KR200451737Y1 - 수술용 로봇 암의 링크구조 - Google Patents

Abstract

수술용 로봇 암의 링크구조가 개시된다. 로봇 암(arm)과, 로봇 암의 선단부에 제1 축에 의해 축결합되는 제1 링크부와, 제1 링크부에 제2 축에 의해 축결합되는 제2 링크부와, 제2 링크부에 제3 축에 의해 축결합되는 인스트루먼트를 포함하되, 제1 축, 제2 축 및 제3 축은, 그 연장선이 인스트루먼트의 선단부의 소정의 한 점에서 만나도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 암의 링크구조는, 서로 중첩될 수 있는 2개의 링크부재라는 단순한 구조로 RCM을 구현할 수 있어 수술용 로봇 암의 컴팩트 사이즈(compact size)화가 가능하고, RCM 기구의 크기를 최소화하여 제작할 수 있으므로 보다 작은 수술용 로봇 암을 설계할 수 있으며, 상대적으로 적은 부품으로 RCM을 구현하므로 구조가 간단하여 고장 발생의 위험이 적어진다.

Description

수술용 로봇 암의 링크구조{Curved RCM of surgical robot arm}

본 고안은 수술용 로봇 암의 링크구조에 관한 것이다.

의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기계를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 말한다. 특히, 수술부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제로 인하여 최근에는 로봇(robot)을 사용한 수술이 대안으로서 각광받고 있다.

이러한 수술용 로봇은 의사의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터 로봇과, 마스터(master) 로봇으로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave) 로봇으로 이루어지며, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇을 통합하여 구성하거나, 각각 별도의 장치로 구성하여 수술실에 배치하게 된다.

슬레이브 로봇에는 수술을 위한 조작을 위해 로봇 암을 구비하게 되며, 로봇 암의 선단부에는 인스트루먼트(instrument)가 장착된다. 이와 같이 로봇 암의 선단에 인스트루먼트를 장착하여 수술을 수행하게 되면 로봇 암의 움직임에 따라 인스트루먼트도 같이 움직이며, 이는 환자의 피부를 일부 천공하고 여기에 인스트루먼트를 삽입하여 수술을 수행하는 과정에서 인체의 피부에 불필요한 손상을 입힐 우려가 있다. 또한, 수술 부위가 넓을 경우에는 인스트루먼트가 움직이는 경로만큼 피부를 절개하거나 각 수술 부위마다 피부를 천공해야 하는 등 로봇 수술의 잇점이 반감될 우려도 있다.

따라서, 로봇 암의 선단에 장착되는 인스트루먼트는 말단부의 소정 위치에 가상의 회동 중심점을 설정하고 이 점을 중심으로 인스트루먼트가 회동하도록 로봇 암을 제어하게 되는데, 이러한 가상의 중심점을 '원격중심' 또는 'RCM(remote center of motion)'이라 한다.

종래에 수술용 로봇 암의 원격중심을 제어하는 방식은 크게 '패시브 타입(passive type)'과 '액티브 타입(active type)'으로 구분할 수 있다. 패시브 타입의 경우에는 인스트루먼트 삽입을 위해 구멍이 천공된 피부를 지지점으로 하여 로봇 암의 움직이는 방향과 반대방향으로 인스트루먼트의 선단이 이동하도록 제어하는 방식이다.

그러나, 이러한 패시브 타입의 경우 로봇 암의 이동에 따라 인스트루먼트가 이동하려는 힘을 피부가 지지하게 되므로 피부에 원치 않는 손상이 가해질 우려가 있으며, 경우에 따라서는 의료사고의 가능성도 배제할 수 없다.

종래의 액티브 타입은 도 1에 도시된 것처럼, 4절 링크로 이루어진 원격중심 결정장치(23)를 구성하여 인스트루먼트의 선단의 소정 위치가 원격중심(8)이 되도록 제어하는 방식이 개시된 바 있다.

그러나, 이러한 액티브 타입의 경우 RCM을 구성하기 위한 부품이 많이 소요되고, 이에 따라 로봇 암의 부피 및 길이가 커지게 되는 단점이 있다. 수술용 로봇의 부피가 커지게 되면 병원 내에 로봇을 수납, 설치 및 이동하기가 용이하기 않고, 부피가 큰 수술용 로봇 때문에 수술 도중에 보조의가 환자에 접근하기가 곤란하며, 응급상황이 발생하더라도 로봇의 분리나 해체가 어렵다는 문제가 있다.

본 고안은 보다 적은 부품으로 수술용 로봇 암의 RCM을 구현하여 수술용 로봇의 소형화 및 경량화에 기여할 수 있는 수술용 로봇 암의 링크구조를 제공하는 것이다.

본 고안의 일 측면에 따르면, 로봇 암(arm)과, 로봇 암의 선단부에 제1 축에 의해 축결합되는 제1 링크부와, 제1 링크부에 제2 축에 의해 축결합되는 제2 링크부와, 제2 링크부에 제3 축에 의해 축결합되는 인스트루먼트를 포함하되, 제1 축, 제2 축 및 제3 축은, 그 연장선이 인스트루먼트의 선단부의 소정의 한 점에서 만나도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 암의 링크구조가 제공된다.

제1 링크부는, 제1 축과 제2 축이 소정의 한 점에서 만나도록 소정 각도 구부러진(curved) 링크부재에 제1 축과 제2 축을 각각 천공하여 형성될 수 있으며, 제2 링크부는, 제2 축과 제3 축이 소정의 한 점에서 만나도록 소정 각도 구부러진 링크부재에 제2 축과 제3 축을 각각 천공하여 형성될 수 있다.

제2 링크부를 제2 축을 중심으로 회전시킬 경우, 제2 링크부는 제1 링크부에 중첩될 수 있다. 제1 링크부를 제1 축을 중심으로 회전시킬 경우, 제1 링크부는 로봇 암에 수납될 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 잇점이 이하의 도면, 실용신안등록청구범위 및 고안의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 고안의 바람직한 실시예에 따르면, 액티브 타입으로 로봇 암의 RCM을 구현함으로써 인스트루먼트가 삽입된 위치(incision point)를 중심으로 피부에 무리나 손상을 주지 않고 인스트루먼트의 선단이 자유롭게 회동할 수 있고, 선단의 정확한 구면상의 움직임(spherical motion)을 구현할 수 있으며, 이에 따라 선단의 동작 반경이 허용하는 범위 내에서 다양한 수술에 적용이 가능하다.

또한, 서로 중첩될 수 있는 2개의 링크부재라는 단순한 구조로 RCM을 구현할 수 있어 수술용 로봇 암의 컴팩트 사이즈(compact size)화가 가능하고, RCM 기구의 크기를 최소화하여 제작할 수 있으므로 보다 작은 수술용 로봇 암을 설계할 수 있으며, 상대적으로 적은 부품으로 RCM을 구현하므로 구조가 간단하여 고장 발생의 위험이 적어진다는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 다른 원격중심 결정장치를 나타낸 측면도.
도 2는 본 고안의 바람직한 일 실시예에 따른 수술용 로봇 암의 링크구조를 나타낸 측면도.
도 3은 본 고안의 바람직한 일 실시예에 따른 수술용 로봇 암의 링크구조의 작동 상태를 나타낸 사시도.

본 고안은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 고안을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 고안의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 고안을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

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

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 고안을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 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, 본 고안의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 고안의 바람직한 일 실시예에 따른 수술용 로봇 암의 링크구조를 나타낸 측면도이고, 도 3은 본 고안의 바람직한 일 실시예에 따른 수술용 로봇 암의 링크구조의 작동 상태를 나타낸 사시도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 로봇 암(1), 제1 축(3), 제2 축(5), 제3 축(7), 원격중심(9), 제1 링크부재(10), 제2 링크부재(20), 인스트루먼트(30)가 도시되어 있다.

본 실시예는 액티브 타입으로 수술용 로봇 암(1)의 RCM을 제어하기 위한 링크 구조에 관한 것으로, 종래의 도 1과 같이 4절 링크 형태의 '패러랠 타입(parallel type)'과 달리 로봇 암(1)의 단부에 링크를 연속적으로 연결하여 RCM을 구현한 '시리얼 타입(serial type)의 링크구조를 특징으로 한다.

또한 본 실시예는, 도 1과 같이 고정된 베이스(base)에 원격중심 결정장치를 설치하여 RCM을 구현한 종래기술과 달리, 움직이는 수술용 로봇 암(1)의 단부에 링크를 시리얼 타입으로 연결하여 RCM을 구현한 것을 특징으로 한다.

시리얼 타입 RCM 구현을 위한 링크부는 하나의 링크부재로 이루어질 수 있으며, 필요에 따라서는 여러 개의 부재를 조립하여 하나의 링크부재와 같은 역할을 하는 링크부를 구성할 수도 있다. 도 2에서는 하나의 부재로 링크부재를 제작한 경우를 예로 들어 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

본 실시예에 따른 로봇 암(1)의 링크구조는 로봇 암(1)의 선단부에 축결합되는 제1 링크부재(10)와, 제1 링크부재(10)의 선단부에 축결합되는 제2 링크부재(20), 및 제2 링크부재(20)의 선단부에 축결합되는 인스트루먼트(30)로 구성된다.

로봇 암(1)의 선단부와 제1 링크부재(10)의 결합축을 제1 축(3), 제1 링크부재(10)와 제2 링크부재(20)의 결합축을 제2 축(5), 제2 링크부재(20)의 선단부와 인스트루먼트(30)의 결합축을 제3 축(7)이라 할 때, RCM을 구현하기 위해서는, 도 2 및 도 3의 (a)에 도시된 것처럼, 제1 축(3), 제2 축(5) 및 제3 축(7)이 인스트루먼트(30)의 선단부의 소정의 한 점인 원격중심(9)에서 서로 만나도록 축을 설계한다.

이로써, 도 3의 (b), (c)와 같이 제1 축(3)을 중심으로 제1 링크부재(10)를 로봇 암(1)의 선단부에 대해 회전시키더라도 원격중심(9)은 변하지 않고 인스트루먼트(30) 말단의 조작부가 제1 축(3)을 중심으로 회전하게 된다. 같은 원리에서, 도 3의 (d), (e)와 같이 제2 축(5)을 중심으로 제2 링크부재(20)를 제1 링크부재(10)에 대해 회전시키더라도 원격중심(9)은 변하지 않으며, 제3 축(7)을 중심으로 인스트루먼트(30)를 제2 링크부재(20)의 선단부에 대해 회전시키더라도 원격중심(9)은 변하지 않게 된다.

본 실시예에서는 이와 같이 2개의 링크부재만을 가지고, 그 각각이 결합되는 축이 서로 원격중심(9)에서 만나도록 함으로써 RCM을 구현할 수 있게 되며, 인스트루먼트(30) 말단의 조작부에 대해 구면상의 움직임(spherical motion)을 구현할 수 있게 된다.

본 실시예는 수술용 로봇의 소형화, 경량화에 기여하기 위한 링크구조이므로 도 2에서는 2개의 링크부재로 RCM을 구현한 사례를 도시하였으나, 이는 RCM을 구현하기 위한 최소한의 단위 구조를 예시한 것으로서, 필요에 따라서는 링크부재의 수량과는 관계없이 제2 링크부재(20)에 다른 링크부재를 더 추가하여 RCM을 구현할 수도 있다.

또한, 도 2에 예시된 실시예에서는 제1 링크부재(10)와 제2 링크부재(20)를 각각 하나의 부재로 제작하였으나, 이는 하나의 예시에 불과한 것으로, 복수의 부재를 결합하여 하나의 링크부재를 제작할 수도 있음은 물론이다. 이와 같이 복수의 부재를 조립하여 본 실시예에 따른 링크부재를 제작할 경우에도 링크부재의 결합축이 원격중심(9)에서 서로 만나도록 축을 형성해야 함은 전술한 바와 같다.

제1 축(3), 제2 축(5) 및 제3 축(7)이 원격중심(9)에서 만나도록 하기 위해 부재 간의 결합축을 원격중심(9)의 방향으로 천공할 수 있으며, 또는 도 2에 도시된 것처럼 제1 링크부재(10)를 소정각도 구부려(curved) 제1 축(3)과 제2 축(5)이 원격중심(9)에서 만나도록 할 수도 있다. 이 경우 제1 링크부재(10)와 로봇 암(1)의 선단부는 표면에 수직한 방향으로 접합하면 되며, 제1 링크부재(10)의 구부러진 정도를 조절함으로써 제1 축(3)과 제2 축(5)이 원격중심(9)에서 만나도록 할 수 있다.

마찬가지로 제2 링크부재(20) 또한 소정각도 구부려 제2 축(5)과 제3 축(7)이 원격중심(9)에서 만나도록 할 수 있다. 이 경우 제1 링크부재(10)와 제2 링크부재(20)는 표면에 수직한 방향으로 접합하고, 인스트루먼트(30)는 제2 링크부재(20)의 선단부의 표면에 수직한 방향으로 결합시키면 되며, 제2 링크부재(20)의 구부러진 정도를 조절함으로써 제2 축(5)과 제3 축(7)이 원격중심(9)에서 만나도록 할 수 있다.

이로써, 소정 각도 구부러진 2개의 부재를 사용하여 컴팩트 사이즈로 이루어지는 'curved RCM'이 구현된다.

한편, 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼 제1 링크부재(10)와 제2 링크부재(20)를 구부려 'curved RCM'을 구현한 경우, 인스트루먼트(30)를 제거한 상태에서 제2 링크부재(20)를 제2 축(5)을 중심으로 회전시키면 제2 링크부재(20)가 제1 링크부와 중첩되도록 할 수 있다.

본 실시예는 보다 적은 부품으로 RCM을 구현하여 로봇 암(1)의 크기를 최소화하기 위한 것이므로, 로봇 암(1)을 사용하지 않고 수납할 때 제2 링크부재(20)가 제1 링크부재(10)와 중첩되도록 링크의 구부러진 형상을 설계함으로써 로봇 암(1)의 컴팩트 사이즈(compact size)화에 기여할 수 있다.

같은 원리에서 제1 링크부재(10) 및/또는 제2 링크부재(20)와 중첩된 제1 링크부재(10)를 제1 축(3)을 중심으로 회전시키면 제1 링크부재(10) 및/또는 제2 링크부재(20)와 중첩된 제1 링크부재(10)가 로봇 암(1)의 특정 위치에 수납되도록 할 수 있다. 이는 로봇 암(1)의 선단부에 링크부재가 수납될 공간을 형성하거나, 링크부재의 구부러진 형상을 로봇 암(1)의 선단부의 형상에 상응하도록 함으로써 구현될 수 있다.

상기에서는 본 고안의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 실용신안등록 청구의 범위에 기재된 본 고안의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 고안을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1 : 로봇 암 3 : 제1 축
5 : 제2 축 7 : 제3 축
9 : 원격중심(remote center) 10 : 제1 링크부
20 : 제2 링크부 30 : 인스트루먼트

Claims (5)

1. 그 선단부에 소정의 수납 공간이 형성된 로봇 암(arm)과;
   상기 로봇 암의 선단부에 제1 축에 의해 축결합되며, 상기 수납 공간에 수납될 수 있는 형상으로 형성되어, 상기 제1 축을 중심으로 회전시킬 경우 상기 수납 공간 내에 수납되는 제1 링크부재와;
   상기 제1 링크부재에 제2 축에 의해 축결합되며, 상기 제1 링크부재와 중첩될 수 있는 형상으로 형성되어, 상기 제2 축을 중심으로 회전시킬 경우 상기 제1 링크부재에 중첩되어 상기 수납 공간 내에 수납될 수 있는 제2 링크부재와;
   상기 제2 링크부재에 제3 축에 의해 축결합되는 인스트루먼트를 포함하되,
   상기 제1 축, 상기 제2 축 및 상기 제3 축은, 그 연장선이 상기 인스트루먼트의 선단부의 소정의 한 점에서 만나도록 형성되고,
   상기 제1 링크부재는, 상기 제1 축과 상기 제2 축이 상기 소정의 한 점에서 만나도록 소정 각도 구부러진(curved) 형상으로 형성되고,
   상기 제2 링크부재는, 상기 제2 축과 상기 제3 축이 상기 소정의 한 점에서 만나도록 소정 각도 구부러진 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇 암의 링크구조.
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