KR101187257B1 - Active liner driving haptic apparatus using sma actuator - Google Patents

Abstract

PURPOSE: An active linear haptic device with a shape memory alloy actuator is provided to effectively control the reaction force to translational force by being inserted into a MIS(Minimally Invasive Surgery) master robot system. CONSTITUTION: An active linear haptic device with a shape memory alloy actuator comprises a rod(4), a force sensor(3), first and second housing, first and second springs, and a control unit(9). The force sensor is formed on the rod, and outputs a sensing signal corresponding to users' power. The first housing wraps the rod, and second housing is formed in the first housing. The first and second springs are coupled in the first housing, and repetitively relaxed and contracted. The shape memory alloy actuator generates a reaction to the relaxation and contraction of the first and second springs. The control unit outputs the signal for controlling the relaxation and contraction of the springs by receiving the sensing signal.

Description

형상기억합금 작동기를 이용한 능동형 선형 운동 햅틱 장치{active liner driving haptic apparatus using SMA actuator}Active liner driving haptic apparatus using SMA actuator

본 발명은 3자유도 회전 운동과 1자유도 병진 운동이 가능한 최소침습수술(Minimally Invasive Surgery; MIS)용 마스터 로봇 시스템에 있어서 병진 방향의 선형 운동에 대해 반능동적 힘 반향을 제공하기 위한 햅틱 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 능동적으로 작동하는 형상기억합금을 이용하여 병진 방향으로의 힘에 대한 반력을 효과적으로 구현할 수 있는 형상기억합금 작동기를 이용한 능동형 선형 운동 햅틱 장치를 제공하는 것이다.
The present invention relates to a haptic device for providing a semi-active force reverberation to linear motion in a translational direction in a master robot system for minimally invasive surgery (MIS) capable of three degrees of freedom and one degrees of freedom translation. More particularly, to provide an active linear motion haptic device using a shape memory alloy actuator that can effectively implement a reaction force against the force in the translational direction by using a shape memory alloy that is actively operating.

일반적으로, 작업내용이 고도로 어렵고 복잡하거나, 또는, 사람이 직접 들어가기 어려운 미지의 작업환경에서 사람을 대신하여 작업을 수행하기 위한 로봇을 이용하는 경우가 많아지고 있다.In general, robots are often used to perform tasks on behalf of a person in an unknown work environment in which the work content is highly difficult and complicated or difficult for a person to enter directly.

이러한 로봇은 지금도 다양한 분야에 걸쳐 인간의 작업을 대신하고 있으며, 그 중 대부분은 자동화가 이루어져 그러한 로봇의 작업에 별도로 사람이 개입할 여지가 점차 줄어들고 있다.These robots are still replacing human work in various fields, and most of them are automated, and there is a gradual decrease in the space for human intervention in the work of such robots.

그러나 현재의 기술로는, 인간과 같은 섬세한 움직임을 재현하거나 인간을 완전히 대체할 수 있을 정도의 고도의 인공지능을 구현하지는 못하고 있는 실정이므로, 이와 같이 로봇 단독으로 일을 처리하기 어려운 경우는 인간의 적절한 판단에 의해 로봇의 제어를 행할 수 있는 시스템이 필요하게 된다.
However, with the current technology, it is not possible to realize the artificial intelligence high enough to reproduce delicate movements such as humans or to completely replace humans. There is a need for a system capable of controlling the robot by appropriate judgment.

즉, 예를 들면, 핵이나 독성 화학물질의 취급, 의료현장, 우주, 해저 등 인간에게 해롭거나 인간의 접근이 여려운 작업 환경에서 여러 가지 임무를 수행하여야 하는 경우에 대하여 실시간으로 로봇의 행동을 제어할 수 있도록 하는 원격제어 시스템이 요구된다.In other words, the robot's actions can be performed in real time when it is necessary to perform various tasks in a work environment that is harmful to humans or difficult to access, such as handling nuclear or toxic chemicals, medical sites, space, and the sea floor. What is needed is a remote control system that enables control.

또한, 이러한 작업을 성공적이고 안전하게 처리하기 위해서는 작업환경에 대한 정보, 종속 매니퓰레이터의 센서 정보에 대한 작업자의 적절한 판단과 반응 및 숙련된 원격제어 기술 등이 요구되며, 이와 같이 작업자가 원격제어를 하기 위한 제어 조종기 중의 하나로서 촉감구현장치가 있다.
In addition, in order to successfully and safely handle such a task, an operator's proper judgment and reaction on information on a work environment, sensor information of a slave manipulator, and skilled remote control technology are required. One of the control manipulators is a tactile implement.

상기 촉감구현장치는 로봇 기술의 발달로 인해 의료분야에서도 고성능의 로봇 시스템에 접목되어 적극적으로 도입되고 있다. Due to the development of robot technology, the tactile implements have been actively introduced in high-performance robot systems in the medical field.

대표적인 시스템으로 최소 침습 수술(Minimally Invasive Surgery; MIS)을 위해 개발된 마스터-슬레이브 로봇(Master-Slave Robot) 수술 시스템이 있는데, 이러한 시스템은 의료현장에서 환자의 장기와 접촉하는 슬레이브 로봇의 접촉력을 마스터 로봇에 구현하여 의사에게 장기의 형상과 반력을 전달하기 위한 시스템으로,의사가 마스터 로봇을 조작하면 슬레이브 로봇이 환자의 수술을 집도하게 된다.A representative system is a Master-Slave Robot surgical system developed for Minimally Invasive Surgery (MIS), which masters the contact force of a slave robot in contact with the patient's organs in the medical field. Implemented in the robot to transfer the shape and reaction force of the organs to the doctor, when the doctor manipulates the master robot, the slave robot to perform the surgery of the patient.

이러한 장치에 대한 종래기술의 예로서는, 예를 들면, 본 발명의 출원인에 의해 출원된 한국 공개특허공보 제10-2010-0002909호(2010.01.07 공개)에 기재된 "이알 유체 또는 엠알 유체를 이용한 다자유도 힘 반향 장치"와 같은 것이 있다.
As an example of the prior art for such an apparatus, for example, "multiple oils using an EL fluid or MR fluid described in Korean Patent Laid-Open No. 10-2010-0002909 filed by the applicant of the present invention (published Jan. 7, 2010). There is such a thing as a "force echo device".

더 상세하게는, 상기한 특허문헌은, 전기장 또는 자기장 인가에 따라 그 상태를 가역적으로 변화시킬 수 있는 ER/MR 유체가 충진되는 구면조인트를 MIS용 마스터 장치에 설치함으로써 슬레이브 장치에 설치된 의료용 수술 도구가 인체 장기에 접촉할 때 발생하는 접촉력의 크기에 따라 전기장 또는 자기장의 세기를 조절하여 ER/MR 유체의 상태를 변화시키고, 이때 생성되는 연속적이고 세밀한 반력을 마스터 장치를 조종하는 의사에게 전달함으로써 슬레이브의 수술도구가 장기와 접촉하는 상황에서의 촉감 정보를 마스터에서 정확하게 구현할 수 있는 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 다자유도 힘 반향 장치에 관한 것이다.
More specifically, the above-mentioned patent document is a medical surgical instrument installed in a slave device by installing a spherical joint filled with an ER / MR fluid that can reversibly change its state according to application of an electric or magnetic field to a master device for MIS. Changes the state of the ER / MR fluid by adjusting the strength of the electric or magnetic field according to the magnitude of the contact force generated when the human body touches an organ, and transmits the continuous and detailed reaction force generated at this time to the doctor who controls the master device. The present invention relates to a multi-degree-of-freedom force echo device using ER fluid or MR fluid capable of accurately realizing tactile information in a situation where a surgical tool is in contact with an organ.

즉, 상기한 공개특허공보 제10-2010-0002909호에 기재된 힘 반향 장치는, 몸체부, 상기 몸체부의 내측에 고정 설치되는 외측 원구, 상기 외측 원구 내부에 자유로이 운동할 수 있도록 구면 조인트로 결합되는 내측 원구, 상기 구면 조인트의 내, 외측 원구 사이의 간극에 충진되는 ER 유체를 포함하여 구성되고, 상기 ER 유체에 인가되는 전기장에 따라 가역적으로 변하는 능동 또는 반능동의 반력을 구현할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 다자유도 힘 반향 장치로서, 전기장 또는 자기장에 따라 유변 현상을 일으키는 ER 유체 또는 MR 유체의 항복응력을 제어하여 제어 토오크의 크기를 연속적으로 조절할 수 있도록 함으로써 힘 반향 장치의 반력을 조절하는 것을 특징으로 하는 것이다.
That is, the force echo device described in the above Patent Publication No. 10-2010-0002909 is coupled to the body portion, the outer sphere is fixed to the inside of the body portion, the spherical joint so as to be able to move freely inside the outer sphere Including the ER fluid filled in the gap between the inner sphere, the inner sphere, the outer sphere of the spherical joint, it is possible to implement an active or semi-active reaction force that is reversibly changed according to the electric field applied to the ER fluid A multi-degree-of-freedom force echo device using ER fluid or MR fluid, which controls the yield stress of an ER fluid or MR fluid that causes a rheological phenomenon according to an electric or magnetic field, thereby allowing to continuously adjust the magnitude of the control torque. It is characterized by adjusting the reaction force of the device.

그러나 상기한 공개특허공보 제10-2010-0002909호에 기재된 힘 반향 장치는, 반력을 조절하는 구성만 기재되어 있을 뿐, 실제로 다양한 형태를 가지는 장기의 형태까지 재현해 주지는 못하는 것이었다. However, the force reflection apparatus described in the above-mentioned Patent Publication No. 10-2010-0002909 describes only the configuration for adjusting the reaction force, and cannot reproduce the form of organs having various forms.

또한, 종래기술의 다른 예로서, 한국 등록특허 제10-0934266호(2009.12.18. 등록)에 기재된 "소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치"와 같은 것이 있다.
In addition, as another example of the prior art, there is such a "haptic device for fire extinguisher endoscope training simulator" described in Korea Patent Registration No. 10-0934266 (registered December 18, 2009).

상기한 등록특허 제10-0934266호(2009.12.18. 등록)에 기재된 "소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치"는, 소화기 내시경 시뮬레이터에서 사용자에게 촉감과 역감에 있어 실제 소화기 내시경 시술을 수행하는 것과 유사한 느낌을 보다 정밀하게 제공해 주는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치에 관한 것이다.
Haptic device for fire extinguisher endoscope training simulator described in the above Patent No. 10-0934266 (registered Dec. 18, 2009), the user feels and feels similar to performing the actual digestive endoscope procedure to the user in the digestive endoscope simulator The present invention relates to a haptic device for a fire extinguisher endoscope training simulator that provides more precisely.

즉, 상기한 등록특허 제10-0934266호(2009.12.18. 등록)에 기재된 "소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치"는, 지지부, 상기 지지부에 직선운동 가능하게 설치되고 일측에 내시경 튜브의 일단이 고정되며 사용자의 조작에 따른 상기 내시경 튜브의 직선운동에 대한 반력을 소화기 내시경 수련 시뮬레이터의 제어기에서 제공받아 상기 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 직선 운동부, 상기 직선 운동부에 회전 가능하게 고정되며 사용자의 조작에 따른 상기 내시경 튜브의 롤방향 회전운동에 대한 반력을 상기 제어기에서 제공받아 상기 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 롤 회전 운동부 및 상기 내시경 튜브의 회전운동이 가능하도록 상기 직선 운동부에 회전 가능하게 고정되며 상기 내시경 튜브의 직선운동 및 롤방향 회전운동에 따른 구동력을 감지하여 상기 제어기에 제공하는 구동력 감지부를 포함하고, 상기 롤 회전 운동부는 상기 구동력 감지부와 결합되어 일체로 작동하는 제 1 회전부와, 상기 제 1 회전부와 와이어 결합되어 와이어 구동방식으로 작동하는 제 2 회전부 및 상기 제 2 회전부에 결합되는 모터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
That is, the "haptic device for fire extinguisher endoscope training simulator" described in the above-mentioned Patent No. 10-0934266 (registered on December 18, 2009) is provided with a support part and the support part so as to be linearly movable, and one end of the endoscope tube is fixed to one side. And a linear movement unit which receives the reaction force for the linear motion of the endoscope tube according to the user's operation and transmits the reaction force to the user through the endoscope tube, and is rotatably fixed to the linear motion unit. A rotational rotational part for receiving a reaction force against the roll direction rotational motion of the endoscope tube according to the endoscope tube and transmitting the reaction force to the user through the endoscope tube and rotatably fixed to the linear motion part to enable the rotational motion of the endoscope tube; Drive according to the linear and roll rotational motion of the endoscope tube And a driving force sensing unit configured to detect and provide the controller to the controller, wherein the roll rotational motion unit is coupled to the driving force sensing unit and is operated integrally with the driving force sensing unit; And a motor coupled to the second rotating part and the second rotating part.

그러나 상기한 특허문헌의 햅틱장치는, 내시경 튜브의 직선 및 회전 운동에 대한 반력을 사용자에게 전달해 주는 것으로, 상기한 공개특허공보 제10-2010-0002909호에 기재된 힘 반향 장치와 마찬가지로, 실제로 장기의 형태까지 재현해 주는 것은 아니었다.
However, the haptic device of the above-described patent document transmits the reaction force to the user in the straight line and the rotational movement of the endoscope tube, and like the force echo device described in the above-mentioned Patent Publication No. 10-2010-0002909, in fact, It did not reproduce the form.

따라서 상기한 바와 같이, 의료용 수술로봇을 이용한 최소침습수술(MIS) 기법의 도입에 있어서 환자의 장기와 접촉하는 촉감을 그대로 살려 장기의 형상과 반력을 모두 정확하게 표현해 줄 수 있는 촉감구현장치를 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 촉감구현장치는 제공되지 못하고 있는 실정이다.Therefore, as described above, in the introduction of the minimally invasive surgery (MIS) technique using a medical surgical robot to provide a tactile realization device that can accurately express both the shape and reaction force of the organ by using the tactile contact of the patient as it is It is preferable, but there is no situation in which a tactile implement that satisfies all such requirements has not been provided.

현재 이러한 의료용 로봇 장비는 매우 고가임에도 불구하고 환자가 갖는 여러 가지 이점과 증대되는 의료 수준으로 인해 의료 현장에 적극적으로 도입되고 있다. 하지만 로봇 수술 시스템을 조종하는 의사가 더 이상 환자의 뼈나 장기를 만지거나 상태를 확인할 수 없는 것은 심각한 문제로 남아있다. 또한 의료용 수술 햅틱 시스템을 구축함에 있어서 4자유도 햅틱 마스터 장치가 고안되는데, 3자유도 회전운동에 대한 촉감 구현 장치는 기존에 이미 연구되어 왔으나, 1자유도 선형 운동에 대한 촉감 구현 장치의 연구는 아직 미비한 실정이다.Although such medical robotic equipment is very expensive at present, it is being actively introduced into the medical field due to various advantages and increasing medical standards of patients. However, it remains a serious problem that a doctor who operates a robotic surgical system can no longer touch or check a patient's bones or organs. In addition, in constructing a medical surgical haptic system, a four degree of freedom haptic master device is devised. A tactile sensation device for a three degree of freedom rotational motion has been previously studied, but a tactile tactile device for one degree of freedom linear motion has been studied. It is still inadequate.

따라서, 이러한 로봇 수술 시스템에서 1자유도 선형 운도에 따른 촉감을 구현할 수 있는 햅틱 장치에 대한 기술적 요구가 더욱 커지고 있다.
Therefore, the technical demand for a haptic device capable of realizing a tactile feeling according to a single degree of freedom linear cloud in such a robotic surgical system is increasing.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 의료용 마스터 로봇에 요구되는 1 자유도 병진 운동에 대한 반력을 제공하기 위해 형상기억합금 작동기를 이용한 능동형 선형 운동 햅틱 장치를 제공하는 것이다. The problem to be solved by the present invention is to provide an active linear motion haptic device using a shape memory alloy actuator to provide a reaction force for the 1 degree of freedom translational motion required for the medical master robot.

형상기억합금 작동기는 단위 중량당 큰 힘을 발휘할 수 있기 때문에 소형화 하기에 매우 유리할 뿐만 아니라 대 변위의 능동적인 제어가 가능하기 때문에 기존의 ER 또는 MR 유체나 압전재료를 이용한 작동기에 비교하여 수술시스템에 매우 유리하다. 또한 형상기억합금 작동기는 햅틱 장치의 작동기로써 탁월한 장점을 갖고 있으므로 본 발명은 이를 이용한 1자유도 선형 운동 햅틱 장치를 제공하는 것이다.
Since shape memory alloy actuator can exert great force per unit weight, it is very advantageous for miniaturization and active control of large displacement. Therefore, it can be used in surgical system as compared with conventional ER or MR fluid or piezoelectric materials. Very advantageous. In addition, since the shape memory alloy actuator has an excellent advantage as an actuator of the haptic device, the present invention provides a single degree of freedom linear motion haptic device using the same.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 형상기억합금을 이용한 능동형 선형 햅틱 장치는 원통형 막대 형태로 형성된 로드(4), 상기 로드(4) 상부에 형성되며, 이는 3자유도 회전운동을 포함하는 햅틱 마스터 장치(10)와 체결된다. 사용자의 힘의 크기를 측정하여 그에 상응하는 센싱 신호를 출력하는 힘 센서(3), 상기 로드(4)를 감싸는 제1 하우징(6), 상기 제1 하우징(6) 내부에 체결되며, 이완과 수축을 반복하는 제1 및 제2 스프링(7), 상기 제1 및 제2 스프링(7) 간에 삽입되어 외부로부터 전류를 공급받아 상기 제1 및 제2 스프링(7)의 수축과 이완에 따른 반력을 생성하는 형상기억합금 작동기, 상기 제1 하우징(6) 내부에 형성되는 제2 하우징(8) 및 상기 힘 센서(3)로부터 출력된 상기 센싱 신호를 수신하여, 상기 스프링의 이완과 수축을 제어하는 제어신호를 출력하는 제어부(9)를 포함한다.
Active linear haptic device using the shape memory alloy of the present invention for solving the above problems is formed on the rod 4, the rod 4 formed in the shape of a cylindrical rod, which is a haptic master including a three degree of freedom rotational motion Is engaged with the device 10. A force sensor 3 for measuring a magnitude of a user's force and outputting a corresponding sensing signal, a first housing 6 surrounding the rod 4, and fastened inside the first housing 6, Reaction force due to contraction and relaxation of the first and second springs 7 and the first and second springs 7 and the first and second springs 7 which are repeatedly contracted to receive current from the outside. Receives the sensing signal output from the shape memory alloy actuator, the second housing 8 formed inside the first housing 6 and the force sensor 3, to control the relaxation and contraction of the spring And a control unit 9 for outputting a control signal.

상기 제2 하우징(8)은 상기 제1 및 제2 스프링(7)을 감싸도록 상기 제1 하우징(6) 내부에 형성되는 것을 특징으로 한다.
The second housing 8 is characterized in that it is formed inside the first housing 6 to surround the first and second spring 7.

상기 제1 및 제2 스프링(7)은 형상기억합금을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.The first and second springs 7 are formed using a shape memory alloy.

상기 형상기억합금 작동기는, 상기 제1 스프링(5) 및 제2 스프링(7)의 병진 운동에 따른 반력을 생성하는 것을 특징으로 한다.
The shape memory alloy actuator is characterized in that it generates a reaction force in accordance with the translational movement of the first spring 5 and the second spring (7).

본 발명에 따르면, 3 자유도의 회전 운동과 1 자유도의 병진 운동이 가능한 최소 침슴 수술용 마스터 로봇 시스템에 형상기억합금 작동기을 이용한 능동형 선형 운동 햅틱 장치를 삽입함으로써 병진 방향으로의 힘에 대한 반력을 효과적을 구현할 수 있다.According to the present invention, an effective linear motion haptic device using a shape memory alloy actuator is inserted into a master robot system for minimally acupuncture surgery capable of rotational motion of 3 degrees of freedom and translational motion of 1 degree of freedom, thereby effectively reacting the force against the force in the translational direction. Can be implemented.

또한, 반력의 크기를 선택적, 능동적으로 제어할 수 있다.
In addition, the magnitude of reaction force can be selectively and actively controlled.

도 1은 형상기억합금 작동기를 이용한 능동형 선형 햅틱 장치를 이용한 의료용 마스터-슬레이브 로봇 수술 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 형상기억합금 작동기를 이용한 능동형 선형 햅틱 장치를 나타낸 예시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 형상기억합금 작동기를 이용한 능동형 선형 햅틱 장치의 투시도를 나타낸다.1 is a conceptual diagram of a medical master-slave robotic surgical system using an active linear haptic device using a shape memory alloy actuator.
2 is an exemplary view showing an active linear haptic device using a shape memory alloy actuator according to an embodiment of the present invention.
3 shows a perspective view of an active linear haptic device using the shape memory alloy actuator shown in FIG. 1.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "~부","~기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise. In addition, the terms "~", "~" described in the specification means a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
DETAILED DESCRIPTION In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings that illustrate preferred embodiments of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 구체적인 내용을 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail.

도 1은 형상기억합금 작동기를 이용한 능동형 선형 햅틱 장치를 이용한 의료용 마스터-슬레이브 로봇 수술 시스템의 개념도이다. 의사가 조작하는 마스터 로봇이 원격으로 슬레이브 로봇을 구동하여 수술을 집도하도록 구성되어 있다. 이때 마스터 로봇은 3자유도 회전 운동과 1자유도 병진 운동이 가능한 매커니즘을 갖고 있으며, 고안된 선형 햅틱 장치는 병진 운동에 대한 반력을 제공할 수 있도록 마스터 로봇과 수술용 포셉(1) 사이에 위치한다.1 is a conceptual diagram of a medical master-slave robotic surgical system using an active linear haptic device using a shape memory alloy actuator. The master robot operated by the doctor is configured to remotely drive the slave robot to perform surgery. At this time, the master robot has a mechanism capable of three degrees of freedom rotational motion and one degree of freedom translational motion, and the designed linear haptic device is located between the master robot and the surgical forceps (1) to provide reaction force for the translational motion. .

수술을 담당하는 슬레이브 로봇은 환자의 장기 내부에 삽입되어 수술을 집도하게 되고, 슬레이브 로봇이 장기와 부딪히게 되면 슬레이브 로봇에 부착되어 있는 센서에 의해 힘을 측정하게 되고, 그 힘은 장기 형상 마스터 장치로 전달되어 그 장기에서 발생하는 반력을 햅틱 마스터 장치로 전달하게 된다. 전달된 힘은 선형 햅틱 장치에 의해 의사에게 촉감으로써 전달된다.
The slave robot in charge of the operation is inserted into the patient's organ to perform the operation. When the slave robot collides with the organ, the force is measured by a sensor attached to the slave robot. The reaction force generated in the organ is transmitted to the haptic master device. The transmitted force is transmitted to the doctor by a haptic linear haptic device.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 형상기억합금 작동기를 이용한 능동형 선형 햅틱 장치를 나타낸 예시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 형상기억합금 작동기를 이용한 능동형 선형 햅틱 장치의 투시도를 나타낸다.2 is an exemplary view showing an active linear haptic device using a shape memory alloy actuator according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a perspective view of an active linear haptic device using a shape memory alloy actuator shown in FIG.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 형상기억합금 작동기를 이용한 능동형 선형 운동 햅틱 장치는 로드(4), 힘 센서(3), 제1 하우징(6), 제2 하우징(8), 제1 스프링(5), 제2 스프링(7), 형상기억합금 작동기, 제어부(9)를 포함한다.
As shown in FIG. 2, the active linear motion haptic device using the shape memory alloy actuator of the present invention includes a rod 4, a force sensor 3, a first housing 6, a second housing 8, and a first And a spring 5, a second spring 7, a shape memory alloy actuator, and a control unit 9.

상기 로드(4)는 원통형 막대 형태로 형성되며, 사용자의 힘을 전달하는 기능을 갖는 포셉(1)(forcep)과 접촉되어 형성될 수 있다.The rod 4 is formed in the shape of a cylindrical rod, and may be formed in contact with the forceps 1 (forcep) having a function of transmitting a user's force.

또한, 상기 로드(4) 내부에는 전원 라인이 형성되어 상기 형상기억함금 작동기 및 제어부(9)와 전기적을 연결될 수 있다.
In addition, a power line is formed inside the rod 4 to be electrically connected to the shape memory actuator and the controller 9.

상기 힘 센서(3)는 상기 로드(4) 상부에 형성되며, 상기 포셉(1)으로부터 제공되는 사용자의 힘의 크기 및 방향 등을 측정하여 그에 상응하는 센싱 신호를 출력한다.The force sensor 3 is formed on the rod 4 and measures the magnitude and direction of the force of the user provided from the forceps 1 and outputs a corresponding sensing signal.

상기 힘 센서(3)는 외부로부터 전류를 공급받아 구동될 수 있다.The force sensor 3 may be driven by receiving a current from the outside.

상기 제1 하우징(6)은 절연 물질로 형성될 수 있으며, 상기 로드(4)의 외부를 감쌀 수 있도록 상기 로드(4)의 형태와 동일한 형태로 형성될 수 있다.
The first housing 6 may be formed of an insulating material, and may be formed in the same shape as that of the rod 4 so as to surround the outside of the rod 4.

상기 제1 및 제2 스프링(7)은 상기 제1 하우징(6) 내부의 공간에 위치하여 체결되며, 상기 사용자의 힘의 따른 이완과 수축 동작을 반복하도록 형성된다.The first and second springs 7 are fastened by being located in a space inside the first housing 6 and are formed to repeat the relaxation and contraction motions according to the force of the user.

상기 제1 스프링(5)과 상기 제2 스프링(7)은 일렬로 배열되어 접속되며, 상기 제1 스프링(5)과 제2 스프링(7) 각각은 형상기억합금을 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
The first spring 5 and the second spring 7 are arranged in a row and connected, and each of the first spring 5 and the second spring 7 may be formed of a material including a shape memory alloy. have.

상기 형상기억합금 작동기는 상기 제1 스프링(5)과 상기 제2 스프링(7) 간에 삽입되어, 상기 포셉(1)으로부터 제공된 사용자의 힘의 방향 및 크기에 따라 상기 제1 및 제2 스프링(7)의 수축과 이완에 상응하는 반력을 생성한다.The shape memory alloy actuator is inserted between the first spring (5) and the second spring (7), the first and second spring (7) in accordance with the direction and magnitude of the user's force provided from the forceps (1) ) Produces a reaction force corresponding to the contraction and relaxation.

상기 형상기억합금 작동기는 외부로부터 전류를 공급받아 구동될 수 있다.
The shape memory alloy actuator may be driven by receiving a current from the outside.

상기 제2 하우징(8)은 제1 스프링(5) 및 제2 스프링(7)을 감싸도록 상기 제1 하우징(6) 내부에 형성될 수 있으며, 이는 상기 제1 스프링(5) 및 제1 스프링(5)에서 발생되는 반력에 상기 외부로부터의 압력 및 노이즈를 차단하기 위하도록 형성될 수 있다.The second housing 8 may be formed inside the first housing 6 to surround the first spring 5 and the second spring 7, which is the first spring 5 and the first spring. It can be formed to block pressure and noise from the outside to the reaction force generated in (5).

상기 제어부(9)는 선형 운동 햅틱 장치의 외부에 위치하게 되며, 유선으로 신호를 주고 받을 수 있다. 상기 형상기억합금 작동기는 스프링 타입의 형상기억합금을 이용하기 때문에 촉감을 구현할 필요가 없는 상황에서도 스프링이 가지고 있는 탄성력에 의해 반력이 존재하게 된다. 즉 반력이 필요하지 않을 시에 자유로운 병진 운동이 가능하기 위해서는 스프링이 가지고 있는 탄성력을 보상하여 반력을 0으로 제어해야 한다. 이는 제어부(9)에서 담당하게 되며, 상기 제1 스프링(5)과 제2 스프링(7)을 이용하여, 상기 로드(4)를 아래 방향으로 이동할 시에는 수축되는 제2 스프링(7)에 제1 스프링의 탄성력만큼의 전류를 인가하여 반력을 상쇄시켜 주고, 상기 로드(4)를 윗 방향으로 이동할 시에는 수축되는 제1 스프링(5)에 제2 스프링의 탄성력만큼의 전류를 인가하여 반력을 상쇄시켜 주어 탄성력을 보상해준다.
The control unit 9 is located outside the linear motion haptic device, and can send and receive signals by wire. Since the shape memory alloy actuator uses a spring type shape memory alloy, there is a reaction force due to the elastic force of the spring even in a situation in which it is not necessary to implement touch. That is, in order to be able to freely translate when no reaction force is required, the reaction force must be controlled to zero by compensating the elastic force of the spring. This is handled by the control unit 9, by using the first spring 5 and the second spring 7, the second spring 7 is contracted when the rod 4 is moved downward. The reaction force is canceled by applying a current equal to the elastic force of one spring, and when the rod 4 is moved upward, the reaction force is applied by applying a current equal to the elastic force of the second spring to the contracted first spring 5. It compensates for elastic force.

따라서, 본 발명에 따르면, 3 자유도의 회전 운동과 1 자유도의 병진 운동이 가능한 최소 침습 수술용 마스터 로봇 시스템에 형상기억합금 작동기을 이용한 능동형 선형 운동 햅틱 장치를 삽입함으로써 병진 운동 방향으로의 힘에 대한 반력을 효과적으로 구현할 수 있다.Therefore, according to the present invention, the reaction force against the force in the translational motion direction is inserted by inserting an active linear motion haptic device using a shape memory alloy actuator into a master robot system for minimally invasive surgery capable of rotational motion of 3 degrees of freedom and translational motion of 1 degree of freedom. Can be effectively implemented.

또한, 반력의 크기를 선택적, 능동적으로 제어할 수 있다.
In addition, the magnitude of reaction force can be selectively and actively controlled.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims and their equivalents. And such changes are, of course, within the scope of the claims.

1: 포셉 2: 햅틱 마스터 장치
3: 힘 센서 4: 로드
5: 제1 스프링 6: 제1 하우징
7: 제2 스프링 8: 제2 하우징
9: 제어부
1: Forceps 2: Haptic Master Device
3: force sensor 4: rod
5: first spring 6: first housing
7: second spring 8: second housing
9:

Claims (4)

원통형 막대 형태로 형성된 로드;
상기 로드 상부에 형성되며, 사용자의 힘의 크기를 측정하여 그에 상응하는 센싱 신호를 출력하는 힘 센서;
상기 로드를 감싸는 제1 하우징;
상기 제1 하우징 내부에 체결되며, 이완과 수축을 반복하는 제1 및 제2 스프링;
상기 제1 및 제2 스프링 간에 삽입되어 외부로부터 전류를 공급받아 상기 제1 및 제2 스프링의 수축과 이완에 따른 반력을 생성하는 형상기억합금 작동기;
상기 제1 하우징 내부에 형성되는 제2 하우징; 및
상기 힘 센서로부터 출력된 상기 센싱 신호를 수신하여, 상기 스프링의 이완과 수축을 제어하는 제어신호를 출력하는 제어부를 포함하는 형상기억합금 작동기를 이용한 능동형 선형 햅틱 장치.
A rod formed in the form of a cylindrical rod;
A force sensor formed on the rod and configured to measure a magnitude of a user's force and output a sensing signal corresponding thereto;
A first housing surrounding the rod;
First and second springs coupled within the first housing and repeating relaxation and contraction;
A shape memory alloy actuator inserted between the first and second springs to receive a current from the outside to generate a reaction force according to the contraction and relaxation of the first and second springs;
A second housing formed inside the first housing; And
Receiving the sensing signal output from the force sensor, Active linear haptic device using a shape memory alloy actuator including a control unit for outputting a control signal for controlling the relaxation and contraction of the spring.
제1항에 있어서,
상기 제2 하우징은,
상기 제1 및 제2 스프링을 감싸도록 상기 제1 하우징 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 작동기를 이용한 능동형 선형 햅틱 장치.
The method of claim 1,
The second housing,
An active linear haptic device using a shape memory alloy actuator, characterized in that formed in the first housing to surround the first and second spring.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 스프링은,
형상기억합금을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 작동기를 이용한 능동형 선형 햅틱 장치.
The method of claim 1,
The first and second spring,
An active linear haptic device using a shape memory alloy actuator, characterized in that formed using a shape memory alloy.
제1항에 있어서,
상기 형상기억합금 작동기는,
상기 제1 스프링 및 제2 스프링의 병진 운동에 따른 반력을 생성하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 작동기를 이용한 능동형 선형 햅틱 장치.The method of claim 1,
The shape memory alloy actuator,
An active linear haptic device using a shape memory alloy actuator, characterized in that for generating a reaction force according to the translational motion of the first spring and the second spring.

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