KR20140110620A - 수술 로봇 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

개시된 단일 통로 수술 로봇 시스템은, 관절형 인스트루먼트가 장착되고 관절형 인스트루먼트에 RCM을 기준으로 하는 운동 변위를 제공하는 제1로봇 아암과, 제1로봇 아암과 짝을 이루며 비관절형 인스트루먼트가 장착되고 비관절형 인스트루먼트에 RCM을 기준으로 하는 운동 변위를 제공하는 제2로봇 아암을 포함한다.

Description

수술 로봇 시스템 및 그 작동 방법{surgical robot system and operating method thereof}
수술용 인스트루먼트(instrument)가 장착된 다수의 로봇 아암을 구비하는 수술 로봇 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
최근, 수술 로봇을 이용한 최소 침습 수술(minimally invasive surgery)이 각광받고 있으며, 이에 대한 연구/개발이 활발히 이루어지고 있다. 수술 로봇 시스템은 로봇 아암에 장착된 수술용 인스트루먼트를 피검체 내부(예컨대, 복강, 관절부 등)에 삽입하여 수술 작업을 수행한다.
원활하고 효율적인 수술 작업을 위해서는, 수술용 인스트루먼트의 높은 작업력(high operating force), 넓은 작업공간(large workspace) 및 높은 자유도의 능란한 운동(dexterous motion) 등이 요구된다. 그러나 이러한 다양한 요구 조건들을 모두 만족할 수 있는 수술 로봇 시스템을 구현하는 것은 용이하지 않다. 특히, 단일 통로(개구)를 통해 수술을 수행하는 싱글 포트(single port) 수술 로봇 시스템의 경우, 위와 같은 다양한 요구 조건들을 만족하기가 더욱 어려울 수 있다.
높은 작업력과 높은 자유도의 능란한 운동이 가능한 수술 로봇 시스템(surgical robot system) 및 그 작동 방법을 제공한다.
일 측면에 따른 수술 로봇 시스템은, 단일 통로 수술용 수술 로봇 시스템으로서, 관절형 인스트루먼트가 장착되고, 상기 관절형 인스트루먼트에 RCM을 기준으로 하는 운동 변위를 제공하는 제1로봇 아암; 상기 제1로봇 아암과 짝을 이루며, 비관절형 인스트루먼트가 장착되고, 상기 비관절형 인스트루먼트에 RCM을 기준으로 하는 운동 변위를 제공하는 제2로봇 아암;을 포함한다.
상기 시스템은, 내시경 카메라가 장착되며, RCM을 기준으로 하는 운동 변위를 제공하는 제3로봇 아암;을 더 구비하며, 상기 제3로봇 아암은 상기 제2로봇 아암을 기준으로 하여 상기 제1로봇 아암의 반대쪽에 배치되는 수술 로봇 시스템.
상기 제1로봇 아암과 상기 제2로봇 아암은 제1아암 모듈을 형성하며, 상기 시스템은, 상기 제1아암 모듈과 대칭적 구조를 갖는 제2아암 모듈;을 더 구비할 수 있다.
상기 제1아암 모듈과 상기 제2아암 모듈은 각각의 제2로봇 아암끼리 서로 인접하게 배치될 수 있다.
상기 시스템은, 내시경 카메라가 장착되며, RCM 운동 변위를 제공하는 제3로봇 아암;을 더 구비하며, 상기 제3로봇 아암은 제1아암 모듈과 상기 제2아암 모듈 사이에 배치될 수 있다.
상기 비관절형 인스트루먼트는 직선형 인스트루먼트일 수 있다.
일 측면에 따른 수술 로봇 시스템은, 단일 통로 수술용 수술 로봇 시스템으로서, 팔꿈치 관절부를 구비하는 관절형 인스트루먼트가 장착되는 제1로봇 아암; 상기 제1로봇 아암과 짝을 이루며, 직선형 인스트루먼트가 장착되는 제2로봇 아암;을 포함하여, 상기 관절형 인스트루먼트와 상기 직선형 인스트루먼트는 피검체 내부에 삽입되어 삼각형 구조를 형성한다.
상기 제1로봇 아암과 상기 제2로봇 아암은 제1아암 모듈을 형성하며, 상기 시스템은, 상기 제1아암 모듈과 대칭적 구조를 갖는 제2아암 모듈;을 더 구비할 수 있다.
상기 제1아암 모듈과 상기 제2아암 모듈은 각각의 제2로봇 아암끼리 서로 인접하게 배치될 수 있다.
상기 제1, 제2로봇 아암은 각각 상기 관절형 인스트루먼트와 상기 직선형 인스트루먼트에 RCM을 기준으로 하는 운동 변위를 제공할 수 있다.
일 측면에 따른 수솔 로봇 시스템의 작동 방법은, 단일 통로 수술 로봇 시스템의 작동 방법으로서, 관절형 인스트루먼트에 RCM을 기준으로 하여 운동 변화를 제공하는 제1로봇 아암과 비관절형 인스트루먼트에 RCM을 기준으로 하여 운동 변위를 제공하는 제2로봇 아암을 준비하는 단계; 단일의 통로를 통하여 상기 관절형 인스트루먼트와 비관절형 인스트루먼트를 피검체 내에 삽입하는 단계; 상기 관절형 인스트루먼트의 팔꿈치 관절부를 구부려 상기 비관절형 인스트루먼트와 함께 삼각형 구조를 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 방법은, 상기 비관절형 인스트루먼트를 그 길이 방향으로 직선적으로 이동시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 관절형 인스트루먼트를 RCM을 기준으로 하여 회동시키고 상기 팔꿈치 관절부를 구동하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상술한 수술 로봇 시스템 및 그 작동 방법에 따르면, 로봇 아암들 상호간의 간섭을 최소화함으로써 높은 자유도의 수술 작업이 가능하다. 또한 관절형 인스트루먼트와 비관절형 인스트루먼트가 짝을 이루도록 함으로써 높은 작업력이 요구되는 작업과 높은 자유도가 요구되는 작업을 효과적으로 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 A부의 상세도이다.
도 3은 관절형 인스트루먼트의 일 실시예의 구성도이다.
도 4는 팔꿈치 관절부의 관절 구조의 일 예를 도시한 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 팔꿈치 관절부의 관절 구조의 일 예에서 제2아암이 피벗된 상태를 도시한 구성도이다.
도 6은 팔꿈치 관절부를 구동하기 위한 구동구조의 일 예를 도시한 구성도이다.
도 7은 와이어를 이용하여 수술 도구를 구동하기 위한 구조의 일 예를 도시한 구성도이다.
도 8은 비관절형 인스트루먼트의 일 실시예의 구성도이다.
도 9a는 멀티-포트 수술의 개념도이다.
도 9b는 단일 통로 수술의 경우 두 개의 비관절형 인스트루먼트가 삼각형 구조를 형성하는 모습을 보여주는 도면이다.
도 9c는 단일 통로 수술의 경우 두 개의 구부러진 인스트루먼트가 삼각형 구조를 형성하는 모습을 보여주는 도면이다.
도 9d는 두 개의 구부러진 인스트루먼트를 채용하는 싱글 포트 수술에서 작업 자유도가 제한되는 모습을 보여주는 도면이다.
도 10은 비관절형 인스트루먼트와 관절형 인스트루먼트를 채용한 로봇 아암 유닛의 일 실시예의 사시도이다.
이하, 수술 로봇 시스템 및 그 작동 방법의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 부재들의 크기, 간격 등은 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것일 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
[수술 로봇 시스템]
도 1은 수술 로봇 시스템의 일 실시예의 개략적인 사시도이며, 도 2는 도 1의 A부의 상세도이다. 도 1과 도 2를 참조하면, 수술 로봇 시스템은 인스트루먼트(1001)(1002) 및 내시경 카메라(1003)를 절개부(incision port)(30)를 통하여 피검체 내부에 삽입하고, 내시경 카메라(1003)에 의하여 촬영된 영상을 통하여 피검체 내부를 관찰하면서 인스트루먼트(1001)(1002)를 제어하여 수술 작업을 수행하는 시스템이다. 수술 로봇 시스템은 피검체를 대상으로 수술 작업을 수행하는 기계장치가 마련된 수술 스테이션(1)과, 수술 스테이션(1)을 제어하는 제어 스테이션(2)을 포함할 수 있다.
수술 스테이션(1)은 인스트루먼트(1001)(1002)가 장착된 다수의 로봇 아암(101~105)을 포함하는 로봇 아암 유닛(100)과, 로봇 아암 유닛(100)을 소망하는 위치, 예를 들어, 피검체에 마련된 절개부(30)에 대향된 위치에 위치시키기 위한 위치조정유닛(positioning unit)(10)을 구비할 수 있다.
일 실시예로서, 위치조정유닛(10)은 상하방향, 즉 Z축 방향으로 승강되는 승강 블록(12)을 구비하는 수직 컬럼(column)(11)과, 그 단부에 로봇 아암 유닛(100)이 장착되는 위치조정아암(positioning arm)(13)을 포함할 수 있다. 수직 컬럼(column)(11)은 횡방향, 예를 들어 X축 방향 및/또는 Y축 방향으로 이동될 수 있다. 예를 들어, 수직 컬럼(11)은 피검체가 뉘어지는 수술 테이블(operation table)(14)에 대하여 X축 방향 및/또는 Y축 방향으로 이동될 수 있게 지지될 수 있다. 나아가서, 위치조정아암(13)은 승강 블록(12)에 예를 들어 Z축을 회동축으로 하여 회동될 수 있게 결합될 수도 있다.
제어 스테이션(2)은 피검체 내부에 삽입된 촬영장치, 예를 들어 내시경 카메라(1003)를 통하여 전달되는 영상을 표시하는 영상표시유닛(21)과, 조작유닛(22)을 포함할 수 있다. 조작유닛(22)은 위치조정유닛(10), 로봇 아암 유닛(100), 및 인스트루먼트(1001)(1002)의 움직임을 제어하기 위한 것으로서, 예를 들어 조이스틱(joy stick) 등의 하나 이상의 촉각 조작기(haptic manipulating device)를 포함할 수 있다. 로봇 아암(101~105) 및 인스트루먼트(1001)(1002)는 유선 및/또는 무선 방식에 의하여 제어 스테이션(2)과 연결될 수 있다. 운전자는 조작유닛(22)을 조작함으로써 로봇 아암 유닛(100) 및 인스트루먼트(1001)(1002)를 구동하여 수술 작업을 수행할 수 있다.
[로봇 아암 유닛]
도 2를 참조하면, 로봇 아암 유닛(100)은 다수의 로봇 아암(101~105)을 구비할 수 있다. 본 실시예의 수술 로봇 시스템은 단일 통로(single port) 수술을 수행하기 위한 시스템이다. 로봇 아암(101~105)에 장착된 인스트루먼트(1001)(1002)는 단일의 절개부(30)를 통하여 피검체에 삽입되며, 로봇 아암(101~105)은 절개부(30) 부근의 RCM을 기준으로 하는 운동변위를 인스트루먼트(1001)(1002)에 제공한다. 로봇 아암(101~105)은 그에 장착된 인스트루먼트(1001)(1002)에 RCM(remote center of motion)운동을 제공할 수 있는 다관절 구조를 가질 수 있다. 일 실시예로서, 로봇 아암(101~105) 각각은 도 2에 도시된 바와 같이, 회동가능하게 직렬로 연결된 5개의 아암(111~115)을 포함할 수 있다. 아암(112)은 아암(111)에 피벗 축(116)을 중심으로 피벗될 수 있게 연결될 수 있다. 인스트루먼트(1001)(1002)는 아암(115)에 장착될 수 있다. 로봇 아암(101~105)의 다관절 구조는 도 2에 도시된 예에 한정되지 않는다.
인스트루먼트(1001)(1002)는 각각 관절형 인스트루먼트와 비관절형 인스트루먼트이다. 관절형 인스트루먼트(1001)는 구부림 운동이 가능한 팔꿈치 관절부(도 3: 1600)를 구비하는 인스트루먼트를 말하며, 비관절형 인스트루먼트(1002)는 팔꿈치 관절부(도 3: 1600)가 없는 인스트루먼트를 의미한다. 즉, 비관절형 인스트루먼트(1002)는 직선형 인스트루먼트이다. 이하에서, 관절형 인스트루먼트(1001)과 비관절형 인스트루먼트(1002)의 일 예를 설명한다.
[관절형 인스트루먼트]
도 3에는 관절형 인스트루먼트(1001)의 일 실시예가 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 인스트루먼트(1001)는 연장부(1010)와, 헤드부(1020)를 구비할 수 있다. 연장부(1010)는 환부에 접근하기 위하여 예를 들어 피검체의 복강, 관절 등의 내부로 삽입될 수 있는 긴 봉 형상일 수 있다. 또한, 후술하는 팔꿈치 관절부(1600), 수술 도구(1030), 및 손목 관절부를 구동하기 위한 와이어 등의 구동기구가 통과될 수 있도록 연장부(1010)는 중공 파이프 형상일 수 있다. 연장부(1010)의 단부에는 운전자(operator)의 조작에 의하여 절제, 봉합 등의 세부 수술 작업을 수행하기 위한 수술 도구(sugical tool)(1030)가 장착된다. 수술 도구(1030)는 예를 들어 수술용 메스, 수술용 집게, 수술용 가위, 소작기(전기 에너지, 열 에너지 등을 이용하여 환부를 태우거나 자르는 기구) 등일 수 있다.
연장부(1010)에는 팔꿈치 관절부(1600)가 마련된다. 팔꿈치 관절부(1600)는 피검체 내에서 운전자의 조작에 의하여 구부러짐으로써 로봇 아암(101~105)에 의하여 부여되는 RCM 운동에 더하여 추가적인 자유도를 제공한다. 팔꿈치 관절부(1600)는 굽힘 구동이 가능한 관절부일 수 있다.
굽힘 구동을 위하여 와이어를 이용하는 구동 구조와, 강체 로드(rigid rod)를 이용한 슬라이더-크랭크(slider-crank) 구동 구조가 채용될 수 있다. 강체 로드를 슬라이딩시키는 구동 구조는 와이어를 이용한 구동 구조에 비하여 큰 힘을 전달할 수 있는 잇점이 있다. 이하에서, 강체 로드를 이용한 슬라이더-크랭크 구동 구조의 일 예를 설명한다.
도 4와 도 5는 굽힘 구동을 위한 팔꿈치 관절부(1600)의 일 실시예를 도시한 도면들이다. 도 4와 도 5를 참조하면, 연장부(1010)는 제1아암(1100)과 제2아암(1200)을 구비한다. 제1아암(1100)은 헤드부(1020)로부터 연장된다. 제2아암(1200)은 제1아암(1100)의 단부에 회동될 수 있게 연결된다. 제2아암(1200)의 단부에는 수술 도구(1030)가 장착된다. 도면으로 도시되지는 않았지만, 수술 도구(1030)와 제2아암(1200)의 단부 사이에는 수술 도구(1030)에 추가적인 자유도를 제공하는 손목관절부(미도시)가 더 마련될 수도 있다. 손목 관절부는 예를 들어 요잉 및/또는 피칭이 가능한 관절부일 수 있다. 다만, 손목 관절부의 유무는 관절형과 비관절형 인스트루먼트(1001)(1002)를 구분하는 기준은 아니다.
예를 들어, 제1아암(1100)에 샤프트(1401)가 고정되고, 제2아암(1200)은 샤프트(1401)에 회동될 수 있게 연결될 수 있다. 물론 반대로 제2아암(1200)에 샤프트(1401)가 고정되고, 제1아암(1100)이 샤프트(1401)에 회동될 수 있게 연결될 수 있다. 또한, 샤프트(1401)에 제1, 제2아암(1100)(1200)이 모두 헐거운 끼워맞춤에 의하여 회동될 수 있게 연결될 수 있다. 이 경우, 샤프트(1401)에는 샤프트(1401)가 길이방향으로 이탈되지 않도록 도시되지 않은 멈춤 요소, 예를 들어 이-링(E-ring) 등이 체결될 수 있다.
제1아암(1100)에는 구동 로드(1420)가 마련된다. 구동 로드(1420)는 제1아암(1100) 내부에 배치되며, 제1아암(1100)의 길이방향으로 왕복 구동된다. 구동 로드(1420)를 왕복구동시키는 구동 구조에 관하여는 도 6을 참조하여 후술한다. 관절 링크(1410)는 구동 로드(1420)에 의하여 구동되어 제2아암(1200)을 회동 샤프트(1401)를 중심으로 회동시킨다. 관절 링크(1410)의 일단부는 제2아암(1200)에 연결되며, 타단부는 구동 로드(1420)에 연결된다. 관절 링크(1410)는 예를 들어 핀(pin)(1411)에 의하여 제2아암(1200)에 제2아암(1200)의 회동 방향과 동일한 방향으로 회동될 수 있게 연결될 수 있다. 예를 들어, 핀(1411)이 제2아암(1200)에 고정되고, 관절 링크(1410)의 일단부는 헐거운 끼워맞춤 방식에 의하여 핀(1411)에 회동될 수 있게 연결될 수 있다. 다른 방안으로서, 핀(1411)이 관절 링크(1410)에 고정되거나 또는 관절 링크(1410)와 일체로 형성되고, 핀(1411)이 제2아암(1200)에 마련된 관통부(1201)에 회동될 수 있게 삽입될 수도 있다. 도면으로 도시되지는 않았지만, 관절 링크(1410)의 타단부는 구동 로드(1420)에 직접 연결될 수 있다. 이 경우, 관절 링크(1410)의 타단부는 구동 로드(1420)에 회동될 수 있게 연결될 수 있다. 회동의 방향은 예를 들어 제2아암(1200)의 회동방향과 동일한 방향이거나 그에 직교하는 방향일 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 관절 링크(1410)의 타단부는 구동 로드(1420)에 중간 부재(1430)를 개재하여 연결될 수도 있다. 관절 링크(1410)의 타단부와 중간 부재(1430)와의 제1연결부(1441) 및 중간 부재(1430)와 구동 로드(1420)와의 제2연결부(1442) 중 적어도 하나는 적어도 한 방향으로 상호 회동가능한 연결구조를 가질 수 있다. 이때, 회동의 방향은 예를 들어 제2아암(1200)의 회동방향과 동일한 방향이거나 그에 직교하는 방향일 수 있다. 본 실시예에서는 제1, 제2연결부(1441)(1442) 모두가 회동가능한 연결구조를 갖는다. 회동 가능한 제1연결부(1441)는 예를 들어, 중간 부재(1430)에 마련된 핀(1443)이 관절 링크(1410)의 타단부에 마련된 직경이 핀(1443)보다 큰 관통공(미도시)에 삽입되는 구조일 수 있다. 회동 가능한 제2연결부(1442)는 예를 들어, 중간 부재(1430)에 마련된 핀(1443)이 구동 로드(1420)에 마련된 직경이 핀(1444)보다 큰 관통홀(미도시)에 삽입되는 구조일 수 있다.
관절 링크(1410)는 탄성 물질(elastic material)로 형성된 탄성체일 수 있다. 탄성 물질은 초탄성 물질(superelastic material)일 수 있다. 예를 들어, 관절 링크(1410)는 형상기억합금(shape memory alloy)(SMA)과 같은 탄성 물질로 형성될 수 있다. 형상기억합금은, 예컨대, Ni-Ti, Cu-Zn, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni 등일 수 있다. 관절 링크(1410)의 형상은 특별히 제한되지 않는다. 관절 링크(1410)의 단면 형상은 균일할 수 있으며, 경우에 따라서는 특정 부위에서 많은 변형이 일어날 수 있도록 균일하지 않을 수도 있다. 관절 링크(1410)는 비탄성체일 수도 있다. 이 경우 중간 부재(1430)는 판스프링과 같은 탄성 물질로 형성될 수 있다.
핀(1411)과 회동축(1401)과의 거리는 제1, 제2아암(1100)(1200)의 직경보다 클 수 있다. 예를 들어, 핀(1411)과 회동축(1401)과의 거리는 제1, 제2아암(1100)(1200)의 직경의 약 1.5배 이상, 1.5∼3배 정도일 수 있다. 구동 로드(1420)를 왕복시키는 힘이 동일한 경우에 핀(1411)과 회동축(1401)과의 거리가 멀수록 더 강한 모멘트를 생성시킬 수 있다. 또한, 구동 로드(1420)는 강체로서, 예를 들어 직경 약 2mm 정도의 철제 로드(steel rod)일 수 있다. 강체인 구동 로드(1420)를 이용한 관절 구조는 와이어를 이용하는 구조에 비하여 더 강한 힘을 관절에 전달할 수 있다. 그러므로, 인스트루먼트(1001)는 강한 힘을 가지고 수술 작업을 수행할 수 있다.
상술한 구성에 의하여, 구동 로드(1420)를 도시되지 않은 액추에이터를 이용하여 도 4에 도시된 화살표시 +X 방향으로 당기면 이 당기는 힘이 관절 링크(1410)를 거쳐 제2아암(1200)에 전달되며, 제2아암(1200)은 회동축(1401)을 중심으로 하여 도 5에 도시된 바와 같이 회동된다. 이때 탄성체인 관절 링크(1410)는 어느 정도 탄력적으로 변형되면서 회동축(1411)의 위치 변동에 따라 관절 링크(1410)와 구동 로드(1420)와의 연결부에 가해지는 굽힘 응력을 흡수할 수 있다. 관절 링크(1410)가 비탄성체인 경우 탄성체인 중간 부재(1430)가 탄력적으로 변형됨으로써 굽힘 응력을 흡수할 수 있다. 도 5에 도시된 상태에서 구동 로드(1420)를 -X방향으로 밀면 제2아암(1200)은 다시 도 4에 도시된 상태로 회동된다.
도 6에는 구동 로드(1420)를 길이 방향으로 왕복 구동하기 위하여 헤드부(1020)에 마련되는 로드 구동부의 일 예가 도시되어있다. 도 6을 참조하면, 본 실시예의 인스트루먼트(1001)에 따르면, 구동 로드(1420)의 일단부는 클램프(1460)에 의하여 이동 블록(1450)에 고정된다. 이동 블록(1750)은 베이스(1470)에 구동 로드(1420)의 길이방향으로 이동될 수 있게 지지된다. 이동 블록(1470)을 이동시키기 위하여, 예를 들어 모터(M1)에 의하여 회전되는 리드 스크류(1480)가 채용될 수 있다. 리드 스크류(1480)는 이동 블록(1450)을 관통하여 베이스(1470)에 지지되며, 이동 블록(1450)에는 리드 스크류(1480)의 나선부에 물릴 수 있는 상보적인 형상의 나선홈이 마련된다.
상술한 구성에 의하여, 모터(M1)를 회전시켜 이동 블록(1450)을 전후진시킴으로써 구동 로드(1420)를 -X, +X 방향으로 왕복 구동할 수 있다.
헤드부(1020)에는 수술 도구(1030)를 구동하기 위한 구동기구가 마련될 수 있다. 도 7을 참조하면, 수술 도구(1030)를 구동하기 위한 와이어(CA)가 도시되어 있다. 와이어(CA)는 중공 파이프 형상의 연장부(1010)의 내부를 통하여 수술 도구(1030)에 연결될 수 있다. 헤드부(1002)에는 와이어(CA)를 구동하기 위한 모터(M2)가 마련된다. 와이어(CA)는 가이드 풀리(GP) 및 가이드 롤러(GR)에 의하여 안내되어 모터(M2)에 의하여 회전되는 구동풀리(DP)에 감겨진다. 이와 같은 구성에 의하여, 모터(M2)를 정/역회전시킴으로써 와이어(CA)를 원하는 방향으로 당겨서 수술 도구(1030)를 구동할 수 있다.
인스트루먼트(1001)가 로봇 아암(101~105)에 장착되면, 모터(M1)(M2)는 유선 또는 무선 방식에 의하여 제어 스테이션(2)에 연결될 수 있다. 도면으로 도시되지는 않았지만, 리드 스크류(1480)를 구동하는 모터(M1) 대신에 예를 들어 리드 스크류(1480)와 연결된 제1기어(미도시)가 설치되고, 와이어(CA)를 수동하는 모터(M2) 대신에 구동 풀리(DP)와 연결된 제2기어(미도시)가 설치될 수 있다. 이 경우, 로봇 아암(101~105)에는 제1, 제2기어를 구동하기 위한 제1, 제2구동 모터(미도시)가 마련될 수 있다. 인스트루먼트(1001)가 로봇 아암(101~105)에 장착되면, 제1, 제2기어가 각각 제1, 제2구동 모터와 연결됨으로써 팔꿈치 관절부(1600) 및 수술 도구(1030)를 구동할 수도 있다.
도 7에 도시된 구동기구는 일 예에 지나지 않으며, 수술 도구(1030)의 종류에 따라 둘 이상의 와이어를 채용한 구동기구가 헤드부(1020)에 마련될 수 있다. 헤드부(1020)에는 수솔 도구(1030)의 종류에 따라 둘 이상의 와이어를 채용하는 다양한 형태의 구동 기구가 배치될 수도 있다. 또한, 전술한 바와 같은 손목 관절부가 구비되는 경우에는 이를 구동하기 위한 구동 기구가 헤드부(1020)에 더 마련될 수 있다.
[비관절형 인스트루먼트]
도 8에는 비관절형 인스트루먼트(1002)의 일 실시예가 도시되어 있다. 비관절형 인스트루먼트(1002)는 팔꿈치 관절부(1600)이 없다는 점을 제외하고는 도 3 및 도 7에 도시된 관절형 인스트루먼트(1001) 및 헤드부(1020)의 구조와 동일하다. 비관절형 인스트루먼트(1002)는 직선형 인스트루먼트일 수 있다.
도면으로 도시되지는 않았지만, 수술 도구(1030)와 연장부(1010)의 단부 사이에는 수술 도구(1030)에 추가적인 자유도를 제공하는 손목관절부(미도시)가 더 마련될 수도 있다. 손목 관절부는 예를 들어 요잉 및/또는 피칭이 가능한 관절부일 수 있다. 다만, 손목 관절부의 유무는 관절형과 비관절형 인스트루먼트(1001)(1002)를 구분하는 기준은 아니다.
[단일 경로 수술을 위한 구조]
로봇 수술을 위하여, 짝을 이룬 두 개의 인스트루먼트가 절개부(30)를 통하여 피검체 내부로 삽입된 상태에서 환부를 정점으로 하는 삼각형 구조로 배치될 필요가 있다. 예를 들어 도 9a에 도시된 바와 같이, 세 개의 절개부(30-1)(30-2)(30-3)를 이용한 멀티-포트(multi-port) 수술의 경우, 비관절형 인스트루먼트(1002)를 각각 절개부(30-1)(30-2)에 삽입하여 삼각형 구조를 형성하고, 절개부(30-3)를 통하여 내시경(1003)을 삽입할 수 있다. 그러나, 단일 포트(single port) 수술의 경우, 도 9b에 도시된 바와 같이 두 개의 비관절형 인스트루먼트(1002)로는 삼각형 구조를 형성하기 어려우며, 작업 공간을 확보하기 위하여는 절개부(30)의 크기가 커져야 한다. 도 9c에 도시된 바와 같이 구부러진 두 개의 인스트루먼트(1004)를 서로 엇갈린 형태로 배치하여 환부를 정점으로 하는 삼각형 구조를 형성할 수 있다. 그러나, 이 방안은 인스트루먼트(1004)를 구동하는 로봇 아암(100a, 100b)이 움직일 수 있는 공간이 협소하여 로봇 아암(100a, 100b) 상호간의 간섭을 피할 수 있는 한도 내에서만 인스트루먼트(1004)를 구동할 수 있다. 예를 들어, 절개부(30)로부터 멀어질수록 로봇 아암(100a, 100b)이 도 9d의 화살표시 E 방향으로 이동됨과 동시에 RCM을 중심으로 하여 상호 접근하는 방향으로 회동되어야만 삼각형 구조가 형성된다. 그러므로 로봇 아암(100a, 100b) 간의 간섭이 발생되어 넓은 작업 공간을 확보하기 어려우며, 인스트루먼트(1004)의 구동 자유도가 제한될 수 있다. 내시경 카메라(1003)가 삽입되는 경우에는 로봇 아암(100a, 100b)의 작동 범위가 더 좁아진다.
그러므로, 넓은 작업 공간을 확보할 수 있으면서 높은 구동 자유도를 구현할 수 있는 단일 통로 수술용 로봇 수술 시스템이 요망된다.
도 10에는 본 실시예에 따른 로봇 아암 유닛(100)의 일 예가 도시되어 있다. 도 10을 참조하면, 본 실시예에 따르면, 로봇 아암 유닛(100)은 관절형 인스트루먼트(1001)을 구비하는 로봇 아암(제1로봇 아암)(101)과 비관절형 인스트루먼트(1002)가 장착된 로봇 아암(제2로봇 아암)(102)을 포함한다. 로봇 아암(101)(102)은 서로 인접하게 배치되어 제1아암 모듈(100-1)을 형성한다. 인스트루먼트(1001)(1002)는 절개부(30)를 통하여 피검체 내부로 삽입된다. 이때, 인스트루먼트(1001)의 팔꿈치 관절부(1600)가 구부러짐으로써 인스트루먼트(1001)(1002)는 환부를 정점으로 하는 삼각형 구조를 형성할 수 있다.
이제 상술한 구성에 의하여, 인스트루먼트(1001)(1002)를 환부에 접근시키기 위한 동작을 설명한다.
환부가 절개부(30)로부터 먼 위치에 위치된 경우, 인스트루먼트(1001)(1002)는, 엄밀하게는 인스트루먼트(1001)(1002)의 단부에 각각 마련된 수술 도구(1003)는 화살표시 B1 방향으로 이동되어야 한다. 이를 위하여, 로봇 아암(102)은 RCM을 중심으로 하여 회동될 필요가 없으며, 다관절 구조, 즉 아암(111~115)을 움직여서 인스트루먼트(1002)를 역시 화살표시 B1방향으로 직선적으로 이동시키면 된다. 로봇 아암(101)은 화살표시 C1방향으로 RCM을 중심으로 회동되고, 인스트루먼트(1001)의 팔꿈치 관절부(1600)는 도 10에 점선으로 도시된 바와 같이 화살표시 D1방향으로 회동되어 펼쳐진다. 그러면, 인스트루먼트(1001)(1002)는 절개부(30)로부터 먼 환부를 정점으로 하는 삼각형 구조를 형성할 수 있다.
환부가 절개부(30)로부터 가까운 위치에 위치된 경우, 로봇 아암(102)은 다관절 구조만을 움직여서 인스트루먼트(1002)를 화살표시 B2방향으로 직선적으로 이동시킨다. 로봇 아암(101)은 화살표시 C2방향으로 회동되고, 인스트루먼트(1001)의 팔꿈치 관절부(1600)는 도 10에 실선으로 도시된 바와 같이 화살표시 D2방향으로 회동되어 오무려진다. 그러면, 인스트루먼트(1001)(1002)는 절개부(30)로부터 가까운 환부를 정점으로 하는 삼각형 구조를 형성할 수 있다.
로봇 아암(101)(102)은 수술을 하는 동안에 그 위치가 지속적으로 변경될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 로봇 아암(102)이 직선 왕복 구동되고 로봇 아암(101)은 회전 구동됨으로써 인스트루먼트(1001)(1002)가 삼각형 구조를 유지할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면, 인스트루먼트(1001)(1002)가 동일한 방향으로 움직이는 경우에도 로봇 아암(101)(102)이 움직이는 방향이 다르다. 예를 들어, 인스트루먼트(1001)(1002)가 B1방향 또는 B2방향으로 움직이는 경우에, 로봇 아암(102)은 B1방향 또는 B2방향으로 직선적으로 이동되고 로봇 아암(101)은 C1방향 또는 C2방향으로 회동된다. 이와 같이, 로봇 아암(101)(102)이 간섭되지 않고 움직일 수 있는 범위가 넓어지기 때문에, 넓은 작업 공간을 확보할 수 있으며, 인스트루먼트(1001)(1002)의 작업 자유도가 향상되어 원활하고 능률적인 수술 작업이 가능하다.
비교예로서, 도 9c및 도 9d에 도시된 구부러진 인스트루먼트(1004)를 채용하는 경우, 두 개의 인스트루먼트(1004)가 동일한 방향(절개부(30)에 접근하는 방향)으로 움직이기 위해서는 로봇 아암(100a)(100b)이 서로 접근하는 방향으로 회전되어야 하므로, 로봇 아암(100a)(100b)의 간섭에 의하여 두 개의 인스트루먼트(1004)의 작업 공간과 작업 자유도가 제한될 수 있다.
비관절형 인스트루먼트(1002)는 팔꿈치 관절부가 없는 직선형 인스트루먼트이다. 그러므로, 관절형 인스트루먼트(1001)에 비하여 강한 작업력이 요구되는 수술 작업에 유용하다. 이에 비하여 관절형 인스트루먼트(1002)는 작업의 자유도가 높다. 그러므로, 관절형 인스트루먼트(1001)와 비관절형 인스트루먼트(1002)가 짝을 이루도록 함으로써 강한 작업력이 필요한 작업은 비관절형 인스트루면트(1002)를 이용하고, 섬세한 작업에는 관절형 인스트루먼트(1001)를 이용함으로써, 관절의 자유도가 없는 도 9c 및 도 9d에 도시된 구부러진 형태의 인스트루먼트(1004)를 이용하는 경우에 비하여 효과적인 수술 작업이 가능하다.
도 10을 참조하면, 로봇 아암 유닛(100)은 제2아암 모듈(100-2)을 더 구비할 수 있다. 제2아암 모듈(100-2)은 제1아암 모듈(100-1)과 대칭적인 구조를 갖는다. 로봇 아암(제2로봇 아암)(104)에는 비관절형 인스트루먼트(1002)가 장착되고 로봇 아암(제1로봇 아암)(105)에는 관절형 인스트루먼트(1001)가 장착된다. 이와 같이, 직선적으로 이동되는 비관절형 인스트루먼트(1002)가 장착된 로봇 아암(102)(104)끼리 인접하게 배치됨으로써, 제1, 제2아암 모듈(100-1)(100-2) 상호간의 간섭 가능성을 줄일 수 있다. 따라서, 작업 자유도가 높아 다양한 수술 작업을 능란하게 수행할 수 있다. 제2아암 모듈(100-2)의 작동 방식 및 그에 따른 효과는 제1아암 모듈(100-1)의 경우와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 10을 참조하면, 로봇 아암 유닛(100)은 내시경 카메라(1003)가 장착되는 로봇 아암(제3로봇 아암)(103)을 더 구비할 수 있다. 이 경우, 로봇 아암(103)은 비관절형 인스트루먼트(1002)가 장착된 로봇 아암(102)(103)에 인접하게 배치될 수 있다. 즉, 로봇 아암(103)은 로봇 아암(102)을 기준으로 하여 로봇 아암(101)의 반대쪽에 배치된다. 수술 과정에서 로봇 아암(103)은 내시경 카메라(1003)을 이동시키기 위하여, 직선 운동 및 회전 운동될 수 있다. 그러므로, 로봇 아암(103)을 수술 과정에서 직선적으로 움직이는 로봇 아암(102)(104)과 인접되게 배치함으로써 로봇 아암(103)의 작업 공간을 넓게 확보할 수 있다.
상술한 바와 같이, 다수의 로봇 아암(101~105)을 구비하는 수술 로봇 시스템에서는 수술 과정에서 다수의 로봇 아암(101~105) 간의 간섭에 의하여 로봇 아암(101~105)의 작동 범위가 제한될 수 있다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 관절형 인스트루먼트(1001)가 장착된 로봇 아암(101)(105)과 비관절형 인스트루먼트(1002)가 장착된 로봇 아암(102)(104)이 쌍을 이루어 아암 모듈(100-1)(100-2)을 형성함으로써 수술 과정에서 로봇 아암(101)(105)과 로봇 아암(102)(104)이 움직이는 방향을 서로 다르게 할 수 있다. 이에 의하여, 로봇 아암(101)(105)과 로봇 아암(102)(104) 간의 충돌 가능성을 줄일 수 있으며, 원활한 수술 작업이 가능하다. 또한, 아암 모듈(100-1)(100-2)을 내시경 카메라(1003)가 장착된 로봇 아암(103)을 기준으로 하여 대칭적으로 배치함으로써 작업 자유도가 높은 효과적인 수술 로봇 시스템이 구현될 수 있다.
지금까지는 편의상 로봇 아암(101~105)의 RCM을 구분하지 않고 단지 'RCM'으로 통칭하였으나, 실질적으로 로봇 아암(101~105)이 간섭되지 않도록 하기 위하여는 각 로봇 아암(101~105)의 RCM의 위치는 서로 다르다는 것을 당업자는 알 수 있을 것이다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 수술 로봇 시스템 및 그 작동 방법은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
1: 수술 스테이션 2 : 제어 스테이션
10 : 위치조정유닛 11: 수직 컬럼
12 : 승강 블록 13 : 위치조정아암
14 : 수술 테이블 21 : 영상표시유닛
22 : 조작유닛 30 : 절개부
100 : 로봇 아암 유닛 100-1, 100-2 : 제1, 제2아암 모듈
101~105 : 로봇 아암 1001 : 관절형 인스트루먼트
1002 : 비관절형 인스트루먼트 1003 : 내시경 카메라
1600 : 팔꿈치 관절부

Claims (13)

  1. 단일 통로 수술용 수술 로봇 시스템으로서,
    관절형 인스트루먼트가 장착되고, 상기 관절형 인스트루먼트에 RCM을 기준으로 하는 운동 변위를 제공하는 제1로봇 아암;
    상기 제1로봇 아암과 짝을 이루며, 비관절형 인스트루먼트가 장착되고, 상기 비관절형 인스트루먼트에 RCM을 기준으로 하는 운동 변위를 제공하는 제2로봇 아암;을 포함하는 수술 로봇 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    내시경 카메라가 장착되며, RCM을 기준으로 하는 운동 변위를 제공하는 제3로봇 아암;을 더 구비하며,
    상기 제3로봇 아암은 상기 제2로봇 아암을 기준으로 하여 상기 제1로봇 아암의 반대쪽에 배치되는 수술 로봇 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1로봇 아암과 상기 제2로봇 아암은 제1아암 모듈을 형성하며,
    상기 제1아암 모듈과 대칭적 구조를 갖는 제2아암 모듈;을 더 구비하는 수술 로봇 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1아암 모듈과 상기 제2아암 모듈은 각각의 제2로봇 아암끼리 서로 인접하게 배치되는 수술 로봇 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    내시경 카메라가 장착되며, RCM 운동 변위를 제공하는 제3로봇 아암;을 더 구비하며,
    상기 제3로봇 아암은 제1아암 모듈과 상기 제2아암 모듈 사이에 배치되는 수술 로봇 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비관절형 인스트루먼트는 직선형 인스트루먼트인 수술 로봇 시스템.
  7. 단일 통로 수술용 수술 로봇 시스템으로서,
    팔꿈치 관절부를 구비하는 관절형 인스트루먼트가 장착되는 제1로봇 아암;
    상기 제1로봇 아암과 짝을 이루며, 직선형 인스트루먼트가 장착되는 제2로봇 아암;을 포함하여,
    상기 관절형 인스트루먼트와 상기 직선형 인스트루먼트는 피검체 내부에 삽입되어 삼각형 구조를 형성하는 수술 로봇 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1로봇 아암과 상기 제2로봇 아암은 제1아암 모듈을 형성하며,
    상기 제1아암 모듈과 대칭적 구조를 갖는 제2아암 모듈;을 더 구비하는 수술 로봇 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1아암 모듈과 상기 제2아암 모듈은 각각의 제2로봇 아암끼리 서로 인접하게 배치되는 수술 로봇 시스템.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1, 제2로봇 아암은 각각 상기 관절형 인스트루먼트와 상기 직선형 인스트루먼트에 RCM을 기준으로 하는 운동 변위를 제공할 수 있다.
  11. 단일 통로 수술 로봇 시스템의 작동 방법으로서,
    관절형 인스트루먼트에 RCM을 기준으로 하여 운동 변화를 제공하는 제1로봇 아암과 비관절형 인스트루먼트에 RCM을 기준으로 하여 운동 변위를 제공하는 제2로봇 아암을 준비하는 단계;
    단일의 통로를 통하여 상기 관절형 인스트루먼트와 비관절형 인스트루먼트를 피검체 내에 삽입하는 단계;
    상기 관절형 인스트루먼트의 팔꿈치 관절부를 구부려 상기 비관절형 인스트루먼트와 함께 삼각형 구조를 형성하는 단계;를 포함하는 수술 로봇 시스템의 작동 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 비관절형 인스트루먼트를 그 길이 방향으로 직선적으로 이동시키는 단계;를 더 포함하는 수술 로봇 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 관절형 인스트루먼트를 RCM을 기준으로 하여 회동시키고 상기 팔꿈치 관절부를 구동하는 단계;를 포함하는 수술 로봇 시스템의 작동 방법.
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