KR101418715B1

KR101418715B1 - 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조 및 이를 구비한 수술용 로봇의 제어방법

Info

Publication number: KR101418715B1
Application number: KR1020120147181A
Authority: KR
Inventors: 김종인
Original assignee: (주)미래컴퍼니
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2014-07-14
Also published as: KR20140078150A

Abstract

수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조가 개시된다. 수술용 인스트루먼트(instrument)가 장착되는 수술용 로봇의 마스터부에 구비되며, 인스트루먼트가 그립(grip) 동작을 수행하도록 사용자로부터 그립 조작을 입력받기 위한 그립퍼(gripper) 구조로서, 사용자의 그립 조작에 상응하여 개폐되는 한 쌍의 그립 요소(grip element)와, 그립 요소의 개폐 동작에 상응하여 길이방향을 축으로 하여 회전하는 제1 샤프트(shaft)와, 제1 샤프트의 회전 정도를 감지하여 그립 요소의 개폐 정도를 인식하는 제1 센싱부를 포함하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조는, 그립퍼를 간단하고 슬림하게 구성하면서도 그립퍼에 대한 사용자 조작을 구분하여 인식할 수 있다.

Description

수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조 및 이를 구비한 수술용 로봇의 제어방법{Master gripper of surgical robot and control method of surgical robot having the same}

본 발명은 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조 및 이를 구비한 수술용 로봇의 제어방법에 관한 것이다.

의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기계를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다. 특히, 수술부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제로 인하여 최근에는 로봇(robot)을 사용한 수술이 대안으로서 각광받고 있다.

이러한 수술용 로봇은 의사의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터(master)부와, 조작부로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave)부로 구분될 수 있는데, 마스터부와 슬레이브부는 하나의 수술용 로봇의 각 부분으로서 구분되거나, 각각 별도의 장치로, 즉 조작부는 마스터 로봇으로, 구동부는 슬레이브 로봇으로 구분되어 수술실에 각각 배치될 수도 있다.

수술용 로봇의 마스터부에는 의사의 조작을 위한 디바이스가 설치되는데, 로봇 수술의 경우 집도의는 수술에 필요한 인스트루먼트를 직접 조작하는 것이 아니라, 전술한 디바이스를 조작하여 로봇에 장착된 각종 인스트루먼트가 수술에 필요한 동작을 수행하도록 한다.

수술용 로봇의 슬레이브부에는 수술용 인스트루먼트가 장착되며, 인스트루먼트의 말단에는 이펙터(effector)가 결합된다. 이펙터는 수술 동작의 종류에 따라 집게, 가위, 나이프, 바늘 등 다양한 형상 및 구조로 이루어지는데, 전술한 것처럼 마스터부에 설치되는 디바이스를 조작함에 따라, 인스트루먼트의 이펙터는 그 형상 및 구조에 따른 수술에 필요한 동작, 즉 그립(grip), 절단(cutting), 봉합(suturing) 등의 다양한 동작을 수행하게 된다.

이 중, 이펙터가 집게 구조로 이루어진 경우, 이펙터의 동작을 제어하기 위해 마스터 디바이스에는 그립퍼(gripper)가 설치될 수 있다. 즉, 수술용 로봇의 마스터부에 집게 형상의 그립퍼를 설치하고, 사용자가 그립퍼를 조작하는 것에 상응하여 이펙터 또한 집게 동작을 수행하도록 하였다.

수술용 마스터 로봇에 있어서, 종래에는 조작자(의사)가 자신의 손목을 비틀면서 핸들을 회전시켜야 하는데, 이 경우 손목을 일정 정도 이상으로 비틀게 되면 (인체의 구조상) 더 이상 핸들을 회전시키지 못하게 되는 한계점이 존재하였으며, 이에 따라 수술 도구(인스트루먼트)의 동작(회전) 범위 또한 제한된다는 문제점이 있었다.

종래의 마스터 그립퍼의 구조는, 한 쌍의 그립 요소가 힌지축에 결합된 집게 형태로서, 힌지축에 설치되는 모터를 작동시킴에 따라 집게 요소가 벌어지거나 닫히도록 하는 구조, 또는 외부의 구동모터가 와이어에 의해 힌지축과 풀리(pulley) 결합되어 구동모터를 작동시킴에 따라 와이어를 통해 장력이 전달되어 집게 요소가 벌어지거나 닫히도록 하는 구조로 이루어졌다.

이 경우, 모터에는 인코더가 결합되어 있어서, 인코더를 통해 전송되는 모터의 회전 정도에 관한 정보로부터 그립퍼가 벌어진 정도(또는 닫힌 정도)를 파악하고, 이에 따라 그립퍼의 개폐정도에 상응하여 이펙터가 집게 동작을 수행하도록 제어하게 된다.

그러나, 종래의 마스터 그립퍼 구조는, 힌지축(또는 외부)에 양방향으로의 회전을 제어할 수 있는 모터(예를 들면, 서보 모터)를 설치해야 하므로 그립퍼의 크기가 커지고 구조가 복잡하며, 풀리 와이어의 텐션(tension)을 적절하게 조절해야만 제대로 작동하게 되는 번거로움이 있었다. 즉, 와이어의 텐션이 너무 크면 모터가 원활하게 회전하기 힘들고, 텐션이 너무 작으면 백래쉬(backlash) 등의 문제가 발생할 수 있다는 한계가 있었다.

또한, 종래의 마스터 그립퍼 구조에 사용되는 센서(홀센서)는 아날로그 타입이므로 AD컨버터가 필요하게 되고, 센서마다 캘리브레이션(calibration)을 해줘야 한다는 단점이 있다.

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

한편, 미국특허 US6,587,750에는 링크 구조를 이용하여 그립퍼의 조작을 샤프트의 축방향 이동으로 전환시키고 샤프트의 이동 정도를 홀센서로 센싱하여 그립퍼의 그립 정도를 감지하는 마스터 그립퍼 구조가 개시되어 있다.

특허문헌 1 : 미국 등록특허공보 US6,587,750호

본 발명은, 수술용 로봇의 핸드 그립퍼(gripper)에 대한 사용자 조작을 인식할 수 있는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조 및 이를 구비한 수술용 로봇의 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 수술용 인스트루먼트(instrument)가 장착되는 수술용 로봇의 마스터부에 구비되며, 인스트루먼트가 그립(grip) 동작을 수행하도록 사용자로부터 그립 조작을 입력받기 위한 그립퍼(gripper) 구조로서, 사용자의 그립 조작에 상응하여 개폐되는 한 쌍의 그립 요소(grip element)와, 그립 요소의 개폐 동작에 상응하여 길이방향을 축으로 하여 회전하는 제1 샤프트(shaft)와, 제1 샤프트의 회전 정도를 감지하여 그립 요소의 개폐 정도를 인식하는 제1 센싱부를 포함하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조가 제공된다.

한 쌍의 그립 요소는 소정의 힌지축을 중심으로 각각 회전되어, 개방시에는 서로 벌어지고 폐쇄시에는 서로 오므라지는 동작을 수행할 수 있다.

제1 샤프트의 일단부는 힌지축 부위에서 그립 요소에 결합되고, 한 쌍의 그립 요소에는 힌지축에 결합되는 부위에 각각 제1 베벨 기어가 구비되며, 제1 샤프트의 일단부에는 제1 베벨 기어에 치합(齒合)하는 제2 베벨 기어가 구비될 수 있다.

제1 센싱부는, 제1 샤프트의 타단부에 구비되는 마그넷(magnet)과, 마그넷에 대향하여 위치하며, 마그넷의 회전에 상응하여 센싱 신호를 출력하는 절대치 인코더(absolute encoder) 등의 제1 인코더(encoder)를 포함할 수 있다.

그립 요소의 길이방향을 축으로 하는 회전 동작에 상응하여 회전하는 제2 샤프트와, 제2 샤프트의 회전 정도를 감지하여 그립 요소의 회전 정도를 인식하는 제2 센싱부를 더 포함할 수 있다.

제1 샤프트(또는 제2 샤프트)는 원통 형상으로 이루어지고, 제2 샤프트(또는 제1 샤프트)는 제1 샤프트(또는 제2 샤프트)와 동심으로 회전하도록 제1 샤프트(또는 제2 샤프트) 내에 수용될 수 있다.

제2 센싱부는, 제2 샤프트의 회전에 연동하여 회전하는 구동축을 가지는 모터와, 모터에 결합되며, 구동축의 회전에 상응하여 센싱 신호를 출력하는 제2 인코더를 포함할 수 있다.

제2 샤프트의 외주면에는 제3 베벨 기어가 구비되며, 구동축에는 제3 베벨 기어에 치합하는 제4 베벨 기어가 구비될 수 있다.

제1 인코더로부터 출력되는 센싱 신호와 제2 인코더로부터 출력되는 센싱 신호의 차이로부터, 그립 요소의 개폐 정도를 산출하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 마스터(master)부에는 그립 조작을 입력받는 그립퍼가 설치되고, 슬레이브(slave)부에는 그립 동작을 수행하는 수술용 인스트루먼트가 장착되는 수술용 로봇을 제어하는 방법으로서, 그립퍼는, 사용자의 그립 조작에 상응하여 개폐되는 한 쌍의 그립 요소와, 그립 요소의 개폐 동작에 상응하여 길이방향을 축으로 하여 회전하는 제1 샤프트와, 그립 요소의 길이방향을 축으로 하는 회전 동작에 상응하여 회전하는 제2 샤프트와, 제1 샤프트의 회전 정도를 감지하여 그립 요소의 개폐 정도를 인식하는 제1 센싱부와, 제2 샤프트의 회전 정도를 감지하여 그립 요소의 회전 정도를 인식하는 제2 센싱부를 포함하며, (a) 제1 센싱부로부터 제1 샤프트의 회전 정도에 관한 정보를 수신하는 단계, (b) 제2 센싱부로부터 제2 샤프트의 회전 정도에 관한 정보를 수신하는 단계, 및 (c) 단계 (a)에서 수신된 정보와 단계 (b)에서 수신된 정보 간의 차이로부터 그립 요소의 개폐 정도를 산출하는 단계를 포함하는 수술용 로봇의 제어방법이 제공된다.

단계 (c) 이후에, (d) 산출된 그립 요소의 개폐 정도에 상응하여 인스트루먼트가 그립 동작을 수행하도록 인스트루먼트를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 잇점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 그립퍼를 간단하고 슬림하게 구성하면서도 그립퍼에 대한 사용자 조작(그립 동작과 회전 동작)을 구분하여 인식할 수 있고, 디지털 방식으로 구현되는 절대치 인코더(absolute encoder)를 센서로 사용함으로써 AD컨버터를 생략할 수 있고 캘리브레이션이 불필요하다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 단면도.
도 2는 도 1의 'A'에 대한 평면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 제어방법을 나타낸 순서도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 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.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 'A'에 대한 평면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 그립 요소(10), 제1 샤프트(20), 베벨 기어(22, 24, 42, 44), 제1 센싱부(30), 마그넷(32), 제1 인코더(34), 제2 샤프트(40), 제2 센싱부(50), 모터(52), 구동축(54), 제2 인코더(56)가 도시되어 있다.

본 실시예는, 수술용 마스터 로봇의 그립퍼 구조에 있어서, 그립퍼의 움직임을 샤프트의 회전으로 전환시키고 샤프트의 말단에는 마그넷을, 그에 대향하여서는 절대치 인코더를 설치함으로써, 보다 간단한 구조로 그립퍼의 그립 상태를 더욱 정교하게 감지할 수 있도록 한 핸드 그립퍼 구조를 특징으로 한다.

또한, 본 실시예에 따른 그립퍼 구조는, 샤프트를 2중(제1 샤프트, 제2 샤프트)으로 구성하고 그립퍼 자체의 회전에 연동하여 회전하는 제2 샤프트에는 모터 및 인코더를 결합하여 그립퍼 자체의 회전을 감지함으로써, 절대치 인코더와 모터의 인코더로부터 각각 수신된 신호의 차이로부터 그립퍼의 그립 정도와 그립퍼 자체의 회전 정도를 구분하여 인식하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 실시예에 따른 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조는, 수술용 로봇의 마스터(master)부에 구비되어 사용자로부터 그립 조작을 입력받기 위한 구조물이며, 수술용 로봇의 슬레이브(slave)부에는 인스트루먼트가 장착되어 그립퍼를 통해 입력받은 그립 조작에 상응하여 그립 동작을 수행한다. 이러한 인스트루먼트의 그립 동작에 의해 수술이 이루어지게 된다.

본 실시예에 따른 그립퍼 구조는, 한 쌍의 그립 요소(grip element)(10), 제1 샤프트(shaft)(20), 및 제1 센싱부(30)로 이루어질 수 있다.

한 쌍의 그립 요소(10)는 사용자가 잡고 그립 조작을 함으로써 개폐되는 구성요소이다. 예를 들어, 사용자가 엄지와 검지를 사용하여 한 쌍의 그립 요소(10)를 잡는다고 하면, 하나의 그립 요소(10)는 엄지에, 나머지 하나의 그립 요소(10)는 검지에 접하게 된다.

한 쌍의 그립 요소(10)는 소정의 힌지축을 중심으로 각각 회전되도록 결합될 수 있는데, 전술한 것처럼, 사용자가 손가락으로 한 쌍의 그립 요소(10)를 잡은 상태에서 그립 조작, 즉 잡거나 놓는 조작을 하게 되면 그에 따라 그립 요소(10)는 개방되거나 폐쇄되게 된다.

여기에서 한 쌍의 그립 요소(10)가 개방된다는 것은 한 쌍의 그립 요소(10)가 힌지축을 중심으로 벌어지는 것을 의미하며, 한 쌍의 그립 요소(10)가 폐쇄된다는 것은 한 쌍의 그립 요소(10)가 힌지축을 중심으로 오므라지는 것을 의미한다. 즉, 한 쌍의 그립 요소(10)의 개폐 동작은 한 쌍의 그립 요소(10)가 벌어지거나 오므라지는 동작을 의미한다.

제1 샤프트(20)는 그립 요소(10)의 개폐 동작에 상응하여 길이방향을 축으로 하여(도 1의 'x축' 참조) 회전하는 구성요소이다. 이처럼, 본 실시예는 그립 요소(10)의 개폐 동작을 샤프트의 회전 동작으로 전환시켜 사용자의 그립 조작에 대한 보다 정교한 센싱이 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.

그립 요소(10)의 개폐 동작을 제1 샤프트(20)의 회전 동작으로 전환시키기 위해, 도 1의 'A' 부분에 도시된 것처럼 샤프트의 일단부가 힌지축 부위에서 그립 요소(10)에 결합되되, 한 쌍의 그립 요소(10) 및 제1 샤프트(20)의 일단부에 각각 베벨 기어(22, 24)가 구비될 수 있다.

도 2에 도시된 것처럼 한 쌍의 그립 요소(10)에 각각 구비된 베벨 기어(22)가 제1 샤프트(20)의 일단부에 구비된 베벨 기어(24)에 치합되도록 그립 요소(10)와 샤프트를 결합함으로써, 그립 요소(10)의 개폐 동작이 샤프트의 x축을 중심으로 한 회전 동작으로 전환될 수 있다.

다만, 도 2에 도시된 기어 결합 구조는 그립 요소(10)의 개폐 동작을 샤프트의 회전 동작으로 전환시키기 위한 일례를 도시한 것으로, 도시된 구조 외에도 다양한 방식으로 그립 요소(10)와 제1 샤프트(20)를 결합시켜 그립 요소(10)의 개폐 동작을 샤프트의 회전 동작으로 전환시킬 수 있음은 물론이다.

제1 센싱부(30)는 제1 샤프트(20)의 회전을 감지하는 구성요소로서, 전술한 것처럼 본 실시예에서는 그립 요소(10)의 개폐 동작이 제1 샤프트(20)의 회전 동작으로 전환되므로, 제1 샤프트(20)의 회전 정도를 감지한다는 것은 그립 요소(10)의 개폐 정도를 감지하는 것을 의미한다.

이처럼, 제1 샤프트(20)의 회전을 감지하여 그립 요소(10)의 개폐 정도를 인식하기 위해, 본 실시예에 따른 제1 센싱부(30)는 마그넷(magnet)(32)과, 마그넷(32)에 마주보도록 위치하는 제1 인코더(34)를 포함할 수 있다.

마그넷(32)은 도 1에 도시된 것처럼 제1 샤프트(20)의 타단부에 구비될 수 있다. 따라서, 그립 요소(10)가 개폐되어 제1 샤프트(20)가 회전하면 제1 샤프트(20)의 말단에 장착된 마그넷(32)이 회전하게 된다.

즉, 본 실시예에 따른 그립퍼는 도 2에 도시된 것처럼 3개의 베벨 기어(22, 24)를 연속적으로 연결하여 회전축이 직교하도록 변경한 것을 특징으로 하며, 제1 샤프트(20)의 끝단에 마그넷(32)을 장착하고, 그 마주보는 반대면에 후술하는 것처럼 절대치 인코더를 부착함으로써, 그립 요소(10)의 개폐 동작(그립 동작)을 인식하도록 한 것이다.

예를 들어, 마그넷(32)이 절반은 N극을, 나머지 절반은 S극을 띄는 원판형으로 형성된다고 하면, 마그넷(32)이 180도 회전함에 따라 N극과 S극이 초기 위치와 반대되는 위치가 되며, 마그넷(32)이 360도 회전함에 따라 N극과 S극이 다시 초기 위치와 같은 위치가 된다.

이러한 마그넷(32)에 대향하여 제1 인코더(34)를 배치함으로써, 마그넷(32)의 회전 정도를 감지할 수 있다. 전술한 것처럼, 제1 샤프트(20)의 회전에 따라 그 말단에 장착된 마그넷(32) 또한 회전하게 되며, 마그넷(32)의 회전에 따라 극성(N극, S극)의 위치가 변하게 되는데, 본 실시예에 따른 제1 인코더(34)는 이러한 마그넷(32)의 극성의 변화를 감지하여 마그넷(32)이 얼마만큼 회전하였는지를 감지하여 센싱 신호를 출력하게 된다.

여기서, 제1 인코더(34)로서 절대치 인코더(absolute encoder)를 사용할 수 있다. 절대치 인코더는 마그넷(32)이 이전 위치로부터 회전한 각도를 상대적으로 감지하는 것이 아니라, 마그넷(32)이 초기 위치로부터 회전한 각도의 절대치를 감지하는 방식으로 작동되므로, 보다 정교한 센싱이 가능하게 된다.

아울러, 본 실시예에 따른 절대치 인코더는 디지털 방식으로 구현 가능하므로 종래의 홀센서의 경우처럼 AD컨버터를 사용할 필요가 없으며, 절대치 엔코더를 사용하면 초기화가 불필요하다는 잇점이 있다.

또한, 종래의 홀센서 방식은 오차 문제와 비선형의 문제가 있었으나, 본 실시예에 따른 제1 센싱부(30)는 마그넷(32)이 회전한 정도를 절대치 인코더에서 각도값으로 바로 센싱하므로 센싱 데이터가 선형 변환이 되어 오차가 적다는 장점이 있다.

본 실시예에 따른 그립퍼 구조는, 제2 샤프트(40)와 제2 센싱부(50)를 더 포함할 수 있다.

제2 샤프트(40)는 그립 요소(10)가 x축을 중심으로 회전할 경우, 그 회전 동작에 상응하여 x축을 중심으로 회전하는 구성요소이다. 본 실시예에 따른 그립퍼 구조는 그립 요소(10)의 그립 조작을 샤프트의 회전으로 전환시켜 인식하는 방식으로서, 그립 요소(10) 자체를 (샤프트의 회전축과 동일한 축을 중심으로) 회전시킬 경우에도 샤프트가 회전하게 되므로, 샤프트의 회전이 그립 조작에 따른 것인지 회전 조작에 따른 것인지 구분할 필요가 있다.

이에, 본 실시예에 따른 제1 샤프트(20) 외에 제2 샤프트(40)를 더 추가함으로써, 그립 요소(10)에 대한 그립 조작은 제1 샤프의 회전으로부터, 그립 요소(10)에 대한 회전 조작은 제2 샤프트(40)의 회전으로부터 감지하도록 할 수 있다.

제1 샤프트(20)와 제2 샤프트(40)는 동심축을 가지도록 결합할 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 것처럼 제2 샤프트(40)를 원통 형상으로 제작하고 그 내부에 제1 샤프트(20)가 수용되도록 하여, 그립 요소(10)에 대한 그립 조작에 의해서는 (베벨 기어에 의해) 제1 샤프트(20)가 회전하고, 그립 요소(10)에 대한 회전 조작에 의해서는 제2 샤프트(40)(및 제1 샤프트(20))가 회전하도록 할 수 있다.

다만, 도 1에는 제1 샤프트(20)와 제2 샤프트(40)의 결합 구조의 일례를 도시한 것으로, 도시된 결합 구조 외에도, 제1 샤프트(20)를 원통 형상으로 제작하고 그 내부에 제2 샤프트(40)가 수용되도록 하는 등 다양한 방식으로 제1 샤프트(20)와 제2 샤프트(40)를 결합할 수 있음은 물론이다.

제2 센싱부(50)는 제2 샤프트(40)의 회전을 감지하는 구성요소이다. 본 실시예에 따른 제2 센싱부(50)는 모터(52)와, 모터(52)에 결합되는 제2 인코더(56)를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 모터(52)는 제2 샤프트(40)의 회전에 연동하여 회전하는 구동축(54)을 가지며, 모터(52)에 결합된 제2 인코더(56)는 모터(52)의 구동축(54)이 회전함에 따라 그에 상응하는 센싱 신호를 출력한다. 즉, 본 실시예에 따른 제2 센싱부(50)는 제2 샤프트(40)의 회전에 모터(52)의 구동축(54)을 연동시키고, 모터(52)가 회전한 정도를 인코더로 센싱하는 구조로 이루어질 수 있다.

전술한 '그립 요소(10)-제1 샤프트(20)'의 연동 관계와 마찬가지로, 본 실시예에 따른 제2 샤프트(40)와 구동축(54) 또한 서로 치합하는 베벨 기어(42, 44)를 사용하여 연동시킬 수 있다.

즉, 도 2에 도시된 것처럼 제2 샤프트(40)의 외주면 베벨 기어(42)를 구비하고, 모터(52)의 구동축(54)에도 베벨 기어(44)를 장착하여, 제2 샤프트(40)가 회전함에 따라 외주면에 구비된 베벨 기어(42)가 회전하고, 그에 치합된 구동축(54)의 베벨 기어(44)가 회전함에 따라 구동축(54)이 회전하도록 할 수 있다.

이처럼, 본 실시예에 따른 그립 요소(10)의 회전 운동은 회전 샤프트(제2 샤프트(40)) 상에 한 쌍의 서로 치합하는 베벨 기어(42, 44)를 장착함으로써, 모터(52)의 구동축(54)으로 전달될 수 있다. 이 모터(52)에 인코더를 체결함으로서, 결과적으로 그립 요소(10)의 회전 운동을 인식할 수 있다.

그립 요소(10)에 대한 그립 조작은 제1 샤프트(20)의 회전으로 전환되는 반면, 그립 요소(10) 자체에 대한 회전 조작은 제2 샤프트(40)뿐만 아니라 제1 샤프트(20)의 회전으로도 전환될 수 있다. 즉, 사용자가 그립 요소(10) 자체를 회전시키는 조작을 할 경우, 제1 샤프트(20)와 제2 샤프트(40)가 모두 회전할 수 있다.

이 경우, 제1 샤프트(20)의 회전은 제1 센싱부(30)에 의해 감지되고, 제2 샤프트(40)의 회전은 제2 센싱부(50)에 의해 감지되므로, 제1 센싱부(30), 즉 제1 인코더(34)로부터 출력되는 센싱 신호와, 제2 센싱부(50), 즉 제2 인코더(56)로부터 출력되는 센싱 신호의 차이로부터, 그립 요소(10)의 개폐 정도를 산출할 수 있다.

그립 요소(10)에 대해 그립 조작만을 할 경우 제1 센싱부(30)가 그립 조작 정도를 감지하고, 그립 요소(10)에 대해 회전 조작만을 할 경우 제1 센싱부(30) 및 제2 센싱부(50)가 모두 회전 조작 정도를 감지하게 된다.

그립 요소(10)에 대해 그립 조작과 회전 조작을 병행할 경우에는, 제1 센싱부(30)가 감지한 회전 각도는 그립 조작에 의한 것과 회전 조작에 의한 것이 모두 포함되어 있고, 제2 센싱부(50)가 감지한 회전 각도는 회전 조작에 의한 것만 센싱될 수 있다.

따라서, 제1 센싱부(30)에 의해 감지된 회전 각도에서 제2 센싱부(50)에 의해 감지된 회전 각도를 뺌으로써, 그립 요소(10)에 대한 그립 조작에 의한 각도만 구분하여 산출해 낼 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 제어방법을 나타낸 순서도이다. 이하, 전술한 마스터 그립퍼 구조를 사용하여 수술용 로봇의 인스트루먼트의 그립 동작을 제어하는 프로세스에 대하여 설명한다.

전술한 것처럼, 본 실시예에 따른 마스터 그립퍼 구조에는 제1 샤프트(20), 제1 센싱부(30), 제2 샤프트(40), 및 제2 센싱부(50)가 구비되어 있으며, 수술용 로봇에는 그립퍼로부터 신호를 수신하여 로봇의 동작을 제어하는 제어부가 구비되어 있다.

수술용 로봇의 제어부는, 먼저, 제1 센싱부(30)에서 제1 샤프트(20)의 회전 정도를 감지하고 그에 관한 정보 수신하며(S100), 제2 센싱부(50)에서 제2 샤프트(40)의 회전 정도를 감지하고 그에 관한 정보 수신한다(S200).

제1 센싱부(30)로부터의 정보 수신과 제2 센싱부(50)로부터의 정보 수신은 시계열적인 선후 관계가 있는 것은 아니며, 어느 하나를 다른 하나보다 먼저 수행할 수 있으며, 동시에 수행할 수도 있다.

다음으로, 제1 센싱부(30)로부터 수신된 정보와 제2 센싱부(50)로부터 수신된 정보의 차이로부터 마스터 그립퍼에 구비된 그립 요소(10)의 개폐 정도, 즉 한 쌍의 그립 요소(10)에 대하여 사용자가 얼마나 그립 조작을 하였는지를 산출한다(S300).

전술한 것처럼, 사용자가 그립 요소(10)를 그립 조작할 뿐만 아니라, 회전 조작할 수도 있으므로, 제1 센싱부(30)와 제2 센싱부(50)로부터 각각 센싱 신호를 수신하여 그립 조작 정도만을 산출해 낼 수 있다.

이와 같이 그립 요소(10)의 개폐 정도가 산출되면, 산출된 개폐 정도만큼 인스트루먼트가 그립 동작을 수행하도록 수술용 로봇의 작동을 제어한다(S400).

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 그립 요소 20 : 제1 샤프트
22, 24, 42, 44 : 베벨 기어 30 : 제1 센싱부
32 : 마그넷 34 : 제1 인코더
40 : 제2 샤프트 50 : 제2 센싱부
52 : 모터 54 : 구동축
56 : 제2 인코더

Claims

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수술용 인스트루먼트(instrument)가 장착되는 수술용 로봇의 마스터부에 구비되며, 상기 인스트루먼트가 그립(grip) 동작을 수행하도록 사용자로부터 그립 조작을 입력받기 위한 그립퍼(gripper) 구조로서,
사용자의 그립 조작에 상응하여 개폐되는 한 쌍의 그립 요소(grip element)와;
상기 그립 요소의 개폐 동작에 상응하여 길이방향을 축으로 하여 회전하는 제1 샤프트(shaft)와;
상기 제1 샤프트의 회전 정도를 감지하여 상기 그립 요소의 개폐 정도를 인식하는 제1 센싱부를 포함하되,
상기 한 쌍의 그립 요소는 소정의 힌지축을 중심으로 각각 회전되어, 개방시에는 서로 벌어지고 폐쇄시에는 서로 오므라지는 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
제2항에 있어서,
상기 제1 샤프트의 일단부는 상기 힌지축 부위에서 상기 그립 요소에 결합되고, 상기 한 쌍의 그립 요소에는 상기 힌지축에 결합되는 부위에 각각 제1 베벨 기어가 구비되며, 상기 제1 샤프트의 일단부에는 상기 제1 베벨 기어에 치합되는 제2 베벨 기어가 구비되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
수술용 인스트루먼트(instrument)가 장착되는 수술용 로봇의 마스터부에 구비되며, 상기 인스트루먼트가 그립(grip) 동작을 수행하도록 사용자로부터 그립 조작을 입력받기 위한 그립퍼(gripper) 구조로서,
사용자의 그립 조작에 상응하여 개폐되는 한 쌍의 그립 요소(grip element)와;
상기 그립 요소의 개폐 동작에 상응하여 길이방향을 축으로 하여 회전하는 제1 샤프트(shaft)와;
상기 제1 샤프트의 회전 정도를 감지하여 상기 그립 요소의 개폐 정도를 인식하는 제1 센싱부를 포함하되,
상기 제1 센싱부는,
상기 제1 샤프트의 타단부에 구비되는 마그넷(magnet)과;
상기 마그넷에 대향하여 위치하며, 상기 마그넷의 회전에 상응하여 센싱 신호를 출력하는 제1 인코더(encoder)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
제4항에 있어서,
상기 제1 인코더는 절대치 인코더(absolute encoder)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
제4항에 있어서,
상기 그립 요소의 상기 길이방향을 축으로 하는 회전 동작에 상응하여 회전하는 제2 샤프트와;
상기 제2 샤프트의 회전 정도를 감지하여 상기 그립 요소의 회전 정도를 인식하는 제2 센싱부를 더 포함하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
제6항에 있어서,
상기 제1 샤프트는 원통 형상으로 이루어지고, 상기 제2 샤프트는 상기 제1 샤프트와 동심으로 회전하도록 상기 제1 샤프트 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
제6항에 있어서,
상기 제2 샤프트는 원통 형상으로 이루어지고, 상기 제1 샤프트는 상기 제2 샤프트와 동심으로 회전하도록 상기 제2 샤프트 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
제6항에 있어서, 상기 제2 센싱부는,
상기 제2 샤프트의 회전에 연동하여 회전하는 구동축을 가지는 모터와;
상기 모터에 결합되며, 상기 구동축의 회전에 상응하여 센싱 신호를 출력하는 제2 인코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
제9항에 있어서,
상기 제2 샤프트의 외주면에는 제3 베벨 기어가 구비되며, 상기 구동축에는 상기 제3 베벨 기어에 치합되는 제4 베벨 기어가 구비되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
제9항에 있어서,
상기 제1 인코더로부터 출력되는 센싱 신호와 상기 제2 인코더로부터 출력되는 센싱 신호의 차이로부터, 상기 그립 요소의 개폐 정도를 산출하는 제어부를 더 포함하는 수술용 로봇의 마스터 그립퍼 구조.
마스터(master)부에는 그립 조작을 입력받는 그립퍼가 설치되고, 슬레이브(slave)부에는 그립 동작을 수행하는 수술용 인스트루먼트가 장착되는 수술용 로봇을 제어하는 방법으로서,
상기 그립퍼는, 사용자의 그립 조작에 상응하여 개폐되는 한 쌍의 그립 요소와, 상기 그립 요소의 개폐 동작에 상응하여 길이방향을 축으로 하여 회전하는 제1 샤프트와, 상기 그립 요소의 상기 길이방향을 축으로 하는 회전 동작에 상응하여 회전하는 제2 샤프트와, 상기 제1 샤프트의 회전 정도를 감지하여 상기 그립 요소의 개폐 정도를 인식하는 제1 센싱부와, 상기 제2 샤프트의 회전 정도를 감지하여 상기 그립 요소의 회전 정도를 인식하는 제2 센싱부를 포함하며,
(a) 상기 제1 센싱부로부터 제1 샤프트의 회전 정도에 관한 정보를 수신하는 단계;
(b) 상기 제2 센싱부로부터 제2 샤프트의 회전 정도에 관한 정보를 수신하는 단계; 및
(c) 상기 단계 (a)에서 수신된 정보와 상기 단계 (b)에서 수신된 정보 간의 차이로부터 상기 그립 요소의 개폐 정도를 산출하는 단계를 포함하는 수술용 로봇의 제어방법.
제12항에 있어서,
상기 단계 (c) 이후에,
(d) 산출된 상기 그립 요소의 개폐 정도에 상응하여 상기 인스트루먼트가 그립 동작을 수행하도록 상기 인스트루먼트를 제어하는 단계를 더 포함하는 수술용 로봇의 제어방법.