KR101839444B1 - 힘 측정 장치 및 상기 힘 측정 장치를 포함하는 로봇 팔 - Google Patents
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Abstract
수술용 로봇 등의 작동단에 설치되어 작동단에 작용하는 힘을 측정할 수 있는 힘 측정 장치, 특히 3자유도 이상의 힘을 측정할 수 있는 3축 힘 측정 장치 및 상기 힘 측정 장치를 포함하는 로봇 팔이 개시된다. 개시된 힘 측정 장치는, 축 방향을 갖는 파이프 형태의 몸체, 및 상기 몸체의 표면에 부착되어 상기 몸체의 인장 및 압축을 적어도 3개의 방향을 따라 측정하는 광섬유형 스트레인 게이지를 포함할 수 있다. 여기서, 광섬유형 스테레인 게이지는 상기 몸체의 표면에 부착되어 있으며 상기 몸체의 축 방향을 따라 연장된 적어도 3개의 광섬유 격자 소자, 각각의 광섬유 격자 소자에 광을 제공하는 광원, 및 각각의 광섬유 격자 소자에서 반사된 광 또는 각각의 광섬유 격자 소자를 투과한 광을 감지하는 광검출기를 포함할 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 힘 측정 장치 및 상기 힘 측정 장치를 포함하는 로봇 팔에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수술용 로봇 등의 작동단에 설치되어 작동단에 작용하는 힘을 측정할 수 있는 힘 측정 장치, 특히 3자유도 이상의 힘을 측정할 수 있는 3축 힘 측정 장치 및 상기 힘 측정 장치를 포함하는 로봇 팔에 관한 것이다.
최근 로봇 기술이 발달함에 따라 다양한 용도의 로봇들이 개발되어 상용화되고 있다. 예를 들어, 환자의 수술부위와 연결된 원격 조종형 수술로봇은 의사가 원격에서 내시경 화면을 통해 수술부위를 보면서 편안하게 미세한 수술 작업을 수행할 수 있도록 도와준다. 이러한 수술로봇을 사용할 경우, 의사가 손을 움직일 때의 손떨림을 제거할 수 있으며, 원격 수술팔이 의사의 손의 움직임을 축소하여 재현할 수 있어서 매우 정밀한 수술이 가능하게 된다.
그러나, 현재까지 상용화 된 수술로봇은 수술부위에 대한 정보로서 단지 내시경의 영상정보만을 제공하고 있어서, 일반적인 수술에서 기대할 수 있는 촉감정보를 얻을 수 없다. 즉, 손으로 직접 수술하는 경우와 비교하여, 의사는 수술팔에 부착된 수술도구가 수술부위에 어느 정도의 힘을 가하고 있는 지를 정확하게 알 수 없다. 따라서, 수술팔에 부착된 수술도구와 수술부위가 접촉하는 세기 등에 관한 정보가 영상정보와 함께 의사에게 전달될 경우, 수술부위의 절제와 소작, 봉합 등에 필요한 미세한 조작에 많은 도움을 줄 수 있다. 이를 위해서는, 수술팔에 부착된 수술도구와 수술부위 사이에 작용하는 힘을 정확하게 측정하는 것이 중요하다.
이에 따라, 수술로봇의 작동단 등에 정교한 힘 측정 장치를 설치하려는 연구가 진행되고 있다. 그러나, 지금까지 제안된 힘 측정 장치는 모든 방향의 힘을 정확하게 측정하지 못하거나, 공간이 협소한 수술로봇의 팔 부위에 장착하기가 어렵고, 또는 강한 전자기장이 있는 환경에서는 오작동할 가능성이 있다. 또한, 지금까지 제안된 힘 측정 장치는 측정 가능한 힘의 범위가 비교적 좁다.
3자유도 이상의 힘을 전자기장의 영향 없이 정확하게 측정할 수 있으며, 측정 가능한 힘의 범위가 증가된 힘 측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 힘 측정 장치를 포함하는 로봇 팔을 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따르면, 축 방향을 따라 연장된 파이프 형태의 탄성변형 가능한 몸체; 상기 몸체의 표면에 부착되어 있으며 상기 몸체의 축 방향을 따라 연장된 적어도 3개의 광섬유 격자 소자; 각각의 광섬유 격자 소자에 광을 제공하는 광원; 및 각각의 광섬유 격자 소자에서 반사된 광 또는 각각의 광섬유 격자 소자를 투과한 광을 감지하는 광검출기;를 포함하는 힘 측정 장치가 제공될 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 3개의 광섬유 격자 소자는 방위각 방향을 따라 일정한 간격으로 적어도 3개의 서로 다른 위치에서 상기 몸체의 표면에 각각 부착될 수 있다.
상기 광섬유 격자 소자는 상기 몸체의 외측 표면 또는 내측 표면에 부착될 수 있다.
상기 힘 측정 장치는, 서로 인접하는 두 광섬유 격자 소자 사이의 상기 몸체에 각각 형성된 적어도 3개의 개구를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 몸체는 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다.
상기 힘 측정 장치는 상기 몸체의 상부와 하부에 각각 형성된 다수의 볼트 홀을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 볼트 홀의 중심과 상기 개구의 중심 사이의 연장선은 수평면과 45도의 각도를 이룰 수 있다.
또한, 힘이 주로 작용하는 힘 측정 장치의 작동단을 상기 몸체의 상단부로 가정하였을 때, 상기 개구의 중심은 인접한 두 광섬유 격자 소자 사이에서 상기 광섬유 격자 소자의 중심보다 낮은 위치에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 몸체는, 서로 떨어져 있는 상부 부분과 하부 부분; 상기 몸체의 상부 부분과 하부 부분 사이를 연결하며 상기 몸체의 축에 수직한 방향으로 연장된 적어도 3개의 탄성보; 및 상기 탄성보와 상기 몸체의 상부 부분 사이 및 상기 탄성보와 상기 몸체의 하부 부분 사이에 각각 형성된 간극;을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 몸체는 예를 들어 금속 재료로 이루어질 수 있다.
상기 탄성보의 제 1 단부는 상기 몸체의 상부 부분과 연결되며, 상기 제 1 단부의 반대쪽에 배치된 상기 탄성보의 제 2 단부는 상기 몸체의 하부 부분과 연결될 수 있다.
또한, 상기 몸체는 서로 인접한 두 탄성보 사이에 각각 형성된 적어도 3개의 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 스토퍼는, 상기 몸체의 상부 부분을 향해 상기 몸체의 하부 부분으로부터 상기 몸체의 축 방향으로 돌출하여 연장된 제 1 돌출부; 및 상기 제 1 돌출부를 감싸도록, 상기 몸체의 하부 부분을 향해 상기 몸체의 상부 부분으로부터 상기 몸체의 축 방향으로 돌출하여 연장된 제 2 돌출부;를 포함할 수 있다.
상기 제 1 돌출부는 폭이 상대적으로 좁은 중간부와 폭이 상대적으로 넓은 단부를 포함할 수 있으며, 상기 제 2 돌출부는 폭이 상대적으로 좁은 중간부와 폭이 상대적으로 넓은 단부를 포함할 수 있고, 상기 제 1 돌출부와 제 2 돌출부는 서로 상보적인 형태로 맞물려 형성될 수 있다.
상기 간극은 상기 제 1 돌출부와 제 2 돌출부 사이로 연장될 수 있다.
예를 들어, 상기 탄성보와 스토퍼는 와이어 방전가공법을 이용하여 단일한 몸체에 적어도 3개의 간극을 형성함으로써 모놀리식 방식으로 형성되며, 각각의 간극의 양측은 상기 몸체의 축에 수직한 방향으로 연장될 수 있고, 각각의 간극의 중심부는 스토퍼를 형성하도록 만곡될 수 있다.
일 실시예에서, 인접한 두 간극은 축 방향으로 서로 떨어져 있고 방위각 방향으로 서로 중첩되어 있으며, 각각의 간극의 양측은 인접한 다른 간극의 일측과 서로 평행하게 배치되어 있고, 인접한 두 간극 사이에 상기 탄성보가 형성될 수 있다.
또한, 상기 몸체는 각각의 간극의 양단부에 각각 형성된 개구를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 각각의 광섬유 격자 소자는 상기 스토퍼를 가로질러 상기 몸체에 부착될 수 있다.
다른 실시예에서, 각각의 광섬유 격자 소자는 상기 탄성보를 가로질러 상기 몸체에 부착될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 유형에 따르면, 상술한 힘 측정 장치를 포함하는 로봇 팔이 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 힘 측정 장치의 몸체는 상기 로봇 팔의 몸체와 일치하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 로봇 팔은 상기 몸체의 작동단에 설치된 집게를 더 포함할 수 있다.
개시된 힘 측정 장치는 광섬유형 스트레인 게이지(strain gauge)를 사용하기 때문에 전자기장의 영향 없이 정확하게 힘을 측정할 수 있다. 또한, 개시된 힘 측정 장치는 작은 크기로 제작이 가능하기 때문에 로봇의 작동단, 예를 들어 수술로봇의 수술팔 끝단에 최대한 가깝게 배치될 수 있다. 따라서, 힘 측정 장치의 측정 정밀도가 향상될 수 있다. 또한, 개시된 힘 측정 장치는 힘의 방향에 따른 민감도 차이가 비교적 작기 때문에 모든 방향의 힘을 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 개시된 힘 측정 장치는 큰 외력이 작용하는 경우에 자체적으로 지지력을 발생시킬 수 있어서 힘의 측정 범위도 크게 증가할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 힘 측정 장치의 구조를 예시적으로 보이는 개략적인 사시도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 힘 측정 장치의 구조를 예시적으로 보이는 개략적인 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1 및 도 2에 도시된 힘 측정 장치의 동작 원리를 개략적으로 보인다.
도 4는 다른 실시예에 따른 힘 측정 장치의 구조를 예시적으로 보이는 개략적인 사시도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 힘 측정 장치의 구조를 예시적으로 보이는 개략적인 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 힘 측정 장치의 부분 전개도이다.
도 7은 도 5에 도시된 힘 측정 장치의 탄성보 부분을 확대한 사시도이다.
도 8은 도 5에 도시된 힘 측정 장치의 스토퍼 부분을 확대한 사시도이다.
도 9는 도 5에 도시된 힘 측정 장치의 몸체에 힘이 작용할 때 몸체의 변형량을 보이는 그래프이다.
도 10은 도 4에 도시된 힘 측정 장치가 설치된 로봇 팔을 예시적으로 보이는 사시도이다.
도 11은 도 5에 도시된 힘 측정 장치가 설치된 로봇 팔을 예시적으로 보이는 사시도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 힘 측정 장치의 구조를 예시적으로 보이는 개략적인 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1 및 도 2에 도시된 힘 측정 장치의 동작 원리를 개략적으로 보인다.
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도 5는 또 다른 실시예에 따른 힘 측정 장치의 구조를 예시적으로 보이는 개략적인 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 힘 측정 장치의 부분 전개도이다.
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도 10은 도 4에 도시된 힘 측정 장치가 설치된 로봇 팔을 예시적으로 보이는 사시도이다.
도 11은 도 5에 도시된 힘 측정 장치가 설치된 로봇 팔을 예시적으로 보이는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 힘 측정 장치 및 상기 힘 측정 장치를 포함하는 로봇 팔에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 힘 측정 장치의 구조를 예시적으로 보이는 개략적인 사시도이다. 도 1을 참조하면, 힘 측정 장치(10)는 축 방향(즉, z-축 방향)을 따라 연장된 파이프 형태의 몸체(11), 및 몸체(11)의 표면에 부착되어 몸체(11)의 인장 및 압축 정도를 적어도 3개의 방향을 따라 측정할 수 있는 광섬유형 스트레인 게이지(13, 21, 22, 23)를 포함할 수 있다. 몸체(11)는 작은 힘에도 민감하게 탄성변형을 일으킬 수 있는 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 몸체(11)는 폴리프로필렌(PP)과 같이 탄성변형이 큰 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 도 1에는 몸체(11)가 원통형인 것으로 도시되어 있지만, 이는 단지 하나의 예일 뿐이며, 다각통형으로 몸체(11)가 형성될 수도 있다. 또한, 몸체(11)의 상부와 하부에는 몸체(11)를 로봇 팔 등에 고정하기 위하여 볼트 홀(14)이 형성될 수 있다.
광섬유형 스트레인 게이지(13, 21, 22, 23)는 몸체(11)의 탄성변형 정도 및 방향을 측정하는 역할을 한다. 이러한 몸체(11)의 탄성변형 정도 및 방향을 측정함으로써, 몸체(11)에 작용하는 힘의 세기 및 방향을 구할 수 있다. 광섬유형 스테레인 게이지(13, 21, 22, 23)는, 예를 들어, 몸체(11)의 표면에 부착되어 있으며 몸체(11)의 축 방향을 따라 연장된 적어도 3개의 광섬유 격자 소자(FBG; fiber Bragg grating)(13), 각각의 광섬유 격자 소자(13)에 광을 제공하는 광원(22), 및 각각의 광섬유 격자 소자(13)에서 반사된 광 또는 각각의 광섬유 격자 소자(13)를 투과한 광을 감지하는 광검출기(23)를 포함할 수 있다. 광섬유 격자 소자(13)는 매우 가는 광섬유로 이루어질 수 있다. 따라서, 광섬유 격자 소자(13)를 몸체(11)에 용이하게 부착할 수 있도록, 몸체(11)의 표면에는 광섬유 격자 소자(13)가 안착되는 축 방향의 홈(12)이 더 형성될 수 있다.
광섬유 격자 소자(13)는 광섬유 내에 굴절률이 주기적으로 변화하는 격자를 배치한 것이다. 예를 들어, 굴절률이 서로 다른 두 재료를 광섬유의 코어 내에 교대로 반복 배치함으로써 광섬유 격자 소자(13)가 형성될 수 있다. 이러한 격자로 인하여, 광섬유 격자 소자(13)의 내부를 진행하는 광 중에서 특정 파장의 광이 반사된다. 반사되는 광의 파장은 격자의 배열 주기에 따라 달라질 수 있다. 광섬유 격자 소자(13)가 늘어나거나 줄어들면 격자의 배열 주기도 그와 함께 늘어나거나 줄어드므로, 반사되는 광의 파장도 그에 따라 변화하게 된다. 따라서, 격자에 의해 반사되는 광의 파장을 광섬유 격자 소자(13)의 입력단에서 측정하거나, 광섬유 격자 소자(13)를 투과하는 광의 파장을 광섬유 격자 소자(13)의 출력단에서 측정하면 광섬유 격자 소자(13)가 늘어나거나 줄어드는 정도를 정확히 측정할 수 있다. 또한 광섬유 격자 소자(13)를 몸체(11)의 축 방향을 따라 부착하면, 몸체(11)가 인장 또는 압축 정도에 따라 광섬유 격자 소자(13)도 함께 늘어나거나 줄어드므로, 반사광 또는 투과광의 측정을 통해 몸체(11)의 인장 또는 압축 정도를 계산할 수 있다.
광섬유형 스테레인 게이지(13, 21, 22, 23)는 광원(22)에서 방출된 광을 광섬유 격자 소자(13)에 전달하고, 광섬유 격자 소자(13)에서 출력되는 광을 광검출기(23)에 전달하는 광전달 부재(21)를 더 포함할 수 있다. 광전달 부재(21)는 예를 들어 광섬유일 수 있다. 광원(22)과 광검출기(23) 등은 몸체(11)에 직접 부착되지 않고, 광전달 부재(21)를 통해 사용자의 컴퓨터(도시되지 않음)나 또는 전용의 계산 회로(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 비록 도 1에는 광섬유 격자 소자(13)의 입력단과 출력단에 모두 광검출기(23)가 배치된 것으로 도시되어 있으나, 광섬유 격자 소자(13)의 입력단과 출력단 중에서 어느 한쪽에만 광검출기(23)가 배치될 수도 있다.
몸체(11)의 인장 및 압축 정도를 적어도 3개의 방향을 따라 측정하기 위하여 적어도 3개의 광섬유 격자 소자(13)가 몸체(11)의 표면에서 적어도 3개의 서로 다른 위치에 각각 부착될 수 있다. 특히, 온도 변화 등에 의한 오차를 보상할 수 있도록 4개 또는 그 이상의 광섬유 격자 소자(13)가 몸체(11)의 표면에 부착될 수 있다. 도 1에는 하나의 광섬유 격자 소자(13)에만 광원(22)과 광검출기(23)가 연결된 것으로 편의상 도시되어 있지만, 각각의 광섬유 격자 소자(13)에 광원(22)과 광검출기(23)가 모두 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 다수의 광섬유 격자 소자(13)들은 방위각 방향을 따라 일정한 간격으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 4개의 광섬유 격자 소자(13)가 사용되는 경우, 광섬유 격자 소자(13)들은 방위각 방향을 따라 90도 간격으로 각각 배치될 수 있다.
도 1에는 광섬유 격자 소자(13)가 몸체(11)의 외측 표면에 부착되는 것으로 도시되어 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 도 2는 몸체(11)의 내측 표면에 광섬유 격자 소자(13)가 배치되어 있는 힘 측정 장치(10')의 예를 개략적으로 도시하고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 몸체(11)의 내측 표면에 광섬유 격자 소자(13)가 배치되는 경우, 광전달 부재(21), 광원(22) 및 광검출기(23) 등과 같은 부재들은 몸체(11)의 내부 공간에 배치될 수도 있다. 또한, 광섬유 격자 소자(13)가 안착되는 축 방향의 미세한 홈(12)은 몸체(11)의 내측 표면에 형성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 1 및 도 2에 도시된 힘 측정 장치(10, 10')의 동작 원리를 개략적으로 도시하고 있다. 먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 축 방향(z-축 방향)을 따라 몸체(11)에 힘 Fz가 작용하는 경우, 몸체(11)가 전체적으로 고르게 인장된다. 따라서, 몸체(11)에 부착된 다수의 광섬유 격자 소자(13)들이 모두 늘어나게 된다. 반면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 축에 수직한 방향(예를 들어, x-축 방향)을 따라 몸체(11)에 힘 Fx가 작용하면, 몸체(11)는 힘이 작용하는 방향으로 휘게 된다. 이 경우, 휘는 쪽의 몸체(11)는 압축되고 휘는 쪽의 반대쪽 몸체(11)는 인장된다. 따라서, 휘는 쪽에 배치된 광섬유 격자 소자(13)는 줄어들고 그 반대쪽에 배치된 광섬유 격자 소자(13)는 늘어나게 된다. 따라서, 다수의 광섬유 격자 소자(13)가 늘어나거나 줄어드는 정도를 측정하면, 몸체(11)에 작용하는 힘의 방향과 세기를 계산하는 것이 가능하다. 이러한 힘 측정 장치(10, 10')는, 예를 들어, 수술 중 생체조직이 수술도구(surgical instrument)에 접촉했을 때 생체조직의 반발력이나 생체조직이 수술도구에 작용하는 힘을 측정하여 이를 작동자(예를 들어, 의사)에게 전달하는 힘 반환시스템(force feedback system)에 사용될 수 있다.
힘 측정 장치(10, 10')의 성능(예를 들어, 분해능, 측정범위, 오차 발생율)을 향상시키기 위해서는, 몸체(11)의 탄성변형율이 크고 몸체(11)에 작용하는 힘의 방향에 따른 민감도 차이가 작은 것이 유리하다. 예를 들어, 축 방향(z-축 방향)으로 작용하는 힘에 대한 민감도와 축 방향에 수직한 방향(x-축 또는 y-축 방향)으로 작용하는 힘에 대한 민감도 차이가 작을수록 유리하다. 방향별로 민감도 차이가 클 경우 힘의 계산에 오차가 증가할 수 있다. 도 4는 이러한 점을 고려하여 제안된 다른 실시예에 따른 힘 측정 장치의 구조를 예시적으로 보이는 개략적인 사시도이다.
도 4를 참조하면, 힘 측정 장치(20)는 인접하는 두 광섬유 격자 소자(13) 사이에서 몸체(11)에 각각 형성된 다수의 개구(15)를 포함한다. 도 4에 도시된 힘 측정 장치(20)의 나머지 구성들은 도 1에 도시된 힘 측정 장치(10)의 구성들과 동일하다. 도 4에서는, 광섬유 격자 소자(13)가 몸체(11)의 외측 표면에 광섬유 격자 소자(13)가 배치된 것으로 도시되어 있으나, 도 2의 실시예와 마찬가지로 광섬유 격자 소자(13)는 몸체(11)의 내측 표면에 배치될 수도 있다.
본 실시예에서, 힘 측정 장치(20)의 특성은 개구(15)의 크기와 위치에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 설계목적에 따라 개구(15)의 크기와 위치를 조절함으로써 힘 측정 장치(20)의 성능을 향상시킬 수 있다. 도 4의 실시예에서, 몸체(11)의 상단부에 힘이 작용한다고 가정할 때, 몸체(11)의 변형이 가장 많이 일어나는 부분에 광섬유 격자 소자(13)가 배치되는 것이 유리하며, 변형이 가장 작게 일어나는 부분에 개구(15)가 형성될 수 있다. 개구(15)의 형성으로 인해, 몸체(11)의 다른 부분에서 일어나는 변형을 더욱 증가시킬 수 있다. 또한, 개구(15)는 축 방향으로의 변형 정도(예를 들어, z-방향의 민감도)와 축에 수직한 방향으로의 변형 정도(예를 들어, x-방향 및 y-방향의 민감도) 사이의 차이가 최소화되도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 개구(15)는 몸체(11)의 상부와 하부에 각각 배치된 볼트 홀(14)과 약 45도의 각도를 이루는 위치에 배치될 수 있다. 즉, 볼트 홀(14)의 중심과 개구(15)의 중심 사이의 연장선은 수평면과 약 45도의 각도를 이룰 수 있다. 이 경우, 인접한 두 개구(15) 사이의 영역 중 힘이 작용하는 몸체(11)의 상단부에서 가장 큰 변형이 일어날 수 있다. 따라서, 광섬유 격자 소자(13)는 변형이 가장 크게 일어나는 두 개구(15) 사이의 몸체(11)의 상단부에 배치될 수 있다. 또한, 광섬유 격자 소자(13)를 기준으로 개구(15)의 위치를 나타낼 때, 개구(15)의 중심은 인접한 두 광섬유 격자 소자(13) 사이에서 광섬유 격자 소자(13)의 중심보다 낮은 위치에 배치될 수 있다. 이러한 개구(15)는 다수의 광섬유 격자 소자(13)들 사이마다 각각 배치될 수 있다. 예를 들어, 4개의 광섬유 격자 소자(13)가 사용되는 경우, 몸체(11)에는 4개의 개구(15)가 형성될 수 있다. 그러면, 힘 측정 장치(20)의 민감도가 더욱 향상되는 동시에, 방향별 민감도의 차이를 최소화할 수 있다. 여기서, 낮은 위치라는 표현은 힘이 주로 작용하는 힘 측정 장치(20)의 작동단을 몸체(11)의 상단부로 가정하였을 경우를 기준으로 나타낸 것이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 힘 측정 장치(30)의 구조를 예시적으로 보이는 개략적인 사시도이다. 또한, 도 6은 도 5에 도시된 힘 측정 장치(30)의 부분 전개도이다. 도 5 및 도 6의 실시예는, 도 4의 개구(15) 대신에 몸체(11)의 상하부를 연결하는 얇은 탄성보(17)를 형성하여 몸체(11)의 탄성 변형을 향상시키기 위한 것이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 몸체(11)는 축에 수직한 방향으로 형성된 얇은 다수의 탄성보(17)에 의해 서로 떨어져 있는 상부 부분(11a)과 하부 부분(11b)으로 나뉜다. 예를 들어, 각각의 탄성보(17)의 일단은 몸체(11)의 상부 부분(11a)과 연결되며 타단은 몸체(11)의 하부 부분(11b)과 연결될 수 있다. 탄성보(17)와 상부 부분(11a) 사이 및 탄성보(17)와 하부 부분(11b) 사이에는 간극(16)이 존재한다. 탄성보(17), 상부 부분(11a) 및 하부 부분(11b)은 하나의 몸체(11)를 예컨대, 와이어 방전가공법(wire electrical discharge machining; wire EDM)으로 부분적으로 절삭하여 형성할 수 있다. 이러한 탄성보(17)는 예를 들어 인접하는 다수의 광섬유 격자 소자(13)들 사이마다 각각 배치될 수 있다. 예를 들어, 4개의 광섬유 격자 소자(13)가 사용되는 경우, 몸체(11)에는 4개의 탄성보(17)는가 형성될 수 있다.
도 7은 도 5에 도시된 힘 측정 장치(30)의 탄성보(17) 부분을 확대하여 보이는 사시도이다. 도 7을 참조하면, 몸체(11)는 상부 부분(11a), 탄성보(17) 및 하부 부분(11b)을 포함한다. 도 7의 예에서, 탄성보(17)의 우측단은 몸체(11)의 상부 부분(11a)과 연결되어 있으며, 좌측단은 하부 부분(11b)과 연결되어 있다. 그러나, 이는 단지 한 예일 뿐이며, 탄성보(17)의 우측단이 하부 부분(11b)과 연결되고 좌측단이 상부 부분(11a)과 연결될 수도 있다. 탄성보(17)와 하부 부분(11a) 사이 및 탄성보(17)와 상부 부분(11b) 사이는 각각 절삭되어 간극(16)이 형성되어 있다. 따라서, 몸체(11)에 힘이 작용할 때 탄성보(17)와 하부 부분(11a) 사이의 간극(16) 및 탄성보(17)와 상부 부분(11b) 사이의 간극(16)이 쉽게 벌어질 수 있으므로, 몸체(11)의 탄성변형이 더욱 증가할 수 있다. 그 결과, 힘 측정 장치(30)의 민감도가 크게 향상될 수 있다. 도 7에는 편의상 간극(16)이 매우 크게 도시되어 있지만, 실제로 간극(16)은 수십~수백 ㎛ 정도로 매우 작을 수 있다. 이러한 본 실시예의 경우, 탄성보(17)가 쉽게 파손되는 것을 방지하기 위하여, 몸체(11)는 예를 들어 티타늄(Ti)과 같이 강성이 우수한 금속 재료로 이루어질 수 있다.
한편, 일반적인 힘 센서의 경우, 민감도가 높아질수록 힘 센서가 지탱할 수 있는 힘의 크기도 작아질 수 있다. 따라서, 힘 센서에 지나친 힘이 작용하면 힘 센서가 파손될 수도 있으며, 힘 센서가 측정할 수 있는 힘의 측정 범위도 민감도가 높을수록 작아지게 된다. 이를 개선하기 위해, 본 실시예에 따른 힘 측정 장치(30)는, 측정 범위를 벗어난 큰 외력이 힘 측정 장치(30)에 작용하게 되면, 자체적으로 지지력을 발생시키면서 민감도를 낮출 수 있는 안전 부재를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 다시 도 5 및 도 6을 참조하면, 인접한 두 탄성보(17) 사이에는 탄성보(17)의 지나친 변형을 방지하기 위한 스토퍼(stopper)(18)가 형성될 수 있다. 스토퍼(18)는 간극(16)에 의해 나누어진 몸체(11)의 상부 부분(11a)과 하부 부분(11b)으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 스토퍼(18)는 상부 부분(11a)을 향해 하부 부분(11b)으로부터 축 방향으로 돌출하여 연장된 제 1 돌출부(18a)와 상기 하부 부분(11b)의 제 1 돌출부(18a)를 감싸도록 하부 부분(11b)을 향해 상부 부분(11a)으로부터 축 방향으로 돌출하여 연장된 제 2 돌출부(18b)로 구성될 수 있다. 하부 부분(11b)의 제 1 돌출부(18a)는 폭이 상대적으로 좁은 중간부와 폭이 상대적으로 넓은 단부를 가질 수 있으며, 상부 부분(11a)의 제 2 돌출부(18b)도 마찬가지로 폭이 상대적으로 좁은 중간부와 폭이 상대적으로 넓은 단부를 가질 수 있다. 즉, 하부 부분(11b)의 제 1 돌출부(18a)와 상부 부분(11a)의 제 2 돌출부(18b)는 서로 상보적인 형태로 맞물려 형성될 수 있다.
도 8은 도 5에 도시된 힘 측정 장치(30)의 스토퍼(18) 부분을 확대하여 보이는 사시도이다. 도 8을 참조하면, 몸체(11)는 예를 들어 'Ω' 형상으로 휘어진 간극(16)에 의해 상부 부분(11a)과 하부 부분(11b)으로 나누어진다. 그러한 형상의 간극(16)으로 인하여, 상부 부분(11a)과 하부 부분(11b)은 서로 상보적인 형태의 제 2 돌출부(18b)와 제 1 돌출부(18a)를 각각 갖게 된다. 이러한 제 1 돌출부(18a)와 제 2 돌출부(18b)는 서로 걸리도록 형성되어 있어서, 탄성보(17)의 지나친 변형을 방지할 수 있는 스토퍼(18)의 역할을 하게 된다.
예를 들어, 몸체(11)의 상부 부분(11a)이 +z 방향으로 큰 힘을 받으면 도 8의 B로 표시된 부분에서 제 1 돌출부(18a)와 제 2 돌출부(18b)가 서로 접촉하게 된다. 그러면, 상부 부분(11a)은 +z 방향으로의 이동이 제한된다. 또한, 몸체(11)의 상부 부분(11a)이 -z 방향으로 큰 힘을 받으면 도 8의 A로 표시된 부분에서 제 1 돌출부(18a)와 제 2 돌출부(18b)가 서로 접촉하게 된다. 그러면, 상부 부분(11a)은 -z 방향으로의 이동이 제한된다. 일단 제 1 돌출부(18a)와 제 2 돌출부(18b)가 접촉한 후에는, 몸체(11)에 작용하는 외력을 두 돌출부(18a, 18b)가 지탱할 수 있다. 따라서, 힘 측정 장치(30)의 측정 범위를 넘는 큰 힘이 몸체(11)에 작용하더라도, 탄성보(17)가 탄성복원될 수 있는 한도를 넘어 변형되는 것을 스토퍼(18)가 방지할 수 있다. 따라서, 힘 측정 장치(30)가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 9는 도 5에 도시된 힘 측정 장치(30)에서 몸체(11)에 힘이 작용할 때 몸체(11)의 변형량을 보이는 그래프이다. 도 9의 그래프에서 가로축은 힘의 세기(N)를 나타내며, 세로축은 몸체(11)의 상부 부분(11a)과 하부 부분(11b)의 상대적인 변위를 나타낸다. 또한, 그래프의 기울기는 힘 측정 장치(30)의 민감도와 비례할 수 있으며, 힘이 작용하는 방향에 따라 기울기의 부호가 반대로 될 수 있다. 도 9의 그래프를 참조하면, 몸체(11)에 8N 이상의 힘이 가해지면 두 돌출부(18a, 18b)가 접촉하면서 그래프의 기울기가 변화하는 것을 알 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 두 돌출부(18a, 18b)가 접촉한 후에도, 그래프의 기울기는 완전히 0이 되지 않는다. 따라서, 힘 측정의 민감도가 두 돌출부(18a, 18b)의 접촉 전과 접촉 후로 달라지는 이중 모드의 측정을 할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 상당히 넓은 범위의 힘을 높은 민감도로 측정하면서도 힘 측정 장치(30)의 내구성이 향상될 수 있다.
상술한 다수의 탄성보(17)와 스토퍼(18)는, 예를 들어, 와이어 방전가공법으로 단일한 몸체(11)에 다수의 간극(16)을 형성함으로써 모놀리식(monolithic) 방식으로 형성될 수 있다. 다시 도 6을 참조하면, 각각의 간극(16)은 양측이 축에 수직한 방향으로 형성되어 있으며, 중심부가 'Ω' 형태로 만곡되어 스토퍼(18)를 형성하게 된다. 인접한 두 간극(16)은 축 방향으로는 서로 떨어져 있고 방위각 방향으로는 서로 중첩되어 있다. 또한, 몸체(11)의 축에 수직한 방향으로 연장되어 있는 각각의 간극(16)의 양측은 인접한 다른 간극(16)의 일측과 평행하게 배치되어 있어서, 두 간극(16) 사이에 탄성보(17)가 형성될 수 있다. 도 6의 예에서, 간극(16)의 좌측은 몸체(11)의 하부 부분(11b)과 탄성보(17) 사이에 배치되어 있으며, 간극(16)의 우측은 몸체(11)의 상부 부분(11a)과 탄성보(17) 사이에 배치되어 있다. 즉, 간극(16)은 몸체(11)의 하부 부분(11b)과 한 탄성보(17) 사이에서부터 스토퍼(18)를 지나 몸체(11)의 상부 부분(11a)과 다른 탄성보(17) 사이로까지 연장될 수 있다. 만약 4개의 탄성보(17)와 4개의 스토퍼(18)를 형성하고자 하는 경우, 4개의 간극(16)이 몸체(11)에 형성될 수 있다. 간극(16)의 양쪽 단부에는, 몸체(11)가 반복적으로 탄성변형되는 동안 피로에 의해 몸체(11)가 찢어지는 것을 방지하기 위하여 개구(19a, 19b)가 각각 형성될 수 있다. 한편, 도 6의 예에서는, 광섬유 격자 소자(13)가 스토퍼(18)를 가로질러 배치된 것으로 도시되어 있지만, 이는 단지 하나의 예일 뿐이며, 광섬유 격자 소자(13)는 탄성보(17)를 가로질러 몸체(11)에 부착될 수도 있다. 또한, 도 2의 실시예에서와 같이, 본 실시예에서도 광섬유 격자 소자(13)는 몸체(11)의 내측 표면에 부착될 수도 있다.
상술한 실시예들에 따른 힘 측정 장치(10, 10', 20, 30)들은 수술용 로봇 등의 로봇 팔에 적용되어, 로봇 팔과 생체조직이나 다른 대상물과의 접촉 여부 및 접촉시 대상물의 반발력이나 대상물에 작용하는 힘 등을 측정할 수 있다. 특히, 힘 측정 장치(10, 10', 20, 30)들은 광섬유형 스트레인 게이지를 사용하기 때문에 전자기장의 영향 없이 힘을 측정할 수 있다. 또한, 힘 측정 장치(10, 10', 20, 30)는 작은 크기로 제작이 가능하기 때문에 로봇의 작동단, 예를 들어 수술용 로봇의 수술팔 끝단에 최대한 가깝게 배치될 수 있어서, 작동단에 작용하는 힘을 정확하게 측정할 수 있다.
예를 들어, 도 10은 도 4에 도시된 힘 측정 장치(20)가 설치된 로봇 팔(100)을 예시적으로 보이는 사시도이며, 도 11은 도 5에 도시된 힘 측정 장치(30)가 설치된 로봇 팔(100)을 예시적으로 보이는 사시도이다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 로봇 팔(100)의 몸체는 힘 측정 장치(20, 30)의 몸체와 일치할 수 있으며, 몸체의 작동단에는 예를 들어 수술 도구를 잡거나 다른 대상물을 집을 수 있는 집게(110)가 설치될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 로봇 팔(100)의 하부는 로봇의 다른 관절 부위와 결합될 수 있다. 힘 측정 장치(20, 30)는, 예를 들어, 집게(110)가 잡은 수술 도구와 생체조직 사이에 작용하는 힘을 측정할 수 있으며, 측정된 힘을 수술용 로봇의 작동자에게 반환할 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 힘 측정 장치 및 상기 힘 측정 장치를 포함하는 로봇 팔에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10, 10', 20, 30.....힘 측정 장치 11.....몸체
12.....홈 13.....광섬유 격자 소자
14.....볼트 홀 15, 19a, 19b.....개구
16.....간극 17.....탄성보
18.....스토퍼 21.....광전달 부재
22.....광원 23.....광검출기
100....로봇 팔 110....집게
12.....홈 13.....광섬유 격자 소자
14.....볼트 홀 15, 19a, 19b.....개구
16.....간극 17.....탄성보
18.....스토퍼 21.....광전달 부재
22.....광원 23.....광검출기
100....로봇 팔 110....집게
Claims (22)
- 축 방향을 따라 연장된 파이프 형태의 탄성변형 가능한 몸체;
상기 몸체의 표면에 부착되어 있으며 상기 몸체의 축 방향을 따라 연장된 적어도 3개의 광섬유 격자 소자;
각각의 광섬유 격자 소자에 광을 제공하는 광원;
각각의 광섬유 격자 소자에서 반사된 광 또는 각각의 광섬유 격자 소자를 투과한 광을 감지하는 광검출기; 및
상기 몸체에 각각 형성된 것으로, 서로 인접하는 두 광섬유 격자 소자 사이에 위치하는 적어도 3개의 개구;를 포함하고,
상기 개구는 상기 몸체의 축 방향으로의 상기 몸체의 변형 정도와 상기 몸체의 축에 수직한 방향으로의 상기 몸체의 변형 정도 사이의 차이가 최소화가 되는 위치에 배치되는 힘 측정 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 3개의 광섬유 격자 소자는 방위각 방향을 따라 일정한 간격으로 적어도 3개의 서로 다른 위치에서 상기 몸체의 표면에 각각 부착되는 힘 측정 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광섬유 격자 소자는 상기 몸체의 외측 표면 또는 내측 표면에 부착되는 힘 측정 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 몸체는 플라스틱 재료로 이루어지는 힘 측정 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 몸체의 상부와 하부에 각각 형성된 다수의 볼트 홀을 더 포함하며, 상기 볼트 홀의 중심과 상기 개구의 중심 사이의 연장선은 수평면과 45도의 각도를 이루는 힘 측정 장치. - 제 1 항에 있어서,
힘이 작용하는 힘 측정 장치의 작동단을 상기 몸체의 상단부로 가정하였을 때, 상기 개구의 중심은 인접한 두 광섬유 격자 소자 사이에서 상기 광섬유 격자 소자의 중심보다 낮은 위치에 배치되는 힘 측정 장치. - 축 방향을 따라 연장된 파이프 형태의 탄성변형 가능한 몸체;
상기 몸체의 표면에 부착되어 있으며 상기 몸체의 축 방향을 따라 연장된 적어도 3개의 광섬유 격자 소자;
각각의 광섬유 격자 소자에 광을 제공하는 광원; 및
각각의 광섬유 격자 소자에서 반사된 광 또는 각각의 광섬유 격자 소자를 투과한 광을 감지하는 광검출기;를 포함하며,
상기 몸체는:
서로 떨어져 있는 상부 부분과 하부 부분;
상기 몸체의 상부 부분과 하부 부분 사이를 연결하며 상기 몸체의 축에 수직한 방향으로 연장된 적어도 3개의 탄성보; 및
상기 탄성보와 상기 몸체의 상부 부분 사이 및 상기 탄성보와 상기 몸체의 하부 부분 사이에 각각 형성된 간극;을 포함하는 힘 측정 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 몸체는 금속 재료로 이루어지는 힘 측정 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 탄성보의 제 1 단부는 상기 몸체의 상부 부분과 연결되며, 상기 제 1 단부의 반대쪽에 배치된 상기 탄성보의 제 2 단부는 상기 몸체의 하부 부분과 연결되는 힘 측정 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 몸체는 서로 인접한 두 탄성보 사이에 각각 형성된 적어도 3개의 스토퍼를 더 포함하는 힘 측정 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 스토퍼는:
상기 몸체의 상부 부분을 향해 상기 몸체의 하부 부분으로부터 상기 몸체의 축 방향으로 돌출하여 연장된 제 1 돌출부; 및
상기 제 1 돌출부를 감싸도록, 상기 몸체의 하부 부분을 향해 상기 몸체의 상부 부분으로부터 상기 몸체의 축 방향으로 돌출하여 연장된 제 2 돌출부;를 포함하는 힘 측정 장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 돌출부는 폭이 상대적으로 좁은 중간부와 폭이 상대적으로 넓은 단부를 포함하며, 상기 제 2 돌출부는 폭이 상대적으로 좁은 중간부와 폭이 상대적으로 넓은 단부를 포함하고, 상기 제 1 돌출부와 제 2 돌출부는 서로 상보적인 형태로 맞물려 형성되는 힘 측정 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 간극은 상기 제 1 돌출부와 제 2 돌출부 사이로 연장되어 있는 힘 측정 장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 탄성보와 스토퍼는 와이어 방전가공법을 이용하여 단일한 몸체에 적어도 3개의 간극을 형성함으로써 모놀리식 방식으로 형성되며, 각각의 간극의 양측은 상기 몸체의 축에 수직한 방향으로 연장되어 있고, 각각의 간극의 중심부는 스토퍼를 형성하도록 만곡되어 있는 힘 측정 장치. - 제 15 항에 있어서,
인접한 두 간극은 축 방향으로 서로 떨어져 있고 방위각 방향으로 서로 중첩되어 있으며, 각각의 간극의 양측은 인접한 다른 간극의 일측과 서로 평행하게 배치되어 있고, 인접한 두 간극 사이에 상기 탄성보가 형성되어 있는 힘 측정 장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 몸체는 각각의 간극의 양단부에 각각 형성된 개구를 더 포함하는 힘 측정 장치. - 제 11 항에 있어서,
각각의 광섬유 격자 소자는 상기 스토퍼를 가로질러 상기 몸체에 부착되어 있는 힘 측정 장치. - 제 11 항에 있어서,
각각의 광섬유 격자 소자는 상기 탄성보를 가로질러 상기 몸체에 부착되어 있는 힘 측정 장치. - 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 힘 측정 장치를 포함하는 로봇 팔.
- 제 20 항에 있어서,
상기 힘 측정 장치의 몸체는 상기 로봇 팔의 몸체와 일치하도록 구성되어 있는 로봇 팔. - 제 20 항에 있어서,
상기 몸체의 작동단에 설치된 집게를 더 포함하는 로봇 팔.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102233746B1 (ko) | 2019-10-15 | 2021-03-31 | 한국생산기술연구원 | 소프트 촉각 센서를 이용한 3차원 외력 측정 장치 및 이를 이용한 외력의 3차원 위치와 방향 및 크기 측정 방법 |
Families Citing this family (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8496647B2 (en) | 2007-12-18 | 2013-07-30 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Ribbed force sensor |
| US8561473B2 (en) | 2007-12-18 | 2013-10-22 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Force sensor temperature compensation |
| CN105873789B (zh) * | 2013-11-07 | 2018-10-23 | 霍廷格·鲍德温测量技术有限责任公司 | 用于对触线进行磨损监视的装置 |
| JP2016003895A (ja) * | 2014-06-14 | 2016-01-12 | 伸興電線株式会社 | 軸力測定器具 |
| KR101714377B1 (ko) | 2015-04-09 | 2017-03-10 | 한국과학기술연구원 | 다기능성 센서 조립체 |
| KR101685800B1 (ko) * | 2015-04-10 | 2016-12-13 | 성균관대학교산학협력단 | 다축 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘을 감지할 수 있는 집게 |
| US10786321B2 (en) | 2016-02-02 | 2020-09-29 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Instrument force sensor using strain gauges in a faraday cage |
| DE202016008911U1 (de) * | 2016-08-01 | 2020-08-27 | Nuton GmbH | Ein- oder mehrachsige Kraftmesseinrichtung mit kurzer Verformungszone |
| DE102016116180B4 (de) * | 2016-08-01 | 2019-03-28 | Nuton GmbH | Verfahren und Kraftmessplatte zur mehrachsigen Erfassung einwirkender Kräfte und Momente |
| GB201617097D0 (en) * | 2016-10-07 | 2016-11-23 | King S College London | Multi-Axis force sensor |
| CN108433814B (zh) * | 2018-03-16 | 2019-12-24 | 微创（上海）医疗机器人有限公司 | 手术机器人***及其手术器械 |
| CN109405762B (zh) * | 2018-11-15 | 2024-02-27 | 中铁第四勘察设计院集团有限公司 | 一种基于光纤光栅的防碰撞监测装置 |
| KR102279329B1 (ko) | 2020-01-30 | 2021-07-21 | 한국과학기술연구원 | 로봇 교시 시스템 |
| CN112227208B (zh) * | 2020-09-23 | 2022-03-29 | 中铁大桥局集团有限公司 | 一种用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法 |
| WO2022170586A1 (zh) * | 2021-02-10 | 2022-08-18 | 中国人民解放军总医院第四医学中心 | 抓持器械、跟踪导航***、方法、显示装置及存储介质 |
| US11976916B2 (en) * | 2021-06-30 | 2024-05-07 | Chevron U.S.A. Inc. | Optical surface strain measurements for pipe integrity monitoring |
| KR20230067877A (ko) | 2021-11-10 | 2023-05-17 | 염영미 | 음성서비스를 이용한 스트레스 치료시스템 및 방법 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080147090A1 (en) * | 2006-12-19 | 2008-06-19 | DEUTSCHES ZENTRUM FüR LUFT-UND RAUMFAHRT E.V. | Robot structure |
| US20090157092A1 (en) * | 2007-12-18 | 2009-06-18 | Blumenkranz Stephen J | Ribbed force sensor |
| KR101248818B1 (ko) | 2011-08-03 | 2013-04-01 | 한국과학기술원 | 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇, 시스템 및 그 시스템을 이용한 힘 측정방법 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7551950B2 (en) * | 2004-06-29 | 2009-06-23 | O2 Medtech, Inc,. | Optical apparatus and method of use for non-invasive tomographic scan of biological tissues |
| US8945095B2 (en) | 2005-03-30 | 2015-02-03 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Force and torque sensing for surgical instruments |
| EP1965717B1 (en) | 2005-12-30 | 2012-05-16 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Surgical instrument with modular force sensor |
| US8048063B2 (en) | 2006-06-09 | 2011-11-01 | Endosense Sa | Catheter having tri-axial force sensor |
| US8567265B2 (en) * | 2006-06-09 | 2013-10-29 | Endosense, SA | Triaxial fiber optic force sensing catheter |
-
2011
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-
2012
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080147090A1 (en) * | 2006-12-19 | 2008-06-19 | DEUTSCHES ZENTRUM FüR LUFT-UND RAUMFAHRT E.V. | Robot structure |
| US20090157092A1 (en) * | 2007-12-18 | 2009-06-18 | Blumenkranz Stephen J | Ribbed force sensor |
| KR101248818B1 (ko) | 2011-08-03 | 2013-04-01 | 한국과학기술원 | 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇, 시스템 및 그 시스템을 이용한 힘 측정방법 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102233746B1 (ko) | 2019-10-15 | 2021-03-31 | 한국생산기술연구원 | 소프트 촉각 센서를 이용한 3차원 외력 측정 장치 및 이를 이용한 외력의 3차원 위치와 방향 및 크기 측정 방법 |
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