수술 로봇 및 수술 로봇 제어 방법

수술 로봇 및 수술 로봇 제어 방법{Surgical robot and control method thereof}

수술 로봇 및 수술 로봇 제어 방법이 개시된다. 더욱 상세하게는 슬레이브 로봇의 로봇 암에 마련된 로봇식 수술기구가 외부환경(인체 조직)과 접촉하는 경우, 로봇식 수술기구가 외부환경으로부터 받는 힘을 측정하기 위한 센서를 슬레이브 로봇에 장착하지 않고도, 로봇식 수술기구가 외부환경으로부터 받는 힘을 마스터 콘솔로 피드백할 수 있는 수술 로봇 및 수술 로봇 제어 방법이 개시된다.

최소 침습 수술(Minimal Invasive Surgery)이란 환부의 크기를 최소화하는 수술을 통칭한다. 최소 침습 수술은 인체의 일부(예: 복부)에 큰 절개창을 열고 시행하는 개복 수술과 달리, 복부에 0.5㎝~1.5㎝ 크기의 적어도 하나의 절개공(또는 침습구)을 내고, 이 절개공을 통해 비디오 카메라와 각종 기구들을 넣은 후 영상을 보면서 시행하는 수술 방법이다.

이러한 최소 침습 수술은 개복 수술과 달리 수술 후 통증이 적고, 장 운동의 조기 회복 및 음식물의 조기 섭취가 가능하며 입원 기간이 짧고 정상 상태로의 복귀가 빠르며 절개 범위가 좁아 미용 효과가 우수하다는 장점을 가진다. 이러한 장점으로 인해 최소 침습 수술은 담낭 절재술, 전립선 암 수술, 탈장 교정술 등에 사용되고 있고 그 분야를 점점 더 넓혀가고 있는 추세이다.

최소 침습 수술에 이용되는 수술 로봇은 마스터 콘솔과 슬레이브 로봇을 포함한다. 마스터 콘솔은 의사의 조작에 따른 제어신호를 생성하여 슬레이브 로봇으로 전송한다. 슬레이브 로봇은 마스터 콘솔로부터 수신한 제어신호에 따라 동작한다.

슬레이브 로봇에는 적어도 하나의 로봇 암이 구비되며, 각 로봇 암의 선단에는 로봇식 수술기구(robotic surgical instrument)가 장착된다. 로봇식 수술기구는 환자의 절개부위(incision point)를 통해 환자의 체내로 삽입된다. 이에 비하여 로봇 암은 절개부위의 외부에 위치하며, 수술이 진행되는 동안 로봇식 수술기구의 위치와 자세를 유지시켜주는 역할을 한다.

수술 도중 로봇식 수술기구가 외부환경(예, 인체 조직)과 접촉하는 경우, 로봇식 수술기구가 외부환경으로부터 받는 힘을 마스터 콘솔로 피드백할 필요가 있다.

슬레이브 로봇의 로봇 암에 마련된 로봇식 수술기구가 외부환경(인체 조직)과 접촉하는 경우, 로봇식 수술기구가 외부환경으로부터 받는 힘을 측정하기 위한 센서를 슬레이브 로봇에 장착하지 않고도, 로봇식 수술기구가 외부환경으로부터 받는 힘을 마스터 콘솔로 피드백할 수 있는 수술 로봇 및 수술 로봇 제어 방법이 제공된다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 수술 로봇의 마스터 콘솔의 일 실시예는 슬레이브 로봇의 로봇식 수술기구를 제어하기 위한 핸들부; 조작자가 상기 핸들부에 가한 힘을 검출하는 힘/토크 검출부; 상기 조작자가 상기 핸들부에 가한 힘을 상쇄시키기 위한 힘 제어신호를 생성하는 힘 보상부; 및 상기 생성된 힘 제어신호 및 상기 핸들부의 모션을 제어하기 위한 모션 제어신호에 기초하여, 상기 핸들부의 적어도 하나의 관절을 구동하는 마스터 제어부를 포함한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 수술 로봇의 일 실시예는 조작자가 원격지의 로봇식 수술기구를 제어하기 위하여 핸들부에 가한 힘을 검출하고, 상기 검출된 힘을 상쇄시키기 위한 힘 제어신호 및 상기 핸들부의 모션을 제어하기 위한 모션 제어신호에 기초하여, 상기 핸들부의 적어도 하나의 관절을 구동하는 마스터 콘솔; 및 상기 검출된 힘에 기초하여 생성된 힘 제어신호 및 상기 핸들부의 모션을 추종하도록 상기 로봇식 수술기구의 모션을 제어하기 위한 모션 제어신호에 기초하여, 상기 로봇식 수술기구의 적어도 하나의 관절을 구동하는 슬레이브 로봇을 포함한다.

로봇식 수술기구에 힘/토크 센서를 구비하지 않고도 로봇식 수술기구와 외부환경과의 접촉으로 인해 로봇식 수술기구가 받는 힘을 마스터 콘솔로 피드백할 수 있으므로, 마스터 콘솔의 조작자에게 실감성을 제공할 수 있다.

로봇식 수술기구에 힘/토크 센서를 구비하지 않아도 되므로, 로봇식 수술기구의 소형화에 맞추어 힘/토크 센서를 소형화할 필요가 없다.

소형화된 힘/토크 센서를 사용하지 않아도 되므로, 소형화된 힘/토크 센서에서 발생된 노이즈로 인해 수술 로봇이 불안정해지는 것을 방지할 수 있다.

로봇식 수술기구에 힘/토크 센서를 구비하지 않아도 되므로, 힘/토크 센서가 장착된 로봇식 수술기구를 폐기하는 경우에 비하여, 비용면에서 유리하다.

도 1은 수술 로봇에 포함된 마스터 콘솔의 외관을 예시한 사시도이다.
도 2는 수술 로봇에 포함된 슬레이브 로봇의 외관을 예시한 사시도이다.
도 3은 가이드 튜브를 통해 전개된 로봇식 수술기구를 예시한 도면이다.
도 4는 수술 로봇의 제어 방법에 대한 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 5는 수술 로봇의 제어 구성에 대한 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 수술 로봇의 제어 구성에 대한 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 7은 수술 로봇의 제어 구성에 대한 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 8은 수술 로봇의 제어 구성에 대한 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 9는 개시된 수술 로봇에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면으로, 로봇식 수술기구의 이동 경로 상에 장애물이 위치한 상태에서, 조작자가 핸들부로 원을 그리는 동작을 수행하는 경우, 핸들부의 엔드 이펙터의 xy 궤적 및 로봇식 수술기구의 엔드 이펙터의 xy 궤적을 도시한 그래프이다.
도 10은 개시된 수술 로봇에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면으로, 상기 동작이 수행되는 동안, 조작자가 핸들부에 가한 힘, 로봇식 수술기구가 외부환경(장애물)에 가한 힘, 핸들부에 작용한 힘, 및 로봇식 수술기구에 작용한 힘의 변화를 도시한 그래프들이다.
도 11은 종래의 수술 로봇에 대한 실험 결과를 도시한 도면으로, 상기 동작이 수행되는 동안, 핸들부의 엔드 이펙터의 xy 궤적 및 로봇식 수술기구의 엔드 이펙터의 xy 궤적을 도시한 그래프이다.
도 12는 종래의 수술 로봇에 대한 실험 결과를 도시한 도면으로, 상기 동작이 수행되는 동안, 조작자가 핸들부에 가한 힘, 로봇식 수술기구가 외부환경(장애물)에 가한 힘, 핸들부에 작용한 힘, 및 로봇식 수술기구에 작용한 힘의 변화를 도시한 그래프들이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 수술 로봇 및 수술 로봇 제어 방법에 대한 실시예들을 설명한다. 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.

개시된 발명은 멀티 포트 수술 로봇 또는 싱글 포트 수술 로봇에 적용될 수 있다. 멀티 포트 수술 로봇은 복수의 로봇식 수술기구를 개별 침습 부위를 통해 환자의 복강 내로 진입시키는 방식의 수술 로봇을 말한다. 이에 비하여 싱글 포트 수술 로봇은 복수의 로봇식 수술기구를 하나의 침습 부위를 통해 환자의 복강 내로 진입시키는 방식의 수술 로봇을 말한다. 이하의 설명에서는 싱글 포트 수술 로봇(이하, '수술 로봇'이라 한다)을 예로 들어 설명하기로 한다.

수술 로봇은 마스터 콘솔 및 슬레이브 로봇을 포함한다. 마스터 콘솔은 슬레이브 로봇에 대하여 원격 제어 기능을 가지는 장치이다. 마스터 콘솔은 조작자의 조작에 따른 제어신호를 슬레이브 로봇으로 전송한다. 슬레이브 로봇은 마스터 콘솔로부터 제어신호를 수신한다. 그리고 수신된 제어신호에 따라 움직여, 수술에 필요한 조작을 환자에게 가한다. 여기서, 조작자는 전문의 또는 의사와 같은 전문 의료진을 말한다. 또는 조작자는 전문 의료진과 동등한 자격을 갖추거나 허가된 사람을 포함할 수 있다. 넓게는 조작자는 수술 로봇의 작동을 제어하는 사용자를 포함할 수 있다.

도 1은 수술 로봇에 포함된 마스터 콘솔의 외관을 예시한 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 마스터 콘솔(100)은 입력부(110L, 110R, 120L, 120R) 및 디스플레이부(180)를 포함할 수 있다.

입력부(110L, 110R, 120L, 120R)는 슬레이브 로봇(도 2의 200)의 동작을 원격으로 조작하기 위한 명령을 조작자로부터 입력받는다. 예를 들어, 입력부(110L, 110R, 120L, 120R)는 핸들부(120L, 120R) 및 클러치 페달(110L, 110R) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도 1은 입력부(110L, 110R, 120L, 120R)로서, 두 개의 클러치 페달(110L, 110R) 및 두 개의 핸들부(120L, 120R)가 구비된 모습을 예시하고 있다.

클러치 페달(110L, 110R)은 수술 로봇의 동작 모드를 전환하는데 사용될 수 있다. 일 예로, 왼쪽 클러치 페달(110L)이 조작된 경우에는 가이드 튜브 조작 모드를 실행하고, 오른쪽 클러치 페달(110R)이 조작된 경우에는 로봇식 수술기구 조작 모드를 실행할 수 있다. 가이드 튜브 조작 모드가 실행되면 조작자는 핸들부(120L, 120R)를 조작하여 가이드 튜브(도 2의 210)의 위치 및 자세를 변경할 수 있다. 로봇식 수술기구 조작 모드가 실행되면 가이드 튜브의 이동은 정지되고, 조작자는 핸들부(120L, 120R)를 조작하여 로봇식 수술기구의 위치 및 자세를 변경할 수 있다.

실시예에 따르면, 로봇식 수술기구 조작 모드는 내시경 조작 모드와 수술기구 조작 모드로 구분될 수 있다. 조작자는 예를 들어, 오른쪽 클러치 페달(110R)에 사전 지정된 횟수만큼 압력을 가하거나, 사전 지정된 시간 동안 압력을 가하여 내시경 조작 모드 또는 수술기구 조작 모드를 실행할 수 있다.

내시경 조작 모드가 실행된 경우, 조작자는 핸들부(120L, 120R)을 조작하여 내시경이 구비된 로봇식 수술기구의 모션을 제어할 수 있다. 내시경 조작 모드가 실행되는 동안, 수술기구가 구비된 로봇식 수술기구의 움직임은 정지될 수 있다. 수술기구 조작 모드가 실행된 경우, 조작자는 핸들부(120L, 120R)를 조작하여 수술기구가 구비된 로봇식 수술기구의 모션을 제어할 수 있다. 수술기구 조작 모드가 실행되는 동안, 내시경이 구비된 로봇식 수술기구의 움직임은 정지될 수 있다.

핸들부(120L, 120R)는 슬레이브 로봇(200)에 마련된 로봇 암 또는 로봇식 수술기구의 움직임을 원격으로 제어하기 위한 부분이다. 핸들부(120L, 120R)는 햅틱 디바이스로 구현될 수 있다. 햅틱 디바이스는 예를 들어, 적어도 하나의 다관절 로봇 손가락을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 다관절 로봇 손가락은 사람의 손과 유사한 형태로 배치될 수 있다. 도 1은 세 개의 다관절 로봇 손가락이 사람의 손의 엄지, 검지 및 중지에 대응하는 위치에 각각 마련된 모습을 보여주고 있다.

도 1은 각각의 핸들부(120L, 120R)에 세 개의 다관절 로봇 손가락이 마련된 모습을 보여주고 있지만, 다관절 로봇 손가락의 개수나 위치는 이로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 각각의 핸들부(120L, 120R)에는 세 개 보다 적거나 많은 개수의 다관절 로봇 손가락이 구비될 수 있으며, 이들 다관절 로봇 손가락들은 사람 손의 엄지, 검지, 중지, 약지 및 소지 중 적어도 하나에 대응하는 위치에 마련될 수 있다.

각각의 다관절 로봇 손가락은 복수의 링크 및 복수의 관절을 포함할 수 있다. 관절은 링크와 링크의 연결부위를 말한다. 관절은 적어도 1 자유도를 가질 수 있다. 여기서, 자유도(Degree of Freedom; DOF)란 정기구학(Forward Kinematics) 또는 역기구학(Inverse Kinematics)에서의 자유도를 말한다. 기구의 자유도란 기구의 독립적인 운동의 수, 또는 각 링크 간의 상대 위치의 독립된 운동을 결정하는 변수의 수를 말한다. 예를 들어, x축, y축, z축으로 이루어진 3차원 공간 상의 물체는 물체의 공간적인 위치(position)를 결정하기 위한 3 자유도(각 축에서의 위치)와, 물체의 공간적인 자세(orientation)를 결정하기 위한 3 자유도(각 축에 대한 회전 각도) 중에서 하나 이상의 자유도를 갖는다. 만약, 물체가 각각의 축을 따라 이동 가능하고, 각각의 축을 기준으로 회전 가능하다고 한다면, 이 물체는 6 자유도를 갖는 것으로 이해될 수 있다.

다관절 로봇 손가락의 각 관절에는 각 관절의 상태와 관련된 정보(이하, 상태 정보)를 검출하기 위한 검출부가 마련될 수 있다. 검출부는 관절의 위치(즉, 관절각)를 검출하기 위한 위치 검출부, 관절의 속도를 검출하기 위한 속도 검출부를 포함할 수 있다.

다관절 로봇 손가락의 선단은 마스터 콘솔(100)의 엔드 이펙터로 이해될 수 있다. 다관절 로봇 손가락의 선단에는 예를 들어, 반지형 고리가 마련될 수 있다. 조작자는 반지형 고리에 손가락 끝을 삽입할 수 있다. 조작자가 손가락을 반지형 고리에 끼운 상태로 손가락을 움직이는 경우, 손가락의 움직임에 대응하여 다관절 로봇 손가락이 움직이게 되고, 다관절 로봇 손가락의 각 관절에 마련된 검출부에서는 각 관절의 상태와 관련된 정보를 검출한다.

각 검출부에서 검출된 각 관절의 위치 및 속도는 로봇식 수술기구의 각 관절이 추종해야할 목표 위치 및 속도로 변환된다. 변환된 목표 위치 및 목표 속도는, 네트워크를 통해 슬레이브 로봇(도 2의 200)으로 전송된다. 이 때, 네트워크는 유선 네트워크, 무선 네트워크, 또는 유/무선 복합 네트워크일 수 있다.

도 1은 각각의 핸들부(120L, 120R)에 복수의 다관절 로봇 손가락이 마련된 경우를 도시하고 있으나, 핸들부(120L, 120R)의 형상은 다관절 로봇 손가락으로 제한되는 것은 아니다. 일 예로, 핸들부(120L, 120R)는 조작자가 손으로 감쌀 수 있도록 펜슬 형상 또는 스틱 형상을 가지는 햅틱 디바이스로 구현될 수도 있다. 다른 예로, 핸들부(120L, 120R)는 조작자가 적어도 두 개의 손가락을 끼울 수 있도록 가위 형상을 가지는 햅틱 디바이스로 구현될 수도 있다. 또 다른 예로, 핸들부(120L, 120R)는 조작자가 모든 손가락을 끼울 수 있도록 글러브 형상을 가지는 햅틱 디바이스로 구현될 수도 있다.

도 1은 좌측 핸들부(120L) 및 우측 핸들부(120R)가 모두 적어도 하나의 다관절 로봇 손가락을 포함하는 햅틱 디바이스로 구현된 경우를 도시하고 있지만, 좌측 핸들부(120L) 및 우측 핸들부(120R)는 서로 다른 형상을 가지는 햅틱 디바이스로 구현될 수도 있다. 예를 들어, 좌측 핸들부(120L)는 가위 형상을 가지는 햅틱 디바이스로 구현되고, 우측 햅틱 디바이스(111R)는 적어도 하나의 다관절 로봇 손가락을 포함하는 햅틱 디바이스로 구현될 수 있다.

지지 링크(103L, 103R)는 좌측 및 우측에 각각 마련된다. 지지 링크(103L, 103R)은 핸들부(120L, 120R)와 기계적으로 연결된다. 지지 링크(103L, 103R)는 조작자의 손목부터 팔꿈치를 지지하는 역할을 한다. 이를 위해 지지 링크(103L, 103R)는 손목 지지부(102L, 102R) 및 팔꿈치 지지부(104L, 104R)를 포함할 수 있다.

손목 지지부(102L, 102R)는 조작자의 손목과 대응하는 위치에 배치된다. 손목 지지부(102L, 102R)는 다양한 형상을 가질 수 있다. 일 예로, 손목 지지부(102L, 102R)는 도 1에 도시된 바와 같이, 고리형으로 만들어질 수 있다. 이 경우, 조작자는 고리형의 손목 지지부(102L, 102R)로 손을 통과시킨 후, 적어도 하나의 손가락의 끝을 다관절 로봇 손가락의 반지형 고리에 삽입시킨다. 다른 예로, 손목 지지부(102L, 102R)는 반고리형(semicircual)으로 만들어질 수 있다. 이 경우, 반고리형의 개방된 부분은 내측 즉, 조작자를 향하도록 배치되고, 반고리형의 곡선 부분은 외측을 향하도록 배치될 수 있다. 또는, 반고리형의 곡선 부분이 내측을 향하도록 배치되고, 반고리형의 개방된 부분이 외측을 향하도록 배치될 수 있다. 또는, 반고리형의 곡선 부분이 지면을 향하여 배치되고, 반고리형의 개방된 부분이 지면과 반대 방향으로 배치될 수 있다. 이러한 손목 지지부(102L, 102R)에는 힘/토크 검출부가 마련될 수 있다. 힘/토크 검출부는 조작자가 핸들부(120L, 120R)에 가한 힘을 검출한다.

팔꿈치 지지부(104L, 104R)는 조작자의 팔꿈치와 대응하는 위치에 배치된다. 팔꿈치 지지부(104L, 104R)는 도 1에 도시된 바와 같이, U자 형상을 가질 수 있다. 일 예로, 팔꿈치 지지부(104L, 104R)의 개방된 부분은 지면과 반대 방향으로 배치되고, 팔꿈치 지지부(104L, 104R)의 곡선 부분은 지면을 향하도록 배치될 수 있다. 다른 예로, 팔꿈치 지지부(104L, 104R)의 개방된 부분이 내측 또는 외측을 향하도록 배치될 수 있다. 이 경우, 팔꿈치 지지부(104L, 104R)에는 조작자의 팔꿈치를 감싸 팔꿈치 지지부(104L, 104R)에 고정시키기 위한 고정부재(미도시)가 추가로 구비될 수 있다.

지지 링크(103L, 103R)와 의자 사이에는 적어도 하나의 연결 링크(106L, 106R)가 마련된다. 적어도 하나의 연결 링크(106L, 106R)은 지지 링크(103L, 103R)를 의자에 기계적으로 연결하는 역할을 한다. 연결 링크(106L, 106R)와 지지 링크(103L, 103R) 사이에는 관절(105L, 105R)이 마련된다. 이 관절(105L, 105R)은 적어도 1 자유도를 가질 수 있다. 좌측 및 우측에 각각 복수의 연결 링크(106L, 106R)가 마련되는 경우, 연결 링크(106R)와 연결 링크(106R) 사이에는 관절(107L, 107R)이 마련된다. 이 관절(107L, 107R)은 적어도 1 자유도를 가질 수 있다.

도 1은 두 개의 핸들부(120L, 120R)가 각각 지지 링크(103L, 103R) 및 연결 링크(106L, 106R)에 의해 의자에 기계적으로 연결되어 있는 모습을 도시하고 있다. 그러나 마스터 콘솔(100)의 구조는 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 1에서 지지 링크(103L, 103R) 및 연결 링크(106L, 106R)는 생략될 수 있다. 이처럼 지지 링크(103L, 103R) 및 연결 링크(106L, 106R)이 경우, 각각의 핸들부(120L, 120R)에는 마스터 콘솔(100)과 유선 통신 또는 무선 통신을 통해 데이터를 송수신하기 위한 통신부(미도시)가 추가로 구비될 수 있다.

디스플레이부(108)는 영상 데이터 및 수술 정보 중 적어도 하나를 디스플레이한다. 디스플레이부(180)를 통해 디스플레이되는 영상 데이터는 슬레이브 로봇(200)의 내시경(도 3의 216a)에 의해 촬영된 영상이거나, 촬영된 영상을 영상 처리한 것일 수 있다. 영상 처리는 영상의 확대, 축소, 이동, 회전, 다른 영상과의 합성 및 필터링 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 영상 처리는 슬레이브 로봇(200) 및 마스터 콘솔(100) 중 적어도 하나에 의해 수행될 수 있다. 디스플레이부(180)를 통해 디스플레이되는 수술 정보는 환자에 대한 생체 정보를 포함할 수 있다. 생체 정보로는 체온, 맥박, 호흡 및 혈압 등을 예로 들 수 있다.

디스플레이부(180)는 하나 이상 마련될 수 있다. 도 1은 마스터 콘솔(100)에 세 개의 디스플레이부(180)가 나란히 배치된 모습을 도시하고 있다. 일 예로, 복수의 디스플레이부(180)에는 서로 다른 영상이 디스플레이될 수 있다. 구체적으로, 조작자의 정면에 위치한 메인 디스플레이부에는 내시경에 의해 촬영된 영상이 디스플레이될 수 있다. 그리고 메인 디스플레이부의 좌측 및 우측에 위치한 서브 디스플레이들에는 슬레이브 로봇의 동작 상태에 관한 정보 및 환자 정보가 각각 디스플레이될 수 있다. 다른 예로, 복수의 디스플레이부(180)에는 동일한 영상이 디스플레이될 수 있다. 이 때, 각각의 디스플레이부(180)마다 동일한 영상이 디스플레이될 수도 있고, 복수의 디스플레이부(180)를 통틀어 하나의 영상이 디스플레이될 수 있다.

상술한 바와 같은 디스플레이부(180)는 예를 들어, LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light Emitting Diodes), PDP(Plasma Display Panel), 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.

도 2는 수술 로봇에 포함된 슬레이브 로봇의 외관을 예시한 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 슬레이브 로봇(200)은 캐스터부(201), 몸체(202), 로봇 암(203~208) 및 수술기구 어셈블리(209)를 포함한다.

캐스터부(201)는 슬레이브 로봇(200)의 이동을 위한 것으로, 몸체(202)의 하단에 장착된다. 캐스터부(201)는 복수의 캐스터를 포함할 수 있다. 각각의 캐스터에는 캐스터의 동작 상태를 변경하기 위한 레버(미도시)가 마련될 수 있다. 조작자는 레버의 위치를 조절하여, 캐스터의 동작 상태를 변경할 수 있다. 캐스터의 동작 상태로는 제동, 자유이동(free swivel) 및 조향고정(directional lock, swivel lock)을 예로 들 수 있다.

로봇 암(203~208)은 몸체(202)의 상부에 마련된다. 로봇 암(203~208)은 x, y, z축 중에서 적어도 하나의 축을 따라 수술기구 어셈블리(209)를 이동시키거나, 적어도 하나의 축을 기준으로 수술기구 어셈블리(209)를 회전시킨다. 또한, 수술이 진행되는 동안에는 수술기구 어셈블리(209)의 위치 및 자세가 유지될 수 있도록 수술기구 어셈블리(209)를 지지한다.

로봇 암(203~208)은 복수의 링크부(204, 206, 208) 및 복수의 관절부(203, 205, 207)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 로봇 암(203~208)은 제1 관절부(203), 제1 링크부(204), 제2 관절부(205), 제2 링크부(206), 제3 관절부(207) 및 제3 링크부(208)를 포함할 수 있다.

제1 링크부(204)는 제1 링크 및 제1 링크를 감싸는 케이싱을 포함한다. 제1 링크는 직선형의 기둥 형상을 가지며, 몸체(202)와 수직한 방향으로 마련된다. 즉, 제1 링크는 지면에 수직한 방향으로 마련된다.

제1 관절부(203)은 몸체(202)와 제1 링크부(204)의 연결 부위에 마련된다. 제1 관절부(203)는 x, y, z축 중에서 지정된 축을 따라 이동하는 직선형 관절(prismatic joint)로 구현될 수 있다. 이러한 제1 관절(203)은 수술기구 어셈블리(209)의 병진 운동을 위한 부분으로, 3 자유도를 갖는다. 구체적으로, 제1 관절부(203)는 x축 병진 운동, y축 병진 운동 및 z축 병진 운동을 포함하는 3 자유도를 갖는다. 이를 위하여 제1 관절부(203)에는 x축 병진 구동부, y축 병진 구동부 및 z축 병진 구동부가 마련된다. 도면에 도시되지는 않았지만, 각각의 병진 구동부는 특정 축을 따라 직선 운동을 안내하는 리니어 모션 가이드(Linear Motion guide), 및 리니어 모션 가이드에 구동력을 제공하는 모터를 포함할 수 있다.

제2 링크부(206)는 제1 링크부(204)의 선단에 마련된다. 제2 링크부(206)는 제2 링크 및 제2 링크를 감싸는 케이싱을 포함한다. 제2 링크는 곡선 형상을 갖는다. 구체적으로, 제2 링크는 원호의 일부와 같은 형상을 갖는다.

제2 관절부(205)는 제1 링크부(204)와 제2 링크부(206)의 연결 부위에 마련된다. 제2 관절부(205)는 x, y, z축 중에서 지정된 축을 기준으로 회전하는 회전형 관절(revolute joint)로 구현될 수 있다. 제2 관절부(205)는 수술기구 어셈블리(209)의 회전 운동을 위한 부분으로, 2 자유도를 갖는다. 구체적으로, 제2 관절부(205)는 수술기구 어셈블리(209)의 롤 방향 회전 및 피치 방향 회전을 포함하는 2 자유도를 갖는다. 이를 위하여 제2 관절부(205)에는 롤 구동부 및 피치 구동부가 마련될 수 있다.

롤 구동부로 구동력이 제공되면, 제2 링크부(206)가 롤 방향으로 회전한다. 제2 링크부(206)가 롤 방향으로 회전함에 따라, 제2 링크의 선단에 마련되어 있는 제3 링크부(208) 및 수술기구 어셈블리(209)도 모두 롤 방향으로 회전한다. 롤 구동부는 예를 들어, 모터, 진공 펌프(vacuum pump), 및 수압 펌프(hydraulic pump) 중 하나로 구현될 수 있다.

피치 구동부는 제2 링크의 원호 운동을 안내하는 R 가이드, 및 R 가이드로 구동력을 제공하는 모터를 포함할 수 있다. 피치 구동부의 모터가 구동되면, 제2 링크는 R 가이드를 따라 이동하게 된다. 그 결과, 제2 링크의 선단에 마련되어 있는 제3 링크부(206) 및 수술기구 어셈블리(209)가 피치 방향으로 회전하게 된다.

제3 링크부(208)은 제2 링크부(206)의 선단에 마련된다. 제3 링크부(208)는 고리 모양의 제3 링크를 포함할 수 있다. 제3 링크의 상부에는 수술기구 어셈블리(209)가 마련된다.

제3 관절부(207)는 제3 링크부(209)과 제2 링크부(206)의 연결 부위에 마련된다. 제3 관절부(207)는 x, y, z축 중에서 지정된 축을 기준으로 회전하는 회전형 관절(revolute joint)로 구현될 수 있다. 이러한 제3 관절부(207)는 수술기구 어셈블리(209)의 회전 운동을 위한 부분으로, 1 자유도를 갖는다. 구체적으로, 제3 관절부(207)는 수술기구 어셈블리(209)의 요 방향 회전을 포함하는 1 자유도를 갖는다. 이를 위하여 제3 관절부(207)에는 요 구동부가 마련될 수 있다.

요 구동부로 구동력이 제공되면, 수술기구 어셈블리(209)는 요 방향으로 회전한다. 요 구동부는 모터, 진공 펌프(vacuum pump), 및 수압 펌프(hydraulic pump) 중 하나로 구현될 수 있다.

수술기구 어셈블리(209)는 원통형의 케이싱과, 케이싱의 내면을 따라 구비된 복수의 로봇식 수술기구, 및 가이드 튜브(210)를 포함한다. 로봇식 수술기구는 복강 내부를 촬영하기 위한 내시경, 인체 조직을 절제(resecting), 소작(cauterizing), 응고(coagulating)시키기 위한 수술기구를 포함할 수 있다. 케이싱의 내면을 따라 구비된 복수의 로봇식 수술기구 중, 조작자에 의해 선택된 적어도 하나의 로봇식 수술기구는 가이드 튜브(210)를 통해 환자의 복강 내로 삽입될 수 있다. 로봇식 수술기구에 대한 설명은 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.

수술기구 어셈블리(209)는 제3 링크부(208)와 기계적으로 분리될 수 있다. 이와 같이, 수술기구 어셈블리(209)가 제3 링크부(208)로부터 분리되는 경우, 수술에 사용된 수술기구를 교체하거나 소독하는 것이 용이하다.

도 3은 가이드 튜브(210)를 통해 전개된 로봇식 수술기구(212, 214, 216)를 예시한 도면이다.

앞서 설명한 바와 같이, 적어도 하나의 로봇식 수술기구(212, 214, 216)는 가이드 튜브(210)를 따라 환자의 복강 내로 삽입된다. 환자의 복강 내로 적어도 하나의 로봇식 수술기구(212, 214, 216)를 진입시키는 것은 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 일 예로, 환자의 복강 내로 가이드 튜브(210)를 삽입한 다음, 가이드 튜브(210)의 움직임을 고정시킨다. 그 다음 가이드 튜브(210) 내에 적어도 하나의 로봇식 수술기구(212, 214, 216)를 삽입시킨 후, 가이드 튜브(210)의 내벽을 따라 이동시킬 수 있다. 다른 예로, 적어도 하나의 로봇식 수술기구(212, 214, 216)를 가이드 튜브(210) 내에 삽입시키고, 이 상태로 가이드 튜브(210)를 환자의 복강 내로 진입시킬 수도 있다.

적어도 하나의 로봇식 수술기구(212, 214, 216)가 목표 위치에 도달하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 가이드 튜브(210)의 외부로 전개된다. 도 3은 3개의 로봇식 수술기구(212, 214, 216)가 가이드 튜브(210)의 외부로 전개된 모습을 보여주고 있다.

각각의 로봇식 수술기구(212, 214, 216)는 복수의 링크(212b, 214b, 216b) 및 복수의 관절(212c, 214c, 216c)을 포함할 수 있다.

각 링크(212b, 214b, 216b)의 끝단에는 내시경(216a) 또는 수술기구(212a, 214a)가 마련된다. 내시경(216a)이나 수술기구(212a, 214a)는 슬레이브 로봇(200)의 엔드 이펙더로 이해될 수 있다.

링크와 링크 사이에는 관절(212c, 214c, 216c)이 마련된다. 이 관절(212c, 214c, 216c)은 고정형 관절(fixed joint), x, y, z축 중에서 지정된 축을 따라 회전하는 회전형 관절(revolute joint), x, y, z축 중에서 지정된 축을 따라 이동하는 직선형 관절(prismatic joint) 중 하나로 구현될 수 있다. 이러한 관절(212c, 214c, 216c)은 1 자유도 이상을 가질 수 있다.

로봇식 수술기구(212, 214, 216)의 각 관절(212c, 214c, 216c)에는 구동부(도 5의 170 참조)가 마련될 수 있다. 구동부(170)는 마스터 콘솔(100)로부터 수신한 제어신호에 따라 구동되어, 해당 관절을 이동시킨다. 구동부(170)는 모터, 진공 펌프(vacuum pump), 수압 펌프(hydraulic pump) 중 하나로 구현될 수 있다. 이하의 설명에서는 구동부(170)가 모터로 구현된 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.

로봇식 수술기구(212, 214, 216)의 각 관절(212c, 214c, 216c)에는 검출부(도 5의 122, 124, 126 참조)가 마련된다. 검출부(122, 124, 126)는 관절의 위치(즉, 관절각)를 검출하기 위한 위치 검출부(122), 관절의 속도를 검출하기 위한 속도 검출부(124)를 포함할 수 있다.

복수의 로봇식 수술기구(212, 214, 216)은 모두 핸들부(120L, 120R)의 모션을 추종하도록 제어될 수 있다. 다만, 내시경(216a)이 마련된 로봇식 수술기구(216)의 제어 및 수술기구(212a, 214a)가 마련된 로봇식 수술기구(212, 214)의 제어는 수술 로봇의 동작 모드 전환에 의해 구분될 수 있다.

예를 들어, 수술 로봇의 동작 모드가 내시경 조작 모드로 설정된 경우라면, 내시경(216a)이 마련된 로봇식 수술기구(216)가 핸들부(120L, 120R)의 모션을 추종하도록 제어된다. 내시경 조작 모드가 실행되는 동안, 수술기구(212a, 214a)가 마련된 로봇식 수술기구(212, 214)는 핸들부(120L, 120R)의 모션과는 상관 없이 정지된 상태를 유지할 수 있다.

만약, 수술 로봇의 동작 모드가 수술기구 조작 모드로 설정된 경우라면, 수술기구(212a, 214a)가 마련된 로봇식 수술기구(212, 214)가 핸들부(120L, 120R)의 모션을 추종하도록 제어된다. 구체적으로, 왼쪽 로봇식 수술기구(212)는 왼쪽 핸들부(120L)의 모션을 추종하도록 제어된다. 그리고, 오른쪽 로봇식 수술기구(214)는 오른쪽 핸들부(120R)의 모션을 추종하도록 제어된다. 수술기구 조작 모드가 실행되는 동안, 내시경이 마련된 로봇식 수술기구는 핸들부의 모션과는 상관 없이 정지된 상태를 유지할 수 있다.

이상으로 수술 로봇에 포함되는 마스터 콘솔(100) 및 슬레이브 로봇(200)의 외관을 설명하였다. 개시된 발명에 따른 수술 로봇에서는 핸들부(120L, 120R) 및 로봇식 수술기구(212, 214) 각각에 대하여 모션 제어(motion control) 및 힘 제어(force control)가 수행된다. 이에 대한 보다 구체적인 설명을 위해 도 4를 참조하기로 한다.

도 4는 개시된 수술 로봇의 제어 방법에 대한 일 실시예를 도시한 개념도이다. 설명에 앞서, 수술 로봇의 동작 모드는 수술기구 조작 모드로 설정된 상태임을 가정하기로 한다.

핸들부(120L, 120R)가 운동하면(410), 마스터 콘솔(100)은 핸들부(120L, 120R)의 각 관절의 위치 및 속도를 검출한다(411). 그리고 검출된 위치 및 속도를 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절이 추종해야 할 목표 위치 및 목표 속도로 변환한다(412). 변환된 목표 위치 및 목표 속도는 슬레이브 로봇(200)으로 전송된다(413).

슬레이브 로봇(200)은 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절의 위치 및 속도를 검출한다(430). 그리고 슬레이브 로봇(200)은 마스터 콘솔(100)로부터 수신한 목표 위치 및 목표 속도와, 슬레이브 로봇(200)에서 검출된 위치 및 속도에 기초하여 로봇식 수술기구(212, 214)로 제공할 모션 제어신호를 생성한다(431). 이 모션 제어신호는 핸들부(120L, 120R)의 모션을 추동하도록 로봇식 수술기구(212, 214)의 모션을 제어하기 위한 제어신호인 것으로 이해될 수 있다.

한편, 마스터 콘솔(100)에서는 핸들부(120L, 120R)에 가해진 힘을 검출한다(414). 그리고 414 단계에서 검출된 힘에 기초하여 로봇식 수술기구(212, 214)로 제공할 힘 제어신호를 생성한다(415). 구체적으로, 마스터 콘솔(100)은 414 단계에서 검출된 힘에 양의 게인을 곱한 후, 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링하여, 로봇식 수술기구(212, 214)로 제공할 힘 제어신호를 생성한다. 생성된 힘 제어신호는 슬레이브 로봇(200)으로 전송된다(416).

또한, 마스터 콘솔(100)은 414 단계에서 검출된 힘에 기초하여 핸들부(120L, 120R)로 제공할 힘 제어신호를 생성한다(417). 구체적으로, 마스터 콘솔(100)은 414 단계에서 검출된 힘에 음의 게인을 곱하여 핸들부(120L, 120R)로 제공할 힘 제어신호를 생성한다. 생성된 힘 제어신호는 조작자에 의해 핸들부(120L, 120R)에 가해진 힘을 상쇄시키기 위한 제어신호인 것으로 이해될 수 있다.

이 후, 마스터 콘솔(100)은 417 단계에서 생성된 힘 제어신호에 따라 핸들부(120L, 120R)의 각 관절을 구동(이동 또는 회전)시킨다(418). 그 결과, 핸들부(120L, 120R)에 가해진 힘이 상쇄되도록 핸들부(120L, 120R)가 제어된다. 이처럼 핸들부(120L, 120R)에 가해진 힘이 상쇄되도록 힘 제어를 수행하면, 조작자는 핸들부(120L, 120R)를 조작하고 있는 동안, 자신이 핸들부(120L, 120R)에 가한 힘을 느끼지 못하게 된다.

이처럼 핸들부(120L, 120R)에 대해 힘 제어를 수행하는 이유는, 로봇식 수술기구(212, 214)가 허공에서 움직인다고 했을 때, 로봇식 수술기구(212, 214)가 받는 힘과, 조작자가 핸들부(120L, 120R)를 통해 느끼는 힘을 일치시키기 위함이다.

구체적으로, 로봇식 수술기구(212, 214)가 아무런 장애물이 없는 허공에서 움직이고 있다고 한다면, 로봇식 수술기구(212, 214)는 외부환경과의 접촉이 없기 때문에 아무런 힘을 받지 않는다. 따라서, 로봇식 수술기구(212, 214)가 허공에서 움직이는 동안에는 핸들부(120L, 120R)를 조작하고 있는 조작자 역시 아무런 힘을 느끼지 못해야 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 414 단계에서 검출된 힘에 음의 게임을 곱하여 힘 제어신호를 생성하고, 생성된 제어신호에 따라 핸들부(120L, 120R)의 각 관절을 구동하면, 조작자가 핸들부(120L, 120R)에 가한 힘이 상쇄된다. 그 결과, 조작자는 핸들부(120L, 120R)를 조작하는 동안 아무런 힘을 느끼지 못하게 되는 것이다.

슬레이브 로봇(200)은 416 단계에서 마스터 콘솔(100)로부터 수신한 힘 제어신호 및 431 단계의 슬레이브 로봇(200)에서 생성된 모션 제어신호에 따라 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절을 구동(이동 또는 회전)시킨다(432). 그 결과, 로봇식 수술기구(212, 214)는 핸들부(120L, 120R)의 모션을 추종하게 된다. 상세하게는, 로봇식 수술기구(212, 214)의 엔드 이펙터(212a, 214a)의 위치 및 속도가 핸들부(120L, 120R)의 엔드 이펙터의 위치 및 속도를 추종하게 된다.

이 후 만약, 로봇식 수술기구가 외부환경(예, 복강 내의 조직)과 접촉한다고 하자(433). 이 때, 슬레이브 로봇(200)에서는 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절의 위치 및 속도를 검출한다(434). 그 다음, 검출된 위치 및 속도를 핸들부(120L, 120R)의 각 관절이 추종해야할 목표 위치 및 목표 속도로 변환한다(435). 변환된 목표 위치 및 목표 속도는 마스터 콘솔로 전송된다(436).

마스터 콘솔(100)은 슬레이브 로봇(200)으로부터 수신한 목표 위치 및 목표 속도와, 마스터 콘솔(100)에서 검출된 위치 및 속도에 기초하여 핸들부(120L, 120R)로 제공할 모션 제어신호를 생성한다(419). 구체적으로, 슬레이브 로봇(200)으로부터 수신한 목표 위치 및 목표 속도를 각각 스케일링한 후, 스케일링된 목표 위치 및 목표 속도와 마스터 콘솔(100)에서 검출된 위치 및 속도에 기초하여 핸들부(120L, 120R)로 제공할 모션 제어신호를 생성한다.

이 후, 마스터 콘솔은 419 단계에서 생성된 모션 제어신호에 따라 핸들부(120L, 120R)의 각 관절을 구동(이동 또는 회전)시킨다(420). 그 결과, 핸들부(120L, 120R)는 로봇식 수술기구의 모션을 추종하게 된다. 상세하게는, 핸들부(120L, 120R)의 엔드 이펙터의 위치 및 속도가 로봇식 수술기구(212, 214)의 엔드 이펙터의 위치 및 속도를 추종하게 된다.

상술한 바와 같이, 로봇식 수술기구(212, 214)가 외부환경과 접촉하였을 때, 로봇식 수술기구(212, 214)의 움직임을 추종하도록 핸들부(120L, 120R)의 움직임을 제어하면, 로봇식 수술기구(212, 214)에 힘/토크 검출부를 구비하지 않고도, 로봇식 수술기구(212, 214)가 외부환경으로부터 받는 힘을 핸들부(120L, 120R)로 피드백시키는 효과를 얻을 수 있다.

이는, 조작자가 수동 복강경 수술기구의 수술기구를 복강 내로 삽입시키고, 수동 복강경 수술기구의 조작부를 파지한 상태에서 수술을 할 때, 복강 내 장기와의 접촉으로 인해 수술기구가 받는 힘을 검출하기 위한 센서가 수술기구에 마련되어 있지 않더라도, 수동 복강경 수술기구의 조작부를 파지하고 있는 조작자가 수술기구가 받는 힘(반력)을 느끼는 현상과 유사하다.

이처럼, 수동 복강경 수술기구의 수술기구에 별도의 센서가 구비되지 않은 경우에도, 장기와의 접촉으로 인해 수술기구가 받는 힘을 조작자가 느낄 수 있는 이유는, 조작자 자신이 조작부에 가한 힘에 비하여, 수술기구의 위치가 덜 움직였기 때문이다. 다시 말하면, 조작자가 조작부에 가한 힘, 조작자가 가한 힘에 따라 움직여야할 수술기구의 목표 위치, 조작자가 가한 힘에 따라 조작된 후의 수술기구의 현재 위치를 알 수 있다면, 목표 위치와 현재 위치의 차이로부터 수술기구가 장기와의 접촉으로 인해 받는 힘을 추정할 수 있다.

개시된 수술 로봇에 대한 설명으로 돌아가면, 앞서 설명하였듯이, 로봇식 수술기구(212, 214)가 외부환경과 접촉하기 전까지는 조작자가 핸들부(120L, 120R)를 통해 아무런 힘을 느끼지 못하도록 핸들부(120L, 120R)가 제어된다. 이와 동시에, 로봇식 수술기구(212, 214)는 핸들부(120L, 120R)의 모션을 추종하도록 제어된다.

이러한 상태에서, 로봇식 수술기구(212, 214)가 외부환경으로부터 힘을 받게 되면, 슬레이브 로봇(200)에서는 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절의 위치 및 속도를 검출한다. 그리고 검출된 위치 및 속도를 핸들부(120L, 120R)의 각 관절이 추종해야할 목표 위치 및 목표 속도로 변환하여 마스터 콘솔(100)로 전송한다.

마스터 콘솔(100)은 슬레이브 로봇(200)으로부터 수신한 목표 위치 및 목표 속도와, 마스터 콘솔(100)에서 검출된 핸들부(120L, 120R)의 각 관절의 위치 및 속도를 비교한다. 그리고 비교 결과에 따라서, 수신한 목표 위치와 검출된 위치 간의 차이 및/또는 수신한 목표 속도와 검출된 속도 간의 차이를 보상하기 위한 모션 제어신호를 생성한다. 그리고 이 후, 마스터 콘솔(100)은 생성된 모션 제어신호에 따라 핸들부(120L, 120R)의 각 관절을 구동한다. 그 결과, 핸들부(120L, 120R)를 파지하고 있는 조작자는 로봇식 수술기구(212, 214)가 외부환경으로부터 받는 힘을 간접적으로 느낄 수 있다.

상술한 바와 같이 동작하는 수술 로봇에서, 마스터 콘솔(100)의 운동 방정식을 나타내면 [수학식 1]과 같다. [수학식 1]에 표시된 항들 중에서, 아래첨자가 'm'인 것은 마스터 콘솔(100)과 관련된 항이고, 아래첨자가 's'인 것은 슬레이브 로봇(200)과 관련된 항이다. 그리고 '∧'이 표시된 항은 힘/토크 검출부(126)에서 검출된 값을 의미한다.

[수학식 1]에서

한편, 슬레이브 로봇(200)의 운동 방정식을 나타내면 [수학식 2]와 같다. [수학식 2]에 표시된 항들 중에서, 아래첨자가 'm'인 것은 마스터 콘솔(100)과 관련된 항이고, 아래첨자가 's'인 것은 슬레이브 로봇(200)과 관련된 항이다. 그리고 '∧'이 표시된 항은 힘/토크 검출부(126)에서 검출된 값을 의미한다.

[수학식 2]에서

이상으로, 개시된 발명에 따른 수술 로봇에서 이루어지는 제어 동작에 대하여 개괄적으로 설명하였다. 이하, 도 5를 참조하여, 수술 로봇의 제어 구성을 설명하기로 한다.

도 5는 수술 로봇의 제어 구성에 대한 일 실시예를 도시한 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 마스터 콘솔(100)은 힘/토크 검출부(126), 위치 검출부(122), 속도 검출부(124), 힘 보상부(130), 제1 스케일링부(135), 변환부(140), 위치/속도 에러 보상부(150), 마스터 제어부(160), 구동부(170), 디스플레이부(180), 송신부(190) 및 수신부(195)를 포함할 수 있다.

힘/토크 검출부(126)는 핸들부(120L, 120R)에 마련된다. 예를 들어, 힘/토크 검출부(126)는 핸들부(120L, 120R)에서 조작자의 손목에 대응하는 위치에 마련될 수 있다. 그러나 힘/토크 검출부(126)가 반드시 이 위치에 구비되어야 하는 것은 아니며, 핸들부(120L, 120R)의 다른 위치에 구비될 수도 있다. 예를 들면, 핸들부(120L, 120R)에서 조작자의 손바닥에 대응하는 위치에 마련될 수도 있다. 힘/토크 검출부(126)는 핸들부(120L, 120R)에 가해진 힘 및/또는 토크를 검출한다. 힘/토크 검출부(126)는 예를 들어, 힘/토크 센서로 구현될 수 있다. 힘/토크 검출부(126)에서 검출된 힘은 후술될 힘 보상부(130) 및 제1 스케일링부(135)로 각각 제공된다.

힘 보상부(130)는 힘/토크 검출부(126)에서 검출된 힘 값에 음의 게인을 곱하여, 조작자가 핸들부(120L, 120R)에 가한 힘을 상쇄시키기 위한 힘 제어신호를 생성한다. 생성된 힘 제어신호는 마스터 제어부(160)로 제공된다.

위치 검출부(122)는 핸들부(120L, 120R) 즉, 다관절 로봇 손가락의 각 관절에 마련되어, 각 관절의 위치를 검출한다. 위치 검출부(122)는 예를 들어, 위치 센서로 구현될 수 있다. 위치 센서로는 포텐쇼미터(Potentiometer), 엔코더(Encoder)를 예로 들 수 있다. 위치 검출부(122)에서 검출된 위치는 변환부(140) 및 위치/속도 에러 보상부(150)로 각각 제공된다.

속도 검출부(124)는 핸들부(120L, 120R) 즉, 다관절 로봇 손가락의 각 관절에 마련되어, 각 관절의 속도를 검출한다. 속도 검출부(124)는 예를 들어, 속도 센서로 구현될 수 있다. 속도 검출부(124)에서 검출된 속도는 변환부(140) 및 위치/속도 에러 보상부(150)로 각각 제공된다.

한편, 도 4는 마스터 콘솔(100)에 위치 검출부(122)와 속도 검출부(124)가 모두 마련된 경우를 도시하고 있다. 그러나 속도 검출부(124)는 경우에 따라 생략될 수도 있다. 속도 검출부(124)가 생략되는 경우에는 위치 검출부(122)에서 검출된 위치 신호를 미분하여 속도 신호를 얻을 수 있다. 이를 위해 마스터 콘솔(100)에는 위치 신호를 미분하여 속도 신호를 산출하는 속도 산출부(미도시)가 마련될 수 있다.

변환부(140)는 핸들부(120L, 120R)의 각 관절의 위치 및 속도를 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절이 추종해야 할 목표 위치 및 목표 속도로 변환한다. 즉, 변환부(140)는 위치 검출부(122) 및 속도 검출부(124)에서 각각 검출된 위치 및 속도를 로봇식 수술기구의 각 관절이 추종해야 할 목표 위치 및 목표 속도로 변환한다. 이를 위하여, 변환부(140)는 우선, 핸들부(120L, 120R)의 각 관절의 위치 및 속도를 핸들부(120L, 120R)의 엔드 이펙터의 위치 및 속도로 변환한다. 그 다음, 변환된 핸들부(120L, 120R)의 엔드 이펙터의 위치 및 속도를 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절의 목표 위치 및 목표 속도로 변환한다. 변환부(140)에서 출력된 목표 위치 및 목표 속도는 제1 스케일링부(135)로 제공된다.

제1 스케일링부(135)는 마스터 콘솔(100)에서 검출된 데이터를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링할 수 있다.

일 예로, 제1 스케일링부(135)는 힘/토크 검출부(126)에서 검출된 힘 값을 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링하여, 슬레이브 로봇(200)으로 전송할 힘 제어신호를 생성한다. 이를 위해 제1 스케일링부(135)는 검출된 힘 값에 힘 스케일링 팩터(force scaling factor) 값을 적용할 수 있다.

힘 스케일링 팩터 값은 예를 들어, '1/m'일 수 있다(m은 양의 실수). 이 때, 힘 스케일링 팩터 값은 조작자에 의해 변경 불가능하도록 구현되거나, 변경 가능하도록 구현될 수 있다. 힘 스케일링 팩터 값이 조작자에 의해 변경 가능하도록 구현된 경우, 조작자는 m의 값을 조절하여, 힘 스케일링 팩터 값을 조절할 수 있다.

예를 들면, m은 양의 실수이되, 1 보다 큰 값으로 설정될 수 있다. 이와 같이 설정된 힘 스케일링 팩터 값은 힘/토크 검출부(126)에서 검출된 힘을 결정된 스케일링 비율로 축소시키는 역할을 한다. 다른 예로, m은 양의 실수이되, 1 보다 작은 값으로 설정될 수 있다. 이와 같이 설정된 힘 스케일링 팩터 값은 힘/토크 검출부(126)에서 검출된 힘을 결정된 스케일링 비율로 확대시키는 역할을 한다.

이처럼 힘/토크 검출부(126)에서 검출된 힘 값에 힘 스케일링 팩터 값(1/m)을 적용하면, 조작자가 핸들부(120L, 120R)에 가한 힘과, 로봇식 수술기구(212, 214)로 전송할 힘 간의 비율을 조절할 수 있다.

다른 예로, 제1 스케일링부(135)는 변환부(140)에서 출력된 목표 위치 및 목표 속도를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링 한다. 이를 위하여, 제1 스케일링부(135)는 목표 위치 및 목표 속도 각각에 모션 스케일링 팩터(motion scaling factor) 값을 적용할 수 있다. 모션 스케일링 팩터 값은 예를 들어, '1/n'일 수 있다(n은 양의 실수). 이 때, 모션 스케일링 팩터 값은 조작자에 의해 변경 불가능하도록 구현되거나, 변경 가능하도록 구현될 수 있다. 모션 스케일링 팩터 값이 조작자에 의해 변경 가능하도록 구현된 경우, 조작자는 n의 값을 조절하여, 모션 스케일링 팩터 값을 조절할 수 있다.

예를 들면, n은 양의 실수이되, 1 보다 큰 값으로 설정될 수 있다. 이와 같이 설정된 모션 스케일링 팩터 값은 변환부(140)에서 출력된 목표 위치 및 목표 속도를 결정된 스케일링 비율로 축소시키는 역할을 한다. 다른 예로, n은 양의 실수이되, 1 보다 작은 값으로 설정될 수 있다. 이와 같이 설정된 모션 스케일링 팩터 값은 변환부(140)에서 출력된 목표 위치 및 목표 속도를 결정된 스케일링 비율로 확대시키는 역할을 한다.

실시예에 따르면, 목표 위치에 적용되는 모션 스케일링 팩터 값 및 목표 속도에 적용되는 모션 스케일링 팩터 값은 서로 동일한 값일 수도 있고, 서로 다른 값일 수도 있다.

이처럼 변환부(140)에서 출력된 목표 위치 및 목표 속도에 모션 스케일링 팩터 값(1/n)을 적용하면, 로봇식 수술기구(212, 214)의 모션과 핸들부(120L, 120R)의 모션 간의 비율을 조절할 수 있다. 제1 스케일링부(135)에서 스케일링된 목표 위치 및 목표 속도는 마스터 제어부(160)로 제공된다.

수신부(195)는 슬레이브 로봇(200)의 송신부(290)와 짝을 이루어 동작하는 부분이다. 수신부(195)는 슬레이브 로봇(200)으로부터 영상 데이터, 핸들부(120L, 120R)의 각 관절이 추종해야할 목표 위치 및 목표 속도를 수신한다. 이 때, 핸들부(120L, 120R)의 각 관절이 추종해야할 목표 위치 및 목표 속도는 슬레이브 로봇(200)의 제2 스케일링부(245)에서 출력된 것이다.

위치/속도 에러 보상부(150)는 수신부(195)로 수신된 목표 위치 및 목표 속도와, 마스터 콘솔(100)의 위치 검출부(122) 및 속도 검출부(124)에서 각각 검출된 위치 및 속도를 비교한다. 그리고 수신된 목표 위치 및 목표 속도와, 검출된 위치 및 속도 간에 차이가 있는 경우, 이 차이를 보상하기 위한 모션 제어신호를 생성한다. 생성된 모션 제어신호는 로봇식 수술기구의 모션을 추종하도록 핸들부의 모션을 제어하기 위한 제어신호인 것으로 이해될 수 있다. 생성된 모션 제어신호는 마스터 제어부(160)로 제공된다.

마스터 제어부(160)는 핸들부(120L, 120R)의 각 관절에 마련된 구동부(170)로 제어신호를 제공한다. 구체적으로, 마스터 제어부(160)는 힘 보상부(130)로부터 제공받은 힘 제어신호와, 위치/속도 에러 보상부(150)로부터 제공받은 모션 제어신호를 구동부(170)로 제공한다.

또한, 마스터 제어부(160)는 슬레이브 로봇(200)으로 전송할 데이터를 송신부(190)로 제공한다. 구체적으로, 마스터 제어부(160)는 제1 스케일링부(135)에서 스케일링된 힘 제어신호, 제1 스케일링부(135)에서 스케일링된 목표 위치 및 목표 속도를 송신부(190)로 제공한다.

또한, 마스터 제어부(160)는 수신부(195)를 통해 수신된 영상 데이터에 대하여 영상 처리를 수행할 수 있다. 영상 처리의 예로는 촬영된 영상의 확대, 축소, 이동, 회전, 편집 및 필터링을 들 수 있다. 그러나 이러한 영상 처리는 마스터 제어부(160)에서 반드시 수행되어야 하는 것은 아니다. 마스터 제어부(160)에서의 영상 처리는 생략될 수도 있다.

구동부(170)는 핸들부(120L, 120R)의 각 관절에 마련될 수 있다. 구체적으로, 구동부(170)는 다관절 로봇 손가락의 각 관절마다 마련될 수 있다. 구동부(170)는 마스터 제어부(160)로부터 제공받은 힘 제어신호 및 모션 제어신호에 따라 구동되어, 핸들부(120L, 120R)의 각 관절을 이동 또는 회전시킨다. 그 결과, 조작자가 핸들부(120L, 120R)에 가한 힘이 상쇄되도록 핸들부(120L, 120R)가 구동된다. 또한, 로봇식 수술기구(212, 214)의 모션을 추종하도록 핸들부(120L, 120R)가 구동된다.

디스플레이부(180)는 영상 데이터를 디스플레이할 수 있다. 상기 영상 데이터는 수신부(195)를 통해 수신된 영상 데이터이거나, 마스터 제어부(160)에 의해 영상 처리가 수행된 영상 데이터일 수 있다.

송신부(190)는 슬레이브 로봇(200)의 수신부(295)와 짝을 이루어 동작하는 부분이다. 송신부(190)는 마스터 제어부(160)에서 제공받은 데이터 즉, 제1 스케일링부(135)에서 스케일링된 힘 제어신호, 제1 스케일링부(135)에서 스케일링된 목표 위치 및 목표 속도를 슬레이브 로봇(200)으로 전송한다.

한편, 슬레이브 로봇(200)은 도 5에 도시된 바와 같이, 위치 검출부(222), 속도 검출부(224), 영상 획득부(226), 변환부(240), 제2 스케일링부(245), 위치/속도 에러 보상부(250), 슬레이브 제어부(260), 구동부(270), 송신부(290) 및 수신부(295)를 포함할 수 있다.

위치 검출부(222)는 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절에 마련되어, 각 관절의 위치를 검출한다. 위치 검출부(222)는 예를 들어, 위치 센서로 구현될 수 있다. 위치 센서로는 포텐쇼미터, 엔코더를 예로 들 수 있다. 위치 검출부(222)에서 검출된 위치는 변환부(240) 및 위치/속도 에러 보상부(250)로 각각 제공된다.

속도 검출부(224)는 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절에 마련되어, 각 관절의 속도를 검출한다. 속도 검출부(224)는 예를 들어, 속도 센서로 구현될 수 있다. 속도 검출부(224)에서 검출된 속도는 변환부(240) 및 위치/속도 에러 보상부(250)로 각각 제공된다.

슬레이브 로봇(200)에서 속도 검출부(224)는 생략될 수도 있다. 이 경우, 위치 검출부(222)에서 검출된 위치 신호를 미분하여 속도 신호를 얻을 수 있다. 이를 위해 슬레이브 로봇(200)에는 위치 신호를 미분하여 속도 신호를 산출하는 속도 산출부(미도시)가 마련될 수 있다.

변환부(240)는 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절의 위치 및 속도 즉, 위치 검출부(222) 및 속도 검출부(224)에서 각각 검출된 위치 및 속도를 핸들부(120L, 120R)의 각 관절이 추종해야 할 목표 위치 및 목표 속도로 변환한다. 이를 위하여, 변환부(240)는 우선, 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절의 위치 및 속도를 로봇식 수술기구(212, 214)의 엔드 이펙터(212a 214a)의 위치 및 속도로 변환한다. 그 다음, 변환된 로봇식 수술기구(212, 214)의 엔드 이펙터(212a, 214a)의 위치 및 속도를 핸들부(120L, 120R)의 각 관절의 목표 위치 및 목표 속도로 변환한다. 변환부(240)에서 출력된 목표 위치 및 목표 속도는 제2 스케일링부(245)로 제공된다.

제2 스케일링부(245)는 슬레이브 로봇(200)에서 검출된 데이터를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링할 수 있다.

일 예로, 제2 스케일링부(245)는 변환부(240)에서 출력된 목표 위치 및 목표 속도를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링 한다. 이를 위하여, 제2 스케일링부(245)는 변환부(240)에서 출력된 목표 위치 및 목표 속도 각각에 모션 스케일링 팩터 값을 적용할 수 있다. 이 때, 모션 스케일링 팩터 값은 마스터 콘솔(100)의 제1 스케일링부(135)에서 사용되는 모션 스케일링 팩터 값(1/n)의 역수(n)로 지정될 수 있다. 확대 스케일링부(245)에서 스케일링된 목표 위치 및 목표 속도는 슬레이브 제어부(260)로 제공된다.

수신부(295)는 마스터 콘솔(100)의 송신부(190)와 짝을 이루어 동작하는 부분이다. 수신부(295)는 마스터 콘솔(100)로부터 데이터를 수신한다. 데이터의 예로는, 제1 스케일링부(135)에 의해 스케일링된 힘 제어신호, 제1 스케일링부(135)에 의해 스케일링된 목표 위치 및 목표 속도를 들 수 있다. 수신된 힘 제어신호는 슬레이브 제어부(260)로 제공되고, 수신된 목표 위치 및 목표 속도는 위치/속도 에러 보상부(250)로 제공된다.

위치/속도 에러 보상부(250)는 수신된 목표 위치 및 목표 속도와, 슬레이브 로봇(200)의 위치 검출부(222) 및 속도 검출부(224)에서 각각 검출된 위치 및 속도를 비교한다. 그리고 수신된 목표 위치 및 목표 속도와, 검출된 위치 및 속도 간에 차이가 있는 경우, 이 차이를 보상하기 위한 모션 제어신호를 생성한다. 생성된 모션 제어신호는 핸들부(120L, 120R)의 모션을 추종하도록 로봇식 수술기구(212, 214)의 모션을 제어하기 위한 제어신호인 것으로 이해될 수 있다. 생성된 모션 제어신호는 슬레이브 제어부(260)로 제공된다.

영상 획득부(226)는 영상 데이터를 획득할 수 있다. 예를 들면, 환자의 복강 내부를 촬영하여 영상 데이터를 획득할 수 있다. 영상 획득부(226)는 도 3을 참조하여 설명한 내시경(216a)인 것으로 이해될 수 있다. 획득된 영상 데이터는 슬레이브 제어부(260)로 제공된다.

슬레이브 제어부(260)는 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절에 마련된 구동부(270)로 제어신호를 제공한다. 구체적으로, 슬레이브 제어부(260)는 수신부(295)로부터 제공받은 힘 제어신호와, 위치/속도 에러 보상부(250)로부터 제공받은 모션 제어신호를 구동부(270)로 제공한다.

또한, 슬레이브 제어부(260)는 마스터 콘솔(100)로 전송할 데이터를 송신부(290)로 제공한다. 상기 데이터의 예로는, 제2 스케일링부(245)에서 스케일링된 목표 위치 및 목표 속도를 들 수 있다.

또한, 슬레이브 제어부(260)는 영상 획득부(226)에서 획득된 영상 데이터에 대하여 영상 처리를 수행할 수 있다. 영상 처리의 예로는 촬영된 영상의 확대, 축소, 이동, 회전, 편집 및 필터링을 들 수 있다. 그러나 이러한 영상 처리는 슬레이브 제어부(260)에서 반드시 수행되어야 하는 것은 아니다. 슬레이브 제어부(260)에서의 영상 처리는 생략될 수도 있다.

구동부(270)는 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절에 마련될 수 있다. 구동부(270)는 슬레이브 제어부(270)로부터 제공받은 힘 제어신호 및 모션 제어신호에 따라 구동되어, 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절을 이동 또는 회전시킨다. 그 결과, 핸들부(120L, 120R)의 모션을 추종하도록 로봇식 수술기구(212, 214)의 모션이 제어된다. 또한, 핸들부(120L, 120R)에 가해진 힘을 추종하도록 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절이 제어된다.

송신부(290)는 마스터 콘솔(100)의 수신부(195)와 짝을 이루어 동작하는 부분이다. 송신부(290)는 제2 스케일링부(245)에서 스케일링된 목표 위치 및 목표 속도, 및/또는 영상 데이터를 마스터 콘솔(100)로 송신한다.

이상으로, 도 5를 참조하여 수술 로봇의 제어 구성에 대한 일 실시예를 설명하였다. 이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 수술 로봇의 다른 실시예들에 대해서 설명하기로 한다. 도 6 내지 도 8에 각각 도시된 수술 로봇의 구성요소들은 도 5에 도시된 수술 로봇의 구성요소들과 그 기능이 거의 유사하다. 따라서, 중복되는 설명을 생략하고, 도 5와의 차이점 위주로 설명하기로 한다.

도 6은 수술 로봇의 제어 구성에 대한 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 6에 도시된 수술 로봇이 도 5에 도시된 수술 로봇과 다른 점은, 슬레이브 로봇(200)에서 검출된 데이터를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링하는 제2 스케일링부(145)가 마스터 콘솔(100)에 마련되고, 마스터 콘솔(100)에서 검출된 데이터를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링하는 제1 스케일링부(235)가 슬레이브 로봇(200)에 마련된다는 점이다.

이 경우, 마스터 콘솔(100)은 힘/토크 검출부(126)에서 검출된 힘 값, 변환부(140)에서 출력된 목표 위치 및 목표 속도에 대하여 별도의 스케일링 없이, 슬레이브 로봇(200)으로 전송한다.

그러면, 슬레이브 로봇(200)의 제1 스케일링부(235)는 마스터 콘솔(100)로부터 수신한 힘 값, 목표 위치 및 목표 속도를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링한다. 구체적으로, 수신한 힘 값에는 힘 스케일링 팩터 값(1/m)을 적용한다. 그리고 수신된 목표 위치 및 목표 속도에는 모션 스케일링 팩터 값(1/n)을 적용한다. 스케일링된 힘 값은 슬레이브 제어부(260)로 제공된다. 그리고 스케일링된 목표 위치 및 목표 속도는 위치/속도 에러 보상부(250)로 제공된다.

또한, 슬레이브 로봇(200)은 변환부(240)에서 출력된 목표 위치 및 목표 속도에 대하여 별도의 스케일링 없이, 마스터 콘솔(100)로 전송한다.

그러면, 마스터 콘솔(100)의 제2 스케일링부(145)는 슬레이브 로봇(200)으로부터 수신한 목표 위치 및 목표 속도를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링한다. 구체적으로, 수신한 목표 위치 및 목표 속도에 대해서 모션 스케일링 팩터 값(n)을 적용한다.

도 7은 수술 로봇의 또 다른 실시예에 따른 제어 구성을 도시한 도면이다.

도 7에 도시된 수술 로봇이 도 5에 도시된 수술 로봇과 다른 점은, 마스터 콘솔(100)에서 검출된 데이터를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링하는 제1 스케일링부(135) 및 슬레이브 로봇(200)에서 검출된 데이터를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링하는 제2 스케일링부(145)가 모두 마스터 콘솔(100)에 마련된다는 점이다.

이 경우, 마스터 콘솔(100)의 제1 스케일링부(135)는 힘/토크 검출부(126)에서 검출된 힘 값, 변환부(140)에서 출력된 목표 위치 및 목표 속도를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링한다. 구체적으로, 검출된 힘 값에는 힘 스케일링 팩터 값(1/m)을 적용한다. 그리고 변환부(140)에서 출력된 목표 위치 및 목표 속도에는 모션 스케일링 팩터 값(1/n)을 적용한다. 스케일링된 힘 값, 스케일링된 목표 위치 및 목표 속도는 슬레이브 로봇(200)으로 전송된다.

한편, 슬레이브 로봇(200)의 변환부(240)는 위치 검출부(222) 및 속도 검출부(224)에서 각각 검출된 위치 및 속도를 핸들부(120L, 120R)의 각 관절이 추종해야할 목표 위치 및 목표 속도로 변환한다. 즉, 변환부(240)는 로봇식 수술기구(212, 214)의 각 관절의 위치 및 속도를 핸들부(120L, 120R)의 각 관절이 추종해야할 목표 위치 및 목표 속도로 변환한다. 그 다음, 변환된 목표 위치 및 목표 속도에 대하여 별도의 스케일링 없이, 마스터 콘솔(100)로 전송한다.

그러면, 마스터 콘솔(100)의 제2 스케일링부(145)는 슬레이브 로봇(200)으로부터 수신한 목표 위치 및 목표 속도를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링한다. 구체적으로, 수신한 목표 위치 및 목표 속도에 모션 스케일링 팩터 값(n)을 적용한다. 스케일링된 목표 위치 및 목표 속도는 위치/속도 에러 보상부(150)로 제공된다.

도 8은 수술 로봇의 또 다른 실시예에 따른 제어 구성을 도시한 도면이다.

도 8에 도시된 수술 로봇이 도 5에 도시된 수술 로봇과 다른 점은, 마스터 콘솔(100)에서 검출된 데이터를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링하는 제1 스케일링부(235) 및 슬레이브 로봇(200)에서 검출된 데이터를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링하는 제2 스케일링부(245)가 모두 슬레이브 로봇(200)에 마련된다는 점이다.

이 경우, 마스터 콘솔(100)은 힘/토크 검출부(126)에서 검출된 힘 값, 변환부(140)에서 출력된 목표 위치 및 목표 속도에 대하여 별도의 스케일링 없이, 슬레이브 로봇(200)으로 전송한다.

그러면, 슬레이브 로봇(200)의 제1 스케일링부(235)는 마스터 콘솔(100)로부터 수신한 힘 값, 목표 위치 및 목표 속도를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링한다. 구체적으로, 수신한 힘 값에는 힘 스케일링 팩터 값(1/m)을 적용한다. 그리고 수신된 목표 위치 및 목표 속도에는 모션 스케일링 팩터 값(1/n)을 적용한다. 스케일링된 힘 값은 슬레이브 제어부(260)로 제공된다. 그리고 스케일링된 목표 위치 및 목표 속도는 위치/속도 에러 보상부(250)로 제공된다.

한편, 슬레이브 로봇(200)의 제2 스케일링부(245)는 변환부(240)에서 출력된 목표 위치 및 목표 속도를 사전 지정된 스케일링 비율로 스케일링한다. 구체적으로, 변환부(240)에서 출력된 목표 위치 및 목표 속도 각각에 모션 스케일링 팩터 값(n)을 적용한다. 스케일링된 목표 위치 및 목표 속도는 마스터 콘솔(100)로 전송된다.

이상으로, 수술 로봇의 제어 구성에 대한 실시예들을 설명하였다. 개시된 수술 로봇에 따르면, 로봇식 수술기구(212, 214)에 힘/토크 검출부를 구비하지 않고도, 로봇식 수술기구(212, 214)가 외부환경으로부터 받는 힘을 핸들부(120L, 120R)로 피드백하는 효과를 얻을 수 있다. 그 결과, 조작자는 로봇식 수술기구(212, 214)가 외부환경으로부터 받는 힘을 핸들부(120L, 120R)를 통해 간접적으로 느낄 수 있다.

또한, 조작자가 핸들부(120L, 120R)에 가한 힘 즉, 조작자의 의도를 반영하여 핸들부(120L, 120R) 및 로봇식 수술기구(212, 214)를 제어하므로, 로봇식 수술기구(212, 214)가 핸들부(120L, 120R)의 모션을 자연스럽게 추종하게 된다. 이에 대한 부가 설명을 위해 도 9 내지 도 14를 참조하기로 한다.

도 9 및 도 10은 개시된 수술 로봇에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면들이다. 구체적으로, 로봇식 수술기구(212, 214)의 이동 경로 상에 장애물이 위치한 상태에서, 조작자가 핸들부(120L, 120R)로 원을 그리는 동작을 수행하는 경우, 핸들부(120L, 120R)와 로봇식 수술기구(212, 214)에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프들이다.

도 9는 개시된 수술 로봇에서 상기 동작이 수행되는 동안 핸들부(120L, 120R)의 엔드 이펙터의 xy 궤적 및 로봇식 수술기구(212, 214)의 엔드 이펙터(212a, 214a)의 xy 궤적을 도시한 그래프이다.

도 9에서 굵은 실선은 마스터 콘솔(100)에서 측정된 결과를 나타낸다. 즉, 핸들부(120L, 120R)의 엔드 이펙터의 xy 궤적을 나타낸다. 그리고 가는 실선은 슬레이브 로봇(200)에서 측정된 결과를 나타낸다. 즉, 로봇식 수술기구(212, 214)의 엔드 이펙터(212a, 214a)의 xy 궤적을 나타낸다.

도 9를 참조하면, 핸들부(120L, 120R)의 조작이 시작된 후 일정 시간 동안은 xy 궤적이 원호 형상인데 비하여, 일정 시간 이후부터는 xy 궤적이 일그러진 것을 볼 수 있다. 그래프의 형상이 이와 같이 나타나는 이유는, 핸들부(120L, 120R)의 조작이 시작된 후 일정 시간 동안은 로봇식 수술기구(212, 214)가 허공에서 움직이는데 비하여, 일정 시간 이후부터는 로봇식 수술기구(212, 214)가 장애물과 접촉하기 때문이다.

그런데 도 9의 그래프를 참조하면, 핸들부(120L, 120R)의 조작이 시작된 후, 핸들부(120L, 120R)의 조작이 종료될 때까지 핸들부(120L, 120R)의 xy 궤적과, 로봇식 수술기구(212, 214)의 xy 궤적이 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과로부터, 핸들부(120L, 120R)의 조작이 시작된 후 로봇식 수술기구(212, 214)의 엔드 이펙터(212a, 214a)가 장애물과 접촉하기 전까지 로봇식 수술기구(212, 214)가 핸들부(120L, 120R)의 모션을 자연스럽게 추종하는 것을 알 수 있다. 또한, 로봇식 수술기구(212, 214)가 장애물과 접촉한 동안에도 로봇식 수술기구(212, 214)가 핸들부(120L, 120R)의 모션을 자연스럽게 추종하는 것을 알 수 있다.

도 10은 개시된 수술 로봇에서 상기 동작이 수행되는 동안 조작자가 핸들부에서 느끼는 힘, 외부환경(장애물)에서 로봇식 수술기구로 가해지는 힘, 핸들부가 출력하는 힘, 및 로봇식 수술기구가 출력하는 힘의 변화를 도시한 그래프들이다.

도 10의 (A) 내지 (C)에 도시된 그래프들에서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 힘을 나타낸다. 도 10의 (A) 내지 (C)를 참조하면, 0초부터 약 2.7초까지의 구간에서는 힘의 변화가 없다가 약 2.7초에서 약 5.7초까지의 구간에서 힘이 변하는 것을 알 수 있다. 이는 로봇식 수술기구(212, 214)가 0초부터 약 2.7초까지의 구간에서는 허공에서 움직이다가 약 2.7초부터 약 5.7초까지의 구간에서 외부환경과 접촉하였기 때문이다. 도 10의 (A) 내지 (C)를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 10의 (A)에서 굵은 실선은 조작자가 핸들부(120L, 120R)에서 느끼는 x축 방향의 힘(F _hx )을 나타낸다. 가는 실선은 외부환경에서 로봇식 수술기구(212, 214)로 가해지는 x축 방향의 힘(-F _ex )을 나타낸다. 외부환경에서 로봇식 수술기구(212, 214)로 가해지는 x축 방향의 힘(-F _ex )은 외부환경에 센서를 달아 측정한 것이다.

도 10의 (A)를 참조하면, 로봇식 수술기구(212, 214)가 허공에서 움직일 때와 로봇식 수술기구(212, 214)가 외부환경과 접촉했을 때 모두, 조작자가 핸들부(120L, 120R)에서 느끼는 x축 방향의 힘(F _hx )과 외부환경에서 로봇식 수술기구(212, 214)로 가해지는 x축 방향의 힘(-F _ex )이 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 로봇식 수술기구(212, 214)가 외부환경에 접촉하고 있는 동안에도 외부환경에서 로봇식 수술기구(212, 214)로 가해지는 힘이 핸들부(120L, 120R)로 잘 전달되었음을 의미한다. 즉, 조작자가 외부환경에서 로봇식 수술기구(212, 214)로 가해지는 힘을 핸들부(120L, 120R)를 통해 잘 느낄 수 있음을 의미한다.

도 10의 (B)에서 굵은 실선은 조작자가 핸들부(120L, 120R)에서 느끼는 y축 방향의 힘(F _hy )을 나타낸다. 가는 실선은 외부환경에서 로봇식 수술기구(212, 214)로 가해지는 y축 방향의 힘(-F _ey )을 나타낸다. 외부환경에서 로봇식 수술기구(212, 214)로 가해지는 y축 방향의 힘(-F _ey )은 외부환경에 센서를 달아 측정한 것이다.

도 10의 (B)를 참조하면, 로봇식 수술기구(212, 214)가 허공에서 움직일 때와, 로봇식 수술기구(212, 214)가 외부환경과 접촉했을 때 모두, 조작자가 핸들부(120L, 120R)에서 느끼는 y축 방향의 힘(F _hy )과 외부환경에서 로봇식 수술기구(212, 214)로 가해지는 y축 방향의 힘(-F _ey )이 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 이는 로봇식 수술기구(212, 214)가 외부환경에 접촉한 동안외부환경에서 로봇식 수술기구(212, 214)로 가해지는 힘이 핸들부(120L, 120R)로 잘 전달되었음을 의미한다.

도 10의 (C)에서 굵은 실선은 핸들부가 출력하는 x축 방향의 힘(F _mx )을 나타낸다. 가는 실선은 핸들부가 출력하는 y축 방향의 힘(F _my )을 나타낸다. 파선은 로봇식 수술기구가 출력하는 x축 방향의 힘(F _sx )을 나타낸다. 일점 쇄선은 로봇식 수술기구가 출력하는 y축 방향의 힘(F _sy )을 나타낸다.

도 10의 (C)에서, 시간에 따른 힘 값이 0인 지점들을 연결한 선을 기준선이라 하자. 이 경우, 기준선을 기준으로 핸들부(120L, 120R)가 출력하는 힘(F _mx , F _my )의 모양과 조작자가 느끼는 힘(F _hx , F _hy )의 모양이 거의 대칭이되는 것을 알 수 있다. 이러한 결과로부터, 핸들부(120L, 120R)가 출력하는 힘(F _mx , F _my )과 조작자가 느끼는 힘(F _hx , F _hy )이 거의 일치한다는 것을 알 수 있다.

도 11 및 도 12는 종래의 수술 로봇에 대한 실험 결과를 도시한 도면들이다. 구체적으로, 로봇식 수술기구의 이동 경로 상에 장애물이 위치한 상태에서, 조작자가 핸들부로 원을 그리는 동작을 수행하는 경우, 핸들부와 로봇식 수술기구에 대한 실험 결과를 도시한 그래프들이다.

도 11은 종래의 수술 로봇에서 상기 동작이 수행되는 동안 핸들부의 엔드 이펙터의 xy 궤적 및 로봇식 수술기구의 엔드 이펙터의 xy 궤적을 도시한 그래프이다.

도 11에서 굵은 실선은 마스터 콘솔에서 측정된 결과를 난타낸다. 즉, 핸들부의 엔드 이펙터의 xy 궤적을 나타낸다. 그리고 가는 실선은 슬레이브 로봇에서 측정된 결과를 나타낸다. 즉, 로봇식 수술기구의 엔드 이펙터의 xy 궤적을 나타낸다.

도 11을 참조하면, 핸들부의 조작이 시작된 후, 로봇식 수술기구가 장애물과 접촉하기 전까지는 핸들부의 엔드 이펙터의 xy 궤적과 로봇식 수술기구의 엔드 이펙터의 xy 궤적이 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 즉, 로봇식 수술기구가 핸들부의 모션을 추종하도록 제어되는 것을 알 수 있다. 그러나 로봇식 수술기구의 엔드 이펙터가 장애물과 접촉한 동안에는 핸들부의 엔드 이펙터의 xy 궤적과 로봇식 수술기구의 엔드 이펙터의 xy 궤적 간에 차이가 있는 것을 알 수 있다.

도 12는 종래의 수술 로봇에서 상기 동작이 수행되는 동안, 조작자가 핸들부에서 느끼는 힘, 외부환경(장애물)에서 로봇식 수술기구로 가해지는 힘, 핸들부가 출력하는 힘, 및 로봇식 수술기구가 출력하는 힘의 변화를 도시한 그래프들이다.

도 12의 (A) 내지 (C)에 도시된 그래프들에서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 힘을 나타낸다. 도 12의 (A) 내지 (C)를 참조하면, 0초부터 약 2.7초까지의 구간에서는 힘의 변화가 없다가 약 2.7초에서 약 5.7초까지의 구간에서 힘이 변하는 것을 알 수 있다. 이는 로봇식 수술기구가 0초부터 약 2.7초까지의 구간에서는 허공에서 움직이다가 약 2.7초부터 약 5.7초까지의 구간에서 외부환경과 접촉하였기 때문이다. 도 12의 (A) 내지 (C)를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 12의 (A)에서 굵은 실선은 조작자가 핸들부에서 느끼는 x축 방향의 힘(F _hx )을 나타낸다. 가는 실선은 외부환경에서 로봇식 수술기구로 가해지는 x축 방향의 힘(-F _ex )을 나타낸다.

도 12의 (A)를 참조하면, 로봇식 수술기구가 허공에서 움직이는 동안에는 조작자가 핸들부에서 느끼는 x축 방향의 힘(F _hx )과 외부환경에서 로봇식 수술기구로 가해지는 x축 방향의 힘(-F _ex ) 간에 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다. 그러나 로봇식 수술기구가 외부환경과 접촉하고 있는 동안에는 조작자가 핸들부에서 느끼는 x축 방향의 힘(F _hx )과 외부환경에서 로봇식 수술기구로 가해지는 x축 방향의 힘(-F _ex ) 간의 차이가 큰 것을 알 수 있다. 이러한 결과는, 로봇식 수술기구가 외부환경과 접촉하고 있는 동안에는 외부환경에서 로봇식 수술기구로 가해지는 힘이 핸들부로 잘 전달되지 않았음을 의미한다.

도 12의 (B)에서 굵은 실선은 조작자가 핸들부에서 느끼는 y축 방향의 힘(F _hy )을 나타낸다. 가는 실선은 외부환경에서 로봇식 수술기구로 가해지는 y축 방향의 힘(-F _ey )을 나타낸다.

도 12의 (B)를 참조하면, 로봇식 수술기구가 허공에서 움직이는 동안에는 조작자가 핸들부에서 느끼는 y축 방향의 힘(F _hy )과 외부환경에서 로봇식 수술기구로 가해지는 y축 방향의 힘(-F _ey )이 거의 일치하는 것을 볼 수 있다. 그러나 로봇식 수술기구가 외부환경과 접촉한 동안에는 조작자가 핸들부에서 느끼는 y축 방향의 힘(F _hy )과 외부환경에서 로봇식 수술기구로 가해지는 y축 방향의 힘(-F _ey ) 간의 차이가 큰 것을 알 수 있다. 이는, 로봇식 수술기구가 외부환경과 접촉하고 있는 동안에는 외부환경에서 로봇식 수술기구로 가해지는 힘이 핸들부로 잘 전달되지 않았음을 의미한다.

도 12의 (C)에서 굵은 실선은 핸들부가 출력하는 x축 방향의 힘(F _mx )을 나타낸다. 가는 실선은 핸들부가 출력하는 y축 방향의 힘(F _my )을 나타낸다. 파선은 로봇식 수술기구가 출력하는 x축 방향의 힘(F _sx )을 나타낸다. 일점 쇄선은 로봇식 수술기구가 출력하는 y축 방향의 힘(F _sy )을 나타낸다.

도 12의 (C)에 도시되지는 않았으나, 시간에 따른 힘 값이 0인 지점들을 연결한 선을 기준선이라 하자. 이 경우, 기준선을 기준으로 핸들부가 출력하는 힘(F _mx , F _my )과 조작자가 느끼는 힘(F _hx , F _hy )의 모양이 비대칭인 것을 알 수 있다. 이러한 결과로부터, 핸들부가 출력하는 힘(F _mx , F _my )과 조작자가 느끼는 힘(F _hx , F _hy ) 간에 차이가 있음을 알 수 있다.

도 12의 (A), (B), (C)와 도 10의 (A), (B), (C)를 각각 비교하면, 개시된 수술 로봇에서는 종래의 수술 로봇에 비하여, 핸들부(120L, 120R)와 로봇식 수술기구(212, 214) 간의 힘 피드백이 자연스럽게 이루어지고 있음을 알 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예들을 설명하였다. 전술한 실시예들에서 마스터 콘솔(100) 및 슬레이브 로봇(200)을 구성하는 일부 구성요소들은 일종의 '모듈(module)'로 구현될 수 있다. 예를 들어, 힘 보상부(130), 제1 스케일링부(135, 235), 제2 스케일링부(145, 245), 변환부(140, 240), 위치/속도 에러 보상부(150, 250), 마스터 제어부(160) 및 슬레이브 제어부(260) 중 적어도 하나는 모듈로 구현될 수 있다.

여기서, '모듈'은 소프트웨어 또는 Field Programmable Gate Array(FPGA) 또는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, 모듈은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 모듈은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. 모듈은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 실행시키도록 구성될 수도 있다.

일 예로서 모듈은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 모듈들에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 모듈들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 모듈들로 더 분리될 수 있다. 게다가, 상기 구성요소들 및 모듈들은 디바이스 내에서 하나 또는 그 이상의 CPU를 실행할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들은 전술한 실시예의 적어도 하나의 처리 요소를 제어하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 코드/명령을 포함하는 매체 예를 들면, 컴퓨터 판독 가능한 매체를 통해 구현될 수도 있다. 상기 매체는 상기 컴퓨터 판독 가능한 코드의 저장 및/또는 전송을 가능하게 하는 매체/매체들에 대응할 수 있다.

상기 컴퓨터 판독 가능한 코드는, 매체에 기록될 수 있을 뿐만 아니라, 인터넷을 통해 전송될 수도 있는데, 상기 매체는 예를 들어, ROM, RAM, CD-ROM, 마그네틱 테이프, 플로피 디스크, 광학 기록 매체, 인터넷을 통한 데이터 전송(data transmission)과 같은 반송파(carrier wave)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 매체는 비일시적인 컴퓨터로 판독 가능한 매체일 수도 있다. 상기 매체들은 분산 네트워크일 수도 있으므로, 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드는 분산 방식으로 저장/전송되고 실행될 수 있다. 또한 더 나아가, 단지 일 예로써, 처리 요소는 프로세서 또는 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있고, 상기 처리 요소는 하나의 디바이스 내에 분산 및/또는 포함될 수 있다.

이상과 같이 예시된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

100: 마스터 콘솔
110L, 110R: 클러치 페달
120L, 120R: 햅틱 디바이스
200: 슬레이브 로봇
201: 캐스터부
202: 몸체
203: 제1 관절부
204: 제1 링크부
205: 제2 관절부
206: 제2 링크부
207: 제3 관절부
208: 제3 링크부
209: 수술기구 어셈블리
210: 가이드 튜브