KR20200145377A - 슬레이브 장치 및 이를 제어하는 방법 - Google Patents

슬레이브 장치 및 이를 제어하는 방법 Download PDF

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KR20200145377A
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Abstract

일 실시 예에 따른 슬레이브 장치는, 하부 샤프트; 상기 하부 샤프트에 1자유도로 슬라이딩 가능하게 연결되는 상부 샤프트; 상기 하부 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 하부 그리퍼; 상기 상부 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 상부 그리퍼; 상기 하부 그리퍼를 이동 가능하게 지지하는 하부 델타 로봇; 및 상기 상부 그리퍼를 이동 가능하게 지지하는 상부 델타 로봇을 포함할 수 있다.

Description

슬레이브 장치 및 이를 제어하는 방법{SLAVE DEVICE AND METHOD FOR CONTROLIING THE SAME}
아래의 설명은 슬레이브 장치 및 이를 제어하는 방법에 관한 것이다.
마스터 장치 및 슬레이브 장치는 서로 전기적으로 신호를 주고 받는다. 사용자는 마스터 장치를 직접적으로 구동할 수 있고, 마스터 장치의 움직임에 기초하여 슬레이브 장치는 원격으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 마스터-슬레이브 장치는 미세한 작업을 요구하는 수술 현장에 사용된다.
일 실시 예의 목적은 슬레이브 장치 및 이를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 슬레이브 장치는, 하부 샤프트; 상기 하부 샤프트에 1자유도로 슬라이딩 가능하게 연결되는 상부 샤프트; 상기 하부 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 하부 그리퍼; 상기 상부 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 상부 그리퍼; 상기 하부 그리퍼를 이동 가능하게 지지하는 하부 델타 로봇; 및 상기 상부 그리퍼를 이동 가능하게 지지하는 상부 델타 로봇을 포함할 수 있다.
상기 하부 샤프트의 축 방향으로의 상기 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼 사이의 거리 변화와 무관하게, 상기 하부 샤프트는 상기 하부 그리퍼에 대한 상대적인 위치를 유지할 수 있다.
상기 하부 샤프트 및 상부 샤프트 각각은 상기 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼에 2자유도 회전 가능하게 지지될 수 있다.
상기 하부 델타 로봇 및 상부 델타 로봇은, 각각, 3개의 지지 로드; 상기 지지 로드의 길이 방향을 따라 이동하는 3개의 이동부; 상기 이동부와 그리퍼 사이를 연결하는 3개의 암을 포함할 수 있다.
상기 하부 델타 로봇 및 상부 델타 로봇은, 각각, 상기 3개의 지지 로드와 평행하게 배치되고, 상기 이동부의 이동을 가이드하는 3개의 가이드 로드를 더 포함할 수 있다.
상기 하부 델타 로봇의 3개의 지지 로드와, 상기 상부 델타 로봇의 3개의 지지 로드는 서로 나란할 수 있다.
상기 하부 델타 로봇의 3개의 지지 로드와, 상기 상부 델타 로봇의 3개의 지지 로드는 서로 이격될 수 있다.
상기 슬레이브 장치는, 상기 하부 샤프트보다 얇은 두께를 갖는 수술 팁과, 상기 하부 샤프트의 하단에 배치되고 상기 수술 팁을 회전시키는 회전 모듈을 포함하는 수술 도구를 더 포함할 수 있다.
상기 하부 샤프트의 축 방향으로 상기 수술 도구가 상기 하부 그리퍼로부터 이격된 위치를 유지한 상태로, 상기 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼 사이의 거리는 조절될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 하부 샤프트와, 상기 하부 샤프트에 1자유도로 슬라이딩 가능하게 연결되는 상부 샤프트와, 상기 하부 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 하부 그리퍼와, 상기 상부 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 상부 그리퍼와, 상기 하부 샤프트의 하단에 구비되는 수술 도구를 포함하는 슬레이브 장치를 제어하는 방법은, 수술 도구의 원격 회전 중심을 결정하는 단계; 상기 수술 도구의 끝단의 목표 지점을 수신하는 단계; 상기 원격 회전 중심과 상기 수술 도구의 끝단의 목표 지점에 기초하여, 상기 수술 도구의 끝단을 목표 지점에 위치시키기 위한 상기 하부 그리퍼의 도달 지점을 결정하는 단계; 상기 원격 회전 중심과 상기 하부 그리퍼의 도달 지점에 기초하여, 상기 상부 그리퍼의 도달 지점을 결정하는 단계; 및 상기 수술 도구의 적어도 일 지점이 상기 원격 회전 중심을 지나도록 설정한 상태로, 상기 하부 그리퍼를 상기 하부 그리퍼의 도달 지점으로 이동시키고, 상기 상부 그리퍼를 상기 상부 그리퍼의 도달 지점으로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 슬레이브 장치를 제어하는 방법은, 상기 수술 도구의 끝단이 상기 목표 지점에 도달 가능한지 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 슬레이브 장치를 제어하는 방법은, 수술 작업 대상체의 크기에 기초하여 상기 수술 도구의 끝단이 상기 목표 지점에 도달 가능한지 여부를 판단할 수 있다.
상기 슬레이브 장치를 제어하는 방법은, 상기 수술 도구의 끝단이 상기 목표 지점에 도달 불가능한 것으로 판단될 경우, 상기 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼 사이의 거리가 최소인 상태를 기준으로 상기 목표 지점에 가장 근접한 위치를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 상부 그리퍼의 도달 지점을 결정하는 단계에서, 상기 상부 그리퍼의 도달 지점은 상기 원격 회전 중심과 상기 하부 그리퍼의 도달 지점을 지나는 가상의 연장선 상에서 결정될 수 있다.
상기 상부 그리퍼의 도달 지점을 결정하는 단계에서, 상기 상부 그리퍼의 이동 가능 영역 중 상기 하부 그리퍼로부터 이격된 거리가 가장 큰 지점을 상기 상부 그리퍼의 도달 지점으로 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따른 슬레이브 장치는, 2개의 3점 지지 방식의 델타 로봇을 병렬로 배치하면서도, 수술 도구의 위치를 변화시키지 않고도 필요에 따라서, 상하부 델타 로봇 사이의 거리를 조절하여 정밀도를 향상시키거나, 작업 영역을 확대시킬 수 있다.
일 실시 예에 따른 슬레이브 장치는, 마스터 장치로부터 수집된 수술 도구 단부의 희망 위치를 전달받아, 원격 회전 중심을 유지한 상태로 수술 도구를 구동시킴으로써, 원격 회전 중심을 고려할 필요없이 마스터를 직관적이고 편하게 조작할 수 있는 슬레이브 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 슬레이브 장치 제어 방법은, 마스터 장치로부터 수신된 이동 신호에 기초하여, 슬레이브 장치를 원격 회전 중심으로 구동하되, 슬레이브 장치의 정확도를 향상시키기 위해 상하부 델타 로봇 각각의 그리퍼 사이의 거리를 최대한 크게 설정할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일 실시 예에 따른 안구 수술 시스템을 도시하는 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치 및 현미경을 도시하는 사시도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치의 내부 구조를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 수술 도구를 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 하부 샤프트 및 수술 도구를 개략적으로 도시하는 정면도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼에 이동과 그에 따른 하부 샤프트 및 상부 샤프트의 이동의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼가 상대적으로 가까이 위치할 때, 하부 샤프트 및 상부 샤프트가 회전하는 모습을 개략적으로 도시하는 정면도이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼가 상대적으로 멀리 위치할 때, 하부 샤프트 및 상부 샤프트가 회전하는 모습을 개략적으로 도시하는 정면도이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치의 블록도이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치의 사시도이다.
도 11은 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치를 제어하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 12 및 도 13은 제 1 및 제 2 슬레이브 장치의 구동에 따라 안구가 회전하고, 안구의 회전에 따라 현미경이 이동하는 모습을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 14는 일 실시 예에 따른 안구 수술 장치를 제어하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 15 내지 도 17은 안구 수술 장치에 의해 안구가 회전하는 모습을 도시하는 평면도이다.
도 18은 일 실시 예에 따른 제 1 및 제 2 수술 도구 각각의 목표 회전 중심을 계산하는 단계를 나타내는 순서도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 안구 수술 시스템을 도시하는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 안구 수술 시스템(100)은 사용자(U)가 환자의 안구를 관찰 또는 수술하는데 사용될 수 있다. 안구 수술 시스템(100)은 마스터 장치(1), 슬레이브 장치(2, 2'), 현미경(3), 지지부(6) 및 디스플레이(8)를 포함할 수 있다.
마스터 장치(1)는 사용자(U)의 조작에 따라 슬레이브 장치(2, 2')를 이동시키기 위한 신호를 생성할 수 있다.
슬레이브 장치(2, 2')는 환자의 안구의 제 1 부분을 통과하여 안구의 내부를 관찰 또는 수술하는 제 1 슬레이브 장치(2)와, 안구의 제 2 부분을 통과하여 안구의 내부를 관찰 또는 수술하는 제 2 슬레이브 장치(2')를 포함할 수 있다. 예를 들어, 안구의 제 1 부분 및 제 2 부분은 안구의 동공을 중심으로 서로 반대편에 위치한 부분일 수 있다.
현미경(3)은 안구의 동공을 통해 안구를 관찰할 수 있다.
지지부(6)는 슬레이브 장치(2, 2')와 현미경(3)을 지지할 수 있다.
디스플레이(8)는 현미경(3)에 의해 관찰되는 이미지를 표시하여, 사용자(U)에게 실시간으로 제공할 수 있다.
도 2는 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치 및 현미경을 도시하는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 제 1 슬레이브 장치(2) 및 제 2 슬레이브 장치(2')는 지지부(6)의 하부에 연결될 수 있다. 현미경(3)은 지지부(6)의 상부에 연결될 수 있다. 지지부(6)는 제 1 슬레이브 장치(2)를 지지하는 제 1 지지 프레임(61)과, 제 2 슬레이브 장치(2')를 지지하는 제 2 지지 프레임(62)과, 현미경(3)을 지지하는 지지 베이스(63)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 지지 베이스(63)는 상대적으로 회전 가능하게 힌지 연결되고, 직렬로 구비되는 복수 개의 링크 구조를 가질 수 있다.
제 1 지지 프레임(61) 및 제 2 지지 프레임(62)은 현미경(3)의 하측에 관통 형성되는 홀을 구비할 수 있고, 현미경(3)은 상기 홀을 통해 환자의 안구를 관찰할 수 있다. 현미경(3)은 지지부(6) 상에 이동 가능하게 장착될 수 있다. 예를 들어, 현미경(3)은 렌즈의 각도를 유지한 상태로 제 1 지지 프레임(61) 및 제 2 지지 프레임(62) 상에서 이동 가능하다. 현미경(3)은 평면 상에서 이동 가능하다. 예를 들어, 현미경은 제 1 지지 프레임(61)과 나란한 제 1 경로(P1)와, 제 1 경로(P1)에 수직한 제 2 경로(P2)를 따라 이동 가능하다(도 13 12 및 도 14 13 참조). 예를 들어, 제 1 지지 프레임(61), 제 2 지지 프레임(62) 및 지지 베이스(63) 중 적어도 하나 이상은 현미경(3)을 수용하고, 현미경(3)의 이동 가능한 공간을 마련하기 위한 공간을 구비할 수 있다. 예를 들어, 지지부(6)는 현미경(3)을 제 1 경로를 따라 이동시키기 위한 제 1 선형 액츄에이터(미도시)와, 현미경(3)을 제 2 경로를 따라 이동시키기 위한 제 2 선형 액츄에이터(미도시)를 포함할 수 있다.
제 1 슬레이브 장치(2)는 제 1 수술 도구(250)를 포함하고, 제 2 슬레이브 장치(2')는 제 2 수술 도구(250')를 포함한다. 제 1 수술 도구(250)는 회전 모듈(251)과, 환자의 안구에 삽입되고 회전 모듈(251)에 의해 회전되는 수술 팁(252)을 포함할 수 있다. 제 2 수술 도구(250')는 회전 모듈(251')과, 환자의 안구에 삽입되고 회전 모듈(251')에 의해 회전되는 수술 팁(252')을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 수술 도구(250) 및 제 2 수술 도구(250') 중 어느 하나의 수술 도구만 안구에 삽입되어, 관찰 또는 수술을 수행할 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치의 내부 구조를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 슬레이브 장치는, 하부 델타 로봇(210), 상부 델타 로봇(220), 하부 샤프트(231), 상부 샤프트(232), 하부 그리퍼(241), 상부 그리퍼(242), 수술 도구(250), 하단 프레임(280) 및 상단 프레임(290)을 포함할 수 있다.
하부 델타 로봇(210)은 하부 그리퍼(241)를 이동 가능하게 지지할 수 있다. 상부 델타 로봇(220)은 상부 그리퍼(242)를 이동 가능하게 지지할 수 있다. 하부 델타 로봇(210) 및 상부 델타 로봇(220)은, 각각, 3개의 지지 로드(211, 221)와, 지지 로드(211, 221)의 길이 방향을 따라 이동하는 3개의 이동부(212, 222)와, 이동부(212, 222)와 그리퍼(241, 242)를 연결하는 3개의 암(213, 223)과, 3개의 이동부(212, 222)를 이동시키기 위한 동력을 제공하는 구동원(214, 224)를 포함할 수 있다. 하부 델타 로봇(210) 및 상부 델타 로봇(220)은 리니어 액츄에이터 방식으로 구동되고, 진동 및 백래쉬(backlash)가 적은 정밀 움직임이 가능하다. 3개의 지지 로드(211, 221)은 하단 프레임(280) 및 상단 프레임(290) 사이에 배치될 수 있다.
각각의 암(213, 223)과 대응하는 이동부(212, 222)는 서로에 대하여 상대적으로 회전 가능하게 연결될 수 있고, 각각의 암(213, 223)과 대응하는 그리퍼(241, 242)는 서로에 대하여 상대적으로 회전 가능하게 연결될 수 있다.
하부 델타 로봇(210)의 지지 로드(211)는, 상부 델타 로봇(220)의 지지 로드(221)와 서로 나란할 수 있다. 예를 들어, 하부 델타 로봇(210)의 지지 로드(211) 및 상부 델타 로봇(220)의 지지 로드(221)는 각각 어느 하나의 지지 로드의 하부 부분 및 상부 부분일 수 있다. 다시 말하면, 하부 델타 로봇(210)의 지지 로드(211) 및 상부 델타 로봇(220)의 지지 로드(221)는 경계 없이 서로 접합하고 있을 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 3개의 지지 로드만으로 6개의 이동부를 가이드할 수 있으므로, 구조를 간단하게 설계할 수 있다. 한편, 하부 델타 로봇(210)의 지지 로드(211)는 상부 델타 로봇(220)의 지지 로드(221)와 서로 이격될 수도 있다(도 10 참조).
하부 샤프트(231)는 하부 델타 로봇(210)에 의해 구동될 수 있다. 하부 샤프트(231)는 하부 그리퍼(241)에 대해 2자유도 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 하부 샤프트(231)는 하부 그리퍼(241)에 2자유도 회전 가능하게 연결되기 위한 조인트, 예를 들어 볼 조인트 또는 유니버셜 조인트를 포함할 수 있다. 하부 샤프트(231)는 조인트가 배치된 지점에서 하부 그리퍼(241)에 고정될 수 있다. 하부 샤프트(231)의 일 지점은 하부 그리퍼(241)에 고정될 수 있다. 이하, 하부 그리퍼(241) 중 하부 샤프트(231)를 고정하는 지점을 하부 그리퍼(241)의 중심점이라고 지칭할 수 있다.
상부 샤프트(232)는 상부 델타 로봇(220)에 의해 구동될 수 있다. 상부 샤프트(232)는 상부 그리퍼(242)에 대해 2자유도 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 상부 샤프트(232)는 상부 그리퍼(242)에 2자유도 회전 가능하게 연결되기 위한 조인트, 예를 들어 볼 조인트 또는 유니버셜 조인트를 포함할 수 있다. 상부 샤프트(232)는 조인트가 배치된 지점에서 상부 그리퍼(242)에 고정될 수 있다. 상부 샤프트(232)의 일 지점은 상부 그리퍼(242)에 고정될 수 있다. 이하, 상부 그리퍼(242) 중 상부 샤프트(232)를 고정하는 지점을 상부 그리퍼(242)의 중심점이라고 지칭할 수 있다.
하부 샤프트(231) 및 상부 샤프트(232)는 상대적으로 슬라이딩 가능하다. 예를 들어, 하부 델타 로봇(210) 및/또는 상부 델타 로봇(220)이 하부 그리퍼(241) 및/또는 상부 그리퍼(242)의 위치를 변경하도록 구동하는 동안, 하부 샤프트(231) 및 상부 샤프트(232)는 1자유도로 슬라이딩 가능하다. 하부 샤프트(231)는 하부 그리퍼(241)에 대해 2자유도 회전 가능하며, 하부 샤프트(231)의 회전은 하부 샤프트(231)의 축 방향으로의 하부 그리퍼(241) 및 상부 그리퍼(242) 사이의 거리 변화와 무관하다. 이와 같은 구조에 따라, 슬레이브 장치는 하부 샤프트(231)를 고정시킨 상태로 상부 샤프트(232)만을 이동시킬 수 있다.
예를 들어, 하부 샤프트(231) 및 상부 샤프트(232) 중 어느 하나의 샤프트는 중공부를 포함할 수 있고, 다른 하나의 샤프트는 상기 중공부에 삽입된 상태로 슬라이딩 가능한 슬라이더를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3에서와 같이, 하부 샤프트(231)는 상부 샤프트(232)의 적어도 일부를 수용하는 중공부를 포함하고, 상부 샤프트(232)는 하부 샤프트(231)의 중공부에 삽입된 상태로 슬라이딩 가능한 슬라이더를 포함할 수 있다. 예를 들어 슬라이더는 하부 샤프트(231)의 내벽에 면접촉한 상태로 1자유도로 슬라이딩 가능하다.
하부 그리퍼(241)는 하부 샤프트(231)를 회전 가능하게 지지할 수 있다. 하부 그리퍼(241)는 하부 델타 로봇(210)의 3개의 암(213)에 의해 지지되고, 3개의 이동부(212)의 이동에 기초하여 위치가 변경될 수 있다.
상부 그리퍼(242)는 상부 샤프트(232)를 회전 가능하게 지지할 수 있다. 상부 그리퍼(242)는 상부 델타 로봇(220)의 3개의 암(223)에 의해 지지되고, 3개의 이동부(222)의 이동에 기초하여 위치가 변경될 수 있다.
하부 그리퍼(241) 및 상부 그리퍼(242)는, 하부 샤프트(231)의 축 방향(길이 방향)으로 수술 도구(250)가 하부 그리퍼(241)의 중심점으로부터 이격된 위치를 유지한 상태로, 하부 그리퍼(241) 및 상부 그리퍼(242) 사이의 거리는 조절될 수 있다. 이 경우, 하부 그리퍼(241)는 고정되며, 상부 그리퍼(242)는 하부 샤프트(231)의 길이 방향과 나란한 경로를 따라 이동한다.
수술 도구(250)는 회전 모듈(251) 및 수술 팁(252)을 포함할 수 있다. 수술 팁(252)은 길이 방향 부재일 수 있다. 예를 들어, 수술 팁(252)은 하부 샤프트(231) 및 상부 샤프트(232)와 나란할 수 있다. 예를 들어, 수술 팁(252)의 중심 축은 하부 샤프트(231) 및 상부 샤프트(232) 각각의 중심축을 통과할 수 있다. 수술 팁(252)은 하부 샤프트(231)보다 얇은 두께를 가지며, 안구의 표면을 관통하여 안구 내부로 삽입될 수 있다. 회전 모듈(251)은 하부 샤프트(231)에 장착되고 수술 팁(252)을 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 수술 팁(252)은 하부 샤프트(231)의 길이 방향 축과 나란한 또는 평행한 축을 중심으로 회전할 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 수술 도구를 개략적으로 도시하는 평면도이고, 도 5는 일 실시 예에 따른 하부 샤프트 및 수술 도구를 개략적으로 도시하는 정면도이다. 도 4는 도 5에서 간략하게 도시된 회전 모듈(251)의 내부 메커니즘을 도시하는 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 회전 모듈(251)은 하부 샤프트(231)의 하단에 설치될 수 있다. 이와 달리, 회전 모듈(251)은 하부 샤프트(231)의 다른 곳에도 설치될 수 있음은 물론이다.
회전 모듈(251)은, 본체(2511), 본체(2511)의 측부에 설치되는 제 1 기어(2512), 제 1 기어(2512)를 회전시키기 위한 기어축(2513), 및 제 1 기어(2512)와 맞물리는 제 2 기어(2514)를 포함할 수 있다. 수술 팁(252)은 제 2 기어(2514)의 회전에 따라 함께 회전될 수 있다. 예를 들어, 제 2 기어(2514)의 회전 축은 하부 샤프트(231)의 중심축과 평행하거나, 일치할 수 있다.
회전 모듈(251)에 설치되는 구동원은 먼저 기어축(2513)을 회전시키고, 이에 따라 제 1 기어(2512)는 제 2 기어(2514)를 회전시키고, 다음으로 수술 팁(252)이 회전하게 된다. 이를 통해 하부 샤프트(231)의 길이 방향을 기어축으로 하는 요(yaw) 회전이 달성될 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼에 이동과 그에 따른 하부 샤프트 및 상부 샤프트의 이동의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하여, 슬레이브 장치를 이루는 이중 델타 구조의 역기구학(Inverse Kinematics), 순기구학(Forward Kinematics) 및 자코비안에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 이중 델타 로봇은 x축, y축 및 z축 방향으로만 움직이는 2개의 델타 로봇(하부 델타 로봇 및 상부 델타 로봇)을 패시브 조인트로 연결하여 사용한다.
이중 델타 구조의 기구학에서 사용된 변수는 다음과 같이 정의된다.
Figure pat00001
Figure pat00002
는 상부 그리퍼의 수심이며, 상부 샤프트를 고정하는 지점을 의미한다. 상부 샤프트는 일 지점이 상부 그리퍼에 고정된 상태로 2자유도로 회전 가능하다. 여기서 상부 그리퍼의 수심이란, 상부 델타 로봇의 3개의 암이 상부 그리퍼에 연결된 지점(HA, HB, HC)의 수심을 의미한다. 본원에서,
Figure pat00003
는 상부 그리퍼의 중심점이라고도 지칭한다.
Figure pat00004
는 하부 그리퍼의 수심이며, 하부 샤프트를 고정하는 지점을 의미한다. 하부 샤프트는 일 지점이 하부 그리퍼에 고정된 상태로 2자유도 회전 가능하다. 여기서 하부 그리퍼의 수심이란, 하부 델타 로봇의 3개의 암이 하부 그리퍼에 연결된 지점(LA, LB, LC)의 수심을 의미한다. 하부 샤프트가 하부 그리퍼에 고정된 상태이므로,
Figure pat00005
로부터 수술 도구까지의 거리는 항상 일정할 수 있다. 본원에서,
Figure pat00006
는 하부 그리퍼의 중심점이라고도 지칭한다.
Figure pat00007
는 상부 델타 로봇의 암의 길이를 의미하고,
Figure pat00008
는 하부 델타 로봇의 암의 길이를 의미한다.
Figure pat00009
Figure pat00010
는 상부 및 하부 그리퍼 각각이 암과 연결된 포인트를 의미한다.
Figure pat00011
는 하단 프레임 중 3개의 지지 로드와 연결된 지점을 의미한다.
Figure pat00012
상부 및 하부 델타 구조의 이동부의 변위를 의미한다.
Figure pat00013
는 수술 도구의 끝점으로부터
Figure pat00014
까지의 거리를 의미한다.
Figure pat00015
는 수술 도구의 끝점으로부터
Figure pat00016
까지의 거리를 의미한다.
Figure pat00017
는
Figure pat00018
중 어느 2개 사이의 길이를 의미한다.
Figure pat00019
는 각각
Figure pat00020
중 어느 2개의 사이의 길이와,
Figure pat00021
중 어느 2개의 사이의 길이를 의미한다.
Figure pat00022
는
Figure pat00023
의 수심에서 모서리까지의 거리를 의미한다.
Figure pat00024
는 각각
Figure pat00025
중 어느 2개를 연결하는 선으로부터
Figure pat00026
까지의 거리와, 하부 그리퍼의
Figure pat00027
중 어느 2개를 연결하는 선으로부터
Figure pat00028
까지의 거리를 의미한다.
Figure pat00029
는
Figure pat00030
의 수심으로부터
Figure pat00031
중 어느 하나까지의 거리를 의미한다.
Figure pat00032
는 각각
Figure pat00033
로부터
Figure pat00034
중 어느 하나까지의 거리와,
Figure pat00035
로부터
Figure pat00036
중 어느 하나까지의 거리를 의미한다.
역기구학
마스터 장치로부터 수신되는 회전 정보를 기준으로, 구면 좌표계를 통해 하부 및 상부 그리퍼의 위치를 결정하고, 이를 통해 수술 도구의 변위를 구할 수 있다. 지렛대의 기구학과 델타 로봇의 기구학을 각각 계산한 뒤 결합하는 방법으로 전체 역기구학을 계산할 수 있다. 제안하는 구조의 특징인 하드웨어 스케일 조정을 위해 수술 도구의 끝점(수술 팁의 단부)와 상부 그리퍼 사이의 거리를 Len2라는 변수로 나타낸다.
첫번째 단계로, 지렛대의 기구학을 이용해 수술 도구의 끝점 위치로부터 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼의 중심 위치를 구한다. 여기서 수술 도구의 끝점의 위치와 기울기 값은 마스터 장치로부터 주어진다고 가정한다. Len2는 상수로 가정한다. 두번째 단계에서 이중 델타 구조의 기구학을 이용하여 하부 및 상부 그리퍼의 위치를 계산한다.
지렛대 구조의 기구학은 수술 도구의 끝점
Figure pat00037
과, 하부 그리퍼의 중심점
Figure pat00038
과, 상부 그리퍼의 중심점
Figure pat00039
사이의 관계를 보여준다. Len2는 수술 도구 끝점에서부터 상부 그리퍼의 중심점까지의 거리를 의미하고, 하드웨어 스케일을 조정하는 변수로 활용한다. ?낫? Pitch 축 방위각, Θ는 Roll 축 방위각을 의미한다.
구면 좌표계로 표현되는 방위각은 직교 좌표계에 의해 다음과 같은 형태로 표현된다.
Figure pat00040
지렛대의 원리를 이용하면 수술 도구 끝단의
Figure pat00041
과 수술 도구 끝단으로부터 하부 그리퍼 사이의 거리인
Figure pat00042
를 통해 하부 델타 로봇의 중심점을 구할 수 있다.
Figure pat00043
는 장착된 수술 도구의 길이에 의해 결정되는 거리이기 때문에 변하지 않는 상수 값이다. 같은 방법으로 수술 도구의 끝단으로부터 상부 그리퍼 사이의 길이인
Figure pat00044
를 통해 상부 그리퍼의 중심점을 구할 수 있다.
다음으로, 델타 로봇의 기구학을 통해 상부 및 하부 그리퍼 각각의 중심점과 prismatic joint와의 관계를 구하면 다음과 같다. 앞서 결정된 각 델타의 중심점은 6개의 prismatic joint의 값인
Figure pat00045
을 결정하게 된다. 상하부 그리퍼의 중심점과 prismatic joint와의 관계식은 아래와 같다.
Figure pat00046
결과적으로 이중 델타의 prismatic 관절이 가지는 값은 아래와 같다.
Figure pat00047
기구학적으로는 각 prismatic 관절은 2개의 해를 가질 수 있어 여러 조합이 발생할 수 있으나, 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치는 구조적 제약을 통해 positive의 해만 가질 수 있도록 설계하였다.
순기구학
먼저 상부 그리퍼의 중심점인
Figure pat00048
는 다음과 같이 구한다. 식(7)에서 식(8)을 뺌으로써 아래와 같은 식을 만들어낼 수 있다.
Figure pat00049
이를
Figure pat00050
에 관한 식으로 나타내는 다음과 같다.
Figure pat00051
식(7)에서 식(9)을 뺀 뒤 식(20)을 대입하여 아래와 같은 식을 만든다.
Figure pat00052
식(9)를
Figure pat00053
에 대한 식으로 표현하고 이를 근의 공식을 사용하여 해를 구한다.
Figure pat00054
식(23)을 식(20) 및 식(21)에 대입하면,
Figure pat00055
식 (23)-(25)에 따라 가능한 해는 부호에 따라 2개의 set으로 나타나게 된다. 역기구학에서 단일 해를 구하는 것과 같이 구조적 구속조건을 사용하여 순기구학에서도 양의 해만 가지도록 하였다. 동일한 방법을 하부 그리퍼에도 적용하면
Figure pat00056
의 값을 구할 수 있다. 상부 그리퍼의 위치 및 하부 그리퍼의 위치를 바탕으로 수술 도구 끝단의 좌표인
Figure pat00057
를 구하면 다음과 같다.
Figure pat00058
자코비안
이중 델타 구조의 자코비안을 구하기 위한 첫번째 단계로 지렛대 구조의 역기구학 관계식의 편미분을 수행한다. 상태 변수는 직교 좌표계를 기준으로 하는 수술 도구의 끝단의 속도 성분인
Figure pat00059
와 구면 좌표계를 기준으로 하는 속도성분인
Figure pat00060
을 조합하여 사용한다. 미분된 역기구학 구속 조건을 통해,
Figure pat00061
(
Figure pat00062
,
Figure pat00063
,
Figure pat00064
),
Figure pat00065
(
Figure pat00066
,
Figure pat00067
,
Figure pat00068
),
Figure pat00069
,
Figure pat00070
,
Figure pat00071
,
Figure pat00072
,
Figure pat00073
및
Figure pat00074
과의 관계를 아래와 같이 나타낸다.
Figure pat00075
이 관계를 행렬
Figure pat00076
로 표기하고 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00077
두번째 단계로 델타 구조의 역기구학 관계식의 편미분을 통해 앞서 계산된 상부 그리퍼 및 하부 그리퍼의 직교 좌표계에서의 속도와 prismatic joint들의 속도의 관계를 알 수 있다.
Figure pat00078
의 구속조건식을 통한
Figure pat00079
과,
Figure pat00080
의 관계를 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00081
위 식에서
Figure pat00082
,
Figure pat00083
,
Figure pat00084
,
Figure pat00085
을 시간에 대하여 편미분한다.
Figure pat00086
식(39)를
Figure pat00087
로 나누면 식(40)을 얻을 수 있다.
Figure pat00088
남은 prismatic 관절의 속도를 계산하면 행렬
Figure pat00089
를 다음과 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00090
마지막으로,
Figure pat00091
와
Figure pat00092
를 서로 곱하면 수술 도구 끝단과 구동기 관절 사이의 자코비안 행렬을 구할 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼가 상대적으로 가까이 위치할 때, 하부 샤프트 및 상부 샤프트가 회전하는 모습을 개략적으로 도시하는 정면도이다. 도 8은 일 실시 예에 따른 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼가 상대적으로 멀리 위치할 때, 하부 샤프트 및 상부 샤프트가 회전하는 모습을 개략적으로 도시하는 정면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상대적으로 하부 그리퍼(241) 및 상부 그리퍼(242) 사이의 거리가 가까울 때(도 7), 하부 및 상부 그리퍼(241, 242)가 지면에 수직한 초기 상태에서부터, 상부 그리퍼(242)가 우측으로 거리 d만큼 이동할 때, 하부 및 상부 그리퍼(241, 242)가 기울어지는 각도를 Θ1이라 하고, 상대적으로 하부 그리퍼(241) 및 상부 그리퍼(242) 사이의 거리가 멀 때(도 8), 하부 및 상부 그리퍼(241, 242)가 지면에 수직한 초기 상태에서부터, 상부 그리퍼(242)가 우측으로 거리 d만큼 이동할 때, 하부 및 상부 그리퍼(241, 242)가 기울어지는 각도를 Θ2라 할 때, Θ1은 Θ2보다 클 수 있다.
사용자는 가동 범위 내에서 하부 그리퍼(241) 및 상부 그리퍼(242) 사이의 거리를 최대한 조절하여, 슬레이브 장치의 정밀도를 높일 수 있다. 아울러, 하부 그리퍼(241)의 중심점(C1) 및 상부 그리퍼(242)의 중심점(C2) 사이의 거리가 조절되는 동안에도, 하부 그리퍼(241)의 중심점(C1)에 대한 수술 도구(250)의 위치는 고정될 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 수술 도구(250)가 안구의 일 부분에 대한 수술 작업을 수행하는 동안에도, 수술 도구(250)의 위치를 변경하지 않으면서 정밀도 수준을 조절할 수 있다.
도 9는 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치의 블록도이다.
도 9를 참조하면, 하부 델타 로봇(210), 상부 델타 로봇(220) 및 회전 모듈(251)의 작동은 각각 제어부(270)에 의하여 제어된다. 하부 델타 로봇(210)은 하부 그리퍼(241)의 위치를 제어하고, 상부 델타 로봇(220)은 상부 그리퍼(242)의 위치를 제어한다.
제어부(270)는 하부 델타 로봇(210)의 세 개의 구동원(214)들 각각의 작동을 모두 별개로 제어할 수 있다. 구동원(214)의 작동에 따라 이동부(212)가 이동하고, 이동부(212)에 연결된 암(213)이 이동하면서, 하부 그리퍼(241)를 이동시킨다. 하부 그리퍼(241)는 최종적으로 하부 샤프트를 이동시킨다.
또한, 제어부(270)는 상부 델타 로봇(220)의 세 개의 구동원(224)들 각각의 작동을 모두 별개로 제어할 수 있다. 구동원(224)의 작동에 따라 이동부(222)가 이동하고, 이동부(222)에 연결된 암(223)이 이동하면서, 상부 그리퍼(242)를 이동시킨다. 상부 그리퍼(242)는 최종적으로 상부 샤프트를 이동시킨다.
수술 팁(252)의 이동은 하부 및 상부 샤프트의 이동에 따라 연동되어 진행될 수 있다. 수술 팁(252)은 총 3자유도 회전이 가능하다. 제어부(270)는 하부 델타 로봇(210) 및 상부 델타 로봇(220)을 통해 수술 팁(252)의 2자유도 회전을 제어하고, 회전 모듈(251)을 통해 나머지 1자유도 회전을 제어할 수 있다.
앞서 설명한 실시예에 따르면, 델타 로봇이라는 견고한 구조를 사용함으로 진동 및 백래쉬(backlash)가 적은 정밀 움직임이 가능하며, 델타 로봇을 이중으로 활용함으로써 기존의 델타 로봇이 가지고 있던 작은 동작 가능 범위라는 한계를 넘어설 수 있다.
또한, 기존의 산업 전반에 사용되고 있던 정밀한 델타 로봇 구조를 활용하여 정밀도와 동작 가능범위를 필요에 따라 조절 가능하므로, 의료 로봇 뿐만 아니라 필요에 따라 정밀 움직임과 넓은 동작 가능범위를 조절할 필요가 있는 모든 분야에 활용이 가능하다.
도 10은 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치의 사시도이다.
도 10을 참조하면, 하부 델타 로봇(210) 및 상부 델타 로봇(220)은, 각각, 3개의 지지 로드(211, 221)와, 3개의 이동부(212, 222)와, 3개의 암(213, 223)과, 3개의 구동원(214, 224)과, 3개의 가이드 로드(215, 225)를 포함할 수 있다.
지지 로드(211, 221) 및 이동부(212, 222)는, 예를 들어, 볼-스크류 리니어 슬라이딩 구조를 가질 수 있다. 구동원(214, 224)은, 지지 로드(211, 221)를 회전시킴으로써, 이동부(212, 222)가 지지 로드(211, 221)의 길이 방향으로 이동되게 할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 보다 정밀한 조작이 가능하고, 외부의 충격에 대하여 강성한 구조를 구현할 수 있다.
하부 델타 로봇(210)의 지지 로드(211)와 상부 델타 로봇(220)의 지지 로드(221)는 서로 이격되어 있을 수 있다. 예를 들어, 하부 델타 로봇(210)의 어느 하나의 지지 로드(211)는 상부 델타 로봇(220)의 인접한 2개의 지지 로드(221) 사이에 배치될 수 있다. 이와 같이, 하부 델타 로봇(210) 및 상부 델타 로봇(220)의 지지 로드(211, 221)가 이격되어 있을 경우, 하부 델타 로봇(210) 및 상부 델타 로봇(220)의 지지 로드(211, 221)가 나란하게 배치된 상태와 비교할 때, 이동부(212, 222)의 가동 범위를 증가시킬 수 있다.
가이드 로드(215, 225)는 지지 로드(211, 221)와 평행하게 배치되고, 이동부(212, 222)의 이동을 가이드할 수 있다. 이동부(212, 222)는 가이드 로드(215, 225) 및 지지 로드(211, 221)를 따라 이동함으로써, 보다 안정적으로 상하 운동 가능하다. 가이드 로드(215, 225)는 이동부(212, 222)의 위치 제어 정확도를 높여줄 수 있고, 결과적으로 수술 도구(250)의 위치 제어 정확도를 높여줄 수 있다.
이동부(212, 222)는 지지 로드(211, 221) 및 가이드 로드(215, 225)를 따라 이동하여, 수술 팁(252)의 위치를 제어할 수 있다. 회전 모듈(251)은 수술 팁(252)을 수술 팁(252)의 중심축을 중심으로 회전시킬 수 있다. 이동부(212, 222) 및 회전 모듈(251)에 의해, 수술 팁(252)의 롤(roll), 피치(pitch) 및 요 회전이 구현될 수 있다.
도 11은 일 실시 예에 따른 슬레이브 장치를 제어하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11을 참조하면, 슬레이브 장치를 제어하는 방법은, 수술 도구의 원격 회전 중심을 결정하는 단계(S110)와, 수술 도구의 끝단의 목표 지점을 수신하는 단계(S120)와, 원격 회전 중심과 수술 도구의 끝단의 목표 지점에 기초하여, 수술 도구 끝단을 목표 지점에 위치시키기 위한 하부 그리퍼의 도달 지점을 결정하는 단계(S130)와, 원격 회전 중심과 하부 그리퍼의 도달 지점에 기초하여, 상부 그리퍼의 도달 지점을 결정하는 단계(S140)와, 수술 도구의 끝단이 목표 지점에 도달 가능한지 여부를 판단하는 단계(S150)와, 수술 도구의 끝단이 목표 지점에 도달 불가능한 것으로 판단될 경우, 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼 사이의 거리가 최소인 상태를 기준으로 목표 지점에 가장 근접한 위치를 계산하는 단계(S160)와, 해당 위치에 기초하여 수술 도구 끝단의 목표 지점을 수정하고, 수정된 수술 도구 끝단의 목표 지점에 기초하여 하부 그리퍼의 도달 지점을 수정하는 단계(S170)와, 수술 도구의 적어도 일 지점이 원격 회전 중심을 지나도록 설정한 상태로, 하부 그리퍼를 하부 그리퍼의 도달 지점으로 이동시키고, 상부 그리퍼를 상부 그리퍼의 도달 지점으로 이동시키는 단계(S180)를 포함할 수 있다.
단계(S110)에서, 제어부는 수술 도구의 원격 회전 중심을 결정할 수 있다. 먼저, 제어부는 상부 및 하부 델타 로봇 각각의 이동부를 이동시켜, 수술 도구의 끝단이 환자의 안구의 표면에 닿도록 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼의 위치를 변경한다. 수술 도구의 끝단이 안구의 표면이 닿을 경우, 제어부는 해당 위치에서의 수술 도구의 끝단의 위치를 원격 회전 중심으로 결정할 수 있다.
단계(S120)에서, 제어부는 수술 도구의 끝단의 목표 지점을 수신할 수 있다. 수술 도구의 끝단의 목표 지점은 마스터 장치(1, 도 1 참조)로부터 수신될 수 있다. 마스터 장치는 제어부에 동작 신호를 전송할 수 있다. 제어부는 상기 동작 신호에 기초하여 슬레이브 장치를 작동시킬 수 있다. 예를 들어, 목표 지점은 안구 내부에 임의의 위치일 수 있다.
단계(S130)에서, 제어부는 원격 회전 중심과 수술 도구의 끝단의 목표 지점에 기초하여, 수술 도구 끝단을 목표 지점에 위치시키기 위한 하부 그리퍼의 도달 지점을 결정할 수 있다. 제어부는 수술 도구의 수술 팁의 적어도 일 부분이 원격 회전 중심을 통과하는 상태를 유지한 상태로, 수술 팁의 위치를 제어할 수 있다. 예를 들어, 수술 팁은 길이 방향 부재이며, 일 지점이 원격 회전 중심을 통과해야 하고, 끝단의 위치(목표 지점)이 결정될 경우, 하부 그리퍼의 도달 지점은 하나의 값으로 결정될 수 있다.
단계(S140)에서, 제어부는 원격 회전 중심과 하부 그리퍼의 도달 지점에 기초하여, 상부 그리퍼의 도달 지점을 결정할 수 있다. 하부 그리퍼의 도달 지점이 단계(S130)에서 결정되고, 수술 도구의 목표 지점이 단계(S120)에서 결정되므로, 하부 샤프트의 위치 및 각도는 결정되고, 이에 따라 상부 그리퍼의 도달 지점은 하부 그리퍼의 길이 방향과 나란한 경로 중 임의의 지점으로 결정될 수 있다. 다시 말하면, 상부 그리퍼의 도달 지점은 원격 회전 중심과 하부 그리퍼의 도달 지점을 지나는 가상의 연장선 상에서 결정될 수 있다. 수술 도구의 끝단의 목표 지점은, 원격 회전 중심이 결정됨에 따라 어느 하나의 포인트로 결정될 수 있고, 하부 그리퍼의 도달 지점도 마찬가지로 수술 도구의 위치 및 각도가 결정됨에 따라 어느 하나의 위치로 결정될 수 있다. 반면, 상부 그리퍼의 위치는 일정 영역으로 결정될 수 있다. 상기 일정 영역에서, 상부 그리퍼의 도달 지점은, 하부 그리퍼로부터 이격된 거리가 가장 큰 지점으로 결정될 수 있다. 이와 같은 구조에 따르면, 슬레이브 장치의 정밀도가 향상될 수 있다(도 8 참조).
단계(S150)에서, 제어부는 수술 도구의 끝단이 목표 지점에 도달 가능한지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 수술 도구의 끝단의 목표 지점이 결정되면, 하부 그리퍼의 위치가 어느 하나의 포인트로 결정되는데, 구조적 한계로 인해 하부 그리퍼가 실제로 해당 포인트에 도달할 수 없을 수 있다. 예를 들어, 하부 그리퍼가 도달 지점에 도달할 수 있더라도, 상부 그리퍼가 구조적 한계로 인해 도달 지점에 도달할 수 없을 수 있다. 이와 같이 구조적 한계로 인하여, 하부 그리퍼 및/또는 상부 그리퍼가 도달 지점에 도달할 수 없을 경우, 단계(S160)으로 진행될 수 있다. 하부 그리퍼 및/또는 상부 그리퍼가 도달 지점에 도달할 수 없을 경우, 단계(S180)으로 진행될 수 있다.
단계(S150)에서, 제어부는 수술 작업 대상체, 예를 들어, 안구의 크기, 예를 들어 직경에 기초하여 수술 도구의 끝단이 목표 지점에 도달 가능한지 여부를 판단할 수 있다. 다시 말하면, 슬레이브 장치 상으로는 구현 가능한 위치라 하더라도, 안구의 내부 공간을 벗어날 경우 목표 지점에 도달할 수 없는 것으로 결정하도록 함으로써, 수술 안정성을 향상시킬 수 있다. 여기서, 안구의 내부 공간의 경계면은, 예를 들어, 사용자로부터 입력받은 값으로 설정하거나, 현미경을 통하여 관측된 이미지의 처리를 통해 안구의 지름을 감지하여 자동으로 결정할 수도 있다. 예를 들어, 안구의 크기가 클 경우, 수술 도구의 끝단이 도달할 수 있는 영역의 크기는 상대적으로 커질 수 있다.
단계(S160)에서, 제어부는 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼 사이의 거리가 최소인 상태를 기준으로 목표 지점에 가장 근접한 위치를 계산할 수 있다. 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼 사이의 거리가 최소일 경우, 상부 그리퍼의 구조적 한계로 인한 제약을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 수술 도구의 초기 위치를 S1이라고 하고, 목표 위치를 S2라고 할 때, 목표 지점에 가장 근접한 위치는, S1 및 S2를 연결하는 가상의 선분 영역에서, S2에 가장 근접한 포인트를 의미할 수 있다.
단계(S170)에서, 제어부는 단계(S160)에서 계산된 위치에 기초하여 수술 도구 끝단의 목표 지점을 수정하고, 수정된 수술 도구 끝단의 목표 지점에 기초하여 하부 그리퍼의 도달 지점을 수정할 수 있다.
단계(S180)에서, 제어부는 수술 도구의 적어도 일 지점이 원격 회전 중심을 지나도록 설정한 상태로, 하부 그리퍼를 하부 그리퍼의 도달 지점으로 이동시키고, 상부 그리퍼를 상부 그리퍼의 도달 지점으로 이동시킬 수 있다. 하부 그리퍼가 초기 위치에서 도달 지점으로 이동되는 동안, 수술 도구의 적어도 일 지점이 원격 회전 중심을 지나는 상태를 유지하도록, 상부 그리퍼가 제어되어 하부 그리퍼의 각도가 조절될 수 있다.
슬레이브 장치는 마스터 장치로부터 신호를 실시간으로 수신하여 실시간으로 수술 도구를 제어하는 것이므로, 수술 도구 끝단의 초기 위치와 목표 지점은 실제로 상당히 인접하게 위치할 수 있다. 슬레이브 장치가 마스터 장치로부터 신호를 짧은 시간 간격으로 실시간으로 수신하여 작동하는 경우, 단계(S150)에서 수술 도구의 끝단이 목표 지점에 도달 불가능한 것으로 결정될 경우, 수정된 수술 도구의 끝단의 목표 지점은 수정전 수술 도구의 끝단의 목표 지점과 동일할 수 있고, 수술 도구는 더 이상 이동하지 않을 수 있다.
도 12 및 도 13은 제 1 및 제 2 슬레이브 장치의 구동에 따라 안구가 회전하고, 안구의 회전에 따라 현미경이 이동하는 모습을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 현미경(3)은 제 1 슬레이브 장치(2) 및 제 2 슬레이브 장치(2') 사이에 배치되고, 지지 프레임(61, 62) 상에서 위치 이동 가능하다. 현미경(3)은 서로 직교하는 2개의 경로(P1, P2)를 따라 이동 가능하다. 2개의 경로(P1, P2)는 현미경(3)의 렌즈의 수직한 임의의 선에 각각 직교하는 제 1 경로(P1)와, 제 2 경로(P2)를 포함한다. 현미경(3)은 제 1 경로(P1) 및 제 2 경로(P2)를 포함하는 평면 상에서 이동 가능하다. 예를 들어, 현미경(3)은 직교하며 구비되는 2개의 리니어 액츄에이터를 포함할 수 있다.
제 1 슬레이브 장치(2) 및 제 2 슬레이브 장치(2')는 각각 안구(E)의 표면을 통과하는 제 1 수술 도구(250) 및 제 2 수술 도구(250')를 포함할 수 있다. 제 1 슬레이브 장치(2) 및 제 2 슬레이브 장치(2')는 제 1 수술 도구(250) 및 제 2 수술 도구(250')의 각도를 변경하여, 안구(E)를 회전시킬 수 있다. 안구(E)는 안구의 중심을 통과하는 제 1 회전축(A1)을 중심으로 회전 가능하고, 제 1 회전축(A1)에 수직하고 안구의 중심을 통과하는 제 2 회전축(A2, 도 15 참조)를 중심으로 회전 가능하다. 제 1 회전축(A1) 및 제 2 회전축(A2)은 예를 들어 안구(E)의 중심으로부터 동공(P)의 중심을 통과하는 가상의 연장선에 직교할 수 있다.
현미경(3)은 안구(E)의 회전에 기초하여 이동할 수 있다. 현미경(3)은 동공(P)의 위치 변화에 대응하여 이동함으로써, 렌즈를 동공(P)과 나란하게 위치시킬 수 있다. 예를 들어, 현미경(3)의 이동량은, 동공(P)의 중심 위치를 현미경(3)이 이동 가능한 평면 상으로 투영한 위치의 변화량으로 결정할 수 있다. 이와 같은 방법에 의하면, 도 12 및 도 13에 나타나는 바와 같이, 안구(E)의 내부에서 관찰할 수 있는 영역을 증대시킬 수 있다.
예를 들어, 슬레이브 장치(2, 2')는 도 13에 도시되는 것처럼, 안구(E)에 대한 수술 도구(250, 250')의 상대적인 위치 및 각도가 고정된 상태로 안구(E)를 회전시킬 수 있다. 이와 같은 제어 방법에 따르면, 2개의 수술 도구(250, 250') 사이의 거리가 변화되지 않으므로, 안구(E)를 회전시키는 과정에서 안구(E)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 14는 일 실시 예에 따른 안구 수술 장치를 제어하는 방법을 나타내는 순서도이고, 도 15 내지 도 17은 안구 수술 장치에 의해 안구가 회전하는 모습을 도시하는 평면도이고, 도 18은 일 실시 예에 따른 제 1 및 제 2 수술 도구 각각의 목표 회전 중심을 계산하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 14 내지 도 18을 참조하면, 안구 수술 장치를 제어하는 방법은, 마스터 장치로부터 안구의 회전량 정보를 수신하는 단계(S210)와, 안구의 표면 상에 제 1 수술 도구 및 제 2 수술 도구 각각의 초기 원격 회전 중심을 설정하는 단계(S220)와, 안구의 회전량 정보에 기초하여, 제 1 수술 도구 및 제 2 수술 도구 각각의 목표 원격 회전 중심을 계산하는 단계(S230)와, 제 1 수술 도구 및 제 2 수술 도구 각각의 원격 회전 중심 사이의 거리를 유지한 상태로, 제 1 수술 도구가 초기 원격 회전 중심으로부터 목표 원격 회전 중심까지 도달하는 동안 요구되는 제 1 이동 속도 프로파일을 생성하는 단계(S240)와, 제 1 수술 도구 및 제 2 수술 도구 각각의 원격 회전 중심 사이의 거리를 유지한 상태로, 제 2 수술 도구가 초기 원격 회전 중심으로부터 목표 원격 회전 중심까지 도달하는 동안 요구되는 제 2 이동 속도 프로파일을 생성하는 단계(S250)와, 안구의 표면 상에서, 제 1 수술 도구의 원격 회전 중심을 초기 원격 회전 중심으로부터 목표 원격 회전 중심으로 이동시키고, 제 2 수술 도구의 원격 회전 중심을 초기 원격 회전 중심으로부터 목표 원격 회전 중심으로 이동시키는 단계(S260)와, 현미경을 이동시키는 단계(S270)를 포함할 수 있다.
단계(S210)에서, 제어부는 마스터 장치로부터 안구의 회전량 정보를 수신할 수 있다. 안구의 회전량 정보는 안구(E)의 중심을 통과하는 제 1 회전축(A1)을 중심으로 한 제 1 회전량 정보와, 안구(E)의 중심을 통과하고 제 1 회전축(A1)과 직교하는 제 2 회전축(A2)을 중심으로 한 제 2 회전량 정보를 포함할 수 있다.
단계(S220)에서, 제어부는, 안구의 표면 상에 제 1 수술 도구 및 제 2 수술 도구 각각의 초기 원격 회전 중심을 설정할 수 있다. 예를 들어, 제 1 수술 도구의 끝단이 안구(E)의 표면에 닿았을 때, 제어부는 제 1 수술 도구의 끝단의 위치를 초기 원격 회전 중심(RCM1)으로 결정할 수 있다. 마찬가지로, 제 2 수술 도구의 끝단이 안구(E)의 표면에 닿았을 때, 제어부는 제 2 수술 도구의 끝단의 위치를 초기 원격 회전 중심(RCM1')으로 결정할 수 있다.
단계(S230)에서, 제어부는 안구의 회전량 정보에 기초하여, 제 1 수술 도구 및 제 2 수술 도구 각각의 목표 원격 회전 중심(RCM3, RCM3')을 계산할 수 있다. 단계(S230)는, 안구의 중심을 기준으로 구면 좌표계를 설정하는 단계(S231)와, 구면 좌표계 상에서, 제 1 수술 도구의 초기 원격 회전 중심으로부터 목표 원격 회전 중심까지의 각도 변화를 계산하는 단계(S232)와, 구면 좌표계 상에서, 제 2 수술 도구의 초기 원격 회전 중심으로부터 목표 원격 회전 중심까지의 각도 변화를 계산하는 단계(S233)를 포함할 수 있다.
단계(S231)에서, 제어부는 안구의 중심을 기준으로 구면 좌표계를 설정할 수 있다. 제어부는 직교 좌표계로 결정된 초기 원격 회전 중심(RCM1, RCM1')을 구면 좌표계로 재설정할 수 있다. 초기 원격 회전 중심(RCM1, RCM1')은 2개의 각도로 표시될 수 있다.
단계(S232)에서, 제어부는 구면 좌표계 상에서, 제 1 수술 도구의 초기 원격 회전 중심(RCM1)으로부터 목표 원격 회전 중심(RCM3)까지의 각도 변화를 계산할 수 있다. 예를 들어, 초기 원격 회전 중심(RCM1)에서 제 1 회전축(A1)을 중심으로 Θ만큼 회전하여, 원격 회전 중심이 RCM2으로 이동할 수 있고, 그 상태에서 제 2 회전축(A2)을 중심으로 Φ만큼 더 회전하여, 원격 회전 중심이 목표 원격 회전 중심(RCM3)으로 이동할 수 있다. 제어부는 Θ 및 Φ를 각각 계산할 수 있다.
단계(S233)에서, 제어부는 구면 좌표계 상에서, 제 2 수술 도구의 초기 원격 회전 중심(RCM1')으로부터 목표 원격 회전 중심(RCM3')까지의 각도 변화를 계산할 수 있다. 제어부는 구면 좌표계 상에서, 제 2 수술 도구의 초기 원격 회전 중심(RCM1')으로부터 목표 원격 회전 중심(RCM3')까지의 각도 변화를 계산할 수 있다. 예를 들어, 초기 원격 회전 중심(RCM1')에서 제 1 회전축(A1)을 중심으로 Θ만큼 회전하여, 원격 회전 중심이 RCM2'으로 이동할 수 있고, 그 상태에서 제 2 회전축(A2)을 중심으로 Φ만큼 더 회전하여, 원격 회전 중심이 목표 원격 회전 중심(RCM3')으로 이동할 수 있다. 제어부는 Θ 및 Φ를 각각 계산할 수 있다.
단계(S240)에서, 제어부는 제 1 수술 도구 및 제 2 수술 도구 각각의 원격 회전 중심 사이의 거리를 유지한 상태로, 제 1 수술 도구가 초기 원격 회전 중심으로부터 목표 원격 회전 중심까지 도달하는 동안 요구되는 제 1 이동 속도 프로파일을 생성할 수 있다. 단계(S250)에서, 제어부는 제 1 수술 도구 및 제 2 수술 도구 각각의 원격 회전 중심 사이의 거리를 유지한 상태로, 제 2 수술 도구가 초기 원격 회전 중심으로부터 목표 원격 회전 중심까지 도달하는 동안 요구되는 제 2 이동 속도 프로파일을 생성할 수 있다. 예를 들어, 도 15 내지 도 17에 도시한 바와 같이 평면에서 볼 때를 기준으로, 안구(E)가 제 1 회전축(A1)을 중심으로 동공(P)으로부터 제 2 수술 도구의 초기 원격 회전 중심(RCM1')을 향한 방향으로 회전한 뒤에, 제 2 회전축(A2)을 중심으로 회전할 경우, 제 1 수술 도구의 초기 원격 회전 중심(RCM1)으로부터 목표 원격 회전 중심(RCM3)까지의 안구(E) 표면 상에서의 거리는, 제 2 수술 도구의 초기 원격 회전 중심(RCM1')으로부터 목표 원격 회전 중심(RCM3')까지의 안구(E) 표면 상에서의 거리보다 클 수 있다. 이 경우, 제 1 수술 도구의 이동 속도는 제 2 수술 도구의 이동 속도보다 빨라야, 제 1 수술 도구 및 제 2 수술 도구 각각의 원격 회전 중심 사이의 거리를 유지할 수 있다. 단계(S240)를 통해, 제 1 수술 도구 및 제 2 수술 도구 각각의 원격 회전 중심 사이의 거리를 유지할 수 있어서, 제 1 수술 도구 및 제 2 수술 도구의 원격 회전 중심이 변화하는 동안 안구(E)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
단계(S260)에서, 제어부는 안구의 표면 상에서, 제 1 수술 도구의 원격 회전 중심을 초기 원격 회전 중심으로부터 목표 원격 회전 중심으로 이동시키고, 제 2 수술 도구의 원격 회전 중심을 초기 원격 회전 중심으로부터 목표 원격 회전 중심으로 이동시킬 수 있다.
단계(S270)에서, 제어부는 현미경을 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 현미경의 위치는 제 1 수술 도구 및 제 2 수술 도구의 원격 회전 중심이 이동됨에 따라, 제 1 위치(L1)로부터 제 2 위치(L2)로 이동할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 안구의 회전량 정보에 기초하여 현미경을 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부는 마스터 장치로부터 수신되는 안구의 회전량 정보에 기초하여 현미경의 위치를 제어할 수 있다. 다른 예로 제어부는 제 1 수술 도구 및 제 2 수술 도구의 원격 회전 중심에 기초하여, 현미경을 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부는 제 1 수술 도구 및 제 2 수술 도구의 원격 회전 중심의 변화를 통해 동공(P)의 위치 변화를, 제 1 경로(P1, 도 13 참조) 및 제 2 경로(P2, 도 13 참조)를 포함하는 평면에 평행한 평면에 투영시킨 후, 해당 평면에서의 동공(P)의 위치 변화에 기초하여, 현미경의 위치를 설정할 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (15)

  1. 하부 샤프트;
    상기 하부 샤프트에 1자유도로 슬라이딩 가능하게 연결되는 상부 샤프트;
    상기 하부 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 하부 그리퍼;
    상기 상부 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 상부 그리퍼;
    상기 하부 그리퍼를 이동 가능하게 지지하는 하부 델타 로봇; 및
    상기 상부 그리퍼를 이동 가능하게 지지하는 상부 델타 로봇을 포함하는 슬레이브 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 샤프트의 축 방향으로의 상기 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼 사이의 거리 변화와 무관하게, 상기 하부 샤프트는 상기 하부 그리퍼에 대한 상대적인 위치를 유지하는 슬레이브 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 샤프트 및 상부 샤프트 각각은 상기 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼에 2자유도 회전 가능하게 지지되는 슬레이브 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 델타 로봇 및 상부 델타 로봇은, 각각,
    3개의 지지 로드;
    상기 지지 로드의 길이 방향을 따라 이동하는 3개의 이동부;
    상기 이동부와 그리퍼 사이를 연결하는 3개의 암을 포함하는 슬레이브 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하부 델타 로봇 및 상부 델타 로봇은, 각각,
    상기 3개의 지지 로드와 평행하게 배치되고, 상기 이동부의 이동을 가이드하는 3개의 가이드 로드를 더 포함하는 슬레이브 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 하부 델타 로봇의 3개의 지지 로드와, 상기 상부 델타 로봇의 3개의 지지 로드는 서로 나란한 슬레이브 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 하부 델타 로봇의 3개의 지지 로드와, 상기 상부 델타 로봇의 3개의 지지 로드는 서로 이격되는 슬레이브 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 샤프트보다 얇은 두께를 갖는 수술 팁과, 상기 하부 샤프트의 하단에 배치되고 상기 수술 팁을 회전시키는 회전 모듈을 포함하는 수술 도구를 더 포함하는 슬레이브 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 하부 샤프트의 축 방향으로 상기 수술 도구가 상기 하부 그리퍼로부터 이격된 위치를 유지한 상태로, 상기 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼 사이의 거리를 조절 가능한 슬레이브 장치.
  10. 하부 샤프트와, 상기 하부 샤프트에 1자유도로 슬라이딩 가능하게 연결되는 상부 샤프트와, 상기 하부 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 하부 그리퍼와, 상기 상부 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 상부 그리퍼와, 상기 하부 샤프트의 하단에 구비되는 수술 도구를 포함하는 슬레이브 장치를 제어하는 방법에 있어서,
    수술 도구의 원격 회전 중심을 결정하는 단계;
    상기 수술 도구의 끝단의 목표 지점을 수신하는 단계;
    상기 원격 회전 중심과 상기 수술 도구의 끝단의 목표 지점에 기초하여, 상기 수술 도구의 끝단을 목표 지점에 위치시키기 위한 상기 하부 그리퍼의 도달 지점을 결정하는 단계;
    상기 원격 회전 중심과 상기 하부 그리퍼의 도달 지점에 기초하여, 상기 상부 그리퍼의 도달 지점을 결정하는 단계; 및
    상기 수술 도구의 적어도 일 지점이 상기 원격 회전 중심을 지나도록 설정한 상태로, 상기 하부 그리퍼를 상기 하부 그리퍼의 도달 지점으로 이동시키고, 상기 상부 그리퍼를 상기 상부 그리퍼의 도달 지점으로 이동시키는 단계를 포함하는 슬레이브 장치를 제어하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 수술 도구의 끝단이 상기 목표 지점에 도달 가능한지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 슬레이브 장치를 제어하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    수술 작업 대상체의 크기에 기초하여 상기 수술 도구의 끝단이 상기 목표 지점에 도달 가능한지 여부를 판단하는 슬레이브 장치를 제어하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 수술 도구의 끝단이 상기 목표 지점에 도달 불가능한 것으로 판단될 경우, 상기 하부 그리퍼 및 상부 그리퍼 사이의 거리가 최소인 상태를 기준으로 상기 목표 지점에 가장 근접한 위치를 계산하는 단계를 더 포함하는 슬레이브 장치를 제어하는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 상부 그리퍼의 도달 지점을 결정하는 단계에서, 상기 상부 그리퍼의 도달 지점은 상기 원격 회전 중심과 상기 하부 그리퍼의 도달 지점을 지나는 가상의 연장선 상에서 결정되는 슬레이브 장치를 제어하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 상부 그리퍼의 도달 지점을 결정하는 단계에서, 상기 상부 그리퍼의 이동 가능 영역 중 상기 하부 그리퍼로부터 이격된 거리가 가장 큰 지점을 상기 상부 그리퍼의 도달 지점으로 결정하는 슬레이브 장치를 제어하는 방법.
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