KR20120122643A - 시각센서를 이용한 수술용 로봇, 그 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석방법, 그 수술용 로봇의 제어방법, 그 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석시스템 및 그 수술용 로봇의 제어 시스템 - Google Patents

시각센서를 이용한 수술용 로봇, 그 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석방법, 그 수술용 로봇의 제어방법, 그 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석시스템 및 그 수술용 로봇의 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시각센서를 이용한 수술용 로봇, 그 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석방법, 제어방법, 분석시스템 및 제어시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는 인체 내부로 삽입되어 동력을 전달하는 유연한 재질의 외부로봇; 외부로봇의 일단 끝단부에 구비되고 외부로봇을 통해 전달된 동력을 인가받는 복수의 로봇팔; 로봇팔의 끝단에 설치된 수술도구; 외부로봇의 일단 끝단부에 구비되어 로봇팔과 수술도구의 영상을 실시간으로 촬영하는 시각센서; 사용중 인체 외부에 위치하게 되고 외부로봇의 타단 끝단부에 연결되어 동력을 발생시켜 외부로봇을 통해 로봇팔을 구동시키는 구동부; 외부로봇의 일단 끝단부에 구비된 시각센서에서 측정된 영상을 디스플레이하는 디스플레이부; 디스플레이부에서 디스플레이된 영상을 분석하여 현재 로봇팔의 위치, 각도 및 로봇팔의 끝단에 설치된 수술도구의 위치를 분석하는 분석수단; 및 분석수단에서 연산된 정보에 기초로 하여 구동부에서 필요한 구동력을 계산하고, 계산된 구동력으로 구동부가 구동되도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시각센서를 갖는 수술용 로봇의 제어 시스템에 관한 것이다.

Description

시각센서를 이용한 수술용 로봇, 그 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석방법, 그 수술용 로봇의 제어방법, 그 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석시스템 및 그 수술용 로봇의 제어 시스템{Surgical robot using visual sensor and system and method for analyzing of the surgical robot and system and method for controling of he surgical robot}
본 발명은 시각센서를 이용한 수술용 로봇, 그 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석방법, 제어방법, 분석시스템 및 제어시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는 시각센서가 부착된 다관절의 로봇팔을 갖는 수술용 로봇과 시각센서에서 촬영된 영상을 분석하여 정확성, 반복성이 향상된 수술용 로봇의 제어시스템에 관한 것이다. 모터 등으로 구성된 구동부를 이용하여 구동하는 수술용 로봇 및 그의 정확한 구동 방법에 관한 것으로, 구동부와 멀리 떨어져 와이어를 이용하여 구동하는 관절을 모터의 엔코더 뿐만이 아니라 구동 관절과 가까이 위치한 카메라 등의 추가적인 시각센서를 이용하여 정확한 움직임을 가능하게 하는 수술용 로봇에 관한 것이다.
복강 내의 수술을 행하는 수술 방법으로 수술부위를 직접 절개하는 기존의 개복 수술이 일반적이었다. 최근 복강경 수술법이 고안되고 수술에 로봇이 적용되면서 담낭 절제술 등과 같이 간단한 복강 수술의 경우 복강경 수술이 일반화되는 추세이다. 이러한 복강경 수술법은 최소침습수술(Minimally Invasiv Surgery)의 한 분야로 절개 및 통증을 최소화하며 입원 기간을 단축시키는 효과가 있다.
여기서 더 나아가 절개를 하지 않는 비침습수술(Non-Invasive Surgery)의 개념이 도입되면서 자연 개구부 내시경 수술(NOTES, Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery, 입이나 항문 또는 질 등을 통해 내시경 및 수술도구를 삽입하여 위 등의 장기에 구멍을 뚫고 나가서 하는 수술)이 다음 세대의 수술법으로 주목받고 있다. 내시경수술(이하 NOTES)와 더불어 최근 연구가 활발히 진행되는 단일공법(SPA, Single Port Surgery) 수술은 추가적인 절개 없이 하나의 구멍(주로 배꼽)을 통해서 수행되는 수술로써, 복강경 수술과 NOTES 사이의 개념으로 볼 수 있다.
복강경 수술, SPA 수술 또는 NOTES는 모두 공간적인 제약으로 인해 인체내로 삽입되는 수술도구, 외부로봇 및 내부로봇은 가늘고 긴 형태를 가질 수밖에 없다. 복강경 수술도구의 직경은 주로 10mm 이하이며 길이는 40cm 이상이다. NOTES용 수술도구는 삽입 통로에 따라서 5mm 내외의 직경에 1m 정도의 길이를 가져야 한다. 물론 같은 기능을 할 수 있다면 직경은 작을수록 바람직하다. 이러한 수술도구의 형태적인 제약으로 인해 수술을 위한 로봇의 경우 구동부(엑츄에이터, 모터 등)의 위치가 외부에 위치할 수밖에 없고, 외부의 구동부는 주로 와이어 로프나 긴 형태의 링크 등을 이용해 내부의 구동 관절에 동력을 전달하게 된다.
그러나 구동부와 구동관절의 거리가 멀어질수록 관절의 움직임이 부정확해지는데, 이는 구동 와이어에 가해지는 장력에 의한 탄성 변형과 마찰, 부품 사이의 유격, 그리고 백래쉬(backlash) 등의 영향으로 볼 수 있다. 따라서 입력 값(관절이 움직여야 하는 양, 또는 모터의 구동량)과 출력 값(관절이 실제로 움직이는 양)에 차이가 발생하게 되며, 이를 히스테리시스(hysteresis, 이력현상)이라 부른다. 이러한 히스테리시스는 NOTES용 수술도구 또는 로봇에서와 같이 도구가 길고 구부러진 경우 더 심하게 나타난다.
따라서 이러한 히스테리시스를 감소시키고 수술도구와 구동관절의 위치와 각도를 정확하게 추정하여 사용자가 입력하는 입력값과 실제 출력값의 차이를 감소시켜 보다 정확하고 반복성, 안정성이 향상된 내시경 수술용 로봇의 개발이 요구되었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 수술 로봇의 기구적인 제한으로 인해 부정확해진 움직임을 시각 센서를 이용하여 개선하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 시각센서를 이용하여 수술용 로봇의 움직임을 정확하게 인지, 분석하는 방법에 그 목적이 있다. 그리고 시각센서를 이용하여 읽은 신호와 모터의 엔코더를 이용하여 읽은 신호를 조합하여 명령에 따라 정확한 움직임을 구현하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 제1목적은, 수술용 로봇에 있어서, 인체 내부로 삽입되어 동력을 전달하는 유연한 재질의 외부로봇; 외부로봇의 일단 끝단부에 구비되고 외부로봇을 통해 전달된 동력을 인가받는 복수의 로봇팔; 로봇팔의 끝단에 설치된 수술도구; 외부로봇의 일단 끝단부에 구비되어 로봇팔과 수술도구의 영상을 실시간으로 촬영하는 시각센서; 및 사용중 인체 외부에 위치하게 되고 외부로봇의 타단 끝단부에 연결되어 동력을 발생시켜 외부로봇을 통해 로봇팔을 구동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시각센서를 이용한 수 로봇으로 달성될 수 있다.
외부로봇은 와이어 로프로 구성되어 구동부의 동력을 로봇팔로 전달하며 직경은 20mm이하이고 시각센서는 내시경 카메라로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.
외부로봇은 외부로봇의 일단 끝단부에서 측면방향으로 돌출된 돌출부를 더 포함하고, 시각센서는 돌출부의 끝단에 구비되어 로봇팔과 수술도구를 영상을 촬영하는 것을 특징으로 할 수 있다.
로봇팔은 2개로 구성되고, 각각의 로봇팔은 복수의 링크와 링크를 연결하는 관절을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
로봇팔 각각은 외부로봇의 일단 끝단부에 연결되고 길이방향이 외부로봇의 일단 끝단부의 길이방향과 외측으로 특정각도를 형성하는 제1링크;제1링크와 연결된 제2링크와 제1링크와 제2링크 사이에 구비되는 엘보우-아웃관절; 및 제2링크와 연결된 제3링크와 동력을 인가받아 제2링크와 제3링크와의 각도를 변경시키는 구동관절을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구동관절은 제3링크를 축방향으로 회전, 제3링크의 좌우각도변경 및 제3링크의 상하각도 변경 중 적어도 어느 하나를 변화시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
제3링크의 외면에는 적어도 하나의 마커가 부착되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
마커는 제3링크의 양쪽 끝단 각각에 부착된 한 쌍의 제1마커와 한 쌍의 제1마커 사이에 구비되는 제2마커를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 수술용 로봇의 로봇팔 위치 및 각도 분석시스템에 있어서, 앞서 언급한 시각센서를 갖는 수술용 로봇; 외부로봇의 일단 끝단부에 구비된 시각센서에서 측정된 영상을 디스플레이하는 디스플레이부; 및 디스플레이부에서 디스플레이된 영상을 분석하여 현재 로봇팔의 위치, 각도 및 로봇팔의 끝단에 설치된 수술도구의 위치를 분석하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석시스템으로 달성될 수 있다.
분석수단은 제3링크에 부착된 마커의 위치, 방향 및 크기의 정보를 이용하여 제3링크 및 수술도구의 위치 및 구동관절의 각도를 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
분석수단은, 디스플레이부에서 디스플레이된 영상에서 제3링크에 부착된 한 쌍의 제1마커의 크기와 한 쌍의 제1마커 간의 거리로부터 제3링크와 시각센서와의 거리 및 구동관절의 각도를 연산하고, 제3링크에 부착된 제2마커의 위치 및 크기로부터 제3링크의 축방향 회전각도를 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은 앞서 언급한 분석시스템; 및 분석시스템의 분석수단에서 연산된 정보에 기초로 하여 구동부에서 필요한 구동력을 계산하고, 계산된 구동력으로 구동부가 구동되도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 제어 시스템으로 달성될 수 있다.
제어부는 분석수단에서 연산된 수술도구와 제3링크의 위치 및 구동관절의 각도를 기초로 시용자가 입력한 입력정보로 수술용 로봇의 구동관절의 각도 및 수술로봇의 수술도구 위치가 변화되도록 구동력을 계산하여 구동부를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제4목적은 앞서 언급한 분석시스템을 이용한 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석방법에 있어서, 수술로봇의 외부로봇 일단 끝단부에 구비된 시각센서가 로봇팔의 영상을 촬영하는 단계; 디스플레이부에서 촬영한 영상을 디스플레이하는 단계; 및 분석수단이 디스플레이된 영상을 기초로 로봇팔의 위치 및 방향을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석시스템을 이용한 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석방법으로 달성될 수 있다.
촬영단계는, 시각센서가 로봇팔의 끝단에 설치된 수술도구와 한 쌍의 제1마커와 제2마커가 부착된 제3링크 및 구동관절의 영상을 촬영하는 단계이고, 분석단계는, 분석수단이 제3링크에 부착된 한 쌍의 제1마커의 크기와 한 쌍의 제1마커 간의 거리로부터 제3링크와 시각센서와의 거리 및 구동관절의 각도를 연산하고, 제3링크에 부착된 제2마커의 위치 및 크기로부터 제3링크의 축방향 회전각도를 연산하는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제5목적은 앞서 언급한 제어시스템을 이용한 수술용 로봇의 제어방법에 있어서, 수술로봇의 외부로봇 일단 끝단부에 구비된 시각센서가 로봇팔의 영상을 촬영하는 단계; 디스플에이부에서 측정된 영상을 디스플레이하는 단계; 분석수단이 디스플레이된 영상을 기초로 로봇팔의 위치 및 방향을 분석하는 단계; 사용자가 분석수단에서 연산된 로봇팔의 위치를 기초로 하여 제어부에 조작정보를 입력하는 단계; 제어부가 조작정보에 기초하여 로봇팔의 변위값를 계산하고, 변위값으로 로봇팔을 구동시키기 위해 필요한 구동량을 계산하는 단계; 제어부가 구동량에 기초하여 구동부를 제어하여 구동시키는 단계; 및 구동부가 구동되어 로봇팔의 변위가 변경되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어시스템을 이용한 수술용 로봇의 제어방법으로 달성될 수 있다.
촬영단계는, 시각센서가 로봇팔의 끝단에 설치된 수술도구와 한 쌍의 제1마커와 제2마커가 부착된 제3링크 및 구동관절의 영상을 촬영하는 단계이고, 분석단계는, 분석수단이 제3링크에 부착된 한 쌍의 제1마커의 크기와 한 쌍의 제1마커 간의 거리로부터 제3링크와 시각센서와의 거리 및 구동관절의 각도를 연산하고, 제3링크에 부착된 제2마커의 위치 및 크기로부터 제3링크의 축방향 회전각도를 연산하는 단계이고, 입력단계에서 조작정보는 제3링크와 시각센서와의 거리, 구동관절의 각도 및 제3링크의 축방향 회전각도를 기초로 하여 결정되며, 구동량 계산단계에서, 제어부는 조작정보에 기초하여 구동관절의 각도 변화값과 제3링크 및 수술도구의 변위값을 연산하여 구동량을 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
따라서, 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의하면, 수술로봇의 수술도구 끝단과 멀리 떨어진 구동부에 위치한 모터의 엔코더로 읽어온 신호를 이용하여 로봇팔의 자세를 계산하는 것보다, 시각센서를 이용함으로써 로봇팔의 자세를 정확하게 예측, 분석할 수 있는 효과를 갖게 된다. 또한 목표로 하는 다음 자세로 바꾸기 위해 필요한 모터의 구동량을 보다 정확하게 계산할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고 로봇팔의 관절에 다양한 형태의 마커를 부착함으로써 로봇팔의 자세, 관절들의 위치, 수술도구의 위치, 관절의 각도를 쉽게 읽어오는 것이 가능한 효과를 갖는다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 시각센서를 갖는 수술용 로봇의 사시도,
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 시각센서를 구비한 수술용 로봇의 로봇팔 측을 나타낸 부분 사시도,
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 돌출부에 시각센서가 구비된 수술용 로봇의 로봇팔 측을 나타낸 부분 사시도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 시각센서가 구비된 수술용 로봇의 제어시스템의 구성을 나타낸 블록도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 시각센서가 촬영한 영상을 디스플레이부에서 디스플레이한 영상을 나타낸 사시도,
도 5는 도 4에서 제1마커와 제2마커가 부착된 제3링크 및 수술도구를 나타낸 부분 사시도,
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 구동관절의 각도가 변환된 상태의 수술용 로봇의 부분 평면도,
도 6b은 본 발명의 일실시예에 따른 서로 다른 형태를 갖는 엘보우-아웃 관절을 갖는 수술용 로봇의 부분 평면도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 시각센서를 갖는 수술용 로봇의 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 시각센서(60)를 갖는 수술용 로봇(1)의 구성 및 작용에 대해 설명하도록 한다. 본 발명에 따른 시각센서(60)를 갖는 수술용 로봇(1)은 복강경 수술, SPA 수술 또는 내시경 수술 등 다양하게 적용될 수 있다 이하에서는 내시경 수술용 로봇(1)을 실시예로 하여 설명하도록 한다.
먼저, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 시각센서(60)를 갖는 수술용 로봇(1)의 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 시각센서(60)를 구비한 수술용 로봇(1)의 로봇팔(40) 측을 나타낸 부분 사시도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 시각센서(60)를 갖는 수술용 로봇(1)은 구동부(10), 구동부(10)에 연결된 가늘고 긴 형태의 원통형상의 외부로봇(20)과 외부로봇(20)의 일단 끝단부에 결합된 복수의 로봇팔(40), 외부로봇(20)의 일단 끝단부에 설치된 시각센서(60) 및 로봇팔(40)의 끝단에 설치된 수술도구(50) 등을 포함하고 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 시각센서(60)를 구비한 수술용 로봇(1)의 외부로봇(20)은 시각센서(60)와 로봇팔(40)이 설치되고, 입, 항문, 질 등의 삽입지점부터 환부까지 가이드 역할을 하게 되고, 구동부에서 인가된 구동력을 로봇팔에 전달하게 된다. 따라서 일반적으로 외부로봇(20)의 직경은 20mm 이하 정도로 제한된다. 그리고 이러한 외부로봇(20)은 와이어 로프 등으로 구성되어 구동부(10)에서 인가되는 동력력을 후에 설명되는 구동관절(44), 수술도구(50)로 전달하게 된다. 이러한 외부로봇(20)은 유연 샤프트로 구성되며 내부에 끝단 각각이 로봇팔(40)과 연결된 적어도 하나의 내부로봇(30)을 더 포함하고 있다.
외부로봇(20)의 일단 끝단부에는 적어도 하나 이상의 로봇팔(40)이 결합된다. 구체적 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이 2개의 로봇팔(40)이 결합된다. 그리고, 후에 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 로봇팔(40)은 다수의 링크와 다수의 관절로 구성되며 구동부(10)의 동력에 의해 관절의 각도가 변경되어 수술도구(50)의 위치를 변화시키게 된다. 또한, 이러한 로봇팔(40)의 끝단에는 집게 등의 수술도구(50)가 결합되어 있다.
그리고, 외부로봇(20)의 일단 끝단부에는 전방과 수술도구(50) 및 로봇팔(40)의 영상을 촬영하기 위한 적어도 하나의 시각센서(60)를 구비하고 있다. 이러한 시각센서(60)는 내시경 카메라 등으로 구성된다. 또한, 외부로봇(20)의 타단 끝단부에는 모터 및 엔코더 등으로 구성된 구동부(10)를 포함하고 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 구체적 실시예에서는 2개의 로봇팔(40)을 구비하고, 로봇팔(40) 각각은 제1링크(41), 엘보우-아웃(elbow-out) 관절(42), 제2링크(43), 구동관절(44) 및 제3링크(45)를 포함하고 있다. 일반적으로 외부로봇(20)의 직경이 20mm이하로 제한되기 때문에 두 개의 로봇팔(40)과 시각센서(60)의 거리가 너무 가까워 작업반경 및 시야가 제한되는 문제가 있다. 따라서 본 발명의 일실시예에서는 로봇팔(40)의 제1링크(41) 각각이 바깥쪽 방향으로 팔을 벌린 듯한 형태를 갖기 위해 도 2a에 도시된 바와 같이, 엘보우-아웃 관절(42)을 포함하고 있다.
즉, 외부로봇(20)의 일단 끝단부에 연결된 제1링크(41)와 제2링크(43) 사이에 엘보우-아웃 관절(42)을 구비하고 있다. 본 발명의 일실시예에서의 엘보우-아웃 관절(42)은 각도 조절을 하지 않고, 펴고 구부리는 것만이 가능한 온/오프 관절에 해당한다. 물론, 엘보우-아웃 관절(42)이 다양한 회전, 병진운동이 가능하게 구성될 수도 있다. 이러한 엘보우-아웃 관절의 구체적인 각도나 형상은 다양하게 구비될 수 있고, 엘보구-아웃 관절 역시 구동력에 의해 각도가 변화되도록 구성될 수 있고 다양한 실시예의 변화는 본 발명의 권리범위에 영향을 미칠 수 없음은 물론이다.
그리고, 제2링크(43)와 제3링크(45) 사이에는 구동관절(44)을 포함하고 있다. 이러한 구동관절(44)은 구동부(10)에서 인가된 구동량에 따라 상하 및 좌우 움직임이 가능한 2자유도 관절로 구성된다. 또한, 이러한 구동관절(44)은 축방향 회전도 가능하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 로봇팔 각각에 하나의 구동관절(44)을 갖는 것을 예시하였지만, 실시예의 변화에 따라 복수의 구동관절을 가질 수도 있고 서로 다른 자유도를 갖고 구동될 수도 있다. 따라서 구동관절의 개수, 자유도 개수 등은 본 발명의 권리범위에 영향을 미치지 않음은 자명하다.
본 발명의 일실시예에 따른 구동관절(44)은 후에 상세히 설명되는 바와 같이 종래 동작에 히스테리시스(hysteresis)가 발생되어 구동부(10)의 구동량을 정확하게 따라가지 못해 동작의 정확도와 반복성 감소를 개선하기 위해 내시경 카메라로 구성된 시각센서(60)를 통해 제3링크(45)과 구동관절(44) 및 수술도구(50)의 영상을 통해 정확한 위치를 추정하게 된다.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 돌출부(63)에 시각센서(60)가 구비된 수술용 로봇(1)의 로봇팔(40) 측을 나타낸 부분 사시도를 도시한 것이다. 본 발명의 일실시예에서는 내시경 카메라로 구성된 시각센서(60)가 외부로봇(20)의 일단 끝단면에 부착되는 것보다 위에서 아래쪽으로 내려다보면서 영상을 촬영하도록 구성된다. 즉, 제3링크(45)와 구동관절(44) 및 수술도구(50)의 위치 영상을 보다 정확하게 획득하기 위해 외부로봇(20) 일단의 상부에 ㄱ 자 형태의 돌출부(63)를 갖고, 돌출부(63)의 끝단에 시각센서(60)를 구비함이 바람직하다.
또한, 도 2b에 도시된 바와 같이 시각센서(60)를 2개 구비하여 제1시각센서(61)는 외부로봇(20) 일단 끝단면에 부착되어 전방의 영상을 촬영하고, 돌출부 (63)끝단에 구비된 제2시각센서(62)는 수술도구(50)와 제3링크(45) 부분의 영상을 촬영하도록 구성될 수도 있다. 또한, 이러한 제2시각센서(62)는 돌출부가 축방향 회전, 상하 또는 좌우 각도 변화가 가능하도록 하여 다양한 방향의 영상을 촬영할 수 있도록 구성될 수도 있다.
또한, 내시경 카메라로 구성된 시각센서(60)가 제3링크(45)와 수술도구(50)의 위치를 보다 정확하게 추정하기 위해 제3링크(45)에 다양한 형태의 마커가 부착, 새겨질 수 있다. 이러한 마커는 점, 선 또는 다양한 형태를 가질 수 있으며, 비슷한 형상을 가지는 경우 색깔 또는 무늬 등을 통해 구분될 수 있다. 따라서 시각센서(60)를 통해 얻어진 영상에서 보여지는 마커의 위치나 방향, 서로의 간격 등의 정보를 이용하여 로봇팔(40)의 제3링크(45), 수술도구(50)의 위치 및 구동관절(44)의 각도 등을 분석할 수 있게 한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 시각센서(60)가 구비된 수술용 로봇(1)의 제어시스템의 구성 및 작용에 대해 설명하도록 한다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 시각센서(60)가 구비된 수술용 로봇(1)의 제어시스템의 구성을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 돌출부(63)의 끝단에 설치된 내시경카메라도 구성된 시각센서(60)가 수술도구(50)와 제3링크(45) 및 구동관절(44)이 결합된 부분의 영상을 실시간으로 촬영하게 된다. 실시간으로 촬영한 영상은 디스플레이부(70)로 전송되고 디스플레이부(70)는 실시간으로 수신된 영상을 디스플레이하게 된다. 또한, 시각센서(60)가 2대 이상의 내시경 카메라로 구성된 경우 디스플레이부(70)는 다시점 비디오 처리법을 이용하여 입체적 영상을 디스플레이할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 시각센서(60)가 촬영한 영상을 디스플레이부(70)에서 디스플레이한 영상을 나타낸 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 5는 도 4에서 제1마커(46)와 제2마커(47)가 부착된 제3링크(45) 및 수술도구(50)를 나타낸 부분 사시도를 도시한 것이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 디스플레이부(70)에서 디스플레이된 영상은 원근감에 의한 로봇팔(40)의 두께 변화를 알 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 제어시스템에 포함되는 분석수단(80)은 디스플레이부(70)에 디스플레이된 영상을 분석하여 수술도구(50)와 제3링크(45)의 위치 및 구동관절(44)의 각도를 추정, 분석하게 된다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 제3링크(45)에는 다양한 마커가 부착, 새겨져 있다. 구체적 실시예에서는 제3링크(45)의 양쪽 끝단 각각에 구비된 한 쌍의 제1마커(46)와 제1마커(46) 사이 공간에 서로가 꼬여진 형태로 부착된 제2마커(47)가 구비되어 있다.
따라서 분석수단(80)은 디스플레이된 영상에서 제1마커(46)의 크기로부터 시각센서(60)와 제3링크(45)간의 거리, 시각센서(60)와 수술도구(50)와의 거리를 분석할 수 있고, 제1마커(46) 간의 거리 정보로부터 구동관절(44)의 각도를 분석할 수 있다. 또한, 제2마커(47)의 형상을 통해 구동관절(44)이 축방향으로 어느 정도 회전되어 있는지를 분석할 수 있다.
결국, 다양한 형태의 마커가 부착된 제3링크(45)의 영상정보로부터 제3링크(45)와 수술도구(50)의 위치, 구동관절(44)의 각도를 정확하게 파악할 수 있게 된다. 그리고, 제어부(90)는 분석된 정보를 수신받게 되고, 사용자는 제어부(90)를 통해 수술도구(50)를 어느 방향으로 움직이게 할지, 구동관절(44)의 각도를 어떻게 변경시킬 지에 대한 조작정보를 입력하게 된다.
사용자가 조작정보를 입력하게 되면 제어부(90)는 입력된 조작정보를 해석하여 수술도구(50)와 제3링크(45)의 변위, 구동관절(44)의 각도변화를 계산하게 된다. 그리고, 제어부(90)는 계산된 값으로 구동관절(44)을 구동시키기 위해 필요한 구동력을 연산하게 된다. 마지막으로 제어부(90)는 연산된 구동력을 구동부(10)에 인가하여 구동부(10)를 제어하게 된다.
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 구동관절(44)의 각도가 변환된 상태의 수술용 로봇(1)의 부분 평면도를 도시한 것이고, 도 6b은 본 발명의 일실시예에 따른 서로 다른 형태를 구비한 엘보우-아웃 관절(42)을 갖는 수술용 로봇(1)의 부분 평면도를 도시한 것이다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 로봇팔(40)은 다양한 각도, 형상의 엘보우-아웃관절(42)로 구성될 수 있다. 또한, 도 6a 및 도 6b에 도시된 관절들의 형태, 개수, 자유도 개수 등은 하나의 실시예를 제시한 것이지 이에 한정하여 권리범위를 해석하여서는 아니될 것이다.
이하에서는 시각센서(60)를 갖는 수술용 로봇(1)의 제어방법을 설명하도록 한다. 먼저, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 시각센서(60)를 갖는 수술용 로봇(1)의 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다.
먼저, 돌출부(63)의 끝단에 설치된 내시경카메라도 구성된 시각센서(60)가 수술도구(50)와 제3링크(45) 및 구동관절(44)이 결합된 부분의 영상을 실시간으로 촬영하게 된다. 그리고, 실시간으로 촬영한 영상은 디스플레이부(70)로 전송되고 디스플레이부(70)는 실시간으로 수신된 영상을 디스플레이하게 된다(S10). 또한, 시각센서(60)가 2대 이상의 내시경 카메라로 구성된 경우 디스플레이부(70)는 다시점 비디오 처리법을 이용하여 입체적 영상을 디스플레이할 수도 있다.
그리고, 분석수단(80)은 디스플레이부(70)에 디스플레이된 영상을 분석하여 수술도구(50)와 제3링크(45)의 위치 및 구동관절(44)의 각도를 추정, 분석하게 된다(S20). 분석수단(80)은 디스플레이된 영상에서 제1마커(46)의 크기로부터 시각센서(60)와 제3링크(45), 수술도구(50)와의 거리를 분석할 수 있고, 제1마커(46) 사이의 거리정보로부터 구동관절(44)의 각도를 분석할 수 있다. 또한, 제2마커(47)의 형상을 통해 구동관절(44)이 축방향으로 어느 정도 회전되어 있는지를 분석할 수 있다.
결국, 다양한 형태의 마커가 부착된 제3링크(45)의 영상정보로부터 제3링크(45)와 수술도구(50)의 위치, 구동관절(44)의 각도를 정확하게 파악할 수 있게 된다. 그리고, 제어부(90)는 분석된 정보를 수신받게 되고, 사용자는 제어부(90)를 통해 수술도구(50)를 어느 방향으로 움직이게 할지, 구동관절(44)의 각도를 어떻게 변경시킬 지에 대한 조작정보를 입력하게 된다(S30).
사용자가 조작정보를 입력하게 되면 제어부(90)는 입력된 조작정보를 해석하여 수술도구(50)와 제3링크(45)의 변위, 구동관절(44)의 각도변화를 계산하게 된다(S40). 그리고, 제어부(90)는 계산된 값으로 구동관절(44)을 구동시키기 위해 필요한 구동력을 연산하게 된다(S50). 마지막으로 제어부(90)는 연산된 구동력을 구동부(10)에 인가하여 구동부(10)를 제어하게 된다(S60). 이러한 단계들은 사용자가 로봇팔(40)을 구동시킬 필요가 있는 경우 계속하여 반복하게 된다(S70).
1:수술로봇
10:구동부
20:외부로봇
30:내부로봇
40:로봇팔
41:제1링크
42:엘보우-아웃 관절
43:제2링크
44:구동관절
45:제3링크
46:제1마커
47:제2마커
50:수술도구
60:시각센서
61:제1시각센서
62:제2시각센서
63:돌출부
70:디스플레이부
80:분석수단
90:제어부

Claims (17)

  1. 수술용 로봇에 있어서,
    인체 내부로 삽입되어 동력을 전달하는 유연한 재질의 외부로봇;
    상기 외부로봇의 일단 끝단부에 구비되고 상기 외부로봇을 통해 전달된 동력을 인가받는 복수의 로봇팔;
    상기 로봇팔의 끝단에 설치된 수술도구;
    상기 외부로봇의 일단 끝단부에 구비되어 상기 로봇팔과 상기 수술도구의 영상을 실시간으로 촬영하는 시각센서; 및
    사용중 상기 인체 외부에 위치하게 되고 상기 외부로봇의 타단 끝단부에 연결되어 동력을 발생시켜 상기 외부로봇을 통해 상기 로봇팔을 구동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시각센서를 이용한 수술용 로봇.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부로봇은 와이어 로프로 구성되어 상기 구동부의 동력을 상기 로봇팔로 전달하며 직경은 20mm이하이고
    상기 시각센서는 내시경 카메라로 구성된 것을 특징으로 하는 시각센서를 이용한 수술용 로봇.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 외부로봇은 상기 외부로봇의 일단 끝단부에서 측면방향으로 돌출된 돌출부를 더 포함하고,
    상기 시각센서는 상기 돌출부의 끝단에 구비되어 상기 로봇팔과 상기 수술도구를 영상을 촬영하는 것을 특징으로 하는 시각센서를 이용한 수술용 로봇.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 로봇팔은 2개로 구성되고, 각각의 상기 로봇팔은 복수의 링크와 상기 링크를 연결하는 관절을 갖는 것을 특징으로 하는 시각센서를 이용한 수술용 로봇.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 로봇팔 각각은 상기 외부로봇의 일단 끝단부에 연결되고 길이방향이 상기 외부로봇의 일단 끝단부의 길이방향과 외측으로 특정각도를 형성하는 제1링크;
    상기 제1링크와 연결된 제2링크와 상기 제1링크와 상기 제2링크 사이에 구비되는 엘보우-아웃관절; 및
    상기 제2링크와 연결된 제3링크와 상기 동력을 인가받아 상기 제2링크와 상기 제3링크와의 각도를 변경시키는 구동관절을 포함하는 것을 특징으로 하는 시각센서를 이용한 수술용 로봇.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 구동관절은 상기 제3링크를 축방향으로 회전, 상기 제3링크의 좌우각도변경 및 상기 제3링크의 상하각도 변경 중 적어도 어느 하나를 변화시키는 것을 특징으로 하는 시각센서를 이용한 수술용 로봇.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제3링크의 외면에는 적어도 하나의 마커가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 시각센서를 이용한 수술용 로봇.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 마커는 상기 제3링크의 양쪽 끝단 각각에 부착된 한 쌍의 제1마커와 상기 한 쌍의 제1마커 사이에 구비되는 제2마커를 포함하는 것을 특징으로 하는 시각센서를 이용한 수술용 로봇.
  9. 수술용 로봇의 로봇팔 위치 및 각도 분석시스템에 있어서,
    제8항의 수술용 로봇;
    상기 외부로봇의 일단 끝단부에 구비된 시각센서에서 측정된 영상을 디스플레이하는 디스플레이부; 및
    상기 디스플레이부에서 디스플레이된 영상을 분석하여 현재 로봇팔의 위치, 각도 및 상기 로봇팔의 끝단에 설치된 수술도구의 위치를 분석하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 분석수단은
    제3링크에 부착된 마커의 위치, 방향 및 크기의 정보를 이용하여 상기 제3링크 및 상기 수술도구의 위치 및 구동관절의 각도를 연산하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 분석수단은,
    디스플레이부에서 디스플레이된 영상에서 상기 제3링크에 부착된 한 쌍의 제1마커의 크기와 상기 한 쌍의 제1마커 간의 거리로부터 상기 제3링크와 상기 시각센서와의 거리 및 상기 구동관절의 각도를 연산하고, 상기 제3링크에 부착된 제2마커의 위치 및 크기로부터 상기 제3링크의 축방향 회전각도를 연산하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석시스템.
  12. 제11항의 분석시스템; 및
    상기 분석시스템의 분석수단에서 연산된 정보에 기초로 하여 구동부에서 필요한 구동력을 계산하고, 계산된 구동력으로 상기 구동부가 구동되도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 제어 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 분석수단에서 연산된 수술도구와 제3링크의 위치 및 구동관절의 각도를 기초로 시용자가 입력한 입력정보로 수술용 로봇의 구동관절의 각도 및 상기 수술로봇의 수술도구 위치가 변화되도록 상기 구동력을 계산하여 상기 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 제어 시스템.
  14. 제 9항의 분석시스템을 이용한 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석방법에 있어서,
    수술로봇의 외부로봇 일단 끝단부에 구비된 시각센서가 로봇팔의 영상을 촬영하는 단계;
    디스플레이부에서 촬영한 상기 영상을 디스플레이하는 단계; 및
    분석수단이 디스플레이된 상기 영상을 기초로 상기 로봇팔의 위치 및 방향을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석시스템을 이용한 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 촬영단계는,
    상기 시각센서가 상기 로봇팔의 끝단에 설치된 수술도구와 한 쌍의 제1마커와 제2마커가 부착된 제3링크 및 구동관절의 영상을 촬영하는 단계이고,
    상기 분석단계는,
    상기 분석수단이 상기 제3링크에 부착된 한 쌍의 제1마커의 크기와 상기 한 쌍의 제1마커 간의 거리로부터 상기 제3링크와 상기 시각센서와의 거리 및 상기 구동관절의 각도를 연산하고, 상기 제3링크에 부착된 제2마커의 위치 및 크기로부터 상기 제3링크의 축방향 회전각도를 연산하는 단계인 것을 특징으로 하는 분석시스템을 이용한 수술용 로봇의 위치 및 각도 분석방법.
  16. 제 12항의 제어시스템을 이용한 수술용 로봇의 제어방법에 있어서,
    수술로봇의 외부로봇 일단 끝단부에 구비된 시각센서가 로봇팔의 영상을 촬영하는 단계;
    디스플에이부에서 측정된 상기 영상을 디스플레이하는 단계;
    분석수단이 디스플레이된 상기 영상을 기초로 상기 로봇팔의 위치 및 방향을 분석하는 단계;
    사용자가 상기 분석수단에서 연산된 상기 로봇팔의 위치를 기초로 하여 제어부에 조작정보를 입력하는 단계;
    상기 제어부가 상기 조작정보에 기초하여 로봇팔의 변위값를 계산하고, 상기 변위값으로 상기 로봇팔을 구동시키기 위해 필요한 구동량을 계산하는 단계;
    상기 제어부가 상기 구동량에 기초하여 구동부를 제어하여 구동시키는 단계; 및
    상기 구동부가 구동되어 상기 로봇팔의 변위가 변경되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어시스템을 이용한 수술용 로봇의 제어방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 촬영단계는, 상기 시각센서가 상기 로봇팔의 끝단에 설치된 수술도구와 한 쌍의 제1마커와 제2마커가 부착된 제3링크 및 구동관절의 영상을 촬영하는 단계이고,
    상기 분석단계는, 상기 분석수단이 상기 제3링크에 부착된 한 쌍의 제1마커의 크기와 한 쌍의 상기 제1마커 간의 거리로부터 상기 제3링크와 상기 시각센서와의 거리 및 상기 구동관절의 각도를 연산하고, 상기 제3링크에 부착된 제2마커의 위치 및 크기로부터 상기 제3링크의 축방향 회전각도를 연산하는 단계이고,
    상기 입력단계에서 상기 조작정보는 상기 제3링크와 상기 시각센서와의 거리, 상기 구동관절의 각도 및 상기 제3링크의 축방향 회전각도를 기초로 하여 결정되며,
    상기 구동량 계산단계에서, 상기 제어부는 상기 조작정보에 기초하여 상기 구동관절의 각도 변화값과 상기 제3링크 및 수술도구의 변위값을 연산하여 상기 구동량을 계산하는 것을 특징으로 하는 제어시스템을 이용한 수술용 로봇의 제어방법.
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