KR101487241B1 - 수동 조작형 수술로봇 - Google Patents

Abstract

수술도구의 위치에 상관없이 항상 균형을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 위급 상황 시 작동되어 브레이크 기능을 하는 브레이크 유닛들의 부하를 최소화시킬 수 있는 수동 조작형 수술로봇이 개시된다. 상기 수동 조작형 수술로봇은 베이스 플레이트에 마련되는 복수개의 지지 브래킷들에 각각 회전 가능하게 힌지 연결되는 복수개의 링크유닛과, 상기 링크유닛과 연동되어 회전되는 상기 힌지에 연결되어 위급 상황 시 상기 링크유닛의 회전을 제어하는 복수개의 브레이크 유닛과, 상기 복수개의 링크유닛의 상단부에 설치되며 말단부에는 수술도구가 설치되는 암부 및, 상기 복수개의 링크유닛과 암부에 연결되어 상기 브레이크 유닛들에 가해지는 부하를 저감시킴과 동시에 상기 복수개의 링크유닛의 균형이 무너지는 것을 방지하는 카운터 밸런싱 유닛을 포함한다.

Description

수동 조작형 수술로봇{MANUAL OPERATION TYPE SURGICAL ROBOT}

본 발명은 수동 조작형 수술로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시술자가 수술도구를 수동으로 수술위치로 용이하게 이동시켜 수술을 할 수 있도록 하는 수동 조작형 수술로봇에 관한 것이다.

최근에는 수술시 발생하는 출혈이나 환자의 고통을 줄일 뿐만 아니라, 수술 후 환자에게 발생하는 부작용과 흉터 등을 최소화시키기 위하여 로봇을 이용한 수술이 각광받고 있다.

이러한 수술용 로봇은 수술을 위한 조작을 위해 로봇 암을 구비하게 되며, 상기 로봇 암의 선단부에는 수술도구가 설치되며, 상기 로봇으로부터 생성되어 전달되는 구동력에 의해 수술도구가 수술에 필요한 동작을 수행하게 된다.

상술한 바와 같은 수술용 로봇의 발달로 인하여 최근에는 상기 수술용 로봇을 이용하여 수술할 수 있는 분야가 많아지긴 했지만 아직까지도 의사가 직접 수술도구를 사용하여 수작업으로 수술을 해야 하는 수술이 매우 많이 존재하고 있다.

한편, 의사가 직접 수술도구를 사용하여 수동으로 수술을 수행할 시에는 미세 떨림 등이 정밀한 수술을 수행하는데 방해 요소로 작용하는 경우가 발생된다.

그리하여, 최근에는 의사가 로봇 암을 수동 조작을 통해 수술하려는 위치에 근접하도록 이동시킨 후 상기 로봇 암의 끝단부에 설치된 수술도구를 환자의 절개부를 통해 삽입하여 수술부위에 근접시킨 후 수술을 진행하는 수동 조작형 수술용 로봇이 개발되고 있는 실정이다.

이러한 수동 조작형 수술용 로봇은 통상적으로 브레이크 기능을 하는 다수의 브레이크 유닛들이 상기 로봇의 기저부에 설치되어 상기 수동 조작형 수술용 로봇에 설치된 수술도구가 위험부위에 위치하게 되거나 위급 상황이 발생되면 상기 브레이크 유닛들이 작동되어 상기 로봇의 작동을 정지시키게 된다.

그러나, 상기 수동 조작형 수술용 로봇은 말단에 설치되는 수술도구의 무게가 무거워질수록 기저부에 설치되는 브레이크 유닛들의 용량이 커져야 할 뿐만 아니라 상기 브레이크 유닛들이 감당해야 되는 부하가 증가되어 상기 브레이크 유닛들이 파손되는 현상이 발생된다는 문제점이 있었다.

일본공개특허 제2008-86711호(2008. 04. 17. 공개) 한국등록특허 제10-0994101호(2010. 11. 12. 공고) 한국등록특허 제10-0421426호(2004. 03. 09. 공고) 한국등록특허 제10-0695468호(2007. 03. 16. 공고)

따라서, 본 발명의 목적은 수술도구의 위치에 상관없이 항상 균형을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 위급 상황 시 작동되어 브레이크 기능을 하는 브레이크 유닛들의 부하를 최소화시킬 수 있는 수동 조작형 수술로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 의한 수동 조작형 수술로봇은 베이스 플레이트에 마련되는 복수개의 지지 브래킷들에 각각 회전 가능하게 힌지 연결되는 복수개의 링크유닛과, 상기 링크유닛과 연동되어 회전되는 상기 힌지에 연결되어 상기 링크유닛의 회전을 제어하는 브레이크 유닛과, 상기 복수개의 링크유닛의 상단부에 설치되며 말단부에는 수술도구가 설치되는 암부 및, 상기 복수개의 링크유닛과 암부에 연결되어 상기 브레이크 유닛에 가해지는 부하를 저감시킴과 동시에 상기 복수개의 링크유닛의 균형이 무너지는 것을 방지하는 카운터 밸런싱 유닛을 포함한다.

일예를 들면, 상기 링크유닛은 상기 지지 브래킷에 회전 가능하게 힌지 연결되며 상기 카운터 밸런싱 유닛과 연결되는 제1 링크부 및, 상기 제1 링크부와 상기 암부에 2축 회전 연결수단에 의해 회전 가능하게 연결되는 제2 링크부를 포함한다.

일예를 들면, 상기 카운터 밸런싱 유닛은 상기 복수개의 링크유닛의 하단부에 각각 연결되어 상기 복수개의 링크유닛의 중력방향의 움직임에 대하여 상기 복수개의 브레이크 유닛에 가해지는 부하를 저감시킴과 동시에 상기 복수개의 링크유닛의 중력방향과 수직한 방향의 움직임에 대해서는 상기 복수개의 링크유닛의 이동방향으로 힘을 더 가해주는 복수개의 제1 밸런싱 수단 및, 상기 복수개의 링크유닛을 상부 방향으로 잡아당길 수 있도록 상기 암부에 연결되어 상기 제1 밸런싱 수단에 의해 상기 복수개의 링크유닛의 이동방향으로 가해지는 힘을 상쇄시킴과 동시에 상기 복수개의 링크유닛의 중력방향의 움직임에 대하여 상기 복수개의 브레이크 유닛의 부하를 저감시키는 제2 밸런싱 수단을 포함한다.

일예를 들면, 상기 제1 밸런싱 수단은 상기 링크유닛의 하단부에 연결되는 와이어 및, 상기 와이어에 분리 교체 가능하게 연결되는 적어도 하나의 웨이트를 포함한다.

여기서, 상기 제1 밸런싱 수단은 상기 와이어를 지지하는 적어도 하나의 풀리와, 상기 웨이트가 분리 교체 가능하게 슬라이딩 체결되는 적어도 한 쌍의 가이드를 더 포함할 수 있다.

일예를 들면, 상기 제2 밸런싱 수단은 상기 암부에 연결되는 와이어와, 상기 와이어를 지지하는 복수개의 풀리 및, 상기 와이어에 연결되는 적어도 하나의 웨이트를 포함한다.

여기서, 상기 제2 밸런싱 수단은 상기 웨이트가 분리 교체 가능하게 슬라이딩 체결되는 적어도 한 쌍의 가이드를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 수동 조작형 수술로봇은 상기 링크 유닛과 상기 지지 브래킷 사이의 힌지 결합에서 독립 관절이 형성될 수 있고, 상기 링크 유닛과 상기 브레이크 유닛 사이 또는 상기 링크 유닛과 상기 암부 사이의 힌지 결합에서 종속 관절이 형성될 수 있다.

상기 독립 관절 및 상기 종속 관절을 접히게 하는 제1 힘은 상기 독립 관절 및 상기 종속 관절을 피게 하는 제2 힘과 동일할 수 있다.

상기 독립 관절 및 상기 종속 관절을 접히게 하는 제1 힘은 상기 독립 관절에 대한 자체 토크, 및 상기 독립 관절의 토크에 대응되도록 변환된 상기 종속 관절에 대한 토크의 합일 수 있다.

상기 독립 관절 및 상기 종속 관절을 피게 하는 제2 힘은 상기 제1 밸런싱 수단에 의해 작용하는 힘, 및 상기 암부의 무게를 포함하여 상기 제2 밸런싱 수단에 의해 작용하는 힘의 합일 수 있다. 이때, 상기 제2 밸런싱 수단에 의해 작용되는 힘은 상기 독립 관절의 토크에 대응되도록 변환될 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 수동 조작형 수술로봇은 수술도구 또는 암부가 주요 장기의 근처와 같은 위험 위치에 도달하게 되면 브레이크 유닛이 작동되어 링크의 움직임을 제한함으로써 보다 안전한 수술 환경을 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 제1, 2 밸런싱 수단에 의해 수술도구의 중량을 보상함으로써 복수개의 브레이크 유닛에 가해지는 부하를 최소화시켜 상기 브레이크 유닛의 용량을 최소화시킬 수 있도록 함으로써 제작비용의 절감은 물론, 수술로봇을 보다 콤팩트(compact)하게 제작할 수 있는 장점이 있다.

이에 더하여, 제1 밸런싱 수단에 의해 상기 복수개의 링크유닛의 이동방향으로 가해지는 힘을 제2 밸런싱 수단에 의해 상쇄시켜 힘의 균형을 이루도록 함으로써 수술도구의 위치에 상관없이 링크유닛이 항상 균형을 유지할 수 있도록 하여 사용자의 편의성을 극대화시킴과 동시에 보다 안정적인 수술환경을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 수동 조작형 수술로봇의 사시도
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 수동 조작형 수술로봇의 사시도
도 3은 도 1 또는 도 2의 수동 조작형 수술로봇에서 발생되는 토크들 간의 관계를 설명하기 위한 도면

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.

<제1 실시예>

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 수동 조작형 수술로봇의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 수동 조작형 수술로봇(100)은 베이스 플레이트(110), 복수개의 지지 브래킷(120), 복수개의 링크유닛(130), 복수개의 브레이크 유닛(140), 암부(150), 카운터 밸런싱 유닛(160)을 포함한다.

상기 베이스 플레이트(110)는 사각평판 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 베이스 플레이트(110)에는 후술되는 제1 밸런싱 수단(161)의 와이어(161a)에 의해 관통되는 복수개의 장 홀(111)이 형성된다. 예를 들면, 상기 베이스 플레이트(110)에는 3개의 장 홀(111)이 일정간격 이격되도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 복수개의 지지 브래킷(120)은 한 쌍이 한 조로 구성되어 상기 베이스 플레이트(110)에 일정간격 이격되도록 설치된다. 일예를 들면, 상기 복수개의 지지 브래킷(120)은 3쌍이 상기 장 홀(111)의 외측에 위치하도록 상기 베이스 플레이트(110)에 일정간격 이격되도록 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 베이스 플레이트(110)에는 상기 복수개의 지지 브래킷(120)의 일측 옆에 위치하도록 복수개의 브레이크 설치브래킷(170)이 설치된다.

또한, 상기 베이스 플레이트(110)에는 지지대(180)가 설치된다. 예를 들면, 상기 지지대(180)는 'ㄱ'자 형태로 형성되어 상기 베이스 플레이트(110)에 설치될 수 있다. 여기서, 상기 지지대(180)는 후술되는 제2 밸런싱 수단(162)의 와이어(162a)를 지지하는 복수개의 풀리(162b)가 설치된다.

상기 복수개의 링크유닛(130)은 각각 상기 복수개의 지지 브래킷(120)에 회전 가능하게 힌지(190)와 연결된다. 여기서, 상기 복수개의 링크유닛(130)은 상기 힌지(190)와 함께 연동되어 회전될 수 있도록 상기 복수개의 지지 브래킷(120)에 각각 연결되는 것이 바람직하다.

상기 복수개의 브레이크 유닛(140)은 상기 브레이크 설치 브래킷(170)에 설치된다. 상기 브레이크 설치 브래킷(170)에 설치된 상기 브레이크 유닛(140)의 회전축(141)은 상기 링크유닛(130)을 지지 브래킷(120)에 회전 가능하게 연결하는 상기 힌지(190)와 연결된다. 따라서, 암부(150)에 설치된 수술도구가 주요 장기나 위험 지역에 위치하게 되면 상기 브레이크 유닛(140)이 작동되어 상기 힌지(190)가 회전되는 것을 방지함으로써 상기 링크유닛(130)의 움직임을 제어할 수 있도록 한다. 한편, 본 실시예에서, 상기 브레이크 유닛(140)은 마그네틱 브레이크 및 브레이크용 모터 중 어느 하나일 수 있다.

상기 암부(150)는 복수개의 링크유닛(130)의 상단부에 설치된다. 그리고, 상기 암부(150)의 말단부에는 수술도구(도시되지 않음)가 설치된다. 보다 상세하게 설명하면, 상기 암부(150)는 상기 복수개의 링크유닛(130)의 상단부에 회전 가능하게 연결되는 상판(151)에 설치되며, 상기 암부(150)의 말단부에 수술도구가 설치된다. 여기서, 상기 상판(151)은 상기 복수개의 링크유닛(130)과 2축 회전 연결수단(152)에 의해 연결되는 것이 바람직하다.

상기 카운터 밸런싱 유닛(160)은 상기 복수개의 링크유닛(130)과 암부(150)에 연결되어 상기 브레이크 유닛들(140)에 가해지는 부하를 저감시킴과 동시에 상기 복수개의 링크유닛(130)의 균형이 무너지는 것을 방지한다.

다음으로, 본 실시예에 의한 수술로봇(100)의 상기 링크유닛(130)의 구성에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

상기 링크유닛(130)은 제1 링크부(131)와 제2 링크부(132)를 포함한다.

상기 제1 링크부(131)는 상기 지지 브래킷(120)에 회전 가능하게 힌지(190) 연결되며, 상기 카운터 밸런싱 유닛(160)과 연결된다. 예를 들면, 상기 제1 링크부(131)는 상기 지지 브래킷(120)에 중앙부가 회전 가능하게 힌지(190) 연결되며 하부 끝단부가 상기 카운터 밸런싱 유닛(160)의 제1 밸런싱 수단(161)과 연결된다.

상기 제2 링크부(132)는 상기 제1 링크부(131)와 상기 암부(150)에 2축 회전 연결수단(133)(152)에 의해 회전 가능하게 연결된다. 예를 들면, 상기 제2 링크부(132)는 하단부가 상기 제1 링크부(131)와 2축 회전 연결수단(133)에 의해 연결되며, 상단부는 상기 암부(150)에 마련된 상판(151)과 2축 회전 연결수단(152)에 의해 연결된다. 여기서, 상기 2축 연결수단(133)(152)은 상기 제1 링크부(131) 또는 상기 상판(151)에 제1 힌지(134)(153)에 의해 연결되는 바디부(133a)(152a)와, 상기 바디부(133a)(152a)에 돌출 형성되어 상기 제2 링크부(132)의 양측 끝단부가 회전 가능하게 연결되는 제2 힌지부(133b)(152b)를 포함한다.

다음으로, 본 실시예에 의한 수술로봇(100)의 카운터 밸런싱 유닛(160)의 구성에 대하여 설명한다.

상기 카운터 밸런싱 유닛(160)은 복수개의 제1 밸런싱 수단(161)과 제2 밸런싱 수단(162)을 포함한다.

상기 제1 밸런싱 수단(161)은 상기 복수개의 링크유닛(130)의 하단부에 각각 연결되어 상기 복수개의 링크유닛(130)의 중력방향(Z축 방향)의 움직임에 대하여 상기 복수개의 브레이크 유닛(140)에 가해지는 부하를 저감시킨다. 이에 더하여 상기 제1 밸런싱 수단(161)은 상기 복수개의 링크유닛(130)의 중력방향(Z축 방향)과 수직한 방향(X축 또는 Y축 방향)의 움직임에 대해서는 상기 복수개의 링크유닛(130)의 이동방향으로 힘을 더 가해준다.

여기서, 상기 제1 밸런싱 수단(161)은 와이어(161a)와 웨이트(161b)를 포함한다.

상기 와이어(161a)는 일측 끝단부가 상기 링크유닛(130), 즉 제1 링크부(131)의 하단부에 연결되며, 타측 끝단부는 상기 베이스 플레이트(110)에 형성된 장 홀(111)을 관통한다.

상기 웨이트(161b)는 상기 장 홀(111)을 관통한 상기 와이어(161a)의 타측 끝단부에 연결된다. 여기서, 상기 웨이트(161b)는 상기 와이어(161a)에 분리 교체 가능하게 연결되는 것이 바람직하다.

상기 제2 밸런싱 수단(162)은 상기 복수개의 링크유닛(130)을 상부 방향으로 잡아당길 수 있도록 상기 암부(150)에 연결된다. 보다 상세하게 설명하면 상기 제2 밸런싱 수단(162)은 상기 복수개의 링크유닛(130)이 배치되어 있는 베이스 플레이트(110)의 센터라인(CL)을 따라 상기 복수개의 링크유닛(130)을 상부 방향으로 잡아당길 수 있도록 상기 암부(150)에 연결된다.

따라서, 상기 제2 밸런싱 수단(162)은 상기 제1 밸런싱 수단(161)에 의해 상기 복수개의 링크유닛(130)의 이동방향으로 가해지는 힘을 상쇄시킨다. 이에 더하여 상기 제2 밸런싱 수단(162)은 상기 복수개의 링크유닛(130)의 중력방향(Z축 방향)의 움직임에 대하여 상기 복수개의 브레이크 유닛(140)의 부하를 저감시킨다.

그러므로, 상기 카운터 밸런싱 유닛(160)은 상기 브레이크 유닛들(140)에 가해지는 부하를 최소화시킴과 동시에 상기 복수개의 링크유닛(130)의 균형이 무너지는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 상기 제2 밸런싱 수단(162)은 와이어(162a), 복수개의 풀리(162b), 웨이트(162c)를 포함한다.

상기 와이어(161a)는 상기 암부(150)에 일측 끝단부가 연결된다.

상기 복수개의 풀리(162b)는 상기 베이스 플레이트(110)에 설치된 지지대(180)에 일정간격으로 설치되어 상기 암부(150)에 연결된 와이어(162a)를 지지한다. 예를 들면, 상기 풀리(162b)는 상기 와이어(161a)의 방향이 바뀌는 지지대(180)의 2개소에 각각 1개씩 설치되는 것이 바람직하다.

상기 웨이트(162c)는 상기 와이어(162a)의 타측 끝단부에 연결된다. 여기서, 상기 웨이트(162c)는 상기 와이어(162a)에 분리 교체 가능하게 연결되는 것이 바람직하다.

<제2 실시예>

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 수동 조작형 수술로봇의 사시도이다.

본 실시예에 의한 수동 조작형 수술로봇(200)은 카운터 밸런싱 유닛(260)을 제외하면, 제1 실시예에 의한 수동 조작형 수술로봇(100)과 실질적으로 동일하므로 상기 카운터 밸런싱 유닛(260)의 일부 내용을 제외한 다른 구성요소에 대한 자세한 설명은 생략하기로 하고, 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하겠다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 수동 조작형 수술로봇(200)의 카운터 밸런싱 유닛(260)은 복수개의 제1 밸런싱 수단(261)과 제2 밸런싱 수단(262)을 포함한다.

상기 제1 밸런싱 수단(261)은 상기 복수개의 링크유닛(130)의 하단부에 각각 연결되어 상기 복수개의 링크유닛(130)의 중력방향(Z축 방향)의 움직임에 대하여 상기 복수개의 브레이크 유닛(140)에 가해지는 부하를 저감시킨다. 이에 더하여 상기 제1 밸런싱 수단(261)은 상기 복수개의 링크유닛(130)의 중력방향(Z축 방향)과 수직한 방향(X축 또는 Y축 방향)의 움직임에 대해서는 상기 복수개의 링크유닛(130)의 이동방향으로 힘을 더 가해준다.

여기서, 상기 제1 밸런싱 수단(261)은 와이어(261a), 풀리(261c), 적어도 한 쌍의 가이드(261d), 복수개의 웨이트(261b)를 포함한다.

상기 와이어(261a)는 일측 끝단부가 상기 링크유닛(130), 즉 제1 링크부(131)의 하단부에 연결되며, 타측 끝단부는 상기 베이스 플레이트(110)에 형성된 장 홀(111)을 관통한다.

상기 풀리(261c)는 상기 베이스 플레이트(110)의 하부에 설치되어 상기 장 홀(111)을 관통한 상기 와이어(261a)를 지지한다.

상기 적어도 한 쌍의 가이드(261d)는 상기 베이스 플레이트(110)의 하부에 구비된다.

상기 복수개의 웨이트(261b)는 상기 한 쌍의 가이드(261d)에 양측 끝단부가 슬라이딩 체결되어 적층된다. 그리고, 상기 복수개의 웨이트(261b)는 상기 와이어(261a)의 타측 끝단부에 연결된다. 여기서, 상기 복수개의 웨이트(261b)는 상기 한 쌍의 가이드(161d)에 분리 교체 가능하게 슬라이딩 체결되는 것이 바람직하다.

상기 제2 밸런싱 수단(262)은 상기 복수개의 링크유닛(130)을 상부 방향으로 잡아당길 수 있도록 상기 암부(150)에 연결된다. 보다 상세하게 설명하면 상기 제2 밸린싱 수단(262)은 상기 복수개의 링크유닛(130)이 배치되어 있는 베이스 플레이트(110)의 센터라인(CL)을 따라 상기 복수개의 링크유닛(130)을 상부 방향으로 잡아당길 수 있도록 상기 암부(152)에 연결된다. 따라서, 상기 제2 밸런싱 수단(262)은 상기 제1 밸런싱 수단(261)에 의해 상기 복수개의 링크유닛(130)의 이동방향으로 가해지는 힘을 상쇄시킨다. 이에 더하여 상기 제2 밸런싱 수단(262)은 상기 복수개의 링크유닛(130)의 중력방향(Z축 방향)의 움직임에 대하여 상기 복수개의 브레이크 유닛(140)의 부하를 저감시킨다.

그러므로, 상기 카운터 밸런싱 유닛(260)은 상기 브레이크 유닛들(140)에 가해지는 부하를 최소화시킴과 동시에 상기 복수개의 링크유닛(130)의 균형이 무너지는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 상기 제2 밸런싱 수단(262)은 와이어(262a), 복수개의 풀리(262b), 적어도 한 쌍의 가이드(262d), 복수개의 웨이트(262c)를 포함한다.

상기 와이어(262a)는 상기 암부(150)에 일측 끝단부가 연결된다.

상기 복수개의 풀리(262b)는 상기 베이스 플레이트(110)에 설치된 지지대(180)에 일정간격으로 설치되어 상기 암부(150)에 연결된 와이어(262a)를 지지한다. 예를 들면, 상기 풀리(262b)는 상기 와이어(262a)의 방향이 바뀌는 지지대(180)의 2개소에 각각 1개씩 설치되는 것이 바람직하다.

상기 적어도 한 쌍의 가이드(262d)는 상기 베이스 플레이트(110)의 하부에 구비된다.

상기 복수개의 웨이트(262c)는 상기 한 쌍의 가이드(262d)에 양측 끝단부가 슬라이딩 체결된다. 그리고, 상기 복수개의 웨이트(262c)는 상기 와이어(262a)의 타측 끝단부에 연결된다. 여기서, 상기 복수개의 웨이트(262c)는 상기 한 쌍의 가이드(262d)에 분리 교체 가능하게 슬라이딩 체결되는 것이 바람직하다.

다시, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 수동 조작형 수술로봇의 작용효과에 대하여 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 수동 조작형 수술로봇(100, 200)을 사용하여 수술을 하기 위해서는 먼저, 암부(150)의 말단부에는 수술 시 필요한 수술도구(도시되지 않음)를 설치한다.

상기와 같이 암부(150)에 수술도구의 설치를 마치게 되면, 사용자가 상기 암부(150) 또는 수술도구를 손으로 잡과 수동 조작을 통해 상기 수술도구를 수술하려는 위치에 근접하도록 이동시킨다.

여기서, 사용자의 수동 조작에 의해 링크유닛(130)이 자유롭게 움직일 수 있어야 함으로써 상기 링크유닛(130)을 지지 브래킷(120)에 회전 가능하게 연결하는 힌지(190)와 연결된 브레이크 유닛들(140)은 작동되지 않는다. 즉, 상기 브레이크 유닛들(140)의 회전축(141)은 사용자의 수동 조작에 따라 상기 링크유닛(130)을 지지 브래킷(120)에 회전 가능하게 연결하는 힌지(190)와 연동되어 자유롭게 회전되는 상태를 유지한다.

한편, 상기 수술도구 또는 암부(150)에 설치된 센서(도시되지 않음)에 의해 상기 수술도구 또는 암부가 주요 장기의 근처와 같은 위험 위치에 도달하게 되면 제어부(도시되지 않음)에 의해 상기 브레이크 유닛들(140)이 작동되어 상기 힌지(190)가 회전되지 않도록 함으로써 상기 링크유닛(130)의 움직임을 제한하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 수동 조작형 수술로봇(100, 200)은 사용자에게 보다 안전한 수술 환경을 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 카운터 밸런싱 유닛(160, 260)의 제1 밸런싱 수단(161, 261)은 상기 복수개의 링크유닛(130)의 하단부에 각각 연결되어 상기 복수개의 링크유닛(130)의 중력방향(Z축 방향)의 움직임에 대하여 상기 복수개의 브레이크 유닛(140)에 가해지는 부하를 저감시킨다.

이에 더하여, 상기 카운터 밸런싱 유닛(160, 260)의 제2 밸런싱 수단(162, 262)은 베이스 플레이트(110)의 센터라인(CL)을 따라 상기 복수개의 링크유닛(130)을 상부 방향으로 잡아당김으로써 상기 복수개의 링크유닛(130)의 중력방향(Z축 방향)의 움직임에 대하여 상기 복수개의 브레이크 유닛(140)의 부하를 더욱 저감시킨다.

따라서, 본 발명에 따른 수동 조작형 수술로봇(100, 200)은 제1, 2 밸런싱 수단(161, 261)(162, 262)에 의해 암부(150)에 설치되는 수술도구의 중력을 보상함으로써 브레이크 유닛들(140)의 용량을 최소화시킬 수 있도록 하여 제작비용의 절감은 물론 수술로봇(100, 200)을 보다 콤팩트하게 제작할 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기 제1 밸런싱 수단(161, 261)은 상기 복수개의 링크유닛(130)의 중력방향(Z축 방향)과 수직한 방향(X축 또는 Y축 방향)의 움직임에 대해서는 상기 복수개의 링크유닛(130)의 이동방향으로 힘을 더 가해준다.

이에 반해, 상기 제2 밸런싱 수단(162, 262)은 베이스 플레이트(110)의 센터라인(CL)을 따라 상기 복수개의 링크유닛(130)을 상부 방향으로 잡아당김으로써 상기 제1 밸런싱 수단(161)에 의해 상기 복수개의 링크유닛(130)의 이동방향으로 가해지는 힘을 상쇄시켜 수술도구의 위치에 상관없이 링크유닛(130)이 항상 균형을 유지할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 수동 조작형 수술로봇(100, 200)은 사용자의 편의성을 극대화시킴과 동시에 보다 안정적인 수술환경을 제공할 수 있는 장점이 있다.

<수동 조작형 수술로봇에서의 토크 관계>

도 3은 도 1 또는 도 2의 수동 조작형 수술로봇에서 발생되는 토크들 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 암부(150)에서의 상판(151)의 무게와 상기 링크 유닛(130)에 의한 각 링크의 무게는 중력에 의해 중력방향(Z축 방향), 즉 아래 방향으로 움직이려는 힘이 생성되고, 평형을 위하여 도 3과 같이 아래 방향으로 상기 제1 밸런싱 수단(161, 261)에 의한 평형추를 달아 상기 상판(151)과 상기 각 링크 무게를 지탱할 수 있다.

또한, 상기 상판(151)을 위로 당기는 힘, 즉 상기 제2 밸런싱 수단(162, 262)에 의한 풀리와 무게추를 사용하여 상기 상판(151)을 위로 당기는 힘을 생성하여, 아래 방향으로 작용되는 상기 평형추와 마찬가지로 상기 상판(151)과 상기 각 링크의 무게를 지탱할 수 있다. 이때, 아래 방향으로 당기는 힘과, 위로 당기는 힘의 합이 제로로 만들어 평형을 유지시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에서와 같이, 아래 방향으로 당기는 힘과 위로 당기는 힘 모두를 사용하여 평형을 유지할 경우, 가장 좋은 평형 상태를 유지할 수 있다.

구체적으로 설명하면, 아래 방향으로만 힘이 작용하도록 상기 평형추를 다는 경우, 비선형성을 가지는 위와 같은 병렬형 구조에서는 평형을 유지하려는 하나의 자세에서만 효과가 있으며, 조금이라도 움직이게 되면 그 평형이 깨지게 되어 매 자세마다 상기 평행추의 무게나 연장되는 링크의 길이를 조절해야 된다. 또한, 위로 당기는 힘만 적용할 경우, 현재의 자세로 수렴하려는 성질이 강해 다른 자세로의 평형이 힘들다. 따라서, 아래 방향으로 힘만 작용할 경우는 무너지려는 성질이 있고, 위 방향으로 당기는 힘만 작용할 경우, 한 곳으로 수렴하려는 성질이 있어, 이들이 서로 싸우면서 균형을 이룸으로써, 모든 자세에서 가장 좋은 평형 상태를 유지할 수 있다.

한편, 도 1 내지 도 3을 다시 참조하여, 상기 수동 조작형 수술로봇에는 독립 관절 및 종속 관절이 포함되어 있다. 구체적으로, 상기 독립 관절은 상기 제1 링크부(131)가 상기 지지 브래킷(120)과의 힌지 결합에서 형성될 수 있다. 또한, 상기 종속 관절은 상기 제1 및 제2 링크부들(131, 132) 사이의 힌지 결합과, 상기 제2 링크부(132)와 상기 상판(151) 사이의 힌지 결합에서 형성될 수 있다.

따라서, 상기 독립 관절 및 상기 종속 관절을 접히게 하는 제1 힘은 상기 독립 관절 및 상기 종속 관절을 피게 하는 제2 힘이 동일할 경우, 상기 수동 조작형 수술로봇은 밸런싱에서의 평형을 이룰 수 있다.

이때, 상기 독립 관절 및 상기 종속 관절을 접히게 하는 제1 힘은 상기 독립 관절에 대한 자체 토크, 및 상기 독립 관절의 토크에 대응되도록 변환된 상기 종속 관절에 대한 토크의 합일 수 있다.

또한, 상기 독립 관절 및 상기 종속 관절을 피게 하는 제2 힘은 상기 제1 밸런싱 수단에 의해 작용하는 힘, 및 상기 암부의 무게를 포함하여 상기 제2 밸런싱 수단에 의해 작용하는 힘의 합일 수 있다. 이때, 상기 제2 밸런싱 수단에 의해 작용되는 힘은 상기 독립 관절의 토크에 대응되도록 변환될 수 있다.

구체적으로, 위에서 설명된 각 힘의 평형를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

상기 <수학식 1>의 우변을 살펴보면,

우변 항목 1 :

는 독립관절에 대한 자체 토크이다.

우변 항목 2 :

는 독립관절 토크에 대응되도록 변환한 종속관절에 의한 토크이다. 이때,

는 독립관절과 종속관절의 속도 관계식이고,

는 종속관절에 대한 자체 토크이다.

우변 항목 3 :

는 독립관절 토크에 대응되도록 변환된 각 링크들의 중력에 의한 토크이다. 이때,

는 독립관절과 모든 관절과의 속도관계식이고,

는 각 링크들의 중력에 의한 토크로 아래과 같이 표현된다.

j 번째 체인의 i 번째 링크

는 모든 관절과 링크들의 중앙에서의 속도관계임.

우변 항목 4 :

는 독립관절 토크에 대응되도록 변환된 상판의 당기는 힘이다. 이때,

는 독립관절과 말단(상판 중심에서의 속도)과의 속도 관계식이고,

는 상판의 무게를 포함한 상판에서 위로 당기는 힘이다.

우변 항목 5 :

는 아래 방향으로의 평형추에 대한 토크(독립관절 토크에 직접 대응되는 토크)이며 다음과 같이 표현된다.

좌변 항목 :

는 위에 나열된 각각의 독립관절로 표현된 토크들(우변 항목 1 내지 5에서의 토크들)의 합이다. 이때,

의 토크가 제로이면 평형상태이다. 즉, 표현 할 수 있는 모든 토크와 힘들을 독립관절로 표현하여 그 합이 제로이면 평형상태에 있다고 할 수 있다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

(100)(200) : 수술로봇 (110) : 베이스 플레이트
(120) : 지지 브래킷 (130) : 링크유닛
(140) : 브레이크 유닛 (150) : 암부
(160)(260) : 카운터 밸런싱 유닛 (170) : 브레이크 설치 브래킷
(180) : 지지대

Claims (13)

1. 베이스 플레이트에 마련되는 복수개의 지지 브래킷들에 각각 회전 가능하게 힌지 연결되는 복수개의 링크유닛;
   상기 링크유닛과 연동되어 회전되는 상기 힌지에 연결되어 상기 링크유닛의 회전을 제어하는 브레이크 유닛;
   상기 복수개의 링크유닛의 상단부에 설치되며 말단부에는 수술도구가 설치되는 암부; 및
   상기 복수개의 링크유닛과 암부에 연결되어 상기 브레이크 유닛에 가해지는 부하를 저감시킴과 동시에 상기 복수개의 링크유닛의 균형이 무너지는 것을 방지하는 카운터 밸런싱 유닛을 포함하는 수동 조작형 수술로봇.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 링크유닛은,
   상기 지지 브래킷에 회전 가능하게 힌지 연결되며 상기 카운터 밸런싱 유닛과 연결되는 제1 링크부; 및
   상기 제1 링크부와 상기 암부에 2축 회전 연결수단에 의해 회전 가능하게 연결되는 제2 링크부를 포함하는 수동 조작형 수술로봇.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 카운터 밸런싱 유닛은,
   상기 복수개의 링크유닛의 하단부에 각각 연결되어 상기 복수개의 링크유닛의 중력방향의 움직임에 대하여 상기 복수개의 브레이크 유닛에 가해지는 부하를 저감시킴과 동시에 상기 복수개의 링크유닛의 중력방향과 수직한 방향의 움직임에 대해서는 상기 복수개의 링크유닛의 이동방향으로 힘을 더 가해주는 복수개의 제1 밸런싱 수단; 및
   상기 복수개의 링크유닛을 상부 방향으로 잡아당길 수 있도록 상기 암부에 연결되어 상기 제1 밸런싱 수단에 의해 상기 복수개의 링크유닛의 이동방향으로 가해지는 힘을 상쇄시킴과 동시에 상기 복수개의 링크유닛의 중력방향의 움직임에 대하여 상기 복수개의 브레이크 유닛의 부하를 저감시키는 제2 밸런싱 수단을 포함하는 수동 조작형 수술로봇.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제1 밸런싱 수단은,
   상기 링크유닛의 하단부에 연결되는 와이어; 및
   상기 와이어에 분리 교체 가능하게 연결되는 적어도 하나의 웨이트를 포함하는 수동 조작형 수술로봇.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제1 밸런싱 수단은,
   상기 와이어를 지지하는 적어도 하나의 풀리; 및
   상기 웨이트가 분리 교체 가능하게 슬라이딩 체결되는 적어도 한 쌍의 가이드를 더 포함하는 수동 조작형 수술로봇.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 제2 밸런싱 수단은,
   상기 암부에 연결되는 와이어;
   상기 와이어를 지지하는 복수개의 풀리; 및
   상기 와이어에 연결되는 적어도 하나의 웨이트를 포함하는 수동 조작형 수술로봇.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제2 밸런싱 수단은,
   상기 웨이트가 분리 교체 가능하게 슬라이딩 체결되는 적어도 한 쌍의 가이드를 더 포함하는 수동 조작형 수술로봇.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 수동 조작형 수술로봇은
   상기 링크 유닛과 상기 지지 브래킷 사이의 힌지 결합에서 독립 관절이 형성되고,
   상기 링크 유닛과 상기 브레이크 유닛 사이 또는 상기 링크 유닛과 상기 암부 사이의 힌지 결합에서 종속 관절이 형성되는 수동 조작형 수술로봇.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 독립 관절 및 상기 종속 관절을 접히게 하는 제1 힘은
   상기 독립 관절 및 상기 종속 관절을 피게 하는 제2 힘과 동일한 수동 조작형 수술로봇.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 독립 관절 및 상기 종속 관절을 접히게 하는 제1 힘은
    상기 독립 관절에 대한 자체 토크, 및 상기 독립 관절의 토크에 대응되도록 변환된 상기 종속 관절에 대한 토크의 합인 수동 조작형 수술로봇.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 독립 관절 및 상기 종속 관절을 피게 하는 제2 힘은
    상기 제1 밸런싱 수단에 의해 작용하는 힘, 및 상기 암부의 무게를 포함하여 상기 제2 밸런싱 수단에 의해 작용하는 힘의 합인 수동 조작형 수술로봇.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 밸런싱 수단에 의해 작용되는 힘은
    상기 독립 관절의 토크에 대응되도록 변환되는 수동 조작형 수술로봇.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 브레이크 유닛은
    마그네틱 브레이크 및 브레이크용 모터 중 어느 하나 인 수동 조작형 수술로봇.

Images