WO2021215605A1 - 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치 - Google Patents

슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치 Download PDF

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WO2021215605A1
WO2021215605A1 PCT/KR2020/015746 KR2020015746W WO2021215605A1 WO 2021215605 A1 WO2021215605 A1 WO 2021215605A1 KR 2020015746 W KR2020015746 W KR 2020015746W WO 2021215605 A1 WO2021215605 A1 WO 2021215605A1
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axis
frame
handle
master device
base
Prior art date
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PCT/KR2020/015746
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English (en)
French (fr)
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권동수
안정도
김준환
김한솔
유재민
백동훈
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주식회사 이지엔도서지컬
한국과학기술원
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/74—Manipulators with manual electric input means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B34/37—Master-slave robots
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/02—Hand grip control means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed
    • B25J9/1689—Teleoperation

Definitions

  • the description below relates to a master device for controlling a slave device.
  • Physicians who perform medical practices using an endoscope use an endoscope that is heavy and has a non-intuitive operation method for a relatively long time. Doctors feel a lot of fatigue as they use the endoscope, and it takes a lot of practice to skillfully operate the non-intuitive endoscope.
  • a remote control method using a master-slave method is employed. Doctors operate the master device, and the slave device may be remotely driven by receiving a signal from the master device.
  • a general endoscope corresponding to a slave device can move in 4 degrees of freedom.
  • the four-DOF motion includes a translational motion with one degree of freedom and a rotational motion with three degrees of freedom (roll, pitch, yaw).
  • An object of one embodiment is to provide a master device capable of manipulating a slave device capable of four degrees of freedom, intuitive and at the same time highly operable.
  • a master device for controlling a slave device includes a base; a slider slidable along the base; a yaw-rotating part including a base frame rotatably connected to the slider about a first axis, and a vertical frame extending upwardly from the base frame; A pitch including a front frame rotatably connected about a second axis intersecting the first axis with respect to the vertical frame, a protruding frame protruding from the front frame, and a support member connected to the protruding frame- rotating parts; and a handle including a handle head rotatably connected about a third axis with respect to the support member and a handle body rotatably connected about a fourth axis orthogonal to the third axis with respect to the handle head can do.
  • the first axis and the third axis may be parallel to each other.
  • the fourth axis may pass through the first axis while the handle head rotates relative to the support member.
  • the fourth axis may pass through the intersection point while the handle head rotates with respect to the support member.
  • the first axis, the second axis and the fourth axis may cross each other at a point.
  • the base frame and the projecting frame are parallel to each other.
  • the master device for manipulating the slave device may further include a gravity compensating part extending rearward from the vertical frame.
  • the gravity compensating part may include: a rear frame extending rearward from the vertical frame; and a load applying unit connected to the rear frame.
  • the front frame and the rear frame may be provided on opposite sides of the vertical frame, and the load applying unit may be provided on opposite sides of the vertical frame with respect to the rear frame.
  • the handle may include a first finger support ring connected to one side of the handle body; and a second finger support ring connected to the other side of the handle body.
  • the master device for manipulating the slave device may further include a seating part connected to the upper surface of the base and provided at the rear of the slider.
  • a master device for controlling a slave device includes a slider; a yaw-rotating part comprising a base frame rotatably connected to the slider about a first axis, and a vertical frame extending upwardly from the base frame; A pitch including a front frame rotatably connected about a second axis intersecting the first axis with respect to the vertical frame, a protruding frame protruding from the front frame, and a support member connected to the protruding frame- rotating parts; and a handle head rotatably connected with respect to the support member about a third axis parallel to the first axis, and a handle rotatably connected with respect to the handle head about a fourth axis orthogonal to the third axis.
  • a handle comprising a body, wherein a point where the first axis and the second axis intersect each other is referred to as an intersection point, wherein the fourth axis passes through the intersection point while the handle head rotates with respect to the support member can do.
  • the master device for manipulating the slave device is designed to similarly design the joint arrangement of the slave device and the joint arrangement of the master device, and three rotational joint axes implementing three degrees of freedom are located at the user's wrist. By intersecting each other in the domain, intuitive manipulation is possible.
  • the master device for controlling the slave device may increase operability and convenience by adding a redundant joint.
  • FIG. 1 is a perspective view of a master device for controlling a slave device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a side view of a master device for controlling a slave device according to an embodiment.
  • FIG 3 is a plan view of a master device for controlling a slave device according to an embodiment.
  • first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the essence, order, or order of the components are not limited by the terms.
  • a component is “connected”, “coupled” or “connected” to another component, the component may be directly connected or connected to the other component, but another component is between each component. It will be understood that may also be “connected”, “coupled” or “connected”.
  • FIG. 1 is a perspective view of a master device for controlling a slave device according to an embodiment
  • FIG. 2 is a side view of a master device for controlling a slave device according to an embodiment
  • FIG. 3 is a slave device according to an embodiment It is a plan view of the master device for controlling the
  • a master device 100 for controlling a slave device may remotely control a slave device (not shown) provided at a distantly spaced location.
  • the master device 100 may translate or rotate the slave device.
  • the master device 100 may transmit an input signal to the controller, and the controller may transmit an output signal to the slave device based on the input signal received from the master device 100 .
  • the master device 100 includes a base 10, a slider 11, a yaw-rotating part 12, a pitch-rotating part 13, a handle 14, gravity compensating parts 15, 16, and a seating part 19 ) may be included.
  • the base 10 may provide a sliding space 10a for assisting the sliding of the slider 11 .
  • the sliding space 10a may be formed in a straight line.
  • the sliding space 10a may accommodate the slider 11 and assist the slider 11 to perform a translational motion in one degree of freedom.
  • the seating part 19 is connected to the upper surface of the base 10 and may be provided at the rear of the slider 11 .
  • the user may hold the handle 14 by using a finger while placing the lower arm on the seating portion 19 .
  • the slider 11 is slidable along the base 10 .
  • the slider 11 may be provided in the sliding space 10a of the base 10, and may perform translational movement in one degree of freedom.
  • the slider 11 can reciprocate. When the user pushes the handle 14 forward, the slider 11 may move forward.
  • the master device 100 may be provided with a sensor for detecting the movement of the slider 11, and the sensor detects the movement direction (forward or backward) and the movement distance of the slider 11 and transmits it as an input signal to the control unit. have.
  • the controller may generate an output signal for translating the slave device based on the input signal.
  • the slider 11 is connected to the base 10 to be slidable with respect to the base 10 , and a slider body disposed in a non-rotatable state with respect to the base 10, and a slider connected to the upper side of the slider body and connected to the slider and a slider head rotatably connected to the body.
  • the yaw-rotating part 12 may be rotatably connected to the slider 11 .
  • the yaw-rotating part 12 is rotatable about a first axis Y1 (first yaw axis).
  • the yaw-rotating part 12 includes a base frame 121 rotatably connected to the slider 11 about a first axis Y1 and a vertical frame 122 extending upwardly from the base frame 121 . ) may be included.
  • the base frame 121 may be connected to the slider head, and is rotatable about the first axis Y1 with respect to the slider body together with the slider head. For example, when the reciprocating motion direction of the slider 11 is the x-axis direction, the base frame 121 may extend from the slider 11 in the y-axis direction.
  • the master device 100 may be provided with a sensor for detecting the rotation angle and direction of the base frame 121, and the sensor detects the rotation angle and direction of the base frame 121 and transmits it as an input signal to the control unit. .
  • the controller may generate an output signal for yaw rotation of the slave device based on the input signal.
  • the vertical frame 122 may be formed to extend upward (+z direction) from the base frame 121 .
  • the vertical frame 122 is configured such that the pitch-rotating part 13 and the gravity compensating parts 15 and 16 can rotate above the base 10, the pitch-rotating part 13 and the gravity compensating parts 15, 16 ) and the base 10 may provide a space.
  • the pitch-rotating part 13 may be rotatably connected to the yaw-rotating part 12 .
  • the pitch-rotating part 13 is rotatable about a second axis (P, pitch axis).
  • the pitch-rotation part 13 includes a front frame 131 rotatably connected about a second axis with respect to the yaw-rotation part 12 and a protruding frame 132 protruding from the front frame 131, It may include a support member 133 connected to the protrusion frame 132 .
  • the front frame 131 may be connected to the vertical frame 122 and is rotatable about the second axis P.
  • the master device 100 may be provided with a sensor for detecting the rotation angle and direction of the base frame 121, and the sensor detects the rotation angle and direction of the base frame 121 and transmits it as an input signal to the control unit. .
  • the controller may generate an output signal for yaw rotation of the slave device based on the input signal.
  • the protrusion frame 132 may be provided parallel to the base frame 121 .
  • the protruding frame 132 may assist the handle 14 to be provided near the upper region of the sliding space 10a.
  • the support member 133 may be formed at an end of the protruding frame 132 to rotatably support the handle 14 .
  • the handle 14 may be rotatably connected in two degrees of freedom with respect to the pitch-rotating part 13 .
  • the handle 14 includes a handle head 141 rotatably connected to the support member 133 about a third axis Y2 and a second yaw axis, and a third axis Y2 with respect to the handle head 141 .
  • a handle body 142 rotatably connected about a fourth axis (R, roll axis) perpendicular to the ), a first finger support ring 143 and a second finger support ring connected to the handle body 142 (144).
  • the first finger support ring 143 and the second finger support ring 144 are respectively disposed on one side and the other side of the handle body 142 to support the user's finger.
  • the thumb of the user's hand H may be inserted into the first finger support ring 143
  • the index finger may be inserted into the second finger support ring 144 .
  • the handle 14 is rotatable not only about a fourth axis, which is the roll axis, but also about a third axis, which serves as an additional yaw axis.
  • the third axis Y2 is parallel to the first axis Y1.
  • the master device may have two yaw axes. According to this structure, when the user rotates the handle 14 , even if the angle of the wrist is changed by a relatively small angle, a relatively large yaw rotation of the handle 14 can be implemented.
  • the master device may sense a rotation angle (referred to as a first rotation angle) of the base frame 121 that rotates about the first axis Y1, and also the third axis Y3 as the center.
  • a rotation angle (referred to as a second rotation angle) of the rotating handle 14 may be sensed.
  • the yaw rotation angle of the handle 14 may be determined as the sum of the first rotation angle and the second rotation angle, and the determined yaw rotation angle may be transmitted to the controller of the master device 100 .
  • the third axis Y2 functions as a free degree of freedom, and through this, the user can naturally move the wrist without feeling that the hand is constrained by the master device 100 .
  • the fourth axis R may pass through the first axis Y1 .
  • the fourth axis R which is the rotation axis of the handle body 142 , may pass through the first axis Y1 .
  • the fourth axis R can pass through the intersection point. 1 illustrates a state in which the fourth axis R passes through the intersection point
  • FIG. 1 illustrates a state in which the fourth axis R passes through the intersection point
  • the first axis (Y1) for implementing the yaw rotation, the second axis (P) for implementing the pitch rotation, and the fourth axis (R) for implementing the roll rotation meet at one point Since they may be located close to each other even if they do not meet at one point, the user may more intuitively operate the master device 100 .
  • the gravity compensating parts 15 and 16 may extend rearward from the vertical frame 122 to perform a gravity compensating function.
  • the load of the pitch-rotating part 13 rotatably connected to the vertical frame 122 is compensated by the load of the gravity compensating parts 15 and 16, so that the moment applied to the vertical frame 122 can be offset.
  • the gravity compensating parts 15 and 16 may include a rear frame 15 extending rearward from the vertical frame 122 and a load applying unit 16 connected to the rear frame 15 .
  • the load applying unit 16 may include a weight.
  • the moment applied to the vertical frame 122 due to the handle 14 located at the front with respect to the vertical frame 122 is caused by the load applying unit 16 located at the rear with respect to the vertical frame 122 ( 122) can be counteracted.
  • the master device 100 may increase structural stability.
  • the front frame 131 and the rear frame 15 may be provided opposite to each other with respect to the vertical frame 122 .
  • a direction in which the protruding frame 132 protrudes from the front frame 131 may be opposite to a direction in which the load applying unit 16 is connected to the rear frame 15 .
  • the load applying unit 16 may be provided on the opposite side of the vertical frame 122 with respect to the rear frame 15 .
  • the protruding frame 132 may protrude from the inner surface of the front frame 131 in the -y direction, and the load applying unit 16 may be connected to the +y direction from the outer surface of the rear frame 15 . According to this structure, with reference to FIG. 1 , the moments applied to the vertical frame 122 about the x-axis cancel each other out, and structural stability may be increased.

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Abstract

일 실시 예에 따른 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치는, 베이스;상기 베이스를 따라 슬라이딩 가능한 슬라이더; 상기 슬라이더에 대해 제 1 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 베이스 프레임과, 상기 베이스 프레임으로부터 상방으로 연장 형성되는 수직 프레임을 포함하는 요-회전 파트; 상기 수직 프레임에 대해 상기 제 1 축에 교차하는 제 2 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 전방 프레임과, 상기 전방 프레임으로부터 돌출 형성되는 돌출 프레임과, 상기 돌출 프레임에 연결되는 지지 부재를 포함하는 피치-회전 파트; 및 상기 지지 부재에 대해 제 3 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 핸들 헤드와, 상기 핸들 헤드에 대해 상기 제 3 축에 직교하는 제 4 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 핸들 바디를 포함하는 핸들을 포함할 수 있다.

Description

슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치
아래의 설명은 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치에 관한 것이다.
내시경을 이용하여 의료 행위를 수행하는 의사들은 비교적 오랜 시간 동안 무겁고, 직관적이지 않은 조작 방식을 갖는 내시경을 사용한다. 내시경을 사용함에 따라 의사들이 느끼는 피로도가 크며, 직관적이지 않은 내시경을 능숙하게 조작하기 위해서는 많은 연습이 필요하다.
내시경 조작을 쉽고 직관적으로 하기 위해서, 마스터-슬레이브 방식을 이용한 원격 조정 방식이 채용되고 있다. 의사들은 마스터 장치를 조작하고, 슬레이브 장치는 마스터 장치로부터 신호를 전달받아 원격으로 구동될 수 있다.
슬레이브 장치에 해당하는 일반적인 내시경은 4자유도 운동이 가능하다. 여기서, 4자유도 운동은, 1자유도의 병진(translation) 운동과, 3자유도의 회전(roll, pitch, yaw) 운동을 포함한다. 마스터 장치가 직관적인 조작을 구현하기 위해서는, 슬레이브 장치의 자유도와 같이 4자유도를 갖도록 설계되는 것이 바람직하다. 마스터 장치가 4자유도를 가지면서도, 사용자의 과도한 손목 꺾임을 방지하여, 조작의 편의성을 높일 수 있는 기술이 요구되는 실정이다.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은, 4자유도 운동이 가능한 슬레이브 장치를 조종 가능하고, 직관적이면서도 동시에 조작성이 높은 마스터 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치는, 베이스; 상기 베이스를 따라 슬라이딩 가능한 슬라이더; 상기 슬라이더에 대해 제 1 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 베이스 프레임과, 상기 베이스 프레임으로부터 상방으로 연장 형성되는 수직 프레임을 포함하는 요-회전 파트; 상기 수직 프레임에 대해 상기 제 1 축에 교차하는 제 2 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 전방 프레임과, 상기 전방 프레임으로부터 돌출 형성되는 돌출 프레임과, 상기 돌출 프레임에 연결되는 지지 부재를 포함하는 피치-회전 파트; 및 상기 지지 부재에 대해 제 3 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 핸들 헤드와, 상기 핸들 헤드에 대해 상기 제 3 축에 직교하는 제 4 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 핸들 바디를 포함하는 핸들을 포함할 수 있다.
상기 제 1 축 및 제 3 축은 서로 평행할 수 있다.
상기 핸들 헤드가 상기 지지 부재에 대해 회전하는 동안, 상기 제 4 축은 상기 제 1 축을 통과할 수 있다.
상기 제 1 축 및 제 2 축이 서로 교차하는 지점을 교차 포인트라고 할 때, 상기 핸들 헤드가 상기 지지 부재에 대해 회전하는 동안 상기 제 4 축은 상기 교차 포인트를 통과할 수 있다.
상기 제 1 축, 제 2 축 및 제 4 축은 한 지점에서 서로 교차 가능하다.
상기 베이스 프레임 및 돌출 프레임은 서로 평행하다.
상기 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치는, 상기 수직 프레임으로부터 후방으로 연장되는 중력 보상 파트를 더 포함할 수 있다.
상기 중력 보상 파트는, 상기 수직 프레임으로부터 후방으로 연장되는 후방 프레임; 및 상기 후방 프레임에 연결되는 하중 인가부를 포함할 수 있다.
상기 전방 프레임 및 후방 프레임은 상기 수직 프레임을 기준으로 서로 반대편에 마련되고, 상기 하중 인가부는 상기 후방 프레임을 기준으로 상기 수직 프레임의 반대편에 마련될 수 있다.
상기 핸들은, 상기 핸들 바디의 일측에 연결되는 제 1 손가락 지지 링; 및 상기 핸들 바디의 타측에 연결되는 제 2 손가락 지지 링을 포함할 수 있다.
상기 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치는, 상기 베이스의 상면에 연결되고, 상기 슬라이더의 후방에 마련되는 안착부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치는, 슬라이더; 상기 슬라이더에 대해 제 1 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 베이스 프레임과, 상기 베이스 프레임으로부터 상방으로 연장 형성되는 수직 프레임을 포함하는 요-회전 파트; 상기 수직 프레임에 대해 상기 제 1 축에 교차하는 제 2 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 전방 프레임과, 상기 전방 프레임으로부터 돌출 형성되는 돌출 프레임과, 상기 돌출 프레임에 연결되는 지지 부재를 포함하는 피치-회전 파트; 및 상기 지지 부재에 대해 상기 제 1 축과 평행한 제 3 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 핸들 헤드와, 상기 핸들 헤드에 대해 상기 제 3 축에 직교하는 제 4 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 핸들 바디를 포함하는 핸들을 포함하고, 상기 제 1 축 및 제 2 축이 서로 교차하는 지점을 교차 포인트라고 할 때, 상기 핸들 헤드가 상기 지지 부재에 대해 회전하는 동안 상기 제 4 축은 상기 교차 포인트를 통과할 수 있다.
일 실시 예에 따른 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치는, 슬레이브 장치의 관절 배치와, 마스터 장치의 관절 배치를 유사하게 설계하고, 3자유도를 구현하는 3개의 회전 관절 축이 사용자의 손목이 위치하는 영역에서 서로 교차하게 함으로써 직관적인 조종이 가능하다.
또한, 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치는, 여자유도(redundant joint)를 추가하여 조작성 및 편의성을 높일 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치의 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치의 측면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치의 평면도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 상세한 설명을 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 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치의 사시도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치의 측면도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치의 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치(100, 이하 '마스터 장치'라고 함)은 멀리 이격된 위치에 마련된 슬레이브 장치(미도시)를 원격으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 마스터 장치(100)는 슬레이브 장치를 병진 운동시키거나, 회전 운동시킬 수 있다. 도시되지는 않았으나, 마스터 장치(100)는 제어부에 입력 신호를 전송할 수 있고, 제어부는 마스터 장치(100)로부터 전달 받은 입력 신호에 기초하여 출력 신호를 슬레이브 장치로 전송할 수 있다. 마스터 장치(100)는 베이스(10), 슬라이더(11), 요-회전 파트(12), 피치-회전 파트(13), 핸들(14), 중력 보상 파트(15, 16) 및 안착부(19)를 포함할 수 있다.
베이스(10)는 슬라이더(11)의 슬라이딩을 보조하기 위한 슬라이딩 공간(10a)을 마련할 수 있다. 슬라이딩 공간(10a)은 일직선으로 형성될 수 있다. 슬라이딩 공간(10a)은 슬라이더(11)를 수용하고, 슬라이더(11)가 1자유도 병진 운동을 할 수 있도록 보조할 수 있다.
안착부(19)는 베이스(10)의 상면에 연결되고, 슬라이더(11)의 후방에 마련될 수 있다. 사용자는 안착부(19)에 하박(下膊)을 올려놓은 상태로, 손가락을 이용하여 핸들(14)을 파지할 수 있다.
슬라이더(11)는 베이스(10)를 따라 슬라이딩 가능하다. 슬라이더(11)는 베이스(10)의 슬라이딩 공간(10a)에 마련될 수 있고, 1자유도 병진 운동 가능하다. 슬라이더(11)는 왕복 운동 가능하다. 사용자가 핸들(14)을 전방으로 밀 경우, 슬라이더(11)는 전방으로 이동할 수 있다. 마스터 장치(100)는 슬라이더(11)의 이동을 감지하기 위한 센서가 마련될 수 있고, 센서는 슬라이더(11)의 이동 방향(전방 또는 후방)과 이동 거리를 감지하여 제어부에 입력 신호로 전송할 수 있다. 제어부는 입력된 입력 신호에 기초하여 슬레이브 장치를 병진 운동시키기 위한 출력 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 슬라이더(11)는 베이스(10)에 대해 슬라이딩 가능하게 베이스(10)에 연결되되, 베이스(10)에 대해 회전 불가능한 상태로 배치되는 슬라이더 바디와, 슬라이더 바디의 상측에 연결되고 슬라이더 바디에 대해 회전 가능하게 연결되는 슬라이더 헤드를 포함할 수 있다.
요-회전 파트(12)는 슬라이더(11)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 요-회전 파트(12)는 제 1 축(Y1, 제 1 요 축)을 중심으로 회전 가능하다. 요-회전 파트(12)는 슬라이더(11)에 대해 제 1 축(Y1)을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 베이스 프레임(121)과, 베이스 프레임(121)으로부터 상방으로 연장 형성되는 수직 프레임(122)을 포함할 수 있다.
베이스 프레임(121)은 슬라이더 헤드에 연결될 수 있고, 슬라이더 헤드와 함께 슬라이더 바디에 대해 제 1 축(Y1)을 중심으로 회전 가능하다. 예를 들어, 슬라이더(11)의 왕복 운동 방향이 x축 방향일 경우, 베이스 프레임(121)은 슬라이더(11)로부터 y축 방향으로 연장될 수 있다. 마스터 장치(100)는 베이스 프레임(121)의 회전 각도 및 방향을 감지하기 위한 센서가 마련될 수 있고, 센서는 베이스 프레임(121)의 회전 각도 및 방향을 감지하여 제어부에 입력 신호로 전송할 수 있다. 제어부는 입력된 입력 신호에 기초하여 슬레이브 장치를 요 회전 운동시키기 위한 출력 신호를 생성할 수 있다.
수직 프레임(122)은 베이스 프레임(121)으로부터 상방(+z 방향)으로 연장 형성될 수 있다. 수직 프레임(122)은 피치-회전 파트(13) 및 중력 보상 파트(15, 16)가 베이스(10)의 상방에서 회동할 수 있도록, 피치-회전 파트(13) 및 중력 보상 파트(15, 16)와 베이스(10) 사이에 공간을 마련할 수 있다.
피치-회전 파트(13)는 요-회전 파트(12)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 피치-회전 파트(13)는 제 2 축(P, 피치 축)을 중심으로 회전 가능하다. 피치-회전 파트(13)는 요-회전 파트(12)에 대해 제 2 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 전방 프레임(131)과, 전방 프레임(131)으로부터 돌출 형성되는 돌출 프레임(132)과, 돌출 프레임(132)에 연결되는 지지 부재(133)를 포함할 수 있다.
전방 프레임(131)은 수직 프레임(122)에 연결될 수 있고, 제 2 축(P)을 중심으로 회전 가능하다. 마스터 장치(100)는 베이스 프레임(121)의 회전 각도 및 방향을 감지하기 위한 센서가 마련될 수 있고, 센서는 베이스 프레임(121)의 회전 각도 및 방향을 감지하여 제어부에 입력 신호로 전송할 수 있다. 제어부는 입력된 입력 신호에 기초하여 슬레이브 장치를 요 회전 운동시키기 위한 출력 신호를 생성할 수 있다.
돌출 프레임(132)은 베이스 프레임(121)과 평행하게 마련될 수 있다. 돌출 프레임(132)은 핸들(14)이 슬라이딩 공간(10a)의 상측 영역 부근에 마련되도록 보조할 수 있다.
지지 부재(133)는 돌출 프레임(132)의 단부에 형성되어, 핸들(14)을 회전 가능하게 지지할 수 있다.
핸들(14)은 피치-회전 파트(13)에 대해 2자유도 회전 가능하게 연결될 수 있다. 핸들(14)은 지지 부재(133)에 대해 제 3 축(Y2, 제 2 요 축)을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 핸들 헤드(141)와, 핸들 헤드(141)에 대해 제 3 축(Y2)에 직교하는 제 4 축(R, 롤 축)을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 핸들 바디(142)와, 핸들 바디(142)에 연결되는 제 1 손가락 지지 링(143) 및 제 2 손가락 지지 링(144)을 포함할 수 있다.
제 1 손가락 지지 링(143) 및 제 2 손가락 지지 링(144)은 핸들 바디(142)의 일측 및 타측에 각각 배치되어, 사용자의 손가락을 지지할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 손(H) 중 엄지 손가락은 제 1 손가락 지지 링(143)에 끼워질 수 있고, 검지 손가락은 제 2 손가락 지지 링(144)에 끼워질 수 있다.
핸들(14)은 롤 축인 제 4 축을 중심으로 회전할 뿐만 아니라, 추가적인 요 축으로 기능하는 제 3 축을 중심으로 회전 가능하다. 제 3 축(Y2)은 제 1 축(Y1)과 서로 평행하다. 다시 말하면, 마스터 장치는 2개의 요 축을 가질 수 있다. 이와 같은 구조에 따르면, 사용자는 핸들(14)을 요 회전시킴에 있어서, 손목의 각도를 상대적으로 작은 각도만 변경하더라도, 핸들(14)의 상대적으로 큰 요 회전을 구현할 수 있다. 예를 들어, 마스터 장치는 제 1 축(Y1)을 중심으로 회전하는 베이스 프레임(121)의 회전 각도(제 1 회전 각도라고 함)를 감지할 수 있고, 또한 제 3 축(Y3)을 중심으로 회전하는 핸들(14)의 회전 각도(제 2 회전 각도라고 함)를 감지할 수 있다. 핸들(14)의 요 회전 각도는 제 1 회전 각도 및 제 2 회전 각도의 합으로 결정될 수 있고, 결정된 요 회전 각도는 마스터 장치(100)의 제어부로 전송될 수 있다. 제 3 축(Y2)은 여유 자유도로 기능하는 것이며, 이를 통해 사용자는 손이 마스터 장치(100)에 구속된 듯한 느낌을 받지 않은 상태로, 자연스럽게 손목을 움직일 수 있다.
핸들 헤드(141)가 지지 부재(133)에 대해 회전하는 동안, 제 4 축(R)은 제 1 축(Y1)을 통과할 수 있다. 예를 들어, 핸들 헤드(141)가 외력이 작용하지 않는 디폴트 자세에 있을 때, 핸들 바디(142)의 회전 축인 제 4 축(R)은 제 1 축(Y1)을 통과할 수 있다. 또한, 제 1 축(Y1) 및 제 2 축(P)이 서로 교차하는 지점을 교차 포인트라고 할 때, 핸들 헤드(141)가 지지 부재(133)에 대해 회전하는 동안, 제 4 축(R)은 교차 포인트를 통과할 수 있다. 도 1은 제 4 축(R)이 교차 포인트를 통과하는 모습을 도시한 것이고, 도 3은 핸들 헤드(141)가 일정 각도 회전하여 제 4 축(R)이 교차 포인트로부터 벗어난 상태를 도시한다. 이러한 구조에 의하면, 요 회전을 구현하기 위한 제 1 축(Y1)과, 피치 회전을 구현하기 위한 제 2 축(P)과, 롤 회전을 구현하기 위한 제 4 축(R)이 한 점에서 만날 수 있고, 한 점에서 만나지 않더라도 서로 가까이 위치할 수 있으므로, 사용자는 보다 직관적으로 마스터 장치(100)를 조작할 수 있다.
중력 보상 파트(15, 16)은 수직 프레임(122)으로부터 후방으로 연장되어, 중력 보상 기능을 수행할 수 있다. 수직 프레임(122)에 회전 가능하게 연결되어 있는 피치-회전 파트(13)의 하중은 중력 보상 파트(15, 16)의 하중에 의해 보상되어, 수직 프레임(122)에 인가되는 모멘트가 상쇄될 수 있다. 중력 보상 파트(15, 16)는 수직 프레임(122)으로부터 후방으로 연장되는 후방 프레임(15)과, 후방 프레임(15)에 연결되는 하중 인가부(16)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하중 인가부(16)는 무게 추를 포함할 수 있다.
수직 프레임(122)을 기준으로 전방에 위치한 핸들(14)로 인해 수직 프레임(122)에 가해지는 모멘트는, 수직 프레임(122)을 기준으로 후방에 위치한 하중 인가부(16)로 인해 수직 프레임(122)에 가해지는 모멘트와 상쇄될 수 있다. 마스터 장치(100)는 구조적으로 안정성이 높아질 수 있다.
전방 프레임(131) 및 후방 프레임(15)은 수직 프레임(122)을 기준으로 서로 반대편에 마련될 수 있다. 전방 프레임(131)에서 돌출 프레임(132)이 돌출되는 방향은, 후방 프레임(15)에서 하중 인가부(16)가 연결되어 있는 방향과 서로 반대 방향일 수 있다. 하중 인가부(16)는 후방 프레임(15)을 기준으로 수직 프레임(122)의 반대편에 마련될 수 있다. 돌출 프레임(132)은 전방 프레임(131)의 내측면으로부터 -y 방향으로 돌출 형성되고, 하중 인가부(16)는 후방 프레임(15)의 외측면으로부터 +y 방향에 연결될 수 있다. 이와 같은 구조에 따르면, 도 1을 기준으로, x축을 중심으로 수직 프레임(122)에 인가되는 모멘트가 서로 상쇄되어, 구조적으로 안정성이 높아질 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 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 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 베이스;
    상기 베이스를 따라 슬라이딩 가능한 슬라이더;
    상기 슬라이더에 대해 제 1 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 베이스 프레임과, 상기 베이스 프레임으로부터 상방으로 연장 형성되는 수직 프레임을 포함하는 요-회전 파트;
    상기 수직 프레임에 대해 상기 제 1 축에 교차하는 제 2 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 전방 프레임과, 상기 전방 프레임으로부터 돌출 형성되는 돌출 프레임과, 상기 돌출 프레임에 연결되는 지지 부재를 포함하는 피치-회전 파트; 및
    상기 지지 부재에 대해 제 3 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 핸들 헤드와, 상기 핸들 헤드에 대해 상기 제 3 축에 직교하는 제 4 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 핸들 바디를 포함하는 핸들;
    을 포함하는 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 축 및 제 3 축은 서로 평행한, 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 핸들 헤드가 상기 지지 부재에 대해 회전하는 동안, 상기 제 4 축은 상기 제 1 축을 통과하는, 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 축 및 제 2 축이 서로 교차하는 지점을 교차 포인트라고 할 때, 상기 핸들 헤드가 상기 지지 부재에 대해 회전하는 동안 상기 제 4 축은 상기 교차 포인트를 통과하는, 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 축, 제 2 축 및 제 4 축은 한 지점에서 서로 교차 가능한, 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 프레임 및 돌출 프레임은 서로 평행한, 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 프레임으로부터 후방으로 연장되는 중력 보상 파트를 더 포함하는, 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 중력 보상 파트는,
    상기 수직 프레임으로부터 후방으로 연장되는 후방 프레임; 및
    상기 후방 프레임에 연결되는 하중 인가부를 포함하는, 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전방 프레임 및 후방 프레임은 상기 수직 프레임을 기준으로 서로 반대편에 마련되고,
    상기 하중 인가부는 상기 후방 프레임을 기준으로 상기 수직 프레임의 반대편에 마련되는, 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 핸들은,
    상기 핸들 바디의 일측에 연결되는 제 1 손가락 지지 링; 및
    상기 핸들 바디의 타측에 연결되는 제 2 손가락 지지 링을 포함하는, 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스의 상면에 연결되고, 상기 슬라이더의 후방에 마련되는 안착부를 더 포함하는, 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치.
  12. 슬라이더;
    상기 슬라이더에 대해 제 1 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 베이스 프레임과, 상기 베이스 프레임으로부터 상방으로 연장 형성되는 수직 프레임을 포함하는 요-회전 파트;
    상기 수직 프레임에 대해 상기 제 1 축에 교차하는 제 2 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 전방 프레임과, 상기 전방 프레임으로부터 돌출 형성되는 돌출 프레임과, 상기 돌출 프레임에 연결되는 지지 부재를 포함하는 피치-회전 파트; 및
    상기 지지 부재에 대해 상기 제 1 축과 평행한 제 3 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 핸들 헤드와, 상기 핸들 헤드에 대해 상기 제 3 축에 직교하는 제 4 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 핸들 바디를 포함하는 핸들;
    을 포함하고,
    상기 제 1 축 및 제 2 축이 서로 교차하는 지점을 교차 포인트라고 할 때, 상기 핸들 헤드가 상기 지지 부재에 대해 회전하는 동안 상기 제 4 축은 상기 교차 포인트를 통과하는, 슬레이브 장치를 조종하기 위한 마스터 장치.
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