 경우 정밀한 작업을 가능하게 한다.

한편, 본 발명에 따른 다자유도 초정밀 조작장치(100)는 상기 수술도구(120)와 상기 대상물(114)의 알맞은 거리를 조정하기 위한 광원부(160), 촬영부(170), 제어부(180)를 더 포함한다.

상기 광원부(160)는 상기 수술도구(120)를 통해 상기 대상물(114)로 레이저를 조사하며, 상기 대상물(114)로부터 반사된 상기 레이저를 통해 상기 대상물(114)과 상기 수술도구(120) 사이의 거리를 측정한다.

여기서, 상기 광원부(160)의 레이저는 1060nm 이상 1310nm이하의 Swept soucrce를 사용한다.

상기 촬영부(170)는 상기 대상물(114)과 상기 매니퓰레이터(110)를 촬영한다.

상기 제어부(180)는 상기 광원부(160)와 상기 촬영부(170)로부터 데이터를 수신하며, 전달받은 데이터에 기초하여 상기 제3작동부(150)를 제어한다.

여기서, 상기 제어부(180)는 상기 수술도구(120)가 삽입되어야 하는 상기 대상물(114)의 삽입 목적지점을 기준으로, 상기 수술도구(120)의 단부의 좌표(T)를 산출한다.

도 3에서는 상기 제어부(180)가 상기 수술도구(120)의 단부의 좌표(T)를 산출하는 과정에 대해 도시하고 있다.

먼저 도 3의 (a)를 참조하면, 상기 제어부(180)는, 상기 대상물(114)에 대한 상기 수술도구(120)의 삽입 목적지점, 즉 원점(O)에 대해 수직을 이루는 Z축이 상기 매니퓰레이터(110)의 내부 부품들과 만나는 지점, 상기 제2이동부재(142)와 상기 제2링크부재(143)가 만나는 지점(D), 상기 제2링크부재(143)와 상기 지지부재(152)가 만나는 지점, 상기 D 지점에서 상기 하우징(110)의 중심축으로 수선을 그었을 때의 수선의 발(Foot of Perpendicular)을 이어서, 상기 매니퓰레이터(110)의 내부에 가상의 다각형을 형성한다.

다음으로 도 3의 (b)를 참조하면, 상기 제어부(180)는, 상기 제1각도센서(112)에 의해 측정되는

값과, 상기 제2각도센서(113)에 의해 측정되는

값을 이용하여

값을 산출한다.

이후 도 3의 (c),(d)를 참조하면, 상기 제어부(180)는, 상기 촬영부(170)가 촬영한 데이터에 기초하여 새롭게 설정된 원점(D’)를 기준으로 상기 D 지점의 좌표를 산출한다. 그리고 상기 제어부(180)는, 상기 D 지점의 좌표를 이용하여 상기 수술도구(120)의 단부의 좌표(T)를 산출한다.

상기와 같이 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 다자유도 초정밀 조작장치(100)는 3자유도로 제어가 가능하여 사용자가 사용 시에 손떨림에도 불구하고 정밀한 제어를 가능하게 하여 상기 대상물(114)과 상기 수술도구(120)의 단부와의 거리와 상기 대상물(114)과 상기 수술도구(120)의 각도를 목적하는 바에 맞게 최적으로 조절하도록 하고 상기 수술도구(120)가 상기 대상물(114)로부터 이동되어야 하는 거리를 정확하게 파악이 가능하여 사용자에게 편의성을 제공한다.

100 : 다자유도 초정밀 조작장치 110 : 매니퓰레이터
111 : 하우징 112 : 제1각도센서
113 : 제2각도센서 114 : 대상물
120 : 수술도구 130 : 제1작동부
131 : 제1모터 132 : 제1이동부재
133 : 제1링크부재 140 : 제2작동부
141 : 제2모터 142 : 제2이동부재
143 : 제2링크부재 150 : 제3작동부 151 : 제3모터 152 : 지지부재
160 : 광원부 170 : 촬영부
180 : 제어부

Claims

미세 수술 과정을 도우는 매니퓰레이터를 포함하되,
상기 매니퓰레이터는,
하우징과,
상기 하우징의 내부에 수용되는 제1작동부 및 제2작동부와,
상기 제1,2작동부의 하측에 연결되는 제3작동부와,
상기 제3작동부의 하부에 연결되며, 대상물로 인접되는 수술도구를 포함하되,
상기 제1작동부와 제2작동부는, 상기 수술도구를 상기 하우징의 축방향을 따라 이동시켜, 대상물과 상기 수술도구의 단부와의 거리와 각도를 조정하며,
상기 제3작동부는, 상기 수술도구를 상기 하우징의 반경방향을 따라 이동시켜, 상기 수술도구가 대상물로 이동되도록 하는 다자유도 초정밀 조작장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1작동부와 제2작동부는, 상기 하우징의 반경방향을 따라 배치되는 다자유도 초정밀 조작장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1작동부는,
제1모터와,
상기 제1모터에 상기 하우징의 축방향을 따라 이동 가능하게 설치되는 제1이동부재와,
상기 제1이동부재의 하단에 회전 가능하게 설치되며, 하단이 상기 제3작동부에 연결되는 제1링크부재를 포함하며,
상기 제2작동부는,
제1모터와 인접하게 배치되는 제2모터와,
상기 제2모터에 상기 하우징의 축방향을 따라 이동 가능하게 설치되며, 상기 제1이동부재와 이격 배치되는 제2이동부재와,
상기 제2이동부재의 하단에 회전 가능하게 설치되며, 상기 제1링크부재와 이격 배치되고, 하단이 상기 제3작동부에 연결되는 제2링크부재를 포함하는 다자유도 초정밀 조작장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제3작동부는,
상기 수술도구가 하단에 연결되는 제3모터와,
상기 제1,2링크부재의 하단이 양 단부에 각각 회전 가능하게 설치되며, 상기 제3모터가 이동 가능하게 설치되는 지지부재를 포함하는 다자유도 초정밀 조작장치.
청구항 1에 있어서,
상기 매니퓰레이터는,
중력방향에 대해 상기 하우징이 기울어진 정도를 측정하는 제1각도센서와,
중력방향에 대해 상기 수술도구가 기울어진 정도를 측정하는 제2각도센서를 더 포함하는 다자유도 초정밀 조작장치.
청구항 5에 있어서,
상기 제1각도센서는, 상기 제1,2작동부의 상측에 설치되며,
상기 제2각도센서는, 상기 제3작동부와 인접하게 설치되어 상기 제3작동부와 동시에 구동되는 다자유도 초정밀 조작장치.
청구항 1에 있어서,
상기 수술도구를 통해 대상물로 레이저를 조사하며, 대상물로부터 반사된 레이저를 통해 대상물과 상기 수술도구 단부 사이의 거리를 측정하는 광원부와,
대상물과 상기 매니퓰레이터를 촬영하는 촬영부와,
상기 광원부와 촬영부로부터 데이터를 수신하며, 전달받은 데이터에 기초하여 상기 제1 내지 제3작동부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 다자유도 초정밀 조작장치.
청구항 7에 있어서,
상기 제어부는, 상기 수술도구가 삽입되어야 하는 대상물의 삽입 목적지점을 기준으로, 상기 수술도구의 단부의 좌표를 산출하는 다자유도 초정밀 조작장치.