KR102221090B1 - 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔 및 그 조작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔 및 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법을 제공한다. 본 발명은 사용자가 수술도구가 장착된 슬레이브 로봇을 원격조정하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔에 있어서, 상기 수술도구의 위치를 설정하는 포지셔닝 암과, 상기 포지셔닝 암의 단부에 배치되며, 상기 수술도구의 방향을 설정하는 짐벌 암과, 상기 짐벌 암의 단부에 회전가능하게 장착 및 탈착되고, 상기 사용자가 접촉을 감지하고, 상기 사용자가 가하는 힘의 크기를 측정할 수 있는 사용자 인터페이스 장치, 및 상기 사용자 인터페이스 장치에서 전달받은 힘이나 접촉에 대한 정보를 기초로 상기 수술도구를 제어하는 컨트롤러를 포함한다.

Description

사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔 및 그 조작방법{User interface device, master console for surgical robot apparatus and operating method of master console}

본 발명은 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔 및 마스터 콘솔의 조작방법에 관한 것이다.

수술 로봇은 외과의사에 의해 시행되던 수술 행위를 대신할 수 있는 기능을 가지는 로봇을 말한다. 이러한 수술 로봇은 사람에 비하여 정확하고 정밀한 동작을 할 수 있으며 원격 수술이 가능하다는 장점을 가진다. 현재 전 세계적으로 개발되고 있는 수술 로봇은 뼈 수술 로봇, 복강경(復腔鏡) 수술 로봇, 정위 수술 로봇 등이 있다

수술 로봇 장치는 일반적으로 마스터 콘솔과 슬레이브 로봇으로 구성된다. 오퍼레이터가 마스터 콘솔에 구비된 조종 레버(예를 들어 핸들)를 조작하면, 슬레이브 로봇의 로봇 암에 결합되거나 로봇 암이 파지하고 있는 수술도구가 조작되어 수술이 수행된다.

수술 로봇 시스템에서 의사 등의 오퍼레이터는 마스터 암에 연결된 입력 장치를 손을 이용하여 작동시킨다. 이를 통해 오퍼레이터는 마스터 암을 움직이게 되며, 슬레이브 로봇에 연결된 수술 도구의 자세(위치 및 방향)와 움직임 등을 결정한다.

입력 장치는 사용자의 손가락 입력을 측정할 수 있는 부분을 추가적으로 포함할 수 있는데, 예를 들면 집게 형태를 이용하여 수술 도구가 무언가를 잡거나 자를 수 있게 하는 입력, 혹은 버튼 형태를 이용하여 시스템의 작동과 관련된 입력 등을 측정하여 시스템에 전달한다.

오퍼레이터는 두개의 손가락이 입력장치의 집게 부분을 잡은 상태로 수술을 집도한다. 집게 부분은 손가락의 움직임에 따라 기구적으로 움직이게 되며, 마스터 암의 이동 및 방향 전환도 집게 부분 만을 통하여 만들어 지게 된다. 따라서 오퍼레이터는 두 개의 손가락만을 이용하는 작동에서 쉽게 피로감을 느낄 수 있으며, 집게의 작동과 마스터 암의 이동이 두 손가락을 이용하여 동시에 이뤄지게 되어 사용상에 불편함이 있을 수 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.

본 발명은 조작이 쉽고, 안전성이 향상된 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일측면은, 사용자가 수술도구가 장착된 슬레이브 로봇을 원격조정하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔에 있어서, 상기 수술도구의 위치를 설정하는 포지셔닝 암과, 상기 포지셔닝 암의 단부에 배치되며, 상기 수술도구의 방향을 설정하는 짐벌 암과, 상기 짐벌 암의 단부에 회전가능하게 장착 및 탈착되고, 상기 사용자가 접촉을 감지하고, 상기 사용자가 가하는 힘의 크기를 측정할 수 있는 사용자 인터페이스 장치, 및 상기 사용자 인터페이스 장치에서 전달받은 힘이나 접촉에 대한 정보를 기초로 상기 수술도구를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔를 제공한다.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치는 하우징과, 일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되며, 상기 사용자가 가하는 힘을 측정하는 제1 힘 측정부와, 상기 제1 힘 측정부와 이격되게 배치되며, 일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되어 상기 사용자의 접촉을 감지하는 터치 측정부, 및 상기 하우징의 일측에 배치되고, 상기 짐벌 암에 접속하는 커넥터를 구비할 수 있다.

또한, 상기 하우징은 구 형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 제1 힘 측정부는 상기 하우징의 외측에 배치되는 접촉 패드와, 상기 접촉 패드와 연결되며, 스트레인 게이지가 설치되는 브릿지, 및 상기 브릿지와 연결되며, 상기 하우징에 고정되는 고정단을 구비할 수 있다.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치는 사용자 정보를 저장하는 정보 저장부를 더 구비하며, 상기 컨트롤러는 상기 사용자 인터페이스 장치가 상기 짐벌 암에 장착되면, 상기 사용자 정보에 대응하여 상기 포지셔닝 암과 상기 짐벌 암의 위치를 설정할 수 있다.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치는 상기 하우징의 외측에 배치되며, 사용자 인터페이스 장치의 상태에 관한 정보를 표시하는 표시부를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치는 상기 슬레이브 로봇의 위치를 변경하여 상기 수술도구를 교체하거나, 상기 슬레이브 로봇에 장착된 카메라의 위치를 변경하는 스위칭부를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치는 상기 제1 힘 측정부의 아래에 배치되는 제2 힘 측정부를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 컨트롤러는 상기 사용자 인터페이스 장치에서 측정된 사용자의 힘의 크기가 기 설정된 범위이면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고, 상기 사용자 인터페이스 장치에서 측정된 사용자의 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절할 수 있다.

또한, 상기 컨트롤러는 상기 사용자 인터페이스 장치에서 상기 사용자의 접촉신호를 수신하면, 기 설정된 제1 지연 시간이 도과된 후에 상기 마스터 콘솔을 구동시키고, 상기 사용자 인터페이스 장치에서 상기 사용자의 접촉신호가 해제되면, 상기 제1 지연 시간보다 긴 제2 지연 시간이 도과된 후에 상기 마스터 콘솔의 구동을 정지할 수 있다.

본 발명의 다른 측면은, 사용자가 수술도구가 장착된 슬레이브 로봇을 원격조정하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔에 장착되는 사용자 인터페이스 장치에 있어서, 하우징과, 일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되며, 상기 사용자가 가하는 힘을 측정하는 제1 힘 측정부와, 상기 제1 힘 측정부와 이격되게 배치되며, 일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되어 상기 사용자의 접촉을 측정하는 터치 측정부, 및 상기 하우징의 일측에 배치되고, 상기 마스터 콘솔에 접속하는 커넥터를 구비하는 사용자 인터페이스 장치를 제공한다.

또한, 상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위이면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고, 상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절할 수 있다.

또한, 상기 제1 힘 측정부의 아래에 배치되는 제2 힘 측정부를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면은, 수술도구가 장착된 슬레이브 로봇을 원격조정하기 위한 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법에 있어서, 사용자 인터페이스 장치를 마스터 콘솔에 장착하는 단계와, 사용자가 상기 사용자 인터페이스 장치의 터치 측정부를 접촉하여 상기 마스터 콘솔을 구동하는 단계와, 상기 마스터 콘솔의 포지셔닝 암과 짐 벌암을 구동시켜서 상기 수술도구의 위치와 방향을 설정하는 단계, 및 상기 사용자 인터페이스 장치의 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기에 대한 데이터를 기초로 상기 수술도구의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하는 수술도구 조작 단계를 포함하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법을 제공한다.

또한, 상기 수술도구 조작 단계는 상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위이면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고, 상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절할 수 있다.

또한, 상기 마스터 콘솔을 구동하는 단계는 상기 터치 측정부에서 상기 사용자의 접촉신호를 수신하면, 기 설정된 제1 지연 시간 이후에 상기 마스터 콘솔을 구동시킬 수 있다.

또한, 상기 사용자가 상기 제1 힘 측정부에 가력하는 힘을 유지하면서, 상기 제1 힘 측정부의 아래에 배치된 제2 힘 측정부를 조작하여, 상기 수술도구의 소작 기능을 실행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치를 마스터 콘솔에 장착하는 단계는 상기 사용자 인터페이스 장치에서 사용자 정보를 상기 마스터 콘솔에 전송하고, 상기 사용자 정보에 대응하여 상기 마스터 콘솔의 포지셔닝 암과 짐벌 암의 위치를 설정할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 오퍼레이터가 직관적으로 사용자 인터페이스 장치를 조작하여, 마스터 콘솔 및 수술 로봇 장치를 제어할 수 있다. 사용자 인터페이스 장치는 오퍼레이터가 가하는 한 방향의 힘을 통해서 수술도구를 이용할 수 있으므로, 수술 집도의 직관성이 향상될 수 있다. 또한, 오퍼레이터에 따라 마스터 콘솔이 셋팅되므로, 수술 준비 절차를 간소화 할 수 있다.

본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 환자가 안전한 상태에서 수술을 수행할 수 있다. 사용자 인터페이스 장치는 수술도구의 개도이나 그립력을 직관적으로 인식할 수 있으며, 디바운싱을 적용하여 안전한 상태로 마스터 콘솔을 구동하므로, 수술 전과정에서의 안전성이 향상될 수 있다.

본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 힘/토크 센서를 적용하여 마스터 콘솔을 정확하게 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 장치의 전체 시스템을 나타내는 평면도이다.
도 2a는 도 1의 슬레이브 로봇을 도시하는 도면이고, 도 2b는 슬레이브 로봇의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 3a는 도 1의 마스터 콘솔의 일부 구성을 도시하는 사시도이며, 도 3b는 도 3a의 마스터 콘솔에 사용자 인터페이스 장치가 장착된 상태를 도시하는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치를 도시하는 사시도이다.
도 5a와 도 5b는 도 4의 제1 힘 측정부를 도시하는 사시도이다.
도 6은 도 1의 수술 로봇 장치의 일부 구성을 도시하는 구성도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치를 도시하는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법을 도시하는 순서도이다.
도 9는 도 4의 사용자 인터페이스 장치에서 입력된 신호를 기초로 수술도구의 일 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.
도 10는 도 4의 사용자 인터페이스 장치에서 입력된 신호를 기초로 수술도구의 다른 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 4의 사용자 인터페이스 장치에서 입력된 신호를 기초로 수술도구의 또 다른 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 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 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.

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

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 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, 첨부된 도면들에 도시된 본 발명에 관한 실시 예들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 장치(1)의 전체 시스템을 나타내는 평면도이다.

도 1을 참조하면, 수술 로봇 장치(1)는 수술대(2)에 누워있는 환자(P)에게 수술을 행하는 슬레이브 로봇(10)과, 슬레이브 로봇(10)을 오퍼레이터(O)가 원격 조종하도록 하는 마스터 콘솔(20)을 포함한다. 또한, 수술 로봇 장치(1)는 비전 카트(30)를 포함할 수 있다. 비전 카트(30)의 디스플레이부(35)를 통해서, 보조자(A)가 수술의 진행 상황을 확인할 수 있다.

슬레이브 로봇(10)은 하나 이상의 로봇 암(11)을 포함할 수 있다. 일반적으로 로봇 암은 인간의 팔 및/또는 손목과 유사한 기능을 가지고 있으며 손목 부위에 소정의 도구를 부착시킬 수 있는 장치를 의미한다. 본 명세서에서 로봇 암(11)이란 상박, 하박, 손목, 팔꿈치 등의 구성 요소 및 상기 손목 부위에 결합되는 수술용 인스트루먼트 등을 모두 포괄하는 개념으로 정의할 수 있다. 이와 같은, 슬레이브 로봇(10)의 로봇 암(11)은 다자유도를 가지며 구동되도록 구현될 수 있다. 로봇 암(11)은 예를 들어 환자(P)의 수술 부위에 삽입되는 수술도구(12), 수술도구(12)를 수술 위치에 따라 요(yaw)방향으로 회전시키는 요동 구동부, 요동 구동부의 회전 구동과 직교하는 피치(pitch) 방향으로 수술도구를 회전시키는 피치 구동부, 수술도구(12)를 길이 방향으로 이동시키는 이송 구동부와, 수술도구를 회전시키는 회전 구동부, 수술도구(12)의 끝단에 설치되어 수술 병변을 절개 또는 절단하는 수술도구 구동부를 포함하여 구성될 수 있다. 다만, 로봇 암(11)의 구성이 이에 제한되지는 않으며, 이러한 예시가 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 여기서, 오퍼레이터(O)가 조작 레버를 조작함에 의해 로봇 암(11)이 상응하는 방향으로 회전, 이동하는 등의 실제 제어 과정에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

슬레이브 로봇(10)은 환자(P)를 수술하기 위하여 하나 이상으로 이용될 수 있으며, 수술 부위가 디스플레이부(35)를 통해 화상 이미지로 표시되도록 하기 위한 수술도구(12)는 독립된 슬레이브 로봇(10)으로 구현될 수도 있다. 또한, 앞서 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 복강경 이외의 다양한 수술용 내시경(예를 들어, 흉강경, 관절경, 비경 등)이 이용되는 수술들에 범용적으로 사용될 수 있다.

마스터 콘솔(20)과 슬레이브 로봇(10)이 반드시 물리적으로 독립된 별도의 장치로 분리되어야 하는 것은 아니며, 하나로 통합되어 일체형으로 구성될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해서 마스터 콘솔(20)과 슬레이브 로봇(10)이 물리적으로 이격된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.

마스터 콘솔(20)은 조작 레버(미도시) 및 디스플레이 부재(미도시)를 포함한다. 또한, 마스터 콘솔(20)은 추가적으로 외측에 오퍼레이터(O)의 상태를 표시할 수 있는 외부의 디스플레이 장치(25)를 더 구비할 수 있다.

상세히, 마스터 콘솔(20)은 오퍼레이터(O)가 양손에 각각 파지하여 조작할 수 있도록 조작 레버(미도시)를 구비한다. 조작 레버는 두 개 또는 그 이상의 수량의 핸들로 구현될 수 있으며, 오퍼레이터(O)의 핸들 조작에 따른 조작 신호가 유선 또는 무선 통신망을 통해 슬레이브 로봇(10)으로 전송되어 로봇 암(11)이 제어된다. 즉, 오퍼레이터(O)의 핸들 조작에 의해 로봇 암(11)의 위치 이동, 회전, 절단 작업 등의 수술 동작이 수행될 수 있다.

예를 들어, 오퍼레이터(O)는 핸들 형태의 조작 레버를 이용하여 슬레이브 로봇 암(11)이나 수술도구(12) 등을 조작 할 수 있다. 이와 같은 조작 레버는 그 조작방식에 따라 다양한 기구적 구성을 가질 수 있으며, 슬레이브 로봇 암(11)이나 수술도구(12) 등의 동작을 조작하는 마스터 핸들과, 전체 시스템의 기능을 조작하기 위해 마스터 콘솔(20)에 부가된 조이스틱, 키패드, 트랙볼, 터치스크린과 같은 각종 입력도구와 같이, 슬레이브 로봇(10)의 로봇 암(11) 및/또는 기타 수술 장비를 작동시키기 위한 다양한 형태로 구비될 수 있다. 여기서, 조작 레버는 핸들의 형상으로 제한되지 않으며, 유선 또는 무선 통신망과 같은 네트워크를 통해 로봇 암(11)의 동작을 제어할 수 있는 형태이면 아무런 제한 없이 적용될 수 있다.

마스터 콘솔(20)의 상기 디스플레이 부재에는 수술도구(12)를 통해 촬영되는 영상이 화상 이미지로 표시된다. 또한 디스플레이 부재에는 소정의 가상 조작판이 상기 수술도구(12)를 통해 촬영되는 영상과 함께 표시되거나 또는 독립적으로 표시될 수 있다.

디스플레이 부재는 오퍼레이터(O)가 영상을 확인할 수 있는 다양한 형태로 구비될 수 있다. 예를 들어, 오퍼레이터(O)의 양안에 대응하도록 디스플레이 장치가 설치될 수 있다. 다른 예로, 하나 이상의 모니터들로 구성될 수 있으며, 각 모니터에 수술시 필요한 정보들이 개별적으로 표시되도록 할 수 있다. 디스플레이 부재의 수량은 표시를 요하는 정보의 유형이나 종류 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다. 더 상세한 마스터 콘솔(20)에 대한 설명은 하기에서 설명하기로 한다.

비전 카트(30)는 슬레이브 로봇(10)이나 마스터 콘솔(20)에 이격되게 설치되고, 외부에서 수술의 진행상황을 디스플레이부(35)를 통해서 확인할 수 있다. 디스플레이부(35)에서 디스플레이되는 영상은 오퍼레이터(O)의 마스터 콘솔(20)에서 디스플레이 되는 영상과 동일할 수 있다. 보조자(A)는 디스플레이부(35)의 영상을 확인하면서, 오퍼레이터(O)의 수술 작업을 보조할 수 있다. 예를 들어, 보조자(A)는 수술의 진행상태에 따라 수술도구(12)를 인스트루먼트 카트(3)에서 교체할 수 있다.

중앙 제어부(40)는 슬레이브 로봇(10), 마스터 콘솔(20) 및 비전 카트(30)와 연결되어, 각각의 신호를 송수신 할 수 있다. 중앙 제어부(40)는 슬레이브 로봇(10), 마스터 콘솔(20) 및 비전 카트(30) 중 어느 하나에 설치되거나, 독립적으로 설치될 수 있다.

도 2a는 도 1의 슬레이브 로봇(10)을 도시하는 도면이고, 도 2b는 슬레이브 로봇의 변형예를 도시하는 도면이다.

도 2a를 참조하면, 슬레이브 로봇(10)은 패시브 암(110)과 액티브 암(120)을 구비할 수 있다.

패시브 암(110)은 수술 준비과정에서 액티브 암(120)의 위치를 원하는 위치로 이동시킬 수 있으나, 수술 중에는 작동하지 않고 위치가 고정된다. 패시브 암(110)은 복수 개의 조인트와 이들 조인트들을 연결하는 링크(link)들을 포함한다. 각 조인트는 회전(rotation) 운동 혹은 직선(prismatic) 운동을 하며, 이러한 운동을 통하여 패시브 암(110)의 전체적인 움직임을 생성한다. 조인트는 구동기(actuator), 감속기, 센서, 브레이크(brake), 카운터밸런스(counterbalance) 등을 구비 할 수 있다.

구동기는 주로 전기 모터가 이용되며, BDC(brushed DC) 모터, BLDC(brushless DC) 모터, AC 모터 등을 포함 할 수 있다. 감속기는 하모닉 드라이브(harmonic drive), 유성기어 등과 같이 기어(gear)로 구현될 수 있다. 센서는 조인트의 움직임을 측정하는 엔코더(encoder), 리솔버(resolver) 등이 이용될 수 있으며, 각 조인트와 연결된 링크에 작용하는 힘이나 토크를 측정하는 힘/토크(force/torque) 센서를 포함 할 수 있다. 브레이크는 조인트의 움직임을 제한하는 장치로 주로 솔레노이드(solenoid)와 스프링 등이 주요 구성 요소이며, 구동기에 연결되어 구동기의 움직임을 제한하는 형태, 링크에 연결되어 링크의 움직임을 제한하는 형태, 혹은 위의 두 가지 형태 모두를 포함 할 수 있다. 카운터밸런스는 로봇 암의 무게를 보상하는 장치로, 정적(static) 상태에서 로봇 암의 무게를 상쇄할 수 있는 힘을 작용한다.

패시브 암(110)은 제1 링크(111), 제2 링크(112), 제3 링크(113)가 서로 연결되도록 배치되고, 3개의 조인트를 구비할 수 있다. 패시브 암(110)은 3개의 링크를 3개의 조인트로 조절하여, 패시브 암(110)을 3차원 공간에서 원하는 위치에 이동시킬 수 있다.

제1 링크(111)는 지면에 대해서 수직 방향으로 설치되고, 내부에 제1 조인트(J1)가 배치되어 지면에 대해서 수직한 방향으로 직선 운동할 수 있다. 이로써, 패시브 암(110)은 액티브 암(120)의 높이를 조절할 수 있다.

제2 링크(112)는 제1 링크(111)에 대해서 회전가능하게 연결되며, 제1 링크(111)와 수직된다. 제2 링크(112)는 제2 조인트(J2)로 제1 링크(111)와 연결되므로, 지면에 수직된 축을 기준으로 제1 링크(111)에 대해서 회전할 수 있다. 또한, 제2 링크(112)는 지면과 나란한 방향으로 연장되므로, 제1 링크(111)와 실질적으로 수직되게 배치된다.

제3 링크(113)는 제2 링크(112)에 대해서 회전 가능하게 연결되며, 제2 링크(112)와 나란하게 배치된다. 제3 링크(113)는 제3 조인트(J3)로 제2 링크(112)와 연결되므로, 지면에 수직된 축을 기준으로 제2 링크(112)에 대해서 회전할 수 있다. 또한, 제3 링크(113)는 제2 링크(112)와 같이 지면에 대해서 나란하게 배치된다.

액티브 암(120)은 말단부에 수술도구(12)나 내시경(미도시)이 장착되며, 수술중에 액티브 암(120)의 각 조인트를 구동하여 수술도구(12)나 내시경이 환자의 몸에서 움직일 수 있다. 액티브 암(120)은 복수 개의 조인트와 이들 조인트들을 연결하는 링크(link)들을 포함한다. 각 조인트는 회전(rotation) 운동 혹은 직선(prismatic) 운동을 하며, 이러한 운동을 통하여 액티브 암(120)의 전체적인 움직임을 생성한다. 조인트는 구동기(actuator), 감속기, 센서, 브레이크(brake), 카운터밸런스(counterbalance) 등을 구비 할 수 있다. 각 조인트의 구성은 전술한 패시브 암(110)의 조인트와 실질적으로 동일하고, 배치에 따른 작동이 상이한바 이하에서는 이에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.

액티브 암(120)은 제4 링크(121), 제5 링크(122), 제6 링크(123)가 서로 연결되도록 배치되고, 6개의 조인트를 구비할 수 있다. 액티브 암(120)은 3개의 링크를 6개의 조인트로 조절하여 수술도구(12)의 요(yaw), 피치(pitch), 롤(roll)의 각도를 조절하여, 수술 동작을 수행할 수 있다.

제4 링크(121)는 패시브 암(110)의 제3 링크(113)와 연결된다. 제4 링크(121)는 제4 조인트(J4)와 연결되므로, 지면에 수직된 축을 기준으로 제3 링크(113)에 대해서 회전 할 수 있다. 또한, 제4 링크(121)의 후단에는 카운터밸런스가 배치되어, 액티브 암(120)의 무게를 보상할 수 있다.

제4 링크(121)의 내부에는 제5 조인트(J5)가 배치되고, 제4 링크(121)의 길이 방향으로 직선 운동 할 수 있다. 제5 조인트(J5)는 제4 링크(121)의 길이를 조절할 수 있다.

제5 링크(122)는 제4 링크(121)에 대해서 회전 가능하게 연결된다. 제5 링크는 절곡되게 형성된다. 제5 링크(122)는 제4 링크(121)와 연결되는 부분은 지면에 나란하게 형성되나, 제6 링크(123)와 연결되는 부분은 지면에 수직되게 형성된다.

제5 링크(122)는 제6 조인트(J6)와 연결되므로, 지면에 대해서 수직된 축을 기준으로 제4 링크(121)에 대해서 회전할 수 있다. 또한, 제5 링크(122)의 수직한 부분에는 지면에 대해서 수직한 방향으로 직선 운동할 수 있는 제7 조인트(J7)가 설치되어, 수직 방향으로 높이를 조절할 수 있다.

제6 링크(123)는 제5 링크(122)에 대해서 소정의 경사를 가질 수 있다. 일 예로, 제6 링크(123)는 제5 링크(122)의 길이 방향에 대해서 45도의 경사를 가질 수 있다. 제6 링크(123)는 내부에 제8 조인트(J8)가 배치되어 제6 링크(123)의 길이 방향의 축에 대해서 회전 할 수 있다. 즉, 제8 조인트(J8)를 통해서 제6 링크(123)는 롤 운동을 할 수 있다.

제6 링크(123)의 단부에는 슬라이드 가이드(150)가 설치되며, 제9 조인트(J9)가 슬라이드 가이드(150)의 피치각(pitch angle)를 조절할 수 있다. 슬라이드 가이드(150)는 수술도구(12)의 직선 운동을 안내할 수 있다.

캐뉼러 홀더(130)는 제6 링크(123)의 단부에 장착되어 캐뉼러(140)를 구비할 수 있으며, 캐뉼러(140)는 수술도구(12)가 장착될 수 있으며, 외측에는 RCM(remote center of motion)의 위치를 확인할 수 있는 마커(M)가 표시될 수 있다.

도 2b를 참조하면, 슬레이브 로봇(10’)은 패시브 암(110’)과 액티브 암(120)을 구비하고, 단부에는 캐뉼러 홀더(130), 캐뉼러(140), 슬라이드 가이드(150)가 장착될 수 있다. 전술한 일 실시예에 따른 슬레이브 로봇(10)과 비교하면, 패시브 암(110)에 제2a 조인트(J2a)가 더 구비된 점에 차이가 있는바, 이하에서는 상기 차이점에 대해서 상세히 설명하기로 한다.

패시브 암(110)은 제1 링크(111), 제2 링크(112’), 제3 링크(113)를 구비하고, 4개의 조인트를 가질 수 있다.

제1 조인트(J1)는 제1 링크(111)의 내부에 배치되 직선운동을 하여, 제1 링크(111)의 길이를 조절할 수 있다. 제2 조인트(J2)는 제1 링크(111)와 제2 링크(112’) 사이에 배치되고, 지면에 수직한 축을 중심으로 제2 링크(112)가 회전할 수 있다. 제2a 조인트(J2a)는 제2 링크(112’)의 내부에 배치되고, 제2 링크(112’)의 길이를 조절할 수 있다. 즉, 제2a 조인트(J2a)가 구동되면, 제2 링크(112’)의 길이가 변화하므로, 지면에 대한 수평방향으로 위치를 이동할 수 있다. 제3 조인트(J3)는 제2 링크(112’)와 제3 링크(113) 사이에 배치되고, 지면에 수직한 축을 중심으로 제3 링크(113)가 회전할 수 있다.

일실시예와 비교하면, 패시브 암(110’)은 제2a 조인트(J2a)를 더 구비하므로, 여자유도(redundant DOF)를 가질 수 있다. 이로써 액티브 암(120)을 정해진 하나의 위치로 설정시에, 이에 상응하는 여자유도를 가지는 패시브 암(110’)의 배치는 다양한 경우의 수를 생성할 수 있다. 또한, 여자유도를 구비한 패시브 암(110’)은 복수개의 슬레이브 로봇이 하나의 구조물에 배치시에, 각각의 슬레이브 로봇이 서로 간섭되지 않도록 이동할 수 있다.

도 3a는 도 1의 마스터 콘솔(20)의 일부 구성을 도시하는 사시도이며, 도 3b는 도 3a의 마스터 콘솔(20)에 사용자 인터페이스 장치(200)가 장착된 상태를 도시하는 사시도이다.

도 3a와 도 3b를 참조하면, 마스터 콘솔(20)은 베이스(21), 포지셔닝 암(22), 짐벌 암(23), 사용자 인터페이스 장치(200)를 구비할 수 있다.

베이스(21)는 마스터 콘솔(20)의 일측에 고정되며, 포지셔닝 암(22)이 고정될 수 있다.

포지셔닝 암(22)은 수술도구(12)를 위치를 설정할 수 있다. 오퍼레이터(O)가 사용자 인터페이스 장치(200)를 조작하여 포지셔닝 암(22)의 각 관절을 조절하면, 슬레이브 로봇(10)이나 수술도구(12)는 3차원 공간에서 설정된 위치로 배치될 수 있다.

포지셔닝 암(22)은 복수개의 포지셔닝 링크, 구동기, 관절을 구비한다. 상세하게, 포지셔닝 암(22)은 복수개의 구동기를 이용하여 포지셔닝 암(22)의 말단부의 3자유도 위치를 결정하게 된다. 구동기는 주로 전기 모터가 이용되며, BDC(brushed DC)모터나 BLDC(brushless DC)모터가 이용되며, 브레이크가 연결될 수 있다. 짐벌 암(23)의 구동기는 토크의 증폭을 위해 감속기와 연결될 수 있다. 포지셔닝 암(22)은 백래쉬(backlash)와 마찰을 최소화 할 수 있는 캡스턴 메커니즘이 이용될 수 있다. 포지셔닝 암(22)의 말단부의 위치는 각 구동기와 연결된 관절의 위치를 측정하여 계산 할 수 있다. 또한 각 관절의 위치는 구동기와 직접 연결된 센서 혹은 구동기와 연결된 관절에 연결된 센서를 통해 알 수 있으며, 센서로는 주로 엔코더가 이용된다.

짐벌 암(23)은 포지셔닝 암(22)의 단부에 배치되며, 수술도구(12)의 방향을 설정할 수 있다. 오퍼레이터(O)가 사용자 인터페이스 장치(200)를 조작하여 짐벌 암(23)의 각 관절을 조절하면, 슬레이브 로봇(10)이나 수술도구(12)는 3차원 공간에서 설정된 방향으로 조작될 수 있다.

짐벌 암(23)은 말단부의 3자유도 방향을 결정하며, 1개의 여자유도를 가질 수 있도록, 전체 4개의 구동기로 구성된다. 짐벌 암(23)의 여자유도는 오퍼레이터(O)가 마스터 암을 잡고 움직일 때 사용의 편리성을 향상 시키기 위한 목적으로 구성된다.

짐벌 암(23)은 복수개의 짐벌 링크, 구동기, 관절을 구비할 수 있다. 짐벌 암(23)의 구동기는 주로 전기 모터가 이용되며, BDC(brushed DC)모터나 BLDC(brushless DC)모터가 이용되며, 브레이크가 연결될 수 있다. 구동기는 토크의 증폭을 위해 감속기와 연결될 수 있다. 짐벌 암(23)은 백래쉬(backlash)와 마찰을 최소화 할 수 있는 캡스턴 메커니즘이 이용될 수 있다.

짐벌 암(23)의 말단부의 방향은 각 구동기와 연결된 관절의 위치를 측정하여 계산 할 수 있다. 또한 각 관절의 위치는 구동기와 직접 연결된 센서 혹은 구동기와 연결된 관절에 연결된 센서를 통해 알 수 있으며, 센서로는 주로 엔코더가 이용된다.

구동기로 BLDC 모터가 이용되는 경우에는 모터에서 코깅 토크(cogging torque)가 발생하는데, 시스템의 성능과 사용자의 편의성 향상을 위해 이를 보상하는 것이 바람직하다. 코깅 토크의 보상은 상대적으로 빠른 제어 주기를 필요로 하므로, 모터 드라이브에서 구현될 수 있다.

오퍼레이터(O)는 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)을 이용하여 3자유도 위치(x, y, z)와 3자유도 방향(yaw, pitch, roll)을 결정할 수 있으며, 이는 수술로봇 시스템의 중요한 입력 데이터로 이용된다.

사용자 인터페이스 장치(200)는 추가적인 오퍼레이터(O)의 입력을 위해서 짐벌 암(23)의 말단부에 장착될 수 있다. 사용자 인터페이스 장치(200)는 짐벌 암(23)에 장착 및 탈착될 수 있다.

다른 실시예로, 도 6을 참조하면 사용자 인터페이스 장치(200)와 짐벌 암(23) 사이에는 힘/토크 센서(205)가 장착될 수 있다. 힘/토크 센서(205)는 짐벌 암(23)과 사용자 인터페이스 장치(200) 사이에 작용하는 힘/토크를 측정할 수 있으며, 측정된 힘/토크 값을 이용하여 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 성능과 사용자의 편의성을 향상시키는데 이용될 수 있다.

예를 들면, 중력, 관성력, 마찰력 보상을 통해 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 성능과 오퍼레이터(O)의 편의성을 향상시킬 수 있는데, 이를 위해서는 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 정확한 동역학 모델이 필요하다. 하지만 현실적으로 정확한 모델을 구하지 못한 경우에는 센서를 통해 측정된 값을 이용하여 모델의 정확도를 높여야 한다. 힘/토크 센서(205)는 사용자 인터페이스 장치(200)와 짐벌 암(23) 사이에 배치되므로, 정확한 힘/토크를 측정하고, 이를 통해서 오퍼레이터(O)의 편의성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

힘/토크 센서(205)는 힘 피드백에 있어서도 유리한 장점을 가진다. 힘/토크 센서를 이용하지 않고 위치에 따른 힘 피드백 값을 계산하는 임피던스 표시(impedance display) 방법 대신에, 힘/토크 센서를 이용하여 기준 위치 값을 계산하는 어드미턴스 표시(admittance display) 방법을 적용할 수 있다. 어드미턴스 표시(admittance display) 방법은 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)이 안정적으로 표현할 수 있는 강성(stiffness)을 향상시킬 수 있으며, 장비의 성능과 사용자의 몰입감을 향상 시킬 수 있다.

힘/토크 센서(205)는 3축의 힘을 측정하거나, 3축의 힘과 1축 이상의 토크를 측정할 수 있다. 짐벌 암(23)과 사용자 인터페이스 장치(200)를 기구적 및 전기적으로 연결할 수 있는 연결부를 포함하는데, 손쉬운 탈부착을 위해 스프링 커넥터(spring loaded connector) 등이 이용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(200)를 도시하는 사시도이고, 도 5a와 도 5b는 도 4의 제1 힘 측정부(220)를 도시하는 사시도이며, 도 6은 도 1의 수술 로봇 장치(1)의 일부 구성을 도시하는 구성도이다.

도 4 내지 도 6를 참조하면, 사용자 인터페이스 장치(200)는 하우징(210), 제1 힘 측정부(220), 터치 측정부(230), 커넥터(240), 표시부(250), 정보 저장부(260) 및 스위칭부(270)를 구비할 수 있다. 사용자 인터페이스 장치(200)는 짐벌 암(23)의 단부에 회전가능하게 장착 및 탈착될 수 있다. 사용자 인터페이스 장치(200)는 사용자 즉, 오퍼레이터(O)의 접촉을 감지하고, 오퍼레이터(O)가 가하는 힘의 크기를 측정할 수 있다.

하우징(210)은 사용자 인터페이스 장치(200)의 외관을 형성하고, 구 형상을 가지 수 있다. 오퍼레이터(O)는 쉽고 직관적으로 구 형상의 하우징을 그립할 수 있으며, 조작을 편하게 할 수 있다.

제1 힘 측정부(220)는 일부가 하우징(210)의 외측 표면에 노출되며, 오퍼레이터(O)가 가하는 힘을 측정할 수 있다. 사용자는 검지 손가락이나 중지 손가락을 이용하여, 접촉 패드(221)에 힘을 가하면, 브릿지(222)의 변형을 기초로 가해진 힘의 크기를 측정할 수 있다. 제1 힘 측정부(220)는 접촉 패드(221), 브릿지(222), 고정단(223)을 구비할 수 있다.

접촉 패드(221)는 하우징(210)에 노출되며, 오퍼레이터(O)가 접촉 및 가력 할 수 있다. 접촉 패드(221)에 가해지는 힘은 브릿지(222)를 변형할 수 있다.

브릿지(222)는 접촉 패드(221)와 연결되며, 일 방향으로 연장될 수 있다. 브릿지(222)는 탄성체(elastic body)로 형성되므로, 외부에서 힘이나 토크가 가해지면 브릿지(222)가 변형되어 가해진 힘이나 토크를 측정할 수 있다.

탄성체의 변형은 예컨대, 스트레인 게이지를 이용한 방법, 정전용량형(capacitive type) 센서를 이용한 방법, 유도형(inductive type)을 이용한 방법 등을 이용하여 측정할 수 있다. 탄성체 변형에 따른 전기신호 변화 측정할 수 있으며, 이렇게 발생한 전기신호를 증폭 및 필터링, 그리고 교정(calibration) 과정을 통하면 센서에 가해진 힘/토크를 측정할 수 있게 된다. 이하에서는 설명의 편의를 위해서, 스트레인 게이지가 장착된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.

브릿지(222)의 각각의 면에는 스트레인 게이지가 설치될 수 있다. 도 5a 및 도 5b와 같이 4개(R1, R2, R3, R4)의 스트레인 게이지가 장착될 수 있다. 접촉 패드(221)에서 전달되는 힘은 브릿지(222)를 변형시키고, 스트레인 게이지는 브릿지(222)의 변형의 정도를 측정하여 외부에서 가해지는 힘을 측정할 수 있다.

브릿지(222)에서의 힘의 측정은 브릿지 회로(bridge circuit)를 이용하며, 가해진 힘에 따른 전기 저항의 변화를 전압의 변화로 변환하여 측정한다. 출력 전압은 증폭, 필터링, A/D(analog/digital) 변환 등의 과정을 통해 측정되며, 측정된 전압은 교정(calibration)을 통해 가해진 힘으로 계산될 수 있다.

온도, 습도 등 외란에 의해 스트레인 게이지의 저항 값이 영향을 받을 수 있으며, 결과적으로 정확한 힘의 측정이 어려워진다. 따라서 외란에 의한 영향은 제거되거나 최소화 되어야 하며, 인접하게 위치한 4개(R1, R2, R3, R4)의 스트레인 게이지를 이용한 풀 브릿지(full bridge) 회로가 이용될 수 있다.

고정단(223)은 브릿지(222)와 연결되며, 하우징(210)에 고정될 수 있다. 고정단(223)은 제1 힘 측정부(220)를 하우징(210)과 연결시킬 수 있다.

제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘에 대한 데이터는 컨트롤러(170)로 전달되어, 수술도구(12)의 수술 동작을 수행할 수 있다.

터치 측정부(230)는 일부가 하우징(210)의 외측 표면에 노출되어 오퍼레이터(O)의 접촉을 감지할 수 있다. 터치 측정부(230)는 제1 힘 측정부(220)와 이격되게 설치되어, 오퍼레이터(O)의 손가락을 쉽게 거치 및 접촉할 수 있다. 터치 측정부(230)는 정전 용량 터치 센서로 형성될 수 있다.

터치 측정부(230)는 표면이 만곡되게 형성될 수 있다. 오퍼레이터(O)의 접촉을 신속하고 정확하게 인식하기 위해서 표면이 만곡되게 형성되어, 손가락의 접촉 면적이 증가하고, 손가락이 터치 측정부 상에서 위치를 유지할 수 있다. 터치 측정부(230)는 수술 로봇 장치(1)의 구동과 관련되어 있으므로, 신속하고 정확하게 터치를 측정되어야 한다. 오퍼레이터(O)가 수술 로봇 장치(1)를 사용중에 손가락의 위치를 유지하지 않으면, 사용자 인터페이스 장치(200)는 다른 신호로 인식하여 수술 로봇 장치(1)가 오작동 될 수 있다. 터치 측정부(230)의 만곡된 표면이 손가락의 위치를 유지하므로, 오퍼레이터(O)의 접촉 불량에 따른 오작동을 줄일 수 있다.

커넥터(240)는 하우징(210)의 일측에 배치되고, 짐벌 암(23)에 접속할 수 있다. 커넥터(240)는 전원을 공급받을 수 있으며, 제1 힘 측정부(220)나 터치 측정부(230)에서 측정된 신호를 전달할 수 있다. 커넥터(240)는 짐벌 암(23)에 대해서 회전할 수 있도록 접속된다. 커넥터(240)가 삽입되면, 오퍼레이터(O)는 사용자 인터페이스 장치(200)를 그립한 상태에서 롤(roll) 운동을 할 수 있다.

표시부(250)는 하우징(210)의 외측에 배치되며, 사용자 인터페이스 장치(200)의 상태에 관한 정보를 표시할 수 있다. 표시부(250)는 일예로 램프, 디스플레이 패널과 같은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해서 LED 램프인 것을 중심으로 설명하기로 한다.

표시부(250)는 사용자 인터페이스 장치(200)가 짐벌 암(23)에 결합되었다는 정보, 제1 힘 측정부(220)에서 가해지는 힘이 설정범위에 해당하거나 벗어났다는 것을 알려주는 정보, 터치 측정부(230)에서 오퍼레이터(O)의 접촉을 감지하였다는 정보 등을 인식하고, 이를 램프의 색상 변화, 깜빡임, 밝기 조절 등으로 표시할 수 있다.

정보 저장부(260)는 사용자 인터페이스 장치(200)를 사용하는 각각의 사용자 정보를 저장할 수 있다. 보통 각각의 오퍼레이터(O)는 자신의 사용자 인터페이스 장치(200)로 수술을 집도한다. 사용자 인터페이스 장치(200)가 짐벌 암(23)에 장착되면, 컨트롤러(170)는 사용자 정보에 대응하여 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 위치를 셋팅할 수 있다. 즉, 오퍼레이터(O)의 신체 정보를 기초로, 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 위치를 자동적으로 조정하므로, 오퍼레이터(O)는 편안하게 수술을 집도할 수 있다.

정보 저장부(260)는 제1 힘 측정부(220)와 터치 측정부(230)를 위한 교정 값(calibration data)을 저장할 수 있으며, 이를 사용자 인터페이스 장치(200)의 출력값을 계산하는데 이용할 수 있다. 또한 각각의 센서의 초기값은 시스템의 시작 단계에서 오퍼레이터(O)가 사용자 인터페이스 장치(200)를 손으로 잡지 않은 상태에서 얻어지며, 이러한 초기값을 이용하여 사용자 인터페이스 장치(200)의 측정 값들을 계산할 수 있다.

스위칭부(270)는 슬레이브 로봇(10)의 위치를 변경하여 수술도구(12)를 교체하거나, 슬레이브 로봇(10)에 장착된 카메라(미도시)의 위치를 변경할 수 있다. 슬레이브 로봇(10)은 복수개로 구비되고, 각각의 슬레이브 로봇(10)에는 서로 다른 수술도구(12)가 장착된다. 수술 중에 수술도구(12)의 교체가 필요한 상황에서, 오퍼레이터(O)가 스위칭부(270)를 조작하여 슬레이브 로봇(10)을 스위칭 할 수 있다. 또한, 카메라가 필요한 상황에서, 오퍼레이터(O)가 스위칭부(270)를 조작하여 수술도구에서 카메라로 변환하거나, 카메라의 위치를 이동시킬 수 있다.

컨트롤러(170)는 사용자 인터페이스 장치(200)에서 전달받은 힘이나 접촉에 대한 정보를 기초로 수술도구(12)를 제어할 수 있다.

예컨대, 사용자 인터페이스 장치(200)의 제1 힘 측정부(220)에서 전달 받은 신호로, 슬레이브 로봇(10)나 수술도구(12)를 조작할 수 있다. 또한, 터치 측정부(230)에서 전달받은 신호로 슬레이브 로봇(10)이나 마스터 콘솔(20)을 구동시킬 수 있다. 또한, 표시부(250)에 수술 로봇 장치(1)의 상태 정보를 전달하여 오퍼레이터(O)가 인식하게 할 수 있다. 또한, 정보 저장부(260)에서 전달받은 오퍼레이터(O)의 정보를 기초로, 마스터 콘솔(20)의 위치를 셋팅할 수 있다. 또한, 스위칭부(270)에서 전달받은 신호로 슬레이브 로봇(10)의 구동 및 위치를 변경할 수 있다.

사용자 인터페이스 장치(200)에서 입력받은 신호를 기초로, 수술도구(12)의 구동을 제어하는 신호를 생성 및 명령하는 내용은 아래에서 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(300)를 도시하는 사시도이다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 사용자 인터페이스 장치(300)는 복수개의 힘 측정부를 구비하여, 바이폴라 수술도구를 구동할 수 있다.

전술한 도 4의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(200)와 비교하면, 사용자 인터페이스 장치(300)는 케이스(310), 제2 힘 측정부(320)를 더 구비한다.

케이스(310)는 하우징(210)의 아래에 배치되어, 제2 힘 측정부(320)가 설치되는 공간을 형성한다. 케이스(310)는 대략 원통형상을 가지고, 외측면에 제2 힘 측정부(320)가 배치된다.

제2 힘 측정부(320)는 제1 힘 측정부(220)와 유사하게 형성되며, 오퍼레이터(O)가 가하는 힘의 크기를 측정할 수 있다.

오퍼레이터(O)는 제1 힘 측정부(220)와 제2 힘 측정부(320)를 이용하여, 바이폴라 방식의 수술도구(12)를 구동시킬 수 있다. 상세히, 제1 힘 측정부(220)로 수술도구(12)의 조(jaw)의 개도를 조절하거나, 그립력을 조절할 수 있다. 수술도구(12)의 개도가 닫혀진 상태에서, 오퍼레이터(O)가 제2 힘 측정부(320)를 가력하고, 측정된 힘이 설정된 값 이상이면 컨트롤러(170)는 전류를 수술도구(12)의 각각의 조(jaw)에 보내므로, 바이폴라 방식으로 소작기능을 수행할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 장치(1)의 마스터 콘솔(20)의 조작 방법을 도시하는 순서도이다.

도 8을 참조하면, 수술도구(12)가 장착된 슬레이브 로봇(10)을 원격조정하기 위한 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔(20)의 조작 방법은, 사용자 인터페이스 장치를 마스터 콘솔에 장착하는 단계(S10), 사용자가 상기 사용자 인터페이스 장치의 터치 측정부를 접촉하여 상기 마스터 콘솔을 구동하는 단계(S20), 상기 마스터 콘솔의 포지셔닝 암과 짐 벌암을 구동시켜서 상기 수술도구의 위치와 방향을 설정하는 단계(S30), 상기 사용자 인터페이스 장치의 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기에 대한 데이터를 기초로 상기 수술도구의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하는 수술도구 조작 단계(S40)를 포함한다.

사용자 인터페이스 장치를 마스터 콘솔에 장착하는 단계(S10)에서 오퍼레이터(O)는 사용자 인터페이스 장치(200)를 짐벌 암(23)의 단부에 장착한다. 사용자 인터페이스 장치(200)의 정보 저장부(260)에서 사용자 정보를 마스터 콘솔(20)에 전송하고, 사용자 정보에 대응하여, 마스터 콘솔(20)의 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 위치가 셋팅될 수 있다. 즉, 오퍼레이터(O)의 신체 정보를 고려하여, 마스터 콘솔(20)이 수술을 진행하기 위해서 셋팅된다.

사용자가 상기 사용자 인터페이스 장치의 터치 측정부를 접촉하여 상기 마스터 콘솔을 구동하는 단계(S20)에서 오퍼레이터(O)는 수술 로봇 장치(1)를 구동시킬 수 있다. 터치 측정부(230)에서 오퍼레이터(O)의 접촉이 감지되면, 기 설정된 제1 지연 시간 이후에 마스터 콘솔을 구동시킬 수 있다.

상기 마스터 콘솔의 포지셔닝 암과 짐 벌암을 구동시켜서 상기 수술도구의 위치와 방향을 설정하는 단계(S30)에서 오퍼레이터(O)는 사용자 인터페이스 장치(200)의 감싼 상태로 이동시킬 수 있다. 이때, 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 위치와 방향이 변화하고, 사용자 인터페이스 장치(200)는 짐벌 암(23)에 대해서 롤운동을 할 수 있다.

상기 사용자 인터페이스 장치의 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기에 대한 데이터를 기초로 상기 수술도구의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하는 상기 수술도구 조작 단계(S40)에서는 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘에 대한 정보를 기초로, 수술도구(12)를 이용하여 수술을 집도할 수 있다. 수술도구(12)의 단부인 조의 개도를 조절하거나 그립력을 조절할 수 있다.

다른 실시예로, 상기 사용자가 상기 제1 힘 측정부에 가력하는 힘을 유지하면서, 수술도구의 소작 기능을 실행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

소작기능을 가지는 수술도구(12)가 슬레이브 로봇(10)에 장착된 경우에는 제1 힘 측정부(220)에서 가해지는 힘의 크기를 기초고로, 수술도구(12)에 전류를 공급하는 개시 신호를 생성할 수 있다. 즉, 소정의 크기의 힘이 제1 힘 측정부(220)에 전달되면, 모노폴라 방식으로 수술도구(12)의 소작기능이 진행될 수 있다.

다른 실시예로, 도 7a 및 도 7b에서의 사용자 인터페이스 장치(300)를 참고하면, 제1 힘 측정부(220)의 아래에 배치된 제2 힘 측정부(320)를 조작하여, 수술도구(12)의 소작 기능을 실행할 수 있다. 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘은 수술도구(12)의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하고, 제2 힘 측정부(320)에서 측정된 힘은 수술도구(12)의 조(jaw)로 전류를 개시하는 신호를 생성할 수 있다.

도 9는 도 4의 사용자 인터페이스 장치(200)에서 입력된 신호를 기초로 수술도구(12)의 일 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.

도 9을 참조하면, 컨트롤러(170)는 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘을 기초로 수술도구(12)의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하도록 구동기에 제어신호를 전송할 수 있다. 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위이면(포지션 컨트롤 모드), 수술도구(12)의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고, 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면(토크 컨트롤 모드), 상기 수술도구(12)의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절한다.

제1 힘 측정부(220)는 오프셋된 소정의 힘이 가해지면 힘을 측정한다. 즉, sensor offset된 이상의 힘이 제1 힘 측정부(220)에 가해지면 사용자 인터페이스 장치(200)가 힘의 크기를 센싱한다. 컨트롤러(170)는 역치값인 threshold force을 초과하기 전까지는 구동기(actuator)를 구동하지 않으므로, 수술도구(12)의 조(jaw)의 개도는 전체 개방된 상태를 가진다.

제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘이 역치값을 초과하면 구동기는 수술도구(12)의 조(jaw)의 개도를 조절한다. 컨트롤러(170)는 포지션 컨트롤 모드(position control mode)로 구동기를 제어하며, 측정된 힘의 크기에 비례하여 수술도구(12)의 조(jaw)가 개도를 선형적으로 닫는다. 포지션 컨트롤 모드에서는 구동기는 토크를 조절하는 것은 아니며, 수술도구(12)의 조의 개도를 조절한다.

제1 힘 측정부(220)에 가해지는 힘이 증가하여, 수술도구(12)의 조가 완전히 닫히면, 구동기는 수술도구(12)의 토크를 조절한다. 컨트롤러(170)는 토크 컨트롤 모드(torque control mode)로 구동기를 제어하고, 측정된 힘의 크기에 비례하여 수술도구의 토크를 선형적으로 제어한다.

토크 컨트롤 모드는 설정된 최대 토크(max. torque)까지 수술도구(12)의 토크를 제어한다. 설정된 최대 토크(max. torque)는 측정 가능한 최대 힘(sensor max. range)에 도달하기 전에 달성된다. 즉, 오퍼레이터(O)가 제1 힘 측정부(220)에 측정 가능한 최대 힘(sensor max. range)보다 적은 힘을 가하더라도, 컨트롤러(170)는 구동기를 최대 토크(max. torque)로 수렴시켜서, 사용자 인터페이스 장치(200)의 내구성 및 수술 과정에서의 안전을 유지할 수 있다.

사용자 인터페이스 장치(200)는 오퍼레이터(O)가 가하는 힘에 비례하여 수술도구(12)의 개도를 조절하므로(포지션 컨트롤 모드), 오퍼레이터(O)가 직관적으로 수술도구(12)의 개도를 인식하고, 쉽게 수술을 집도할 수 있다. 또한, 오퍼레이터(O)가 가하는 힘에 비례하여 수술도구(12)의 그립력을 조절하므로(토크 컨트롤 모드), 오퍼레이터(O)가 직관적으로 수술도구(12)에 가해지는 토크를 인식하고, 그립력을 조절할 수 있다. 또한, 사용자 인터페이스 장치(200)는 허용가능한 최대 힘 이전에 최대 토크로 수렴되므로, 내구성과 안전성을 유지할 수 있다.

도 10은 도 4의 사용자 인터페이스 장치(200)에서 입력된 신호를 기초로 수술도구(12)의 다른 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.

도 10을 참조하면, 컨트롤러(170)는 제1 힘 측정부(220)나 제2 힘 측정부(320)에서 측정된 힘을 기초로 수술도구(12)의 조(jaw)의 소작 기능을 수행하도록 제어신호를 전송할 수 있다.

일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(200)에서는 제1 힘 측정부(220)에서 가해지는 힘을 기초로 모노폴라 방식의 소작기능을 수행할 수 있다. 다른 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(300)에서는 제1 힘 측정부(220)에서 가해지는 힘을 기초로 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하고, 제2 힘 측정부(320)에서 가해지는 힘을 기초로 바이폴라 방식의 소작기능을 수행할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해서 제1 힘 측정부(220)에 의한 모노폴라 방식의 소작기능을 중심으로 설명하기로 한다.

제1 힘 측정부(220)는 오프셋된 소정의 힘이 가해지면 힘을 측정한다. 즉, sensor offset된 이상의 힘이 제1 힘 측정부(220)에 가해지면 사용자 인터페이스 장치(200)가 힘의 크기를 센싱한다.

컨트롤러(170)는 제1 역치값인 threshold_on을 초과하기 전까지는 전류 개시 신호를 생성 및 전달하지 않는다.

측정된 힘이 제1 역치값을 초과하면, 컨트롤러(170)는 수술도구(12)에 전류 개시 신호를 생성 및 전달하여, 소작기능이 수행된다. 이때, 소작 기능은 on/off제어로 측정된 힘의 크기와 관계없이 제1 역치값을 초과하면 기능이 수행된다.

이후, 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘이 제2 역치값인 threshold_off 이하가 되면, 컨트롤러(170)는 전류 해제 신호를 생성 및 전달하여, 소작기능이 중단된다. 제2 역치값은 제1 역치값보다 더 낮다.

사용자 인터페이스 장치(200)는 오퍼레이터(O)가 기설정된 제1 역치값을 초과하면 소작기능이 수행되고, 제2 역치값 이하이면 소작기능이 중단된다. 이때, 2 역치값이 제1 역치값보다 더 낮으므로, 소작시의 안전을 확보할 수 있다. 또한, 사용자 인터페이스 장치(200)의 출력에 히스테리시스(hysteresis) 특성을 추가하여 채터링(chattering)을 제거할 수 있다.

도 11은 도 4의 사용자 인터페이스 장치(200)에서 입력된 신호를 기초로 수술도구(12)의 또 다른 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.

도 11을 참조하면, 컨트롤러(170)는 터치 측정부(230)에서 전달 받은 접촉 신호를 기초로 수술 로봇 장치(1)를 구동시킬 수 있다.

컨트롤러(170)는 디바운싱(debouncing)방식으로 터치 측정부(230)에서 전달받은 신호에서 발생하는 채터링(chattering)과 같은 노이즈를 줄일 수 있다.

예를 들면, 마스터 콘솔(20)의 상태가 Off인 경우에는 On의 상태로 되기 위해서는 터치 측정부(230)의 출력이 On인 상태로 미리 정해진 일정 시간 동안 지속해야 한다. 사용자 인터페이스 장치(200)의 터치 측정부(230)에서 오퍼레이터(O)의 접촉신호를 수신하면, 기 설정된 제1 지연 시간(td1)이 도과된 후에 마스터 콘솔(20)을 구동한다. 이때, 컨트롤러(170)는 접촉신호가 터치 측정부(230)에서 지속적으로 On의 출력이 유지되면, 제1 지연 시간(td1)을 측정한다.

마스터 콘솔(20)의 상태가 On인 경우에는 Off 상태로 되기 위해서는 터치 측정부(230)의 출력이 Off인 상태로 미리 정해진 일정 시간 동안 지속해야 한다. 사용자 인터페이스 장치(200)의 터치 측정부(230)에서 오퍼레이터(O)의 접촉신호가 해제되면, 제2 지연 시간(td2)이 도과된 후에 마스터 콘솔(20)의 구동을 정지한다. 이때, 컨트롤러(170)는 접촉신호가 터치 측정부(230)에서 지속적으로 Off의 출력이 유지되면, 제2 지연 시간(td2)을 측정한다.

제1 지연 시간(td1)은 완전히 On 출력이 유지되어야 기산되므로, 터치 측정부(230)에서의 접촉이 불완전하면 마스터 콘솔(20)은 구동되지 않는다. 또한, 제2 지연 시간(td2)은 완전히 Off 출력이 유지되어야 기산되므로, 터치 측정부(230)에서 접촉이 불완전하면 마스터 콘솔(20)은 전원을 유지한다. 이로써, 수술 로봇 장치(1)의 안전이 확보될 수 있다.

제2 지연 시간(td2)은 제1 지연 시간(td1)보다 길다. 제2 지연 시간(td2)이 길게 설정되므로, 오퍼레이터(O)가 실수로 터치 측정부(230)의 터치를 유지하지 않아도, 마스터 콘솔(20)의 구동은 유지되어 환자(P)의 안전을 확보할 수 있다.

본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 오퍼레이터가 직관적으로 사용자 인터페이스 장치를 조작하여, 마스터 콘솔 및 수술 로봇 장치를 제어할 수 있다. 사용자 인터페이스 장치는 오퍼레이터가 가하는 한 방향의 힘을 통해서 수술도구를 이용할 수 있으므로, 수술 집도의 직관성이 향상될 수 있다. 또한, 오퍼레이터에 따라 마스터 콘솔이 셋팅되므로, 수술 준비 절차를 간소화 할 수 있다.

본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 환자가 안전한 상태에서 수술을 수행할 수 있다. 사용자 인터페이스 장치는 수술도구의 개도이나 그립력을 직관적으로 인식할 수 있으며, 디바운싱을 적용하여 안전한 상태로 마스터 콘솔을 구동하므로, 수술 전과정에서의 안전성이 향상될 수 있다.

본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 힘/토크 센서를 적용하여 마스터 콘솔을 정확하게 제어할 수 있다.

본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

1: 수술 로봇 장치
10: 슬레이브 로봇
20: 마스터 콘솔
22: 포지셔닝 암
23: 짐벌 암
170: 컨트롤러
200: 사용자 인터페이스 장치
210: 하우징
220: 제1 힘 측정부
230: 터치 측정부
240: 커넥터
250: 표시부
260: 정보 저장부
270: 스위칭부

Claims (18)

1. 사용자가 수술도구가 장착된 슬레이브 로봇을 원격조정하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔에 있어서,
   상기 수술도구의 위치를 설정하는 포지셔닝 암;
   상기 포지셔닝 암의 단부에 배치되며, 상기 수술도구의 방향을 설정하는 짐벌 암;
   상기 짐벌 암의 단부에 회전가능하게 장착 및 탈착되고, 상기 사용자가 접촉을 감지하고, 상기 사용자가 가하는 힘의 크기를 측정할 수 있는 사용자 인터페이스 장치; 및
   상기 사용자 인터페이스 장치에서 전달받은 힘이나 접촉에 대한 정보를 기초로 상기 수술도구를 제어하는 컨트롤러;를 포함하고,
   상기 사용자 인터페이스 장치는
   하우징;
   일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되며, 상기 사용자가 접촉하여 힘을 가하고, 상기 사용자가 가하는 힘을 측정하는 제1 힘 측정부;
   상기 제1 힘 측정부와 이격되게 배치되며, 일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되어 상기 사용자의 접촉을 감지하는 터치 측정부; 및
   상기 하우징의 일측에 배치되고, 상기 짐벌 암에 접속하는 커넥터;를 구비하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 하우징은 구 형상을 가지는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 힘 측정부는
   상기 하우징의 외측에 배치되는 접촉 패드;
   상기 접촉 패드와 연결되며, 스트레인 게이지가 설치되는 브릿지; 및
   상기 브릿지와 연결되며, 상기 하우징에 고정되는 고정단;을 구비하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 사용자 인터페이스 장치는
   사용자 정보를 저장하는 정보 저장부;를 더 구비하며,
   상기 컨트롤러는
   상기 사용자 인터페이스 장치가 상기 짐벌 암에 장착되면, 상기 사용자 정보에 대응하여 상기 포지셔닝 암과 상기 짐벌 암의 위치를 설정하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 사용자 인터페이스 장치는
   상기 하우징의 외측에 배치되며, 사용자 인터페이스 장치의 상태에 관한 정보를 표시하는 표시부;를 더 구비하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 사용자 인터페이스 장치는
   상기 슬레이브 로봇의 위치를 변경하여 상기 수술도구를 교체하거나, 상기 슬레이브 로봇에 장착된 카메라의 위치를 변경하는 스위칭부;를 더 구비하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 사용자 인터페이스 장치는
   상기 제1 힘 측정부의 아래에 배치되는 제2 힘 측정부;를 더 구비하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 컨트롤러는
   상기 사용자 인터페이스 장치에서 측정된 사용자의 힘의 크기가 기 설정된 범위이면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고,
   상기 사용자 인터페이스 장치에서 측정된 사용자의 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는
    상기 사용자 인터페이스 장치에서 상기 사용자의 접촉신호를 수신하면, 기 설정된 제1 지연 시간이 도과된 후에 상기 마스터 콘솔을 구동시키고,
    상기 사용자 인터페이스 장치에서 상기 사용자의 접촉신호가 해제되면, 상기 제1 지연 시간보다 긴 제2 지연 시간이 도과된 후에 상기 마스터 콘솔의 구동을 정지하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.
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