KR20140008546A - 수술기구, 이를 구비한 수술 로봇 및 원격 조종 로봇 시스템 - Google Patents

수술기구, 이를 구비한 수술 로봇 및 원격 조종 로봇 시스템 Download PDF

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KR20140008546A
KR20140008546A KR1020120073343A KR20120073343A KR20140008546A KR 20140008546 A KR20140008546 A KR 20140008546A KR 1020120073343 A KR1020120073343 A KR 1020120073343A KR 20120073343 A KR20120073343 A KR 20120073343A KR 20140008546 A KR20140008546 A KR 20140008546A
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이형규
임수철
이보람
이현정
한승주
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Abstract

수술기구, 이를 구비한 수술 로봇 및 원격 조종 로봇 시스템을 제안한다.
복수의 감지파트의 아래에 하나씩의 대응하는 광섬유 브래그 격자들을 배치함으로써, 수술기구에 가해진 힘의 크기뿐만 아니라 힘의 분포를 측정할 수 있다. 이를 통해, 수술 로봇 또는 원격 조종 로봇 시스템은 보다 정교한 조작 및 촉진 기능을 제공할 수 있다.

Description

수술기구, 이를 구비한 수술 로봇 및 원격 조종 로봇 시스템 {Surgical Tool, Surgical Robot having the same and Remote Control Robot System}
아래의 실시예들은 수술기구, 이를 구비한 수술 로봇 및 원격 조종 로봇 시스템에 관한 것이다.
의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 수술기구를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다.
최소 침습 수술(MIS)은 환자에게 가해지는 부담을 최소화하기 위한 외과 수술의 일종이며, 피부를 절개하는 대신 작은 삽입공을 천공하고, 이를 통해 내시경, 복강경, 미세수술용 현미경 등의 수술기구를 삽입하여 체내에서 수술이 이루어지도록 하는 수술의 일종이다.
이러한 최소 침습 수술은 의사에 의해 수동으로 진행될 수도 있으니, 시술자가 직접 기구를 조작하는 대신 수술 로봇을 통해서 기구를 정교하게 조작하여 수술을 수행할 수도 있다. 수술 로봇은 조작자인 의사의 움직임이 수술기구에 전달되는 정도를 조절할 수 있으며 의사의 손 떨림은 중간에 차단될 수 있어, 수술도구의 미세하고 정확한 조종이 필요한 수술에 이용된다.
일 실시예에 따른 수술기구는 수술 부위로 안내되는 지지부재, 지지부재 상에 구비되고 전면이 수술 부위 또는 수술도구와 접촉하는 복수의 감지파트 및 지지부재와 감지파트 사이에 배치되어 각각의 감지파트로 전달되는 힘을 측정하는 감지센서를 포함한다.
상기 감지센서는 감지파트의 후면을 따라 배열된 광섬유를 구비할 할 수 있고, 상기 광섬유는 지지부재에 형성된 홈 내에 배치될 수 있다.
각각의 감지파트 하면에 위치한 광섬유에는 광섬유 브래그 격자(FBG; Fiber Bragg Grating)가 구비될 수 있고, 상기 광섬유 브래그 격자는 상기 감지파트로부터 전달되는 힘에 의해 길이방향으로 인장력을 받아 감지파트에 가해진 힘을 측정할 수 있다.
감지파트들은 서로 독립적으로 상하로 움직이도록 분리되어 있고, 생체적합성 탄성물질이 각각의 감지파트들 사이에 구비되거나 감지파트와 지지부재 사이에 구비될 수 있다.
감지파트의 후면에는 볼록한 돌출부가 형성될 수 있고, 지지부재에는 상기 돌출부와 대응하는 형상의 오목한 홈부가 형성될 수 있다. 감지센서는 감지파트의 후면을 따라 배열된 광섬유를 구비하고, 상기 돌출부의 하면 중앙에 위치한 광섬유에는 광섬유 브래그 격자가 구비될 수 있으며, 상기 광섬유 브래그 격자는 상기 감지파트로부터 전달되는 힘에 의해 길이방향으로 인장력을 받아 각각의 감지부재에 가해진 힘을 측정할 수 있다. 이러한 광섬유 브래그 격자는 각각의 감지파트 후면마다 하나씩 구비될 수 있으며, 상기 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장 변화를 측정하여 각각의 감지파트에 가해진 힘의 크기 또는 힘의 분포를 측정할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 수술 로봇은, 조종기가 구비된 마스터 입력부, 상기 마스터 입력부의 조종에 의해 동작하는 로봇 암 및 상기 로봇 암의 선단에 연결된 적어도 하나의 그래스퍼(grasper)를 포함하는 수술기구를 포함한다. 관절을 중심으로 개폐 가능한 한 쌍의 파지부를 구비하는 그래스퍼에는, 상기 파지부에 구비된 지지부재, 상기 지지부재 상에 구비되고 전면이 수술 부위 또는 수술도구와 접촉하는 감지부재 및 상기 지지부재와 감지부재 사이에 배치되어 상기 감지부재로 전달되는 힘을 측정하는 광섬유를 포함하고, 상기 감지부재의 하면에 위치한 광섬유에는 복수의 광섬유 브래그 격자들이 구비되어, 상기 감지부재로 전달되는 힘에 의해 상기 힘에 의해 상기 광섬유 브래그 격자가 길이방향으로 인장력을 받아 상기 감지부재에 가해진 힘을 측정할 수 있다.
감지부재는 복수의 감지파트들로 구획되고, 상기 감지파트들 각각은 서로에 대해서 독립적으로 상하방향으로 움직일 수 있도록 분리될 수 있다.
감지파트들은 평행한 열을 따라 배치되고, 상기 광섬유 브래그 격자가 상기 각각의 감지파트들의 후면에 위치하도록 복수의 광섬유 또한 평행하게 배치될 수 있다.
또는, 감지파트들은 평행한 열을 따라 배치되고, 상기 광섬유 브래그 격자가 상기 각각의 감지파트 후면에 위치하도록 단일의 광섬유가 지그재그 형상으로 배치될 수 있다.
상기 감지부재의 후면에는 볼록한 돌출부가 형성되고, 지지부재에는 상기 돌출부와 대응하는 형상의 오목한 홈부가 형성될 수 있으며, 광섬유 브래그 격자가 이러한 돌출부의 중앙에 위치되도록 배열될 수 있다.
마스터 입력부에는 디스플레이가 구비될 수 있으며, 상기 디스플레이에는 복수의 광섬유 브래그 격자들에 의해 측정된 힘의 분포 또는 힘의 크기가 시각적으로 표시될 수 있다.
또한, 복수의 광섬유 브래그 격자들에 의해 측정된 힘은 마스터 입력부의 조종기를 통해 전달되어 시술자에게 적절한 피드백을 줄 수 있다.
그리고, 일 실시예에 따른 원격 조종 로봇 시스템은, 조종기가 구비된 마스터 입력부 및 마스터 입력부의 원격 조종에 의해 동작하는 슬레이브 로봇을 포함하고, 슬레이브 로봇은 선단에 파지부를 구비한 로봇 암을 포함하고, 상기 파지부는 로봇 암의 선단에 연결된 지지부재, 상기 지지부재 상에 구비되고 파지되는 대상물과 접촉하는 복수의 구획된 감지파트들 및 각각의 감지파트 후면마다 하나의 광섬유 브래그 격자가 배치되도록 지지부재와 감지파트 사이에 배치된 광섬유를 포함하고, 각각의 광섬유 브래그 격자에서 측정된 반사되는 빛의 파장 신호들은 마스터 입력부에 전달되어, 상기 파장의 변화들로 각각의 감지파트에 가해진 힘의 크기 또는 힘의 분포를 측정할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 수술기구의 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 수술기구의 개폐동작을 도시한 측면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 수술기구의 측면 구성도이다.
도 4는 도 3의 A 부분의 확대도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 수술기구의 평면 구성도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 수술기구의 지지부재의 모습이다.
도 7은 일 실시예에 따른 수술기구의 감지파트의 모습이다.
도 8은 일 실시예에 따른 수술기구의 지지부재의 다른 모습이다.
도 9는 일 실시에에 따른 수술 로봇을 도시한다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 사용되는 용어(terminology)들은 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 해당 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 용어들에 대한 정의는 실시예 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
일 실시예에 따른 수술기구는 지지부재, 복수의 감지파트 및 상기 감지파트로 전달되는 감지센서를 포함할 수 있다.
상기 수술기구는 원격 조종을 통해 구동되는 로봇 암의 선단에 부착될 수 있어, 침습 수술 등에 이용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 수술기구(100)의 사시도이고, 도 2는 이러한 수술기구(100)의 개폐동작을 나타내는 측면도이다.
수술기구(100)는 용도에 따라 다양한 모양의 도구가 관절을 중심으로 다 자유도를 가지고 움직이도록 구성될 수 있으며, 본 실시예에서는 많이 사용되는 도구의 하나인 그래스퍼(grasper)를 예로 들어 설명하도록 한다. 그래스퍼는 수술 도중 조직이나 실과 같은 수술도구 등을 잡기 위해 사용하는 도구이다.
도 1 및 2를 참조하여, 수술기구(100)는 파지부(110), 구동축(120), 구동축 부품(130), 관(140), 구동샤프트(150) 및 구동슬릿(160)을 포함한다.
본 실시예에 따른 파지부(110)는 구동축(120)을 중심으로 개폐동작이 가능한 구조이다. 즉, 한 쌍의 파지부(110)는 구동축(120)을 중심으로 여닫는 구조로 되어 있어 물체를 파지할 수 있다.
파지부(110)는 개폐동작에 의해 잡히는 조직 또는 수술도구와 같은 물체로부터 전달되는 힘의 분포 또는 힘의 크기를 측정할 수 있으며, 이에 대해서는 이후에 상세히 설명하도록 한다.
도 2(a)는 파지부(110)가 개방된 상태, 즉 열린 상태를 도시하고, 도 2(b)는 파지부(110)가 폐쇄된 상태, 즉 닫힌 상태를 도시한다.
도 2(a)에 도시된 바와 같이, 전방을 향하는 구동력(D)에 의해 구동샤프트(150)의 말단이 구동슬릿(160) 내에서 전진하게 되면, 파지부(110)는 구동축(120)을 중심으로 회전하여 개방될 수 있다.
이와 반대로, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 후방을 향하는 구동력(D)에 의해 구동샤프트(150)의 말단이 구동슬릿(160) 내에서 후퇴하게 되면, 파지부(110)는 구동축(120)을 중심으로 회전하여 폐쇄될 수 있다.
도 2에서는 전방 또는 후방으로 움직이는 구동샤프트(150)를 예로 들어 설명하였지만, 구동축을 중심으로 하는 도르레에 고정된 강선을 앞, 뒤로 당겨서 파지부(110)를 구동하는 방식도 가능하다.
파지부(110)의 이러한 개폐동작을 통해서 한 쌍의 파지부(110) 사이에 물체가 안정적으로 파지될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 수술기구(100)의 측면 구성도이고, 도 4는 도 3의 A부분의 확대도이며, 도 5는 일 실시예에 따른 수술기구(100)의 평면 구성도이다. 도 6 및 7은 이러한 수술기구(100)의 분해도를 도시한다.
도 3 내지 5를 참조하여, 수술기구(100)는 로봇 암의 선단에 연결되어 수술 부위로 안내되는 지지부재(111), 지지부재(111) 상에 구비되고 전면이 수술 부위 또는 수술도구와 접촉하는 복수의 감지파트(112) 및 지지부재(111)와 감지파트(112) 사이에 배치되어 각각의 감지파트(112)로 전달되는 힘을 측정하는 감지센서를 포함할 수 있다.
지지부재(111)의 일 측에는 구동축(120) 및 구동슬릿(160)이 형성될 수 있으며, 구동샤프트(150)의 전후 방향 움직임에 의해서 지지부재(111)는 구동축(120)을 중심으로 개폐동작을 수행할 수 있다.
복수의 감지파트(112)가 지지부재(111) 상에 배치될 수 있다. 즉, 감지파트(112)는 파지부(110)의 내측에 구비될 수 있으며, 한 쌍의 파지부(110)에 각각 구비되거나, 또는 한 쌍의 파지부(110) 중 어느 하나에 구비될 수 있다.
감지파트(112)는 복수 개로 구획된 지지부재(111)의 영역 상에 배치될 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 감지파트(1121), 제2 감지파트(1122) 및 제3 감지파트(1123)가 파지부(110)의 선단으로부터 나란히 배열될 수 있으며, 제4 감지파트(1124), 제5 감지파트(1125) 및 제6 감지파트(1126)는 제1 내지 제3 감지파트들(1121 내지 1123)과 평행하도록 파지부(110)의 선단으로부터 나란히 배열될 수 있다. 본 실시예에서는 여섯 개의 감지파트들(1121 내지 1126)을 예로 들어 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 일렬로 나란히 배열된 복수의 감지파트들의 배치, 세 열로 배열된 복수의 감지파트들의 배치 등이 가능할 것이다.
제1 내지 제6 감지파트들(1121 내지 1126)은 서로 독립적으로 분리되어, 이웃하는 감지파트들에 영향을 받지 않고 전면에 가해진 힘에 의해 상하방향으로 움직일 수 있다.
제1 내지 제6 감지파트들(1121 내지 1126) 사이에는 생체적합성 탄성물질(113)이 구비되어, 힘을 받았을 때 제1 내지 제6 감지파트들(1121 내지 1126)이 이웃하는 감지파트들에 간섭을 받지 않고 원활히 움직일 수 있도록 한다. 또한, 생체적합성 탄성물질(113)은 제1 내지 제6 감지파트들(1121 내지 1126)과 지지파트(111) 사이에도 개재될 수 있어서, 제1 내지 제6 감지파트들(1121 내지 1126)이 상하방향으로 원활히 움직일 수 있도록 한다.
생체적합성 탄성물질(113)은 실리콘 고무와 같은 생체적합성 고무재질로 이루어질 수 있다.
감지파트(112)의 후면에는 부드러운 곡선 형태의 볼록한 돌출부(1127)가 형성될 수 있고, 지지파트(111)에는 상기 돌출부(1127)와 대응하는 형상의 오목한 홈부(1112)가 형성될 수 있다. 즉, 돌출부(1127)는 제1 내지 제6 감지파트들(1121 내지 1126)의 후면에 각각 형성될 수 있으며, 각각의 감지파트들(1121 내지 1126)의 후면과 마주보는 지지부재(111)에는 각각의 돌출부(1127)와 짝이 맞도록 홈부(1112)가 오목하게 형성될 수 있다.
지지부재(111)에는 지지부재(111)의 길이방향을 따라 홈(1114)이 형성되어 있으며, 이러한 홈(1114)은 지지부재(111)가 감지파트(112)와 마주보는 면 상에 형성되어 있다.
홈(1114)은 제1 내지 제3 감지파트들(1121 내지 1123)의 중앙을 연결하는 선과 평행하게 지지부재(111) 상에 형성될 수 있고, 제4 내지 제6 감지파트들(1124 내지 1126)의 중앙을 연결하는 선과 평행하게 지지부재(111) 상에 형성될 수 있다.
감지센서는 감지파트(112)의 후면을 따라 배열된 광섬유(114)를 포함하고, 이러한 광섬유(114)는 홈(1114) 내에는 배치될 수 있다.
즉, 광섬유(114)는 제1 내지 제3 감지파트들(1121 내지 1123)의 중앙을 연결하는 선과 평행하게 배치될 수 있고, 제4 내지 제6 감지파트들(1124 내지 1126)의 중앙을 연결하는 선과 평행하게 배치될 수 있다.
이러한 광섬유(114)는 지지부재(111)와 감지파트(112) 사이에 개재되므로, 제1 내지 제6 감지파트(1121 내지 1126)에 전달되는 각각의 힘을 측정할 수 있다.
도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 광섬유(114)에는 광섬유 브래그 격자(1142; FBG; Fiber Bragg Grating)가 형성될 수 있다.
광섬유 브래그 격자(1142)는 광섬유에 특정 파장을 반사시키는 브래그 격자를 생성시켜 인장-압축 또는 온도변화에 따라서 반사되는 파장의 변화를 계측하여 물리변화를 측정할 수 있다. 일반적으로 광섬유 코어에는 클래딩보다 굴절률을 높이기 위하여 보통 게르마늄(Ge) 물질이 첨가되는데, 이 물질이 실리카 유리에 안착하는 과정에서 구조 결함(defect)이 생길 수 있다. 이 경우 광섬유 코어에 강한 자외선을 조사하면, 게르마늄의 결합구조가 변형되면서 광섬유의 굴절률이 변화된다. 광섬유 브래그 격자는 이러한 현상을 이용하여 광섬유 코어의 굴절률을 주기적으로 변화시킨 것을 말한다. 이 격자는 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과 시키는 특징을 갖는다. 격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화된다. 따라서 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압력, 구부림 등을 감지할 수 있다.
제1 내지 제6 감지파트(1121 내지 1126)의 아래에 위치한 광섬유(114)에 광섬유 브래그 격자(1142)들이 각각 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 내지 제6 감지파트(1121 내지 1126)의 후면에 형성된 돌출부(1127)의 바로 아래의, 돌출부(1127)와 홈부(1112) 사이의 공간에 배치될 수 있다.
광섬유(114)에 형성된 광섬유 브래그 격자들(1142)이 제1 내지 제6 감지파트(1121 내지 1126)의 바로 아래에 배치되어 제1 내지 제6 감지파트(1121 내지 1126)에 가해지는 수직력(F)에 의해 인장력(T)을 받게 된다.
특히 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제6 감지파트(1121 내지 1126)가 수직력(F)을 받으면 생체적합성 탄성물질(113)을 압축시켜 광섬유 브래그 격자(1142)에 힘을 가한다. 이 때, 제1 내지 제6 감지파트(1121 내지 1126) 각각의 돌출부(1127)와 지지부재(111)의 홈부(1112)의 모양에 의해 광섬유 브래그 격자(1142)의 가운데와 가장자리에 가해지는 스트레스가 달라지게 된다. 이에 따라 광섬유 브래그 격자(1142)는 길이방향으로 인장력(T)을 받게 되어, 광섬유 브래그 격자(1142)에서 반사되는 빛의 파장이 달라진다.
광섬유 브래그 격자(1142)에서 반사되는 이러한 빛의 파장 변화를 읽음으로써 제1 내지 제6 감지파트(1121 내지 1126) 각각에 가해진 수직력(F)을 계산할 수 있다. 제1 내지 제6 감지파트(1121 내지 1126)마다 하나의 광섬유 브래그 격자(1142)가 형성되므로, 감지파트(112)의 개수만큼의 수직력(F)의 크기 및 분포 측정이 가능하다.
도 6은 일 실시예에 따른 지지부재(111)의 평면도이고, 도 7은 일 실시예에 따른 감지파트들을 도시한다. 도 6 및 7에는 지지부재(111)와 감지파트(112)가 생체적합성 탄성물질(113)인 실리콘 고무로 접합되기 전의 모습이 도시되어 있다.
수술기구(110)의 제조 과정은 다음과 같다. 우선, 감지파트(112)는 돌출부(1127)가 위로 향하도록 배치된다. 지지부재(111)에는 힘의 감지를 위한 홈부(1112)와 광섬유(114) 설치를 위한 홈(1114)이 형성되어 있고, 상기 홈(1114)의 내부에 광섬유(114)가 고정되어 있다. 그리고, 각 홈부(1112)의 중앙에는 광섬유 브래그 격자(1142)가 배치될 수 있다.
특별하게 제작된 외부의 틀을 이용하여 지지부재(111)와 감지파트(112)를 일정 간격을 두고 고정한 후, 그 사이에 액상의 생체적합성 탄성물질(113), 즉 액상의 실리콘 고무를 주입한 후 경화시키면, 도 3 내지 5에 도시된 바와 같은 수술기구(110)가 제작될 수 있다.
도 6 및 7에 도시된 바와 같이, 수술기구(110)는 두 개의 광섬유(114)가 평행하게 배치되도록 형성될 수 있으며, 이 때 광섬유 브래그 격자(1142)는 광섬유(114)에 각각 세 개씩, 제1 내지 제6 감지파트(1121 내지 1126)에 형성된 돌출부(1127)의 아래에 놓이도록 형성될 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 지지부재(111)의 다른 모습을 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 연성을 가지는 단일의 광섬유(114)가 제1 내지 제6 감지파트(1121 내지 1126)의 아래를 지나도록 지그재그 형상으로 배치될 수 있다. 이 때, 지지부재(111)의 홈(1114)이 제1 내지 제6 감지파트(1121 내지 1126)의 아래를 지나도록 지그재그 형상으로 형성될 수 있다.
광섬유(114)가 지그재그 형상으로 배치될 경우, 제1 내지 제6 감지파트(1121 내지 1126)의 돌출부(1127) 아래에 광섬유 브래그 격자(1142)가 배치될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 수술 로봇의 구성도이다. 도 9에는 수술기구(100)가 부착된 슬레이브 로봇(10) 및 마스터 입력부(20)가 도시되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 수술 로봇은 조종기(300)의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터 입력부(20) 및 마스터 입력부(20)로부터 신호를 받아 환자 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브 로봇(10)을 포함한다. 마스터 입력부(20)와 슬레이브 로봇(10)은 통합되어 구성되거나, 각각 별도의 장치로 구성되어 수술실에 배치될 수 있다.
슬레이브 로봇(10)에는 수술을 위한 조작을 위해 로봇 암(arm)(200)이 구비되며, 로봇 암(200)의 선단에는 수술기구(100)가 장착될 수 있다.
마스터 입력부(20)에는 디스플레이(400)가 구비될 수 있으며, 시술자는 내시경 등에 의해 촬영된 수술 부위의 영상을 통해 수술 부위와 수술기구(100)의 동작을 확인하며 마스터 입력부(20)의 조종기(300)를 조작하여 수술을 진행할 수 있다.
수술기구(100)는 적어도 하나의 그래스퍼를 포함할 수 있으며, 상기 그래스퍼는 관절을 중심으로 개폐 가능한 한 쌍의 파지부(110)를 포함한다.
전술한 바와 같이, 상기 파지부(110)는 지지부재(111), 지지부재(111) 상에 구비되고 전면이 수술 부위 또는 수술도구와 접촉하는 복수의 감지부재(112), 생체적합성 탄성물질(113), 지지부재(111)와 감지부재(112) 사이에 배치되어 감지부재(112)로 전달되는 힘을 측정하는 광섬유(114)를 포함할 수 있고, 감지부재(112)의 하면에 위치한 광섬유(114)에는 복수의 광섬유 브래그 격자(1142)들이 형성될 수 있다.
즉, 감지부재(112)의 하면에는 부드러운 곡선 형태의 돌출부(1127)가 형성되어 있고, 상기 돌출부(1127)와 대응하도록 지지부재(111)에는 오목한 홈부(1112)가 형성되어 있으며, 돌출부(1127)의 중앙에 광섬유 브래그 격자(1142)를 위치시킬 수 있다.
감지부재(112)로부터 전달되는 힘에 의해 이러한 광섬유 브래그 격자(1142)가 길이방향으로 인장력을 받아 감지부재(112)에 가해진 힘을 측정할 수 있다. 또한, 복수의 감지부재(112) 각각마다 하나의 광섬유 브래그 격자(1142)가 아래에 배치되므로, 감지부재(112)의 개수만큼 힘의 분포를 측정할 수 있다.
마스터 입력부(20)의 디스플레이(400)에는 수술기구(100)가 수술 부위 또는 수술도구를 잡을 때 감지되는 힘의 분포 및 힘의 크기가 표시될 수 있다. 복수의 감지파트(112)에 힘이 전달되면, 각각의 광섬유 브래그 격자(1142)들은 대응하는 감지파트(112)가 받는 힘을 측정할 수 있으며, 이렇게 측정된 힘의 분포와 각 힘의 크기들은 디스플레이(400) 상에 시각적으로 표시될 수 있다.
시술자는 디스플레이(400)에 나타난 수술기구(100)에 가해진 힘의 분포와 수술기구(100)의 각 영역들에서의 힘의 분포를 바탕으로 보다 정교하게 조종기(300)를 조작하여 슬레이브 로봇(10)의 수술기구(100)를 작동시킬 수 있고, 정교한 수술을 수행할 수 있다.
또는, 수술기구(100)가 수술 부위 또는 수술도구를 잡을 때 감지되는 힘의 분포 및 힘의 크기가 마스터 입력부(20)의 조종기(300)에 직접 전달되도록 구성될 수 있다. 복수의 감지파트(112)에 힘이 전달되면, 각각의 광섬유 브래그 격자(1142)들은 대응하는 감지파트(112)가 받는 힘을 측정할 수 있으며, 이렇게 측정된 힘의 분포와 각 힘의 크기들은 조종기(300)를 통해 시술자의 손으로 전달될 수 있다.
시술자는 손에 전달된 수술기구(100)에 가해진 힘의 분포와 수술기구(100)의 각 영역들에서의 힘의 분포를 바탕으로 보다 정교하게 조종기(300)를 조작하여 슬레이브 로봇(10)의 수술기구(100)를 작동시킴으로써, 정교한 수술을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따른 수술 로봇에 의해 시술자와 환자 사이의 접촉감 부재가 해소될 수 있으며, 시술자들은 수술 로봇을 보다 빠르게 습득하여 수술 로봇을 이용하여 편안하고 안전한 수술을 수행할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 수술 로봇은 수술기구(100)가 사람의 손과 같이 정교하게 조작될 수 있도록 할 뿐만 아니라, 촉진 기능을 제공할 수도 있다.
또한, 일 실시예에 따른 원격 조종 로봇 시스템은 전술한 파지부를 포함할 수 있다. 구체적으로 원격 조종 로봇 시스템은 조종기가 구비된 마스터 입력부 및 마스터 입력부의 원격 조종에 의해 동작하는 슬레이브 로봇을 포함할 수 있고, 슬레이브 로봇은 선단에 파지부를 구비한 로봇 암을 구비할 수 있다.
파지부는 로봇 암의 선단에 연결된 지지부재, 지지부재 상에 구비되고 파지되는 대상물과 접촉하는 복수의 구획된 감지파트들 및 각각의 감지파트 후면마다 하나의 광섬유 브래그 격자가 배치되도록 지지부재와 감지파트 사이에 배치된 광섬유를 포함할 수 있다. 감지파트들이 자유롭게 움직일 수 있도록 감지파트들의 주변에는 생체적합성 탄성물질이 구비될 수 있다.
각각의 광섬유 브래그 격자에서 측정된 반사되는 빛의 파장 신호들은 원격 조종 로봇 시스템의 마스터 입력부에 전달되어, 상기 파장의 변화들로 각각의 감지파트들에 가해진 힘의 크기 및 힘의 분포를 측정할 수 있다.
원격 조종 로봇 시스템의 마스터 입력부에는 파지부에 감지된 힘의 분포 및 힘의 크기를 표시할 수 있는 디스플레이가 구비될 수 있다. 이러한 디스플레이에 표시된 시각적 정보를 통해서 원격 조종 로봇 시스템의 조작자는 보다 정교하게 슬레이브 로봇을 조작할 수 있다.
또는, 원격 조종 로봇 시스템의 마스터 입력부의 조종기에 파지부에 감지된 힘의 분포 및 힘의 크기가 전달될 수 있으며, 원격 조종 로봇 시스템의 조작자는 조종기를 통해 손에 전달된 파지부의 각 영역들에서의 힘의 분포 및 크기를 바탕으로 보다 정교하게 슬레이브 로봇을 조작할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
10: 슬레이브 로봇
20: 마스터 입력부
100: 수술기구
110: 파지부
111: 지지부재
1112: 홈부
1114: 홈
112: 감지파트
1127: 돌출부
113: 신체적합성 탄성물질
114: 광섬유
1142: 광섬유 브래그 격자
200: 로봇 암
300: 조종기
400: 디스플레이

Claims (15)

  1. 수술 부위로 안내되는 지지부재;
    상기 지지부재 상에 구비되고 전면이 수술 부위 또는 수술도구와 접촉하는 복수의 감지파트; 및
    상기 지지부재와 상기 감지파트 사이에 배치되어 각각의 감지파트로 전달되는 힘을 측정하는 감지센서;
    를 포함하는 수술기구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감지센서는 상기 감지파트의 후면을 따라 배열된 광섬유를 포함하고, 상기 광섬유는 상기 지지부재에 형성된 홈 내에 배치되는 수술기구.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 각각의 감지파트의 하면에 위치한 광섬유에는 광섬유 브래그 격자(FBG)가 구비되고, 상기 광섬유 브래그 격자는 상기 감지파트로부터 전달되는 힘에 의해 길이방향으로 인장력을 받아 상기 감지파트에 가해진 힘을 측정할 수 있는 수술기구.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 감지파트들 각각은 서로 독립적으로 상하로 움직이도록 분리되어 있고, 생체적합성 탄성물질이 각각의 감지파트들 사이에 구비되거나 상기 감지파트와 상기 지지부재 사이에 구비되는 수술기구.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 감지파트의 후면에는 볼록한 돌출부가 형성되어 있고, 상기 지지부재에는 상기 돌출부와 대응되는 형상의 오목한 홈부 형성된 수술기구.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 감지센서는 상기 감지파트의 후면을 따라 배열된 광섬유를 포함하고, 상기 돌출부의 하면 중앙에 위치한 광섬유에는 광섬유 브래그 격자(FBG)가 구비되며, 상기 광섬유 브래그 격자는 상기 감지파트로부터 전달되는 힘에 의해 길이방향으로 인장력을 받아 상기 감지부재에 가해진 힘을 측정할 수 있는 수술기구.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 각각의 감지파트 후면마다 하나의 광섬유 브래그 격자가 구비되며, 상기 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장 변화를 측정하여 상기 감지파트에 가해진 힘의 크기 또는 힘의 분포를 측정할 수 있는 수술기구.
  8. 조종기가 구비된 마스터 입력부;
    상기 마스터 입력부의 조종에 의해 동작하는 로봇 암; 및
    상기 로봇 암의 선단에 연결된 적어도 하나의 그래스퍼를 포함하는 수술기구를 포함하고,
    관절을 중심으로 개폐 가능한 한 쌍의 파지부를 구비하는 상기 그래스퍼는,
    상기 파지부에 포함된 지지부재;
    상기 지지부재 상에 구비되고 전면이 수술 부위 또는 수술도구와 접촉하는 감지부재; 및
    상기 지지부재와 상기 감지부재 사이에 배치되어 상기 감지부재로 전달되는 힘을 측정하는 광섬유;
    를 포함하고, 상기 감지부재의 하면에 위치한 광섬유에는 복수의 광섬유 브래그 격자들이 형성되어, 상기 감지부재로부터 전달되는 힘에 의해 상기 광섬유 브래그 격자가 길이방향으로 인장력을 받아 상기 감지부재에 가해진 힘을 측정할 수 있는 수술 로봇.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 감지부재는 복수의 감지파트들로 구획되고, 상기 감지파트들 각각은 서로에 대해서 독립적으로 상하방향으로 움직일 수 있도록 분리되어 있는 수술 로봇.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 감지파트들은 평행한 열을 따라 배치되고, 상기 광섬유 브래그 격자가 상기 각각의 감지파트들의 후면에 위치하도록 복수의 광섬유가 평행하게 배치되는 수술 로봇.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 감지파트들은 평행한 열을 따라 배치되고, 상기 광섬유 브래그 격자가 상기 각각의 감지파트 후면에 위치하도록 단일의 광섬유가 지그재그 형상으로 배치되는 수술 로봇.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 감지부재의 후면에는 볼록한 돌출부가 형성되고, 상기 지지부재에는 상기 돌출부와 대응되는 형상의 오목한 홈부가 형성되며, 상기 광섬유 브래그 격자가 상기 돌출부의 중앙에 위치되도록 배열된 수술 로봇.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 마스터 입력부에는 디스플레이가 구비되고, 상기 디스플레이에는 상기 복수의 광섬유 브래그 격자들에 의해 측정된 힘의 분포 또는 크기가 시각적으로 표시되는 수술 로봇.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 광섬유 브래그 격자들에 의해 측정된 힘은 상기 마스터 입력부의 조종기를 통해 전달될 수 있는 수술 로봇.
  15. 조종기가 구비된 마스터 입력부 및 상기 마스터 입력부의 원격 조종에 의해 동작하는 슬레이브 로봇을 포함하고, 상기 슬레이브 로봇은 선단에 파지부를 구비한 로봇 암을 구비하고, 상기 파지부는,
    상기 로봇 암의 선단에 연결된 지지부재;
    상기 지지부재 상에 구비되고, 파지되는 대상물과 접촉하는 복수의 구획된 감지파트들; 및
    상기 각각의 감지파트 후면마다 하나의 광섬유 브래그 격자가 배치되도록, 상기 지지부재와 상기 감지파트 사이에 배치된 광섬유;
    를 포함하고, 상기 각각의 광섬유 브래그 격자에서 측정된 반사되는 빛의 파장 신호들은 상기 마스터 입력부에 전달되어, 상기 파장의 변화들로 상기 각각의 감지파트들에 가해진 힘의 크기 또는 힘의 분포를 측정할 수 있는 원격 조종 로봇 시스템.
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