KR20200075535A - User interface device, master console for surgical robot apparatus and operating method of master console - Google Patents

Abstract

The present invention provides a user interface device, a master console of a surgical robot device, and an operation method of the master console of the surgical robot device. The master console of the surgical robot device that a user remotely controls a slave robot with a surgical tool comprises: a positioning arm setting a position of the surgical tool; a gimbal arm disposed at an end of the positioning arm and setting a direction of the surgical tool; a user interface device rotatably mounted and detached from the end of the gimbal arm, sensing a contact of the user, and measuring magnitude of force exerted by the user; and a controller controlling the surgical tool based on information on the force or contact received from the user interface device.

Description

Translated fromKorean

사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔 및 그 조작방법{User interface device, master console for surgical robot apparatus and operating method of master console}User interface device, master console for surgical robot apparatus and operating method of master console

본 발명은 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔 및 마스터 콘솔의 조작방법에 관한 것이다.The present invention relates to a device and method, and more particularly to a user interface device, a master console of a surgical robot device and a method of operating the master console.

수술 로봇은 외과의사에 의해 시행되던 수술 행위를 대신할 수 있는 기능을 가지는 로봇을 말한다. 이러한 수술 로봇은 사람에 비하여 정확하고 정밀한 동작을 할 수 있으며 원격 수술이 가능하다는 장점을 가진다. 현재 전 세계적으로 개발되고 있는 수술 로봇은 뼈 수술 로봇, 복강경(復腔鏡) 수술 로봇, 정위 수술 로봇 등이 있다Surgical robot refers to a robot having a function that can replace the operation performed by the surgeon. Such a surgical robot has the advantage of being able to perform accurate and precise motions compared to a person and to perform remote surgery. Surgical robots currently being developed worldwide are bone surgery robots, laparoscopic surgery robots, and stereotactic surgery robots.

수술 로봇 장치는 일반적으로 마스터 콘솔과 슬레이브 로봇으로 구성된다. 오퍼레이터가 마스터 콘솔에 구비된 조종 레버(예를 들어 핸들)를 조작하면, 슬레이브 로봇의 로봇 암에 결합되거나 로봇 암이 파지하고 있는 수술도구가 조작되어 수술이 수행된다.The surgical robotic device is generally composed of a master console and a slave robot. When the operator operates a control lever (for example, a handle) provided in the master console, the surgery is performed by operating a surgical tool that is coupled to the robot arm of the slave robot or that is held by the robot arm.

수술 로봇 시스템에서 의사 등의 오퍼레이터는 마스터 암에 연결된 입력 장치를 손을 이용하여 작동시킨다. 이를 통해 오퍼레이터는 마스터 암을 움직이게 되며, 슬레이브 로봇에 연결된 수술 도구의 자세(위치 및 방향)와 움직임 등을 결정한다.In the surgical robot system, an operator such as a doctor operates an input device connected to the master arm by hand. Through this, the operator moves the master arm, and determines the posture (position and direction) and movement of the surgical tool connected to the slave robot.

입력 장치는 사용자의 손가락 입력을 측정할 수 있는 부분을 추가적으로 포함할 수 있는데, 예를 들면 집게 형태를 이용하여 수술 도구가 무언가를 잡거나 자를 수 있게 하는 입력, 혹은 버튼 형태를 이용하여 시스템의 작동과 관련된 입력 등을 측정하여 시스템에 전달한다.The input device may additionally include a portion capable of measuring a user's finger input, for example, an input that allows a surgical tool to hold or cut something using a forceps shape, or a system operation using a button shape. The relevant inputs are measured and transmitted to the system.

오퍼레이터는 두개의 손가락이 입력장치의 집게 부분을 잡은 상태로 수술을 집도한다. 집게 부분은 손가락의 움직임에 따라 기구적으로 움직이게 되며, 마스터 암의 이동 및 방향 전환도 집게 부분 만을 통하여 만들어 지게 된다. 따라서 오퍼레이터는 두 개의 손가락만을 이용하는 작동에서 쉽게 피로감을 느낄 수 있으며, 집게의 작동과 마스터 암의 이동이 두 손가락을 이용하여 동시에 이뤄지게 되어 사용상에 불편함이 있을 수 있다.The operator performs the operation with two fingers holding the forceps of the input device. The forceps part moves mechanically according to the movement of the finger, and the movement and direction change of the master arm is made through only the forceps part. Therefore, the operator can easily feel fatigue in the operation using only two fingers, and the operation of the forceps and the movement of the master arm can be simultaneously performed using two fingers, which may cause inconvenience in use.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.The above-mentioned background technology is technical information acquired by the inventor for the derivation of the present invention or acquired in the derivation process of the present invention, and is not necessarily a known technology disclosed to the general public before filing the present invention.

본 발명은 조작이 쉽고, 안전성이 향상된 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a user interface device that is easy to operate and has improved safety, a master console for a surgical robot device, and a driving method thereof.

본 발명의 일측면은, 사용자가 수술도구가 장착된 슬레이브 로봇을 원격조정하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔에 있어서, 상기 수술도구의 위치를 설정하는 포지셔닝 암과, 상기 포지셔닝 암의 단부에 배치되며, 상기 수술도구의 방향을 설정하는 짐벌 암과, 상기 짐벌 암의 단부에 회전가능하게 장착 및 탈착되고, 상기 사용자가 접촉을 감지하고, 상기 사용자가 가하는 힘의 크기를 측정할 수 있는 사용자 인터페이스 장치, 및 상기 사용자 인터페이스 장치에서 전달받은 힘이나 접촉에 대한 정보를 기초로 상기 수술도구를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔를 제공한다.In one aspect of the present invention, in a master console of a surgical robot apparatus for a user to remotely control a slave robot equipped with a surgical tool, a positioning arm for setting the position of the surgical tool and an end of the positioning arm are disposed, A gimbal arm for setting the direction of the surgical tool, and a user interface device rotatably mounted and detachable at an end of the gimbal arm, the user sensing a contact, and measuring the magnitude of the force exerted by the user, And a controller for controlling the surgical tool based on information on force or contact received from the user interface device.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치는 하우징과, 일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되며, 상기 사용자가 가하는 힘을 측정하는 제1 힘 측정부와, 상기 제1 힘 측정부와 이격되게 배치되며, 일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되어 상기 사용자의 접촉을 감지하는 터치 측정부, 및 상기 하우징의 일측에 배치되고, 상기 짐벌 암에 접속하는 커넥터를 구비할 수 있다.In addition, the user interface device is a housing, a part of which is exposed to the outer surface of the housing, the first force measuring unit for measuring the force exerted by the user, and the first force measuring unit is spaced apart, a part A touch measurement unit exposed to the outer surface of the housing to sense the user's contact may be provided, and a connector disposed on one side of the housing and connected to the gimbal arm.

또한, 상기 하우징은 구 형상을 가질 수 있다.In addition, the housing may have a spherical shape.

또한, 상기 제1 힘 측정부는 상기 하우징의 외측에 배치되는 접촉 패드와, 상기 접촉 패드와 연결되며, 스트레인 게이지가 설치되는 브릿지, 및 상기 브릿지와 연결되며, 상기 하우징에 고정되는 고정단을 구비할 수 있다.In addition, the first force measurement unit may include a contact pad disposed outside the housing, a bridge connected to the contact pad, a strain gauge installed, and a fixed end connected to the bridge and fixed to the housing. Can.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치는 사용자 정보를 저장하는 정보 저장부를 더 구비하며, 상기 컨트롤러는 상기 사용자 인터페이스 장치가 상기 짐벌 암에 장착되면, 상기 사용자 정보에 대응하여 상기 포지셔닝 암과 상기 짐벌 암의 위치를 설정할 수 있다.In addition, the user interface device further includes an information storage unit for storing user information, and when the user interface device is mounted on the gimbal arm, the controller determines the position of the positioning arm and the gimbal arm in response to the user information. Can be set.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치는 상기 하우징의 외측에 배치되며, 사용자 인터페이스 장치의 상태에 관한 정보를 표시하는 표시부를 더 구비할 수 있다.In addition, the user interface device is disposed outside the housing, and may further include a display unit that displays information regarding the state of the user interface device.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치는 상기 슬레이브 로봇의 위치를 변경하여 상기 수술도구를 교체하거나, 상기 슬레이브 로봇에 장착된 카메라의 위치를 변경하는 스위칭부를 더 구비할 수 있다.In addition, the user interface device may further include a switching unit to change the position of the slave robot to replace the surgical tool or to change the position of the camera mounted on the slave robot.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치는 상기 제1 힘 측정부의 아래에 배치되는 제2 힘 측정부를 더 구비할 수 있다.In addition, the user interface device may further include a second force measurement unit disposed under the first force measurement unit.

또한, 상기 컨트롤러는 상기 사용자 인터페이스 장치에서 측정된 사용자의 힘의 크기가 기 설정된 범위이면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고, 상기 사용자 인터페이스 장치에서 측정된 사용자의 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절할 수 있다.In addition, if the magnitude of the user's force measured by the user interface device is within a predetermined range, the controller adjusts the opening degree between a pair of jaws of the surgical tool, and the user's measured by the user interface device. When the magnitude of the force exceeds a preset range, the grip force between a pair of jaws of the surgical tool can be adjusted.

또한, 상기 컨트롤러는 상기 사용자 인터페이스 장치에서 상기 사용자의 접촉신호를 수신하면, 기 설정된 제1 지연 시간이 도과된 후에 상기 마스터 콘솔을 구동시키고, 상기 사용자 인터페이스 장치에서 상기 사용자의 접촉신호가 해제되면, 상기 제1 지연 시간보다 긴 제2 지연 시간이 도과된 후에 상기 마스터 콘솔의 구동을 정지할 수 있다.In addition, when the controller receives the user's contact signal from the user interface device, the controller starts the master console after a predetermined first delay time is reached, and when the user's contact signal is released from the user interface device, After the second delay time that is longer than the first delay time is reached, the driving of the master console may be stopped.

본 발명의 다른 측면은, 사용자가 수술도구가 장착된 슬레이브 로봇을 원격조정하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔에 장착되는 사용자 인터페이스 장치에 있어서, 하우징과, 일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되며, 상기 사용자가 가하는 힘을 측정하는 제1 힘 측정부와, 상기 제1 힘 측정부와 이격되게 배치되며, 일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되어 상기 사용자의 접촉을 측정하는 터치 측정부, 및 상기 하우징의 일측에 배치되고, 상기 마스터 콘솔에 접속하는 커넥터를 구비하는 사용자 인터페이스 장치를 제공한다.In another aspect of the present invention, in a user interface device mounted on a master console of a surgical robot device for a user to remotely control a slave robot equipped with a surgical tool, the housing and a portion of the housing are exposed on the outer surface of the housing, and the A first force measuring unit for measuring a force applied by a user, a touch measuring unit disposed to be spaced apart from the first force measuring unit, and partially exposed to an outer surface of the housing to measure the user's contact, and the housing It provides a user interface device disposed on one side of the, and having a connector for connecting to the master console.

또한, 상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위이면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고, 상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절할 수 있다.In addition, if the magnitude of the force measured by the first force measurement unit is a predetermined range, the opening degree between the pair of jaws of the surgical tool is adjusted, and the magnitude of the force measured by the first force measurement unit If is exceeds a preset range, the grip force between a pair of jaws of the surgical tool can be adjusted.

또한, 상기 제1 힘 측정부의 아래에 배치되는 제2 힘 측정부를 더 구비할 수 있다.In addition, a second force measurement unit disposed under the first force measurement unit may be further provided.

본 발명의 또 다른 측면은, 수술도구가 장착된 슬레이브 로봇을 원격조정하기 위한 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법에 있어서, 사용자 인터페이스 장치를 마스터 콘솔에 장착하는 단계와, 사용자가 상기 사용자 인터페이스 장치의 터치 측정부를 접촉하여 상기 마스터 콘솔을 구동하는 단계와, 상기 마스터 콘솔의 포지셔닝 암과 짐 벌암을 구동시켜서 상기 수술도구의 위치와 방향을 설정하는 단계, 및 상기 사용자 인터페이스 장치의 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기에 대한 데이터를 기초로 상기 수술도구의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하는 수술도구 조작 단계를 포함하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법을 제공한다.In another aspect of the present invention, in a method of operating a master console of a surgical robot device for remotely controlling a slave robot equipped with a surgical tool, a step of mounting a user interface device on the master console, and the user the user interface device Driving the master console by contacting the touch measurement unit of the controller; setting the position and direction of the surgical tool by driving the positioning arm and the gimbal arm of the master console; and a first force measurement unit of the user interface device It provides a method for operating the master console of the surgical robot apparatus including a surgical tool operation step for adjusting the opening and grip force of the jaw of the surgical tool on the basis of the data on the magnitude of the force measured in the.

또한, 상기 수술도구 조작 단계는 상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위이면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고, 상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절할 수 있다.In addition, in the step of operating the surgical tool, if the magnitude of the force measured by the first force measuring unit is within a preset range, the opening degree between a pair of jaws of the surgical tool is adjusted, and the first force measuring unit When the magnitude of the force measured at exceeds the preset range, the grip force between the pair of jaws of the surgical tool can be adjusted.

또한, 상기 마스터 콘솔을 구동하는 단계는 상기 터치 측정부에서 상기 사용자의 접촉신호를 수신하면, 기 설정된 제1 지연 시간 이후에 상기 마스터 콘솔을 구동시킬 수 있다.In addition, in the step of driving the master console, when the touch measurement unit receives the user's contact signal, the master console may be driven after a preset first delay time.

또한, 상기 사용자가 상기 제1 힘 측정부에 가력하는 힘을 유지하면서, 상기 제1 힘 측정부의 아래에 배치된 제2 힘 측정부를 조작하여, 상기 수술도구의 소작 기능을 실행하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, while maintaining the force exerted by the user on the first force measuring unit, operating the second force measuring unit disposed under the first force measuring unit, further comprising the step of performing the cauterization function of the surgical tool can do.

또한, 상기 사용자 인터페이스 장치를 마스터 콘솔에 장착하는 단계는 상기 사용자 인터페이스 장치에서 사용자 정보를 상기 마스터 콘솔에 전송하고, 상기 사용자 정보에 대응하여 상기 마스터 콘솔의 포지셔닝 암과 짐벌 암의 위치를 설정할 수 있다.In addition, the step of mounting the user interface device on the master console may transmit user information from the user interface device to the master console, and set positions of the positioning arm and gimbal arm of the master console in response to the user information. .

이와 같은 본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 오퍼레이터가 직관적으로 사용자 인터페이스 장치를 조작하여, 마스터 콘솔 및 수술 로봇 장치를 제어할 수 있다. 사용자 인터페이스 장치는 오퍼레이터가 가하는 한 방향의 힘을 통해서 수술도구를 이용할 수 있으므로, 수술 집도의 직관성이 향상될 수 있다. 또한, 오퍼레이터에 따라 마스터 콘솔이 셋팅되므로, 수술 준비 절차를 간소화 할 수 있다.In such a user interface device according to the present invention, the master console of the surgical robot device and its driving method, the operator can intuitively operate the user interface device to control the master console and the surgical robot device. Since the user interface device can use the surgical tool through a force in one direction applied by the operator, the intuitiveness of the surgical intensity can be improved. In addition, since the master console is set according to the operator, it is possible to simplify the surgical preparation procedure.

본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 환자가 안전한 상태에서 수술을 수행할 수 있다. 사용자 인터페이스 장치는 수술도구의 개도이나 그립력을 직관적으로 인식할 수 있으며, 디바운싱을 적용하여 안전한 상태로 마스터 콘솔을 구동하므로, 수술 전과정에서의 안전성이 향상될 수 있다.The user interface device according to the present invention, the master console of the surgical robot device and its driving method can perform surgery in a safe state of the patient. The user interface device can intuitively recognize the opening or gripping force of the surgical tool, and by applying the debounce to drive the master console in a safe state, safety in the entire operation can be improved.

본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 힘/토크 센서를 적용하여 마스터 콘솔을 정확하게 제어할 수 있다.The user interface device according to the present invention, the master console of the surgical robot device and its driving method can accurately control the master console by applying a force/torque sensor.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 장치의 전체 시스템을 나타내는 평면도이다.
도 2a는 도 1의 슬레이브 로봇을 도시하는 도면이고, 도 2b는 슬레이브 로봇의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 3a는 도 1의 마스터 콘솔의 일부 구성을 도시하는 사시도이며, 도 3b는 도 3a의 마스터 콘솔에 사용자 인터페이스 장치가 장착된 상태를 도시하는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치를 도시하는 사시도이다.
도 5a와 도 5b는 도 4의 제1 힘 측정부를 도시하는 사시도이다.
도 6은 도 1의 수술 로봇 장치의 일부 구성을 도시하는 구성도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치를 도시하는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법을 도시하는 순서도이다.
도 9는 도 4의 사용자 인터페이스 장치에서 입력된 신호를 기초로 수술도구의 일 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.
도 10는 도 4의 사용자 인터페이스 장치에서 입력된 신호를 기초로 수술도구의 다른 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 4의 사용자 인터페이스 장치에서 입력된 신호를 기초로 수술도구의 또 다른 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.1 is a plan view showing the entire system of a surgical robot apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2A is a view showing the slave robot of FIG. 1, and FIG. 2B is a view showing a modification of the slave robot.
3A is a perspective view showing a partial configuration of the master console of FIG. 1, and FIG. 3B is a perspective view showing a state in which the user interface device is mounted on the master console of FIG. 3A.
4 is a perspective view showing a user interface device according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B are perspective views illustrating the first force measurement unit of FIG. 4.
6 is a configuration diagram showing a partial configuration of the surgical robot apparatus of FIG. 1.
7A and 7B are perspective views illustrating a user interface device according to another embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a method of operating a master console of a surgical robot apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing control of one function of a surgical tool based on a signal input from the user interface device of FIG. 4.
FIG. 10 is a graph illustrating controlling other functions of the surgical tool based on a signal input from the user interface device of FIG. 4.
FIG. 11 is a graph illustrating controlling another function of the surgical tool based on the signal input from the user interface device of FIG. 4.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.The present invention can be applied to a variety of transformations and may have various embodiments, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all conversions, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, even though it is illustrated in other embodiments, the same reference numerals are used for the same components.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but components should not be limited by terms. The terms are only used to distinguish one component from other components.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 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.Terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. In this application, the terms "include" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

이하, 첨부된 도면들에 도시된 본 발명에 관한 실시 예들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments related to the present invention shown in the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 장치(1)의 전체 시스템을 나타내는 평면도이다.1 is a plan view showing the entire system of thesurgical robot apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 수술 로봇 장치(1)는 수술대(2)에 누워있는 환자(P)에게 수술을 행하는 슬레이브 로봇(10)과, 슬레이브 로봇(10)을 오퍼레이터(O)가 원격 조종하도록 하는 마스터 콘솔(20)을 포함한다. 또한, 수술 로봇 장치(1)는 비전 카트(30)를 포함할 수 있다. 비전 카트(30)의 디스플레이부(35)를 통해서, 보조자(A)가 수술의 진행 상황을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 1, thesurgical robot apparatus 1 allows the operator O to remotely control theslave robot 10 and theslave robot 10 performing surgery on the patient P lying on the operating table 2. It includes amaster console 20. In addition, thesurgical robot device 1 may include avision cart 30. Through thedisplay unit 35 of thevision cart 30, the assistant A can check the progress of the surgery.

슬레이브 로봇(10)은 하나 이상의 로봇 암(11)을 포함할 수 있다. 일반적으로 로봇 암은 인간의 팔 및/또는 손목과 유사한 기능을 가지고 있으며 손목 부위에 소정의 도구를 부착시킬 수 있는 장치를 의미한다. 본 명세서에서 로봇 암(11)이란 상박, 하박, 손목, 팔꿈치 등의 구성 요소 및 상기 손목 부위에 결합되는 수술용 인스트루먼트 등을 모두 포괄하는 개념으로 정의할 수 있다. 이와 같은, 슬레이브 로봇(10)의 로봇 암(11)은 다자유도를 가지며 구동되도록 구현될 수 있다. 로봇 암(11)은 예를 들어 환자(P)의 수술 부위에 삽입되는 수술도구(12), 수술도구(12)를 수술 위치에 따라 요(yaw)방향으로 회전시키는 요동 구동부, 요동 구동부의 회전 구동과 직교하는 피치(pitch) 방향으로 수술도구를 회전시키는 피치 구동부, 수술도구(12)를 길이 방향으로 이동시키는 이송 구동부와, 수술도구를 회전시키는 회전 구동부, 수술도구(12)의 끝단에 설치되어 수술 병변을 절개 또는 절단하는 수술도구 구동부를 포함하여 구성될 수 있다. 다만, 로봇 암(11)의 구성이 이에 제한되지는 않으며, 이러한 예시가 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 여기서, 오퍼레이터(O)가 조작 레버를 조작함에 의해 로봇 암(11)이 상응하는 방향으로 회전, 이동하는 등의 실제 제어 과정에 대한 구체적인 설명은 생략한다.Theslave robot 10 may include one ormore robot arms 11. In general, a robot arm refers to a device having a function similar to that of a human arm and/or wrist and capable of attaching a predetermined tool to the wrist. In this specification, therobot arm 11 may be defined as a concept encompassing components such as upper arm, lower arm, wrist, and elbow, and surgical instruments coupled to the wrist. As such, therobot arm 11 of theslave robot 10 may be implemented to be driven with multiple degrees of freedom. Therobot arm 11 includes, for example, asurgical tool 12 inserted into a surgical site of a patient P, a swinging drive unit that rotates thesurgical tool 12 in a yaw direction according to a surgical position, and a rotation of the swinging drive unit A pitch driving unit for rotating the surgical tool in a pitch direction orthogonal to the driving, a transport driving unit for moving thesurgical tool 12 in the longitudinal direction, a rotating driving unit for rotating the surgical tool, and installed at the end of thesurgical tool 12 It can be configured to include a surgical tool drive for cutting or cutting the surgical lesion. However, the configuration of therobot arm 11 is not limited to this, it should be understood that these examples do not limit the scope of the present invention. Here, the detailed description of the actual control process such as therobot arm 11 rotates and moves in the corresponding direction by the operator O operating the operation lever is omitted.

슬레이브 로봇(10)은 환자(P)를 수술하기 위하여 하나 이상으로 이용될 수 있으며, 수술 부위가 디스플레이부(35)를 통해 화상 이미지로 표시되도록 하기 위한 수술도구(12)는 독립된 슬레이브 로봇(10)으로 구현될 수도 있다. 또한, 앞서 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 복강경 이외의 다양한 수술용 내시경(예를 들어, 흉강경, 관절경, 비경 등)이 이용되는 수술들에 범용적으로 사용될 수 있다.Theslave robot 10 may be used as one or more to operate the patient P, and thesurgical tool 12 for allowing the surgical site to be displayed as an image image through thedisplay unit 35 is an independent slave robot 10 ). In addition, as described above, embodiments of the present invention can be used universally for surgery using various surgical endoscopes (eg, thoracoscopic, arthroscopic, parenteral, etc.) other than laparoscopic.

마스터 콘솔(20)과 슬레이브 로봇(10)이 반드시 물리적으로 독립된 별도의 장치로 분리되어야 하는 것은 아니며, 하나로 통합되어 일체형으로 구성될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해서 마스터 콘솔(20)과 슬레이브 로봇(10)이 물리적으로 이격된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.Themaster console 20 and theslave robot 10 do not necessarily need to be separated into separate physically independent devices, and can be integrated into one and configured as a single unit. However, hereinafter, for convenience of description, a description will be mainly made of the case where themaster console 20 and theslave robot 10 are physically separated.

마스터 콘솔(20)은 조작 레버(미도시) 및 디스플레이 부재(미도시)를 포함한다. 또한, 마스터 콘솔(20)은 추가적으로 외측에 오퍼레이터(O)의 상태를 표시할 수 있는 외부의 디스플레이 장치(25)를 더 구비할 수 있다.Themaster console 20 includes an operation lever (not shown) and a display member (not shown). In addition, themaster console 20 may further include anexternal display device 25 capable of displaying the state of the operator O on the outside.

상세히, 마스터 콘솔(20)은 오퍼레이터(O)가 양손에 각각 파지하여 조작할 수 있도록 조작 레버(미도시)를 구비한다. 조작 레버는 두 개 또는 그 이상의 수량의 핸들로 구현될 수 있으며, 오퍼레이터(O)의 핸들 조작에 따른 조작 신호가 유선 또는 무선 통신망을 통해 슬레이브 로봇(10)으로 전송되어 로봇 암(11)이 제어된다. 즉, 오퍼레이터(O)의 핸들 조작에 의해 로봇 암(11)의 위치 이동, 회전, 절단 작업 등의 수술 동작이 수행될 수 있다.In detail, themaster console 20 is provided with an operation lever (not shown) so that the operator O can be gripped with both hands and operated. The operation lever may be implemented with two or more handles, and an operation signal according to the handle operation of the operator O is transmitted to theslave robot 10 through a wired or wireless communication network to control therobot arm 11 do. That is, a surgical operation such as a movement, rotation, or cutting operation of therobot arm 11 may be performed by operating the handle of the operator O.

예를 들어, 오퍼레이터(O)는 핸들 형태의 조작 레버를 이용하여 슬레이브 로봇 암(11)이나 수술도구(12) 등을 조작 할 수 있다. 이와 같은 조작 레버는 그 조작방식에 따라 다양한 기구적 구성을 가질 수 있으며, 슬레이브 로봇 암(11)이나 수술도구(12) 등의 동작을 조작하는 마스터 핸들과, 전체 시스템의 기능을 조작하기 위해 마스터 콘솔(20)에 부가된 조이스틱, 키패드, 트랙볼, 터치스크린과 같은 각종 입력도구와 같이, 슬레이브 로봇(10)의 로봇 암(11) 및/또는 기타 수술 장비를 작동시키기 위한 다양한 형태로 구비될 수 있다. 여기서, 조작 레버는 핸들의 형상으로 제한되지 않으며, 유선 또는 무선 통신망과 같은 네트워크를 통해 로봇 암(11)의 동작을 제어할 수 있는 형태이면 아무런 제한 없이 적용될 수 있다.For example, the operator O can operate theslave robot arm 11 or thesurgical tool 12 using a handle-type operation lever. Such an operation lever may have various mechanical configurations according to its operation method, a master handle for manipulating operations such as aslave robot arm 11 or asurgical tool 12, and a master for manipulating the functions of the entire system. Various input tools such as joysticks, keypads, trackballs, and touch screens added to theconsole 20 may be provided in various forms for operating therobot arm 11 and/or other surgical equipment of theslave robot 10. have. Here, the operation lever is not limited to the shape of the handle, and can be applied without any limitation as long as it can control the operation of therobot arm 11 through a network such as a wired or wireless communication network.

마스터 콘솔(20)의 상기 디스플레이 부재에는 수술도구(12)를 통해 촬영되는 영상이 화상 이미지로 표시된다. 또한 디스플레이 부재에는 소정의 가상 조작판이 상기 수술도구(12)를 통해 촬영되는 영상과 함께 표시되거나 또는 독립적으로 표시될 수 있다.The image captured through thesurgical tool 12 is displayed on the display member of themaster console 20 as an image image. In addition, a predetermined virtual operation panel may be displayed on the display member together with an image photographed through thesurgical tool 12 or may be displayed independently.

디스플레이 부재는 오퍼레이터(O)가 영상을 확인할 수 있는 다양한 형태로 구비될 수 있다. 예를 들어, 오퍼레이터(O)의 양안에 대응하도록 디스플레이 장치가 설치될 수 있다. 다른 예로, 하나 이상의 모니터들로 구성될 수 있으며, 각 모니터에 수술시 필요한 정보들이 개별적으로 표시되도록 할 수 있다. 디스플레이 부재의 수량은 표시를 요하는 정보의 유형이나 종류 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다. 더 상세한 마스터 콘솔(20)에 대한 설명은 하기에서 설명하기로 한다.The display member may be provided in various forms in which the operator O can check the image. For example, a display device may be installed to correspond to both eyes of the operator O. As another example, one or more monitors may be configured, and information necessary for surgery may be individually displayed on each monitor. The number of display members may be variously determined according to the type or type of information requiring display. More detailed description of themaster console 20 will be described below.

비전 카트(30)는 슬레이브 로봇(10)이나 마스터 콘솔(20)에 이격되게 설치되고, 외부에서 수술의 진행상황을 디스플레이부(35)를 통해서 확인할 수 있다. 디스플레이부(35)에서 디스플레이되는 영상은 오퍼레이터(O)의 마스터 콘솔(20)에서 디스플레이 되는 영상과 동일할 수 있다. 보조자(A)는 디스플레이부(35)의 영상을 확인하면서, 오퍼레이터(O)의 수술 작업을 보조할 수 있다. 예를 들어, 보조자(A)는 수술의 진행상태에 따라 수술도구(12)를 인스트루먼트 카트(3)에서 교체할 수 있다.Thevision cart 30 is installed spaced apart from theslave robot 10 or themaster console 20, and the progress of the operation can be checked from the outside through thedisplay unit 35. The image displayed on thedisplay unit 35 may be the same as the image displayed on themaster console 20 of the operator O. The assistant A may assist the operator O with the surgical operation while checking the image of thedisplay unit 35. For example, the assistant A can replace thesurgical tool 12 in theinstrument cart 3 according to the progress of the surgery.

중앙 제어부(40)는 슬레이브 로봇(10), 마스터 콘솔(20) 및 비전 카트(30)와 연결되어, 각각의 신호를 송수신 할 수 있다. 중앙 제어부(40)는 슬레이브 로봇(10), 마스터 콘솔(20) 및 비전 카트(30) 중 어느 하나에 설치되거나, 독립적으로 설치될 수 있다.Thecentral control unit 40 is connected to theslave robot 10, themaster console 20 and thevision cart 30 to transmit and receive each signal. Thecentral control unit 40 may be installed in any one of theslave robot 10, themaster console 20 and thevision cart 30, or may be installed independently.

도 2a는 도 1의 슬레이브 로봇(10)을 도시하는 도면이고, 도 2b는 슬레이브 로봇의 변형예를 도시하는 도면이다.2A is a view showing theslave robot 10 of FIG. 1, and FIG. 2B is a view showing a modification of the slave robot.

도 2a를 참조하면, 슬레이브 로봇(10)은 패시브 암(110)과 액티브 암(120)을 구비할 수 있다.Referring to FIG. 2A, theslave robot 10 may include apassive arm 110 and anactive arm 120.

패시브 암(110)은 수술 준비과정에서 액티브 암(120)의 위치를 원하는 위치로 이동시킬 수 있으나, 수술 중에는 작동하지 않고 위치가 고정된다. 패시브 암(110)은 복수 개의 조인트와 이들 조인트들을 연결하는 링크(link)들을 포함한다. 각 조인트는 회전(rotation) 운동 혹은 직선(prismatic) 운동을 하며, 이러한 운동을 통하여 패시브 암(110)의 전체적인 움직임을 생성한다. 조인트는 구동기(actuator), 감속기, 센서, 브레이크(brake), 카운터밸런스(counterbalance) 등을 구비 할 수 있다.Thepassive arm 110 may move the position of theactive arm 120 to a desired position in preparation for surgery, but does not operate during surgery and the position is fixed. Thepassive arm 110 includes a plurality of joints and links connecting these joints. Each joint performs a rotational movement or a prismatic movement, and generates the overall movement of thepassive arm 110 through such movement. The joint may include an actuator, a speed reducer, a sensor, a brake, a counterbalance, and the like.

구동기는 주로 전기 모터가 이용되며, BDC(brushed DC) 모터, BLDC(brushless DC) 모터, AC 모터 등을 포함 할 수 있다. 감속기는 하모닉 드라이브(harmonic drive), 유성기어 등과 같이 기어(gear)로 구현될 수 있다. 센서는 조인트의 움직임을 측정하는 엔코더(encoder), 리솔버(resolver) 등이 이용될 수 있으며, 각 조인트와 연결된 링크에 작용하는 힘이나 토크를 측정하는 힘/토크(force/torque) 센서를 포함 할 수 있다. 브레이크는 조인트의 움직임을 제한하는 장치로 주로 솔레노이드(solenoid)와 스프링 등이 주요 구성 요소이며, 구동기에 연결되어 구동기의 움직임을 제한하는 형태, 링크에 연결되어 링크의 움직임을 제한하는 형태, 혹은 위의 두 가지 형태 모두를 포함 할 수 있다. 카운터밸런스는 로봇 암의 무게를 보상하는 장치로, 정적(static) 상태에서 로봇 암의 무게를 상쇄할 수 있는 힘을 작용한다.The electric motor is mainly used for the driver, and may include a brushed DC (BDC) motor, a brushless DC (BLDC) motor, or an AC motor. The reducer can be implemented as a gear, such as a harmonic drive, planetary gear, and the like. The sensor may be an encoder, a resolver, etc. that measures the movement of the joint, and includes a force/torque sensor that measures the force or torque acting on the link connected to each joint. can do. The brake is a device that restricts the movement of the joint. Mainly, solenoids and springs are the main components, and it is connected to the actuator to limit the movement of the actuator, and it is connected to the link to limit the movement of the link. Can include both forms of The counterbalance is a device that compensates for the weight of the robot arm, and acts to counteract the weight of the robot arm in a static state.

패시브 암(110)은 제1 링크(111), 제2 링크(112), 제3 링크(113)가 서로 연결되도록 배치되고, 3개의 조인트를 구비할 수 있다. 패시브 암(110)은 3개의 링크를 3개의 조인트로 조절하여, 패시브 암(110)을 3차원 공간에서 원하는 위치에 이동시킬 수 있다.Thepassive arm 110 is disposed such that thefirst link 111, thesecond link 112, and thethird link 113 are connected to each other, and may include three joints. Thepassive arm 110 can adjust the three links to three joints to move thepassive arm 110 to a desired position in a three-dimensional space.

제1 링크(111)는 지면에 대해서 수직 방향으로 설치되고, 내부에 제1 조인트(J1)가 배치되어 지면에 대해서 수직한 방향으로 직선 운동할 수 있다. 이로써, 패시브 암(110)은 액티브 암(120)의 높이를 조절할 수 있다.Thefirst link 111 is installed in a vertical direction with respect to the ground, and a first joint J1 is disposed inside to linearly move in a direction perpendicular to the ground. Accordingly, thepassive arm 110 can adjust the height of theactive arm 120.

제2 링크(112)는 제1 링크(111)에 대해서 회전가능하게 연결되며, 제1 링크(111)와 수직된다. 제2 링크(112)는 제2 조인트(J2)로 제1 링크(111)와 연결되므로, 지면에 수직된 축을 기준으로 제1 링크(111)에 대해서 회전할 수 있다. 또한, 제2 링크(112)는 지면과 나란한 방향으로 연장되므로, 제1 링크(111)와 실질적으로 수직되게 배치된다.Thesecond link 112 is rotatably connected to thefirst link 111 and is perpendicular to thefirst link 111. Since thesecond link 112 is connected to thefirst link 111 by the second joint J2, it can rotate relative to thefirst link 111 based on an axis perpendicular to the ground. In addition, since thesecond link 112 extends in a direction parallel to the ground, thesecond link 112 is disposed substantially perpendicular to thefirst link 111.

제3 링크(113)는 제2 링크(112)에 대해서 회전 가능하게 연결되며, 제2 링크(112)와 나란하게 배치된다. 제3 링크(113)는 제3 조인트(J3)로 제2 링크(112)와 연결되므로, 지면에 수직된 축을 기준으로 제2 링크(112)에 대해서 회전할 수 있다. 또한, 제3 링크(113)는 제2 링크(112)와 같이 지면에 대해서 나란하게 배치된다.Thethird link 113 is rotatably connected to thesecond link 112, and is arranged side by side with thesecond link 112. Since thethird link 113 is connected to thesecond link 112 by the third joint J3, it can rotate relative to thesecond link 112 based on an axis perpendicular to the ground. In addition, thethird link 113 is arranged side by side with respect to the ground like thesecond link 112.

액티브 암(120)은 말단부에 수술도구(12)나 내시경(미도시)이 장착되며, 수술중에 액티브 암(120)의 각 조인트를 구동하여 수술도구(12)나 내시경이 환자의 몸에서 움직일 수 있다. 액티브 암(120)은 복수 개의 조인트와 이들 조인트들을 연결하는 링크(link)들을 포함한다. 각 조인트는 회전(rotation) 운동 혹은 직선(prismatic) 운동을 하며, 이러한 운동을 통하여 액티브 암(120)의 전체적인 움직임을 생성한다. 조인트는 구동기(actuator), 감속기, 센서, 브레이크(brake), 카운터밸런스(counterbalance) 등을 구비 할 수 있다. 각 조인트의 구성은 전술한 패시브 암(110)의 조인트와 실질적으로 동일하고, 배치에 따른 작동이 상이한바 이하에서는 이에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.Theactive arm 120 is equipped with asurgical tool 12 or an endoscope (not shown) at the distal end, and thesurgical tool 12 or the endoscope can be moved in the patient's body by driving each joint of theactive arm 120 during surgery. have. Theactive arm 120 includes a plurality of joints and links connecting these joints. Each joint performs a rotational movement or a prismatic movement, and generates the overall movement of theactive arm 120 through such movement. The joint may include an actuator, a speed reducer, a sensor, a brake, a counterbalance, and the like. The configuration of each joint is substantially the same as the joint of thepassive arm 110 described above, and the operation according to the arrangement is different, which will be described in detail below.

액티브 암(120)은 제4 링크(121), 제5 링크(122), 제6 링크(123)가 서로 연결되도록 배치되고, 6개의 조인트를 구비할 수 있다. 액티브 암(120)은 3개의 링크를 6개의 조인트로 조절하여 수술도구(12)의 요(yaw), 피치(pitch), 롤(roll)의 각도를 조절하여, 수술 동작을 수행할 수 있다.Theactive arm 120 is disposed such that thefourth link 121, thefifth link 122, and thesixth link 123 are connected to each other, and may include six joints. Theactive arm 120 may perform surgical operations by adjusting the angles of the yaw, pitch, and roll of thesurgical tool 12 by adjusting three links to six joints.

제4 링크(121)는 패시브 암(110)의 제3 링크(113)와 연결된다. 제4 링크(121)는 제4 조인트(J4)와 연결되므로, 지면에 수직된 축을 기준으로 제3 링크(113)에 대해서 회전 할 수 있다. 또한, 제4 링크(121)의 후단에는 카운터밸런스가 배치되어, 액티브 암(120)의 무게를 보상할 수 있다.Thefourth link 121 is connected to thethird link 113 of thepassive arm 110. Since thefourth link 121 is connected to the fourth joint J4, it can rotate relative to thethird link 113 based on an axis perpendicular to the ground. In addition, a counterbalance is disposed at the rear end of thefourth link 121 to compensate for the weight of theactive arm 120.

제4 링크(121)의 내부에는 제5 조인트(J5)가 배치되고, 제4 링크(121)의 길이 방향으로 직선 운동 할 수 있다. 제5 조인트(J5)는 제4 링크(121)의 길이를 조절할 수 있다.A fifth joint J5 is disposed inside thefourth link 121 and may linearly move in the longitudinal direction of thefourth link 121. The fifth joint J5 may adjust the length of thefourth link 121.

제5 링크(122)는 제4 링크(121)에 대해서 회전 가능하게 연결된다. 제5 링크는 절곡되게 형성된다. 제5 링크(122)는 제4 링크(121)와 연결되는 부분은 지면에 나란하게 형성되나, 제6 링크(123)와 연결되는 부분은 지면에 수직되게 형성된다.Thefifth link 122 is rotatably connected to thefourth link 121. The fifth link is formed to be bent. In thefifth link 122, a portion connected to thefourth link 121 is formed parallel to the ground, but a portion connected to thesixth link 123 is formed perpendicular to the ground.

제5 링크(122)는 제6 조인트(J6)와 연결되므로, 지면에 대해서 수직된 축을 기준으로 제4 링크(121)에 대해서 회전할 수 있다. 또한, 제5 링크(122)의 수직한 부분에는 지면에 대해서 수직한 방향으로 직선 운동할 수 있는 제7 조인트(J7)가 설치되어, 수직 방향으로 높이를 조절할 수 있다.Since thefifth link 122 is connected to the sixth joint J6, it can rotate relative to thefourth link 121 based on an axis perpendicular to the ground. In addition, a seventh joint J7 that can linearly move in a direction perpendicular to the ground is installed in the vertical portion of thefifth link 122 to adjust the height in the vertical direction.

제6 링크(123)는 제5 링크(122)에 대해서 소정의 경사를 가질 수 있다. 일 예로, 제6 링크(123)는 제5 링크(122)의 길이 방향에 대해서 45도의 경사를 가질 수 있다. 제6 링크(123)는 내부에 제8 조인트(J8)가 배치되어 제6 링크(123)의 길이 방향의 축에 대해서 회전 할 수 있다. 즉, 제8 조인트(J8)를 통해서 제6 링크(123)는 롤 운동을 할 수 있다.Thesixth link 123 may have a predetermined slope with respect to thefifth link 122. For example, thesixth link 123 may have an inclination of 45 degrees with respect to the longitudinal direction of thefifth link 122. Thesixth link 123 is provided with an eighth joint J8 disposed therein to rotate relative to the longitudinal axis of thesixth link 123. That is, thesixth link 123 may perform roll motion through the eighth joint J8.

제6 링크(123)의 단부에는 슬라이드 가이드(150)가 설치되며, 제9 조인트(J9)가 슬라이드 가이드(150)의 피치각(pitch angle)를 조절할 수 있다. 슬라이드 가이드(150)는 수술도구(12)의 직선 운동을 안내할 수 있다.Theslide guide 150 is installed at the end of thesixth link 123, and the ninth joint J9 can adjust the pitch angle of theslide guide 150. Theslide guide 150 may guide the linear motion of thesurgical tool 12.

캐뉼러 홀더(130)는 제6 링크(123)의 단부에 장착되어 캐뉼러(140)를 구비할 수 있으며, 캐뉼러(140)는 수술도구(12)가 장착될 수 있으며, 외측에는 RCM(remote center of motion)의 위치를 확인할 수 있는 마커(M)가 표시될 수 있다.Thecannula holder 130 may be mounted at an end of thesixth link 123 to have acannula 140, and thecannula 140 may be equipped with asurgical tool 12, and an RCM ( A marker M that can confirm the location of the remote center of motion may be displayed.

도 2b를 참조하면, 슬레이브 로봇(10’)은 패시브 암(110’)과 액티브 암(120)을 구비하고, 단부에는 캐뉼러 홀더(130), 캐뉼러(140), 슬라이드 가이드(150)가 장착될 수 있다. 전술한 일 실시예에 따른 슬레이브 로봇(10)과 비교하면, 패시브 암(110)에 제2a 조인트(J2a)가 더 구비된 점에 차이가 있는바, 이하에서는 상기 차이점에 대해서 상세히 설명하기로 한다.Referring to FIG. 2B, theslave robot 10 ′ includes apassive arm 110 ′ and anactive arm 120, and acannula holder 130, acannula 140, and aslide guide 150 are provided at the end. Can be mounted. Compared to theslave robot 10 according to the above-described embodiment, there is a difference in that the second arm joint J2a is further provided in thepassive arm 110, and the difference will be described in detail below. .

패시브 암(110)은 제1 링크(111), 제2 링크(112’), 제3 링크(113)를 구비하고, 4개의 조인트를 가질 수 있다.Thepassive arm 110 includes afirst link 111, asecond link 112 ′, and athird link 113, and may have four joints.

제1 조인트(J1)는 제1 링크(111)의 내부에 배치되 직선운동을 하여, 제1 링크(111)의 길이를 조절할 수 있다. 제2 조인트(J2)는 제1 링크(111)와 제2 링크(112’) 사이에 배치되고, 지면에 수직한 축을 중심으로 제2 링크(112)가 회전할 수 있다. 제2a 조인트(J2a)는 제2 링크(112’)의 내부에 배치되고, 제2 링크(112’)의 길이를 조절할 수 있다. 즉, 제2a 조인트(J2a)가 구동되면, 제2 링크(112’)의 길이가 변화하므로, 지면에 대한 수평방향으로 위치를 이동할 수 있다. 제3 조인트(J3)는 제2 링크(112’)와 제3 링크(113) 사이에 배치되고, 지면에 수직한 축을 중심으로 제3 링크(113)가 회전할 수 있다.The first joint J1 is disposed inside thefirst link 111 to linearly move to adjust the length of thefirst link 111. The second joint J2 is disposed between thefirst link 111 and the second link 112', and thesecond link 112 can rotate about an axis perpendicular to the ground. The 2a joint J2a is disposed inside the second link 112', and the length of the second link 112' can be adjusted. That is, when the 2a joint J2a is driven, since the length of the second link 112' changes, the position can be moved in the horizontal direction with respect to the ground. The third joint J3 is disposed between thesecond link 112 ′ and thethird link 113, and thethird link 113 can rotate about an axis perpendicular to the ground.

일실시예와 비교하면, 패시브 암(110’)은 제2a 조인트(J2a)를 더 구비하므로, 여자유도(redundant DOF)를 가질 수 있다. 이로써 액티브 암(120)을 정해진 하나의 위치로 설정시에, 이에 상응하는 여자유도를 가지는 패시브 암(110’)의 배치는 다양한 경우의 수를 생성할 수 있다. 또한, 여자유도를 구비한 패시브 암(110’)은 복수개의 슬레이브 로봇이 하나의 구조물에 배치시에, 각각의 슬레이브 로봇이 서로 간섭되지 않도록 이동할 수 있다.Compared with one embodiment, thepassive arm 110 ′ may further have a second a joint J2a, and thus have a redundant DOF. Accordingly, when theactive arm 120 is set to one predetermined position, the placement of thepassive arm 110 ′ having the corresponding excitation induction may generate a number of various cases. In addition, thepassive arm 110 ′ with excitation induction can be moved so that when a plurality of slave robots are disposed in one structure, each of the slave robots does not interfere with each other.

도 3a는 도 1의 마스터 콘솔(20)의 일부 구성을 도시하는 사시도이며, 도 3b는 도 3a의 마스터 콘솔(20)에 사용자 인터페이스 장치(200)가 장착된 상태를 도시하는 사시도이다.3A is a perspective view showing a partial configuration of themaster console 20 of FIG. 1, and FIG. 3B is a perspective view showing a state in which theuser interface device 200 is mounted on themaster console 20 of FIG. 3A.

도 3a와 도 3b를 참조하면, 마스터 콘솔(20)은 베이스(21), 포지셔닝 암(22), 짐벌 암(23), 사용자 인터페이스 장치(200)를 구비할 수 있다.3A and 3B, themaster console 20 may include abase 21, apositioning arm 22, agimbal arm 23, and auser interface device 200.

베이스(21)는 마스터 콘솔(20)의 일측에 고정되며, 포지셔닝 암(22)이 고정될 수 있다.Thebase 21 is fixed to one side of themaster console 20, and thepositioning arm 22 can be fixed.

포지셔닝 암(22)은 수술도구(12)를 위치를 설정할 수 있다. 오퍼레이터(O)가 사용자 인터페이스 장치(200)를 조작하여 포지셔닝 암(22)의 각 관절을 조절하면, 슬레이브 로봇(10)이나 수술도구(12)는 3차원 공간에서 설정된 위치로 배치될 수 있다.Thepositioning arm 22 can position thesurgical tool 12. When the operator O controls each joint of thepositioning arm 22 by manipulating theuser interface device 200, theslave robot 10 or thesurgical tool 12 may be arranged in a set position in a three-dimensional space.

포지셔닝 암(22)은 복수개의 포지셔닝 링크, 구동기, 관절을 구비한다. 상세하게, 포지셔닝 암(22)은 복수개의 구동기를 이용하여 포지셔닝 암(22)의 말단부의 3자유도 위치를 결정하게 된다. 구동기는 주로 전기 모터가 이용되며, BDC(brushed DC)모터나 BLDC(brushless DC)모터가 이용되며, 브레이크가 연결될 수 있다. 짐벌 암(23)의 구동기는 토크의 증폭을 위해 감속기와 연결될 수 있다. 포지셔닝 암(22)은 백래쉬(backlash)와 마찰을 최소화 할 수 있는 캡스턴 메커니즘이 이용될 수 있다. 포지셔닝 암(22)의 말단부의 위치는 각 구동기와 연결된 관절의 위치를 측정하여 계산 할 수 있다. 또한 각 관절의 위치는 구동기와 직접 연결된 센서 혹은 구동기와 연결된 관절에 연결된 센서를 통해 알 수 있으며, 센서로는 주로 엔코더가 이용된다.Thepositioning arm 22 has a plurality of positioning links, actuators, and joints. In detail, thepositioning arm 22 uses a plurality of actuators to determine the position of the three degrees of freedom of the distal end of thepositioning arm 22. The electric motor is mainly used for the driver, a brushed DC (BDC) motor or a brushless DC (BLDC) motor is used, and a brake can be connected. The driver of thegimbal arm 23 can be connected to a reducer for amplification of torque. Thepositioning arm 22 may use a capstan mechanism capable of minimizing backlash and friction. The position of the distal end of thepositioning arm 22 can be calculated by measuring the position of the joint connected to each actuator. In addition, the position of each joint can be known through a sensor directly connected to the driver or a sensor connected to the joint connected to the driver, and an encoder is mainly used as the sensor.

짐벌 암(23)은 포지셔닝 암(22)의 단부에 배치되며, 수술도구(12)의 방향을 설정할 수 있다. 오퍼레이터(O)가 사용자 인터페이스 장치(200)를 조작하여 짐벌 암(23)의 각 관절을 조절하면, 슬레이브 로봇(10)이나 수술도구(12)는 3차원 공간에서 설정된 방향으로 조작될 수 있다.Thegimbal arm 23 is disposed at the end of thepositioning arm 22 and can set the direction of thesurgical tool 12. When the operator (O) controls each joint of thegimbal arm 23 by operating theuser interface device 200, theslave robot 10 or thesurgical tool 12 can be operated in a direction set in a three-dimensional space.

짐벌 암(23)은 말단부의 3자유도 방향을 결정하며, 1개의 여자유도를 가질 수 있도록, 전체 4개의 구동기로 구성된다. 짐벌 암(23)의 여자유도는 오퍼레이터(O)가 마스터 암을 잡고 움직일 때 사용의 편리성을 향상 시키기 위한 목적으로 구성된다.Thegimbal arm 23 determines the direction of 3 degrees of freedom at the distal end, and is composed of a total of 4 actuators so as to have one excitation degree. The excitation induction of thegimbal arm 23 is configured for the purpose of improving the convenience of use when the operator O grasps and moves the master arm.

짐벌 암(23)은 복수개의 짐벌 링크, 구동기, 관절을 구비할 수 있다. 짐벌 암(23)의 구동기는 주로 전기 모터가 이용되며, BDC(brushed DC)모터나 BLDC(brushless DC)모터가 이용되며, 브레이크가 연결될 수 있다. 구동기는 토크의 증폭을 위해 감속기와 연결될 수 있다. 짐벌 암(23)은 백래쉬(backlash)와 마찰을 최소화 할 수 있는 캡스턴 메커니즘이 이용될 수 있다.Thegimbal arm 23 may include a plurality of gimbal links, drivers, and joints. The driver of thegimbal arm 23 is mainly an electric motor, a brushed DC (BDC) motor or a brushless DC (BLDC) motor is used, and a brake can be connected. The driver can be connected to a reducer for amplification of torque. Thegimbal arm 23 may use a capstan mechanism that minimizes backlash and friction.

짐벌 암(23)의 말단부의 방향은 각 구동기와 연결된 관절의 위치를 측정하여 계산 할 수 있다. 또한 각 관절의 위치는 구동기와 직접 연결된 센서 혹은 구동기와 연결된 관절에 연결된 센서를 통해 알 수 있으며, 센서로는 주로 엔코더가 이용된다.The direction of the distal end of thegimbal arm 23 can be calculated by measuring the position of the joint connected to each actuator. In addition, the position of each joint can be known through a sensor directly connected to the driver or a sensor connected to the joint connected to the driver, and an encoder is mainly used as the sensor.

구동기로 BLDC 모터가 이용되는 경우에는 모터에서 코깅 토크(cogging torque)가 발생하는데, 시스템의 성능과 사용자의 편의성 향상을 위해 이를 보상하는 것이 바람직하다. 코깅 토크의 보상은 상대적으로 빠른 제어 주기를 필요로 하므로, 모터 드라이브에서 구현될 수 있다.When a BLDC motor is used as a driver, cogging torque is generated in the motor, and it is desirable to compensate for the improvement of the system performance and user convenience. Compensation of cogging torque requires a relatively fast control cycle, so it can be implemented in a motor drive.

오퍼레이터(O)는 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)을 이용하여 3자유도 위치(x, y, z)와 3자유도 방향(yaw, pitch, roll)을 결정할 수 있으며, 이는 수술로봇 시스템의 중요한 입력 데이터로 이용된다.The operator O can determine the three degrees of freedom (x, y, z) and three degrees of freedom (yaw, pitch, roll) using thepositioning arm 22 and thegimbal arm 23, which is a surgical robot. It is used as important input data of the system.

사용자 인터페이스 장치(200)는 추가적인 오퍼레이터(O)의 입력을 위해서 짐벌 암(23)의 말단부에 장착될 수 있다. 사용자 인터페이스 장치(200)는 짐벌 암(23)에 장착 및 탈착될 수 있다.Theuser interface device 200 may be mounted on the distal end of thegimbal arm 23 for input of an additional operator O. Theuser interface device 200 may be mounted and detached from thegimbal arm 23.

다른 실시예로, 도 6을 참조하면 사용자 인터페이스 장치(200)와 짐벌 암(23) 사이에는 힘/토크 센서(205)가 장착될 수 있다. 힘/토크 센서(205)는 짐벌 암(23)과 사용자 인터페이스 장치(200) 사이에 작용하는 힘/토크를 측정할 수 있으며, 측정된 힘/토크 값을 이용하여 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 성능과 사용자의 편의성을 향상시키는데 이용될 수 있다.In another embodiment, referring to FIG. 6, a force/torque sensor 205 may be mounted between theuser interface device 200 and thegimbal arm 23. The force/torque sensor 205 can measure the force/torque acting between thegimbal arm 23 and theuser interface device 200, and uses the measured force/torque value to position thearm 22 and the gimbal arm It can be used to improve the performance of (23) and user convenience.

예를 들면, 중력, 관성력, 마찰력 보상을 통해 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 성능과 오퍼레이터(O)의 편의성을 향상시킬 수 있는데, 이를 위해서는 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 정확한 동역학 모델이 필요하다. 하지만 현실적으로 정확한 모델을 구하지 못한 경우에는 센서를 통해 측정된 값을 이용하여 모델의 정확도를 높여야 한다. 힘/토크 센서(205)는 사용자 인터페이스 장치(200)와 짐벌 암(23) 사이에 배치되므로, 정확한 힘/토크를 측정하고, 이를 통해서 오퍼레이터(O)의 편의성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.For example, it is possible to improve the performance of thepositioning arm 22 and thegimbal arm 23 and the convenience of the operator O by compensating for gravity, inertia, and friction, and for this purpose, thepositioning arm 22 and the gimbal arm 23 ) Requires an accurate dynamic model. However, if a realistic model cannot be obtained, the accuracy of the model should be increased by using the value measured by the sensor. Since the force/torque sensor 205 is disposed between theuser interface device 200 and thegimbal arm 23, it is possible to measure the exact force/torque and thereby effectively improve the convenience of the operator O.

힘/토크 센서(205)는 힘 피드백에 있어서도 유리한 장점을 가진다. 힘/토크 센서를 이용하지 않고 위치에 따른 힘 피드백 값을 계산하는 임피던스 표시(impedance display) 방법 대신에, 힘/토크 센서를 이용하여 기준 위치 값을 계산하는 어드미턴스 표시(admittance display) 방법을 적용할 수 있다. 어드미턴스 표시(admittance display) 방법은 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)이 안정적으로 표현할 수 있는 강성(stiffness)을 향상시킬 수 있으며, 장비의 성능과 사용자의 몰입감을 향상 시킬 수 있다.The force/torque sensor 205 also has an advantage in force feedback. Instead of the impedance display method that calculates the force feedback value according to the position without using the force/torque sensor, the admittance display method that calculates the reference position value using the force/torque sensor is applied. Can. The admittance display method can improve the stiffness that thepositioning arm 22 and thegimbal arm 23 can stably express, and improve the performance of the equipment and the user's immersion.

힘/토크 센서(205)는 3축의 힘을 측정하거나, 3축의 힘과 1축 이상의 토크를 측정할 수 있다. 짐벌 암(23)과 사용자 인터페이스 장치(200)를 기구적 및 전기적으로 연결할 수 있는 연결부를 포함하는데, 손쉬운 탈부착을 위해 스프링 커넥터(spring loaded connector) 등이 이용될 수 있다.The force/torque sensor 205 may measure the force of three axes, or the force of three axes and the torque of one or more axes. Thegimbal arm 23 and theuser interface device 200 include a connection part that can be mechanically and electrically connected, and a spring loaded connector or the like can be used for easy detachment.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(200)를 도시하는 사시도이고, 도 5a와 도 5b는 도 4의 제1 힘 측정부(220)를 도시하는 사시도이며, 도 6은 도 1의 수술 로봇 장치(1)의 일부 구성을 도시하는 구성도이다.4 is a perspective view showing auser interface device 200 according to an embodiment of the present invention, FIGS. 5A and 5B are perspective views showing a firstforce measurement unit 220 of FIG. 4, and FIG. 6 is a view Fig. 1 is a configuration diagram showing a part of thesurgical robot device 1.

도 4 내지 도 6를 참조하면, 사용자 인터페이스 장치(200)는 하우징(210), 제1 힘 측정부(220), 터치 측정부(230), 커넥터(240), 표시부(250), 정보 저장부(260) 및 스위칭부(270)를 구비할 수 있다. 사용자 인터페이스 장치(200)는 짐벌 암(23)의 단부에 회전가능하게 장착 및 탈착될 수 있다. 사용자 인터페이스 장치(200)는 사용자 즉, 오퍼레이터(O)의 접촉을 감지하고, 오퍼레이터(O)가 가하는 힘의 크기를 측정할 수 있다.4 to 6, theuser interface device 200 includes ahousing 210, a firstforce measurement unit 220, atouch measurement unit 230, aconnector 240, adisplay unit 250, and aninformation storage unit 260 and a switching unit 270 may be provided. Theuser interface device 200 may be rotatably mounted and detached at the end of thegimbal arm 23. Theuser interface device 200 may detect the contact of the user, that is, the operator O, and measure the magnitude of the force exerted by the operator O.

하우징(210)은 사용자 인터페이스 장치(200)의 외관을 형성하고, 구 형상을 가지 수 있다. 오퍼레이터(O)는 쉽고 직관적으로 구 형상의 하우징을 그립할 수 있으며, 조작을 편하게 할 수 있다.Thehousing 210 forms the exterior of theuser interface device 200 and may have a spherical shape. The operator O can easily and intuitively grip the spherical housing, and can easily operate.

제1 힘 측정부(220)는 일부가 하우징(210)의 외측 표면에 노출되며, 오퍼레이터(O)가 가하는 힘을 측정할 수 있다. 사용자는 검지 손가락이나 중지 손가락을 이용하여, 접촉 패드(221)에 힘을 가하면, 브릿지(222)의 변형을 기초로 가해진 힘의 크기를 측정할 수 있다. 제1 힘 측정부(220)는 접촉 패드(221), 브릿지(222), 고정단(223)을 구비할 수 있다.A portion of the firstforce measurement unit 220 is exposed to the outer surface of thehousing 210 and can measure the force exerted by the operator O. When a user applies a force to thecontact pad 221 using the index finger or middle finger, the user can measure the magnitude of the applied force based on the deformation of thebridge 222. The firstforce measurement unit 220 may include acontact pad 221, abridge 222, and afixed end 223.

접촉 패드(221)는 하우징(210)에 노출되며, 오퍼레이터(O)가 접촉 및 가력 할 수 있다. 접촉 패드(221)에 가해지는 힘은 브릿지(222)를 변형할 수 있다.Thecontact pad 221 is exposed to thehousing 210, and the operator O can contact and force the contact. The force applied to thecontact pad 221 can deform thebridge 222.

브릿지(222)는 접촉 패드(221)와 연결되며, 일 방향으로 연장될 수 있다. 브릿지(222)는 탄성체(elastic body)로 형성되므로, 외부에서 힘이나 토크가 가해지면 브릿지(222)가 변형되어 가해진 힘이나 토크를 측정할 수 있다.Thebridge 222 is connected to thecontact pad 221 and may extend in one direction. Since thebridge 222 is formed of an elastic body, when a force or torque is applied from the outside, thebridge 222 is deformed to measure the applied force or torque.

탄성체의 변형은 예컨대, 스트레인 게이지를 이용한 방법, 정전용량형(capacitive type) 센서를 이용한 방법, 유도형(inductive type)을 이용한 방법 등을 이용하여 측정할 수 있다. 탄성체 변형에 따른 전기신호 변화 측정할 수 있으며, 이렇게 발생한 전기신호를 증폭 및 필터링, 그리고 교정(calibration) 과정을 통하면 센서에 가해진 힘/토크를 측정할 수 있게 된다. 이하에서는 설명의 편의를 위해서, 스트레인 게이지가 장착된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.Deformation of the elastic body can be measured using, for example, a method using a strain gauge, a method using a capacitive type sensor, a method using an inductive type, or the like. It is possible to measure the change in electrical signal due to elastic deformation, and the amplification, filtering, and calibration process of the generated electrical signal can measure the force/torque applied to the sensor. Hereinafter, for convenience of description, a description will be given focusing on the case where the strain gauge is mounted.

브릿지(222)의 각각의 면에는 스트레인 게이지가 설치될 수 있다. 도 5a 및 도 5b와 같이 4개(R1, R2, R3, R4)의 스트레인 게이지가 장착될 수 있다. 접촉 패드(221)에서 전달되는 힘은 브릿지(222)를 변형시키고, 스트레인 게이지는 브릿지(222)의 변형의 정도를 측정하여 외부에서 가해지는 힘을 측정할 수 있다.A strain gauge may be installed on each side of thebridge 222. 5A and 5B, four strain gauges (R1, R2, R3, and R4) may be mounted. The force transmitted from thecontact pad 221 deforms thebridge 222, and the strain gauge measures the degree of deformation of thebridge 222 to measure the force applied from the outside.

브릿지(222)에서의 힘의 측정은 브릿지 회로(bridge circuit)를 이용하며, 가해진 힘에 따른 전기 저항의 변화를 전압의 변화로 변환하여 측정한다. 출력 전압은 증폭, 필터링, A/D(analog/digital) 변환 등의 과정을 통해 측정되며, 측정된 전압은 교정(calibration)을 통해 가해진 힘으로 계산될 수 있다.The measurement of the force in thebridge 222 uses a bridge circuit, and the change in electrical resistance according to the applied force is converted into a change in voltage and measured. The output voltage is measured through processes such as amplification, filtering, and analog/digital (A/D) conversion, and the measured voltage can be calculated by the force applied through calibration.

온도, 습도 등 외란에 의해 스트레인 게이지의 저항 값이 영향을 받을 수 있으며, 결과적으로 정확한 힘의 측정이 어려워진다. 따라서 외란에 의한 영향은 제거되거나 최소화 되어야 하며, 인접하게 위치한 4개(R1, R2, R3, R4)의 스트레인 게이지를 이용한 풀 브릿지(full bridge) 회로가 이용될 수 있다.The resistance value of the strain gauge may be affected by disturbances such as temperature and humidity, and as a result, accurate force measurement becomes difficult. Therefore, the influence of the disturbance should be eliminated or minimized, and a full bridge circuit using four adjacently positioned (R1, R2, R3, R4) strain gauges can be used.

고정단(223)은 브릿지(222)와 연결되며, 하우징(210)에 고정될 수 있다. 고정단(223)은 제1 힘 측정부(220)를 하우징(210)과 연결시킬 수 있다.Thefixed end 223 is connected to thebridge 222 and may be fixed to thehousing 210. Thefixed end 223 may connect the firstforce measurement unit 220 to thehousing 210.

제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘에 대한 데이터는 컨트롤러(170)로 전달되어, 수술도구(12)의 수술 동작을 수행할 수 있다.The data about the force measured by the firstforce measurement unit 220 is transmitted to thecontroller 170, so that the surgical operation of thesurgical tool 12 can be performed.

터치 측정부(230)는 일부가 하우징(210)의 외측 표면에 노출되어 오퍼레이터(O)의 접촉을 감지할 수 있다. 터치 측정부(230)는 제1 힘 측정부(220)와 이격되게 설치되어, 오퍼레이터(O)의 손가락을 쉽게 거치 및 접촉할 수 있다. 터치 측정부(230)는 정전 용량 터치 센서로 형성될 수 있다.Thetouch measuring unit 230 may detect a contact of the operator O by partially exposing the outer surface of thehousing 210. Thetouch measurement unit 230 is installed to be spaced apart from the firstforce measurement unit 220, so that the finger of the operator O can be easily mounted and contacted. Thetouch measurement unit 230 may be formed of a capacitive touch sensor.

터치 측정부(230)는 표면이 만곡되게 형성될 수 있다. 오퍼레이터(O)의 접촉을 신속하고 정확하게 인식하기 위해서 표면이 만곡되게 형성되어, 손가락의 접촉 면적이 증가하고, 손가락이 터치 측정부 상에서 위치를 유지할 수 있다. 터치 측정부(230)는 수술 로봇 장치(1)의 구동과 관련되어 있으므로, 신속하고 정확하게 터치를 측정되어야 한다. 오퍼레이터(O)가 수술 로봇 장치(1)를 사용중에 손가락의 위치를 유지하지 않으면, 사용자 인터페이스 장치(200)는 다른 신호로 인식하여 수술 로봇 장치(1)가 오작동 될 수 있다. 터치 측정부(230)의 만곡된 표면이 손가락의 위치를 유지하므로, 오퍼레이터(O)의 접촉 불량에 따른 오작동을 줄일 수 있다.Thetouch measurement unit 230 may have a curved surface. In order to quickly and accurately recognize the contact of the operator O, the surface is formed to be curved, so that the contact area of the finger increases, and the finger can maintain its position on the touch measurement unit. Since thetouch measurement unit 230 is related to the driving of thesurgical robot device 1, the touch must be measured quickly and accurately. If the operator O does not maintain the position of the finger while using thesurgical robot device 1, theuser interface device 200 may recognize the signal as another signal, and thesurgical robot device 1 may malfunction. Since the curved surface of thetouch measurement unit 230 maintains the position of the finger, it is possible to reduce malfunction due to poor contact of the operator O.

커넥터(240)는 하우징(210)의 일측에 배치되고, 짐벌 암(23)에 접속할 수 있다. 커넥터(240)는 전원을 공급받을 수 있으며, 제1 힘 측정부(220)나 터치 측정부(230)에서 측정된 신호를 전달할 수 있다. 커넥터(240)는 짐벌 암(23)에 대해서 회전할 수 있도록 접속된다. 커넥터(240)가 삽입되면, 오퍼레이터(O)는 사용자 인터페이스 장치(200)를 그립한 상태에서 롤(roll) 운동을 할 수 있다.Theconnector 240 is disposed on one side of thehousing 210 and can be connected to thegimbal arm 23. Theconnector 240 may receive power, and may transmit a signal measured by the firstforce measurement unit 220 or thetouch measurement unit 230. Theconnector 240 is connected to rotate with respect to thegimbal arm 23. When theconnector 240 is inserted, the operator O may perform a roll motion while gripping theuser interface device 200.

표시부(250)는 하우징(210)의 외측에 배치되며, 사용자 인터페이스 장치(200)의 상태에 관한 정보를 표시할 수 있다. 표시부(250)는 일예로 램프, 디스플레이 패널과 같은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해서 LED 램프인 것을 중심으로 설명하기로 한다.Thedisplay unit 250 is disposed outside thehousing 210 and can display information about the state of theuser interface device 200. Thedisplay unit 250 may be formed in various forms, such as a lamp and a display panel. Hereinafter, for convenience of description, it will be mainly described that the LED lamp.

표시부(250)는 사용자 인터페이스 장치(200)가 짐벌 암(23)에 결합되었다는 정보, 제1 힘 측정부(220)에서 가해지는 힘이 설정범위에 해당하거나 벗어났다는 것을 알려주는 정보, 터치 측정부(230)에서 오퍼레이터(O)의 접촉을 감지하였다는 정보 등을 인식하고, 이를 램프의 색상 변화, 깜빡임, 밝기 조절 등으로 표시할 수 있다.Thedisplay unit 250 includes information indicating that theuser interface device 200 is coupled to thegimbal arm 23, information indicating that the force applied by the firstforce measurement unit 220 is within or outside the set range, and touch measurement Theunit 230 may recognize information such as detecting the contact of the operator O, and display it by changing the color of the lamp, blinking, adjusting brightness, and the like.

정보 저장부(260)는 사용자 인터페이스 장치(200)를 사용하는 각각의 사용자 정보를 저장할 수 있다. 보통 각각의 오퍼레이터(O)는 자신의 사용자 인터페이스 장치(200)로 수술을 집도한다. 사용자 인터페이스 장치(200)가 짐벌 암(23)에 장착되면, 컨트롤러(170)는 사용자 정보에 대응하여 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 위치를 셋팅할 수 있다. 즉, 오퍼레이터(O)의 신체 정보를 기초로, 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 위치를 자동적으로 조정하므로, 오퍼레이터(O)는 편안하게 수술을 집도할 수 있다.Theinformation storage unit 260 may store each user information using theuser interface device 200. Usually, each operator O conducts surgery with his or heruser interface device 200. When theuser interface device 200 is mounted on thegimbal arm 23, thecontroller 170 may set the positions of thepositioning arm 22 and thegimbal arm 23 in response to user information. That is, since the positions of thepositioning arm 22 and thegimbal arm 23 are automatically adjusted based on the body information of the operator O, the operator O can comfortably perform surgery.

정보 저장부(260)는 제1 힘 측정부(220)와 터치 측정부(230)를 위한 교정 값(calibration data)을 저장할 수 있으며, 이를 사용자 인터페이스 장치(200)의 출력값을 계산하는데 이용할 수 있다. 또한 각각의 센서의 초기값은 시스템의 시작 단계에서 오퍼레이터(O)가 사용자 인터페이스 장치(200)를 손으로 잡지 않은 상태에서 얻어지며, 이러한 초기값을 이용하여 사용자 인터페이스 장치(200)의 측정 값들을 계산할 수 있다.Theinformation storage unit 260 may store calibration data for the firstforce measurement unit 220 and thetouch measurement unit 230, which may be used to calculate the output value of theuser interface device 200. . In addition, the initial value of each sensor is obtained in a state in which the operator O does not hold theuser interface device 200 by hand at the beginning of the system, and the measured values of theuser interface device 200 are used by using the initial value. Can be calculated.

스위칭부(270)는 슬레이브 로봇(10)의 위치를 변경하여 수술도구(12)를 교체하거나, 슬레이브 로봇(10)에 장착된 카메라(미도시)의 위치를 변경할 수 있다. 슬레이브 로봇(10)은 복수개로 구비되고, 각각의 슬레이브 로봇(10)에는 서로 다른 수술도구(12)가 장착된다. 수술 중에 수술도구(12)의 교체가 필요한 상황에서, 오퍼레이터(O)가 스위칭부(270)를 조작하여 슬레이브 로봇(10)을 스위칭 할 수 있다. 또한, 카메라가 필요한 상황에서, 오퍼레이터(O)가 스위칭부(270)를 조작하여 수술도구에서 카메라로 변환하거나, 카메라의 위치를 이동시킬 수 있다.The switching unit 270 may change the position of theslave robot 10 to replace thesurgical tool 12 or change the position of the camera (not shown) mounted on theslave robot 10. A plurality ofslave robots 10 are provided, and differentsurgical tools 12 are mounted on eachslave robot 10. In a situation in which asurgical tool 12 needs to be replaced during surgery, the operator O can switch theslave robot 10 by operating the switching unit 270. In addition, in a situation in which a camera is required, the operator O may operate the switching unit 270 to convert the surgical tool to the camera, or move the position of the camera.

컨트롤러(170)는 사용자 인터페이스 장치(200)에서 전달받은 힘이나 접촉에 대한 정보를 기초로 수술도구(12)를 제어할 수 있다.Thecontroller 170 may control thesurgical tool 12 based on information about the force or contact received from theuser interface device 200.

예컨대, 사용자 인터페이스 장치(200)의 제1 힘 측정부(220)에서 전달 받은 신호로, 슬레이브 로봇(10)나 수술도구(12)를 조작할 수 있다. 또한, 터치 측정부(230)에서 전달받은 신호로 슬레이브 로봇(10)이나 마스터 콘솔(20)을 구동시킬 수 있다. 또한, 표시부(250)에 수술 로봇 장치(1)의 상태 정보를 전달하여 오퍼레이터(O)가 인식하게 할 수 있다. 또한, 정보 저장부(260)에서 전달받은 오퍼레이터(O)의 정보를 기초로, 마스터 콘솔(20)의 위치를 셋팅할 수 있다. 또한, 스위칭부(270)에서 전달받은 신호로 슬레이브 로봇(10)의 구동 및 위치를 변경할 수 있다.For example, as a signal received from the firstforce measurement unit 220 of theuser interface device 200, theslave robot 10 or thesurgical tool 12 can be operated. In addition, theslave robot 10 or themaster console 20 may be driven by a signal received from thetouch measurement unit 230. In addition, the status information of thesurgical robot apparatus 1 can be transmitted to thedisplay unit 250 so that the operator O can recognize it. In addition, the location of themaster console 20 may be set based on the information of the operator O received from theinformation storage unit 260. In addition, it is possible to change the drive and position of theslave robot 10 with a signal received from the switching unit 270.

사용자 인터페이스 장치(200)에서 입력받은 신호를 기초로, 수술도구(12)의 구동을 제어하는 신호를 생성 및 명령하는 내용은 아래에서 보다 상세하게 설명하기로 한다.Based on the signal input from theuser interface device 200, the content of generating and commanding a signal to control the operation of thesurgical tool 12 will be described in more detail below.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(300)를 도시하는 사시도이다.7A and 7B are perspective views illustrating auser interface device 300 according to another embodiment of the present invention.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 사용자 인터페이스 장치(300)는 복수개의 힘 측정부를 구비하여, 바이폴라 수술도구를 구동할 수 있다.7A and 7B, theuser interface device 300 may include a plurality of force measuring units to drive a bipolar surgical tool.

전술한 도 4의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(200)와 비교하면, 사용자 인터페이스 장치(300)는 케이스(310), 제2 힘 측정부(320)를 더 구비한다.Compared to theuser interface device 200 according to the embodiment of FIG. 4 described above, theuser interface device 300 further includes acase 310 and a secondforce measurement unit 320.

케이스(310)는 하우징(210)의 아래에 배치되어, 제2 힘 측정부(320)가 설치되는 공간을 형성한다. 케이스(310)는 대략 원통형상을 가지고, 외측면에 제2 힘 측정부(320)가 배치된다.Thecase 310 is disposed under thehousing 210 to form a space in which the secondforce measurement unit 320 is installed. Thecase 310 has a substantially cylindrical shape, and a secondforce measurement unit 320 is disposed on the outer surface.

제2 힘 측정부(320)는 제1 힘 측정부(220)와 유사하게 형성되며, 오퍼레이터(O)가 가하는 힘의 크기를 측정할 수 있다.The secondforce measurement unit 320 is formed similar to the firstforce measurement unit 220, and can measure the magnitude of the force exerted by the operator O.

오퍼레이터(O)는 제1 힘 측정부(220)와 제2 힘 측정부(320)를 이용하여, 바이폴라 방식의 수술도구(12)를 구동시킬 수 있다. 상세히, 제1 힘 측정부(220)로 수술도구(12)의 조(jaw)의 개도를 조절하거나, 그립력을 조절할 수 있다. 수술도구(12)의 개도가 닫혀진 상태에서, 오퍼레이터(O)가 제2 힘 측정부(320)를 가력하고, 측정된 힘이 설정된 값 이상이면 컨트롤러(170)는 전류를 수술도구(12)의 각각의 조(jaw)에 보내므로, 바이폴라 방식으로 소작기능을 수행할 수 있다.The operator O may drive the bipolarsurgical tool 12 using the firstforce measurement unit 220 and the secondforce measurement unit 320. In detail, the opening force of the jaw of thesurgical tool 12 may be adjusted by the firstforce measurement unit 220 or the grip force may be adjusted. In a state in which the opening degree of thesurgical tool 12 is closed, the operator O applies the secondforce measuring unit 320, and if the measured force is greater than or equal to the set value, thecontroller 170 applies current to thesurgical tool 12. Since it is sent to each jaw, it is possible to perform a cauterization function in a bipolar manner.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 로봇 장치(1)의 마스터 콘솔(20)의 조작 방법을 도시하는 순서도이다.8 is a flow chart showing a method of operating themaster console 20 of thesurgical robot apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 수술도구(12)가 장착된 슬레이브 로봇(10)을 원격조정하기 위한 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔(20)의 조작 방법은, 사용자 인터페이스 장치를 마스터 콘솔에 장착하는 단계(S10), 사용자가 상기 사용자 인터페이스 장치의 터치 측정부를 접촉하여 상기 마스터 콘솔을 구동하는 단계(S20), 상기 마스터 콘솔의 포지셔닝 암과 짐 벌암을 구동시켜서 상기 수술도구의 위치와 방향을 설정하는 단계(S30), 상기 사용자 인터페이스 장치의 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기에 대한 데이터를 기초로 상기 수술도구의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하는 수술도구 조작 단계(S40)를 포함한다.Referring to FIG. 8, a method of operating themaster console 20 of the surgical robot apparatus for remotely controlling theslave robot 10 equipped with thesurgical tool 12 includes mounting a user interface device to the master console (S10) ), a user touching the touch measuring unit of the user interface device to drive the master console (S20), and setting the position and direction of the surgical tool by driving the positioning arm and the gimbal arm of the master console (S30) ), a surgical tool operation step (S40) for adjusting the opening and gripping force of the jaw of the surgical tool based on the data on the magnitude of the force measured by the first force measuring unit of the user interface device.

사용자 인터페이스 장치를 마스터 콘솔에 장착하는 단계(S10)에서 오퍼레이터(O)는 사용자 인터페이스 장치(200)를 짐벌 암(23)의 단부에 장착한다. 사용자 인터페이스 장치(200)의 정보 저장부(260)에서 사용자 정보를 마스터 콘솔(20)에 전송하고, 사용자 정보에 대응하여, 마스터 콘솔(20)의 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 위치가 셋팅될 수 있다. 즉, 오퍼레이터(O)의 신체 정보를 고려하여, 마스터 콘솔(20)이 수술을 진행하기 위해서 셋팅된다.In step S10 of mounting the user interface device to the master console, the operator O mounts theuser interface device 200 to the end of thegimbal arm 23. Theinformation storage unit 260 of theuser interface device 200 transmits user information to themaster console 20, and in response to the user information, thepositioning arm 22 and thegimbal arm 23 of themaster console 20 The location can be set. That is, in consideration of the body information of the operator O, themaster console 20 is set to proceed with the surgery.

사용자가 상기 사용자 인터페이스 장치의 터치 측정부를 접촉하여 상기 마스터 콘솔을 구동하는 단계(S20)에서 오퍼레이터(O)는 수술 로봇 장치(1)를 구동시킬 수 있다. 터치 측정부(230)에서 오퍼레이터(O)의 접촉이 감지되면, 기 설정된 제1 지연 시간 이후에 마스터 콘솔을 구동시킬 수 있다.In operation S20 in which a user contacts the touch measurement unit of the user interface device to drive the master console, the operator O may drive thesurgical robot device 1. When thetouch measurement unit 230 detects the contact of the operator O, the master console may be driven after a preset first delay time.

상기 마스터 콘솔의 포지셔닝 암과 짐 벌암을 구동시켜서 상기 수술도구의 위치와 방향을 설정하는 단계(S30)에서 오퍼레이터(O)는 사용자 인터페이스 장치(200)의 감싼 상태로 이동시킬 수 있다. 이때, 포지셔닝 암(22)과 짐벌 암(23)의 위치와 방향이 변화하고, 사용자 인터페이스 장치(200)는 짐벌 암(23)에 대해서 롤운동을 할 수 있다.In step S30 of setting the position and direction of the surgical tool by driving the positioning arm and the gimbal arm of the master console, the operator O may move to the wrapped state of theuser interface device 200. At this time, the position and direction of thepositioning arm 22 and thegimbal arm 23 change, and theuser interface device 200 may perform a roll motion with respect to thegimbal arm 23.

상기 사용자 인터페이스 장치의 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기에 대한 데이터를 기초로 상기 수술도구의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하는 상기 수술도구 조작 단계(S40)에서는 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘에 대한 정보를 기초로, 수술도구(12)를 이용하여 수술을 집도할 수 있다. 수술도구(12)의 단부인 조의 개도를 조절하거나 그립력을 조절할 수 있다.Based on data on the magnitude of the force measured by the first force measurement unit of the user interface device, the first force measurement is performed in the operation of the surgical tool (S40) for adjusting the jaw of the surgical tool and the grip force. Based on the information about the force measured by theunit 220, surgery can be performed using thesurgical tool 12. The opening degree of the jaw, which is the end of thesurgical tool 12, can be adjusted or the grip force can be adjusted.

다른 실시예로, 상기 사용자가 상기 제1 힘 측정부에 가력하는 힘을 유지하면서, 수술도구의 소작 기능을 실행하는 단계를 더 포함할 수 있다.In another embodiment, the user may further include executing the cauterization function of the surgical tool while maintaining the force exerted on the first force measurement unit.

소작기능을 가지는 수술도구(12)가 슬레이브 로봇(10)에 장착된 경우에는 제1 힘 측정부(220)에서 가해지는 힘의 크기를 기초고로, 수술도구(12)에 전류를 공급하는 개시 신호를 생성할 수 있다. 즉, 소정의 크기의 힘이 제1 힘 측정부(220)에 전달되면, 모노폴라 방식으로 수술도구(12)의 소작기능이 진행될 수 있다.When thesurgical tool 12 having the cauterization function is mounted on theslave robot 10, based on the magnitude of the force applied by the firstforce measurement unit 220, the start signal for supplying current to thesurgical tool 12 You can create That is, when a force of a predetermined size is transmitted to the firstforce measurement unit 220, the cauterization function of thesurgical tool 12 may be performed in a monopolar manner.

다른 실시예로, 도 7a 및 도 7b에서의 사용자 인터페이스 장치(300)를 참고하면, 제1 힘 측정부(220)의 아래에 배치된 제2 힘 측정부(320)를 조작하여, 수술도구(12)의 소작 기능을 실행할 수 있다. 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘은 수술도구(12)의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하고, 제2 힘 측정부(320)에서 측정된 힘은 수술도구(12)의 조(jaw)로 전류를 개시하는 신호를 생성할 수 있다.In another embodiment, referring to theuser interface device 300 in FIGS. 7A and 7B, a surgical tool (O) is operated by operating the secondforce measurement unit 320 disposed under the firstforce measurement unit 220. The cauterization function of 12) can be performed. The force measured by the firstforce measurement unit 220 controls the opening and grip force of the jaw of thesurgical tool 12, and the force measured by the secondforce measurement unit 320 is the surgical tool 12 A jaw can generate a signal that initiates the current.

도 9는 도 4의 사용자 인터페이스 장치(200)에서 입력된 신호를 기초로 수술도구(12)의 일 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.FIG. 9 is a graph showing control of one function of thesurgical tool 12 based on a signal input from theuser interface device 200 of FIG. 4.

도 9을 참조하면, 컨트롤러(170)는 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘을 기초로 수술도구(12)의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하도록 구동기에 제어신호를 전송할 수 있다. 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위이면(포지션 컨트롤 모드), 수술도구(12)의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고, 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면(토크 컨트롤 모드), 상기 수술도구(12)의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절한다.Referring to FIG. 9, thecontroller 170 may transmit a control signal to the driver to adjust the opening and gripping force of the jaw of thesurgical tool 12 based on the force measured by the firstforce measuring unit 220. have. If the magnitude of the force measured by the firstforce measurement unit 220 is a predetermined range (position control mode), the opening degree between a pair of jaws of thesurgical tool 12 is adjusted, and the first force measurement unit When the magnitude of the force measured at 220 exceeds a preset range (torque control mode), the grip force between the pair of jaws of thesurgical tool 12 is adjusted.

제1 힘 측정부(220)는 오프셋된 소정의 힘이 가해지면 힘을 측정한다. 즉, sensor offset된 이상의 힘이 제1 힘 측정부(220)에 가해지면 사용자 인터페이스 장치(200)가 힘의 크기를 센싱한다. 컨트롤러(170)는 역치값인 threshold force을 초과하기 전까지는 구동기(actuator)를 구동하지 않으므로, 수술도구(12)의 조(jaw)의 개도는 전체 개방된 상태를 가진다.The firstforce measurement unit 220 measures the force when an offset predetermined force is applied. That is, when a force greater than the sensor offset is applied to the firstforce measurement unit 220, theuser interface device 200 senses the magnitude of the force. Since thecontroller 170 does not drive the actuator until the threshold force, which is a threshold value, is exceeded, the opening degree of the jaw of thesurgical tool 12 has a full open state.

제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘이 역치값을 초과하면 구동기는 수술도구(12)의 조(jaw)의 개도를 조절한다. 컨트롤러(170)는 포지션 컨트롤 모드(position control mode)로 구동기를 제어하며, 측정된 힘의 크기에 비례하여 수술도구(12)의 조(jaw)가 개도를 선형적으로 닫는다. 포지션 컨트롤 모드에서는 구동기는 토크를 조절하는 것은 아니며, 수술도구(12)의 조의 개도를 조절한다.When the force measured by the firstforce measurement unit 220 exceeds a threshold value, the driver adjusts the opening degree of the jaw of thesurgical tool 12. Thecontroller 170 controls the actuator in a position control mode, and the jaw of thesurgical tool 12 linearly closes the opening degree in proportion to the magnitude of the measured force. In the position control mode, the driver does not adjust the torque, but adjusts the opening degree of the jaw of thesurgical tool 12.

제1 힘 측정부(220)에 가해지는 힘이 증가하여, 수술도구(12)의 조가 완전히 닫히면, 구동기는 수술도구(12)의 토크를 조절한다. 컨트롤러(170)는 토크 컨트롤 모드(torque control mode)로 구동기를 제어하고, 측정된 힘의 크기에 비례하여 수술도구의 토크를 선형적으로 제어한다.When the force applied to the firstforce measurement unit 220 increases, and the jaw of thesurgical tool 12 is completely closed, the driver adjusts the torque of thesurgical tool 12. Thecontroller 170 controls the actuator in a torque control mode, and linearly controls the torque of the surgical tool in proportion to the magnitude of the measured force.

토크 컨트롤 모드는 설정된 최대 토크(max. torque)까지 수술도구(12)의 토크를 제어한다. 설정된 최대 토크(max. torque)는 측정 가능한 최대 힘(sensor max. range)에 도달하기 전에 달성된다. 즉, 오퍼레이터(O)가 제1 힘 측정부(220)에 측정 가능한 최대 힘(sensor max. range)보다 적은 힘을 가하더라도, 컨트롤러(170)는 구동기를 최대 토크(max. torque)로 수렴시켜서, 사용자 인터페이스 장치(200)의 내구성 및 수술 과정에서의 안전을 유지할 수 있다.The torque control mode controls the torque of thesurgical tool 12 up to the set maximum torque. The set maximum torque (max. torque) is achieved before reaching the maximum measurable force (sensor max. range). That is, even if the operator O applies a force less than the measurable maximum force (sensor max. range) to the firstforce measurement unit 220, thecontroller 170 converges the driver to the maximum torque (max. torque), , It is possible to maintain the durability of theuser interface device 200 and safety in the surgical process.

사용자 인터페이스 장치(200)는 오퍼레이터(O)가 가하는 힘에 비례하여 수술도구(12)의 개도를 조절하므로(포지션 컨트롤 모드), 오퍼레이터(O)가 직관적으로 수술도구(12)의 개도를 인식하고, 쉽게 수술을 집도할 수 있다. 또한, 오퍼레이터(O)가 가하는 힘에 비례하여 수술도구(12)의 그립력을 조절하므로(토크 컨트롤 모드), 오퍼레이터(O)가 직관적으로 수술도구(12)에 가해지는 토크를 인식하고, 그립력을 조절할 수 있다. 또한, 사용자 인터페이스 장치(200)는 허용가능한 최대 힘 이전에 최대 토크로 수렴되므로, 내구성과 안전성을 유지할 수 있다.Since theuser interface device 200 adjusts the opening degree of thesurgical tool 12 in proportion to the force exerted by the operator O (position control mode), the operator O intuitively recognizes the opening degree of thesurgical tool 12 and , You can easily do the surgery. In addition, since the grip force of thesurgical tool 12 is adjusted in proportion to the force exerted by the operator O (torque control mode), the operator O intuitively recognizes the torque applied to thesurgical tool 12 and calculates the grip force. Can be adjusted. In addition, since theuser interface device 200 converges to the maximum torque before the maximum allowable force, it is possible to maintain durability and safety.

도 10은 도 4의 사용자 인터페이스 장치(200)에서 입력된 신호를 기초로 수술도구(12)의 다른 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.FIG. 10 is a graph illustrating controlling other functions of thesurgical tool 12 based on a signal input from theuser interface device 200 of FIG. 4.

도 10을 참조하면, 컨트롤러(170)는 제1 힘 측정부(220)나 제2 힘 측정부(320)에서 측정된 힘을 기초로 수술도구(12)의 조(jaw)의 소작 기능을 수행하도록 제어신호를 전송할 수 있다.Referring to FIG. 10, thecontroller 170 performs the cauterization function of the jaw of thesurgical tool 12 based on the force measured by the firstforce measurement unit 220 or the secondforce measurement unit 320. So that the control signal can be transmitted.

일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(200)에서는 제1 힘 측정부(220)에서 가해지는 힘을 기초로 모노폴라 방식의 소작기능을 수행할 수 있다. 다른 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(300)에서는 제1 힘 측정부(220)에서 가해지는 힘을 기초로 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하고, 제2 힘 측정부(320)에서 가해지는 힘을 기초로 바이폴라 방식의 소작기능을 수행할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해서 제1 힘 측정부(220)에 의한 모노폴라 방식의 소작기능을 중심으로 설명하기로 한다.Theuser interface device 200 according to an embodiment may perform a monopolar cauterization function based on the force applied by the firstforce measurement unit 220. In theuser interface device 300 according to another embodiment, the opening and gripping force of the jaw is adjusted based on the force applied by the firstforce measuring unit 220, and applied by the secondforce measuring unit 320 You can perform a bipolar cauterization function based on power. Hereinafter, for convenience of description, the monopolar cauterization function by the firstforce measurement unit 220 will be mainly described.

제1 힘 측정부(220)는 오프셋된 소정의 힘이 가해지면 힘을 측정한다. 즉, sensor offset된 이상의 힘이 제1 힘 측정부(220)에 가해지면 사용자 인터페이스 장치(200)가 힘의 크기를 센싱한다.The firstforce measurement unit 220 measures the force when an offset predetermined force is applied. That is, when a force greater than the sensor offset is applied to the firstforce measurement unit 220, theuser interface device 200 senses the magnitude of the force.

컨트롤러(170)는 제1 역치값인 threshold_on을 초과하기 전까지는 전류 개시 신호를 생성 및 전달하지 않는다.Thecontroller 170 does not generate and transmit the current start signal until the threshold_on, which is the first threshold value, is exceeded.

측정된 힘이 제1 역치값을 초과하면, 컨트롤러(170)는 수술도구(12)에 전류 개시 신호를 생성 및 전달하여, 소작기능이 수행된다. 이때, 소작 기능은 on/off제어로 측정된 힘의 크기와 관계없이 제1 역치값을 초과하면 기능이 수행된다.When the measured force exceeds the first threshold value, thecontroller 170 generates and transmits a current initiation signal to thesurgical tool 12, so that the cauterization function is performed. At this time, the cauterization function is performed when the first threshold value is exceeded regardless of the magnitude of the force measured by on/off control.

이후, 제1 힘 측정부(220)에서 측정된 힘이 제2 역치값인 threshold_off 이하가 되면, 컨트롤러(170)는 전류 해제 신호를 생성 및 전달하여, 소작기능이 중단된다. 제2 역치값은 제1 역치값보다 더 낮다.Thereafter, when the force measured by the firstforce measurement unit 220 is equal to or less than the second threshold value threshold_off, thecontroller 170 generates and transmits a current release signal, thereby stopping the cauterization function. The second threshold value is lower than the first threshold value.

사용자 인터페이스 장치(200)는 오퍼레이터(O)가 기설정된 제1 역치값을 초과하면 소작기능이 수행되고, 제2 역치값 이하이면 소작기능이 중단된다. 이때, 2 역치값이 제1 역치값보다 더 낮으므로, 소작시의 안전을 확보할 수 있다. 또한, 사용자 인터페이스 장치(200)의 출력에 히스테리시스(hysteresis) 특성을 추가하여 채터링(chattering)을 제거할 수 있다.Theuser interface device 200 performs the cauterization function when the operator O exceeds a preset first threshold value, and when the operator O is below the second threshold value, the cauterization function is stopped. At this time, since the second threshold value is lower than the first threshold value, safety during cauterization can be secured. In addition, a hysteresis characteristic may be added to the output of theuser interface device 200 to eliminate chattering.

도 11은 도 4의 사용자 인터페이스 장치(200)에서 입력된 신호를 기초로 수술도구(12)의 또 다른 기능을 제어하는 것을 나타내는 그래프이다.11 is a graph showing control of another function of thesurgical tool 12 based on a signal input from theuser interface device 200 of FIG. 4.

도 11을 참조하면, 컨트롤러(170)는 터치 측정부(230)에서 전달 받은 접촉 신호를 기초로 수술 로봇 장치(1)를 구동시킬 수 있다.Referring to FIG. 11, thecontroller 170 may drive thesurgical robot device 1 based on the contact signal received from thetouch measurement unit 230.

컨트롤러(170)는 디바운싱(debouncing)방식으로 터치 측정부(230)에서 전달받은 신호에서 발생하는 채터링(chattering)과 같은 노이즈를 줄일 수 있다.Thecontroller 170 may reduce noise such as chattering that occurs in a signal received from thetouch measurement unit 230 in a debouncing method.

예를 들면, 마스터 콘솔(20)의 상태가 Off인 경우에는 On의 상태로 되기 위해서는 터치 측정부(230)의 출력이 On인 상태로 미리 정해진 일정 시간 동안 지속해야 한다. 사용자 인터페이스 장치(200)의 터치 측정부(230)에서 오퍼레이터(O)의 접촉신호를 수신하면, 기 설정된 제1 지연 시간(td1)이 도과된 후에 마스터 콘솔(20)을 구동한다. 이때, 컨트롤러(170)는 접촉신호가 터치 측정부(230)에서 지속적으로 On의 출력이 유지되면, 제1 지연 시간(td1)을 측정한다.For example, when the state of themaster console 20 is Off, in order to be turned On, the output of thetouch measurement unit 230 must be maintained for a predetermined period of time in the On state. When thetouch measurement unit 230 of theuser interface device 200 receives the contact signal of the operator O, themaster console 20 is driven after the preset first delay time td1 is reached. At this time, thecontroller 170 measures the first delay time td1 when the output of the On is continuously maintained by thetouch measurement unit 230.

마스터 콘솔(20)의 상태가 On인 경우에는 Off 상태로 되기 위해서는 터치 측정부(230)의 출력이 Off인 상태로 미리 정해진 일정 시간 동안 지속해야 한다. 사용자 인터페이스 장치(200)의 터치 측정부(230)에서 오퍼레이터(O)의 접촉신호가 해제되면, 제2 지연 시간(td2)이 도과된 후에 마스터 콘솔(20)의 구동을 정지한다. 이때, 컨트롤러(170)는 접촉신호가 터치 측정부(230)에서 지속적으로 Off의 출력이 유지되면, 제2 지연 시간(td2)을 측정한다.When the state of themaster console 20 is On, in order to turn it off, the output of thetouch measurement unit 230 must be maintained for a predetermined period of time in an off state. When the contact signal of the operator O is released by thetouch measurement unit 230 of theuser interface device 200, the driving of themaster console 20 is stopped after the second delay time td2 has elapsed. At this time, thecontroller 170 measures the second delay time td2 when the output of the Off is continuously maintained by thetouch measurement unit 230.

제1 지연 시간(td1)은 완전히 On 출력이 유지되어야 기산되므로, 터치 측정부(230)에서의 접촉이 불완전하면 마스터 콘솔(20)은 구동되지 않는다. 또한, 제2 지연 시간(td2)은 완전히 Off 출력이 유지되어야 기산되므로, 터치 측정부(230)에서 접촉이 불완전하면 마스터 콘솔(20)은 전원을 유지한다. 이로써, 수술 로봇 장치(1)의 안전이 확보될 수 있다.Since the first delay time td1 is calculated only when the On output is completely maintained, themaster console 20 is not driven when the contact in thetouch measurement unit 230 is incomplete. In addition, since the second delay time td2 is calculated only when the Off output is completely maintained, themaster console 20 maintains power when thetouch measurement unit 230 has incomplete contact. Thereby, the safety of thesurgical robot apparatus 1 can be secured.

제2 지연 시간(td2)은 제1 지연 시간(td1)보다 길다. 제2 지연 시간(td2)이 길게 설정되므로, 오퍼레이터(O)가 실수로 터치 측정부(230)의 터치를 유지하지 않아도, 마스터 콘솔(20)의 구동은 유지되어 환자(P)의 안전을 확보할 수 있다.The second delay time td2 is longer than the first delay time td1. Since the second delay time td2 is set to be long, even if the operator O does not accidentally maintain the touch of thetouch measurement unit 230, driving of themaster console 20 is maintained to secure the safety of the patient P can do.

본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 오퍼레이터가 직관적으로 사용자 인터페이스 장치를 조작하여, 마스터 콘솔 및 수술 로봇 장치를 제어할 수 있다. 사용자 인터페이스 장치는 오퍼레이터가 가하는 한 방향의 힘을 통해서 수술도구를 이용할 수 있으므로, 수술 집도의 직관성이 향상될 수 있다. 또한, 오퍼레이터에 따라 마스터 콘솔이 셋팅되므로, 수술 준비 절차를 간소화 할 수 있다.In the user interface device according to the present invention, the master console of the surgical robot device and its driving method, the operator can intuitively operate the user interface device to control the master console and the surgical robot device. Since the user interface device can use the surgical tool through a force in one direction applied by the operator, the intuitiveness of the surgical intensity can be improved. In addition, since the master console is set according to the operator, it is possible to simplify the surgical preparation procedure.

본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 환자가 안전한 상태에서 수술을 수행할 수 있다. 사용자 인터페이스 장치는 수술도구의 개도이나 그립력을 직관적으로 인식할 수 있으며, 디바운싱을 적용하여 안전한 상태로 마스터 콘솔을 구동하므로, 수술 전과정에서의 안전성이 향상될 수 있다.The user interface device according to the present invention, the master console of the surgical robot device and its driving method can perform surgery in a safe state of the patient. The user interface device can intuitively recognize the opening or gripping force of the surgical tool, and by applying the debounce to drive the master console in a safe state, safety in the entire operation can be improved.

본 발명에 따른 사용자 인터페이스 장치, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔과 그 구동방법은 힘/토크 센서를 적용하여 마스터 콘솔을 정확하게 제어할 수 있다.The user interface device according to the present invention, the master console of the surgical robot device and its driving method can accurately control the master console by applying a force/torque sensor.

본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.In the present specification, the present invention has been mainly described with limited embodiments, but various embodiments are possible within the scope of the present invention. Also, although not described, it will be said that equivalent means are also incorporated into the present invention. Therefore, the true protection scope of the present invention should be defined by the claims below.

1: 수술 로봇 장치
10: 슬레이브 로봇
20: 마스터 콘솔
22: 포지셔닝 암
23: 짐벌 암
170: 컨트롤러
200: 사용자 인터페이스 장치
210: 하우징
220: 제1 힘 측정부
230: 터치 측정부
240: 커넥터
250: 표시부
260: 정보 저장부
270: 스위칭부1: surgical robot device
10: slave robot
20: master console
22: positioning arm
23: gimbal arm
170: controller
200: user interface device
210: housing
220: first force measurement unit
230: touch measurement unit
240: connector
250: display unit
260: information storage
270: switching unit

Claims (18)

Translated fromKorean

사용자가 수술도구가 장착된 슬레이브 로봇을 원격조정하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔에 있어서,
상기 수술도구의 위치를 설정하는 포지셔닝 암;
상기 포지셔닝 암의 단부에 배치되며, 상기 수술도구의 방향을 설정하는 짐벌 암;
상기 짐벌 암의 단부에 회전가능하게 장착 및 탈착되고, 상기 사용자가 접촉을 감지하고, 상기 사용자가 가하는 힘의 크기를 측정할 수 있는 사용자 인터페이스 장치; 및
상기 사용자 인터페이스 장치에서 전달받은 힘이나 접촉에 대한 정보를 기초로 상기 수술도구를 제어하는 컨트롤러;를 포함하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.In the master console of the surgical robot device for the user to remotely control the slave robot equipped with a surgical tool,
A positioning arm for setting the position of the surgical tool;
A gimbal arm disposed at an end of the positioning arm and setting a direction of the surgical tool;
A user interface device rotatably mounted and detachable at an end of the gimbal arm, the user sensing a contact, and measuring a magnitude of the force exerted by the user; And
A controller for controlling the surgical tool based on information on the force or contact received from the user interface device.제1 항에 있어서,
상기 사용자 인터페이스 장치는
하우징;
일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되며, 상기 사용자가 가하는 힘을 측정하는 제1 힘 측정부;
상기 제1 힘 측정부와 이격되게 배치되며, 일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되어 상기 사용자의 접촉을 감지하는 터치 측정부; 및
상기 하우징의 일측에 배치되고, 상기 짐벌 암에 접속하는 커넥터;를 구비하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.According to claim 1,
The user interface device
housing;
A first force measuring unit which partially exposes the outer surface of the housing and measures the force exerted by the user;
A touch measuring unit disposed to be spaced apart from the first force measuring unit and partially exposed to an outer surface of the housing to sense the user's contact; And
A connector disposed on one side of the housing and connected to the gimbal arm; including, a master console of the surgical robot apparatus.제2 항에 있어서,
상기 하우징은 구 형상을 가지는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.According to claim 2,
The housing has a spherical shape, the master console of the surgical robot apparatus.제2 항에 있어서,
상기 제1 힘 측정부는
상기 하우징의 외측에 배치되는 접촉 패드;
상기 접촉 패드와 연결되며, 스트레인 게이지가 설치되는 브릿지; 및
상기 브릿지와 연결되며, 상기 하우징에 고정되는 고정단;을 구비하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.According to claim 2,
The first force measurement unit
A contact pad disposed outside the housing;
A bridge connected to the contact pad and on which a strain gauge is installed; And
It is connected to the bridge, a fixed end fixed to the housing; having, the master console of the surgical robot apparatus.제2 항에 있어서,
상기 사용자 인터페이스 장치는
사용자 정보를 저장하는 정보 저장부;를 더 구비하며,
상기 컨트롤러는
상기 사용자 인터페이스 장치가 상기 짐벌 암에 장착되면, 상기 사용자 정보에 대응하여 상기 포지셔닝 암과 상기 짐벌 암의 위치를 설정하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.According to claim 2,
The user interface device
It further comprises an information storage unit for storing user information,
The controller
When the user interface device is mounted on the gimbal arm, the master console of the surgical robot device sets the positions of the positioning arm and the gimbal arm in response to the user information.제2 항에 있어서,
상기 사용자 인터페이스 장치는
상기 하우징의 외측에 배치되며, 사용자 인터페이스 장치의 상태에 관한 정보를 표시하는 표시부;를 더 구비하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.According to claim 2,
The user interface device
Is disposed on the outside of the housing, a display unit for displaying information on the state of the user interface device; further comprising, a master console of the surgical robot device.제2 항에 있어서,
상기 사용자 인터페이스 장치는
상기 슬레이브 로봇의 위치를 변경하여 상기 수술도구를 교체하거나, 상기 슬레이브 로봇에 장착된 카메라의 위치를 변경하는 스위칭부;를 더 구비하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.According to claim 2,
The user interface device
A switching unit for changing the position of the slave robot to replace the surgical tool or to change the position of the camera mounted on the slave robot; further comprising a master console of the surgical robot device.제2 항에 있어서,
상기 사용자 인터페이스 장치는
상기 제1 힘 측정부의 아래에 배치되는 제2 힘 측정부;를 더 구비하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.According to claim 2,
The user interface device
Further comprising, a second force measuring unit disposed below the first force measuring unit, the master console of the surgical robot apparatus.제1 항에 있어서,
상기 컨트롤러는
상기 사용자 인터페이스 장치에서 측정된 사용자의 힘의 크기가 기 설정된 범위이면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고,
상기 사용자 인터페이스 장치에서 측정된 사용자의 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.According to claim 1,
The controller
If the magnitude of the user's force measured by the user interface device is within a preset range, the opening degree between a pair of jaws of the surgical tool is adjusted,
When the magnitude of the user's force measured by the user interface device exceeds a preset range, the master console of the surgical robot device controls the grip force between the pair of jaws of the surgical tool.제1 항에 있어서,
상기 컨트롤러는
상기 사용자 인터페이스 장치에서 상기 사용자의 접촉신호를 수신하면, 기 설정된 제1 지연 시간이 도과된 후에 상기 마스터 콘솔을 구동시키고,
상기 사용자 인터페이스 장치에서 상기 사용자의 접촉신호가 해제되면, 상기 제1 지연 시간보다 긴 제2 지연 시간이 도과된 후에 상기 마스터 콘솔의 구동을 정지하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔.According to claim 1,
The controller
When the user interface device receives the user's contact signal, the master console is driven after the preset first delay time has elapsed,
When the user's contact signal is released from the user interface device, the master console of the surgical robot device stops driving the master console after a second delay time longer than the first delay time is reached.사용자가 수술도구가 장착된 슬레이브 로봇을 원격조정하는 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔에 장착되는 사용자 인터페이스 장치에 있어서,
하우징;
일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되며, 상기 사용자가 가하는 힘을 측정하는 제1 힘 측정부;
상기 제1 힘 측정부와 이격되게 배치되며, 일부가 상기 하우징의 외측 표면에 노출되어 상기 사용자의 접촉을 측정하는 터치 측정부; 및
상기 하우징의 일측에 배치되고, 상기 마스터 콘솔에 접속하는 커넥터;를 구비하는, 사용자 인터페이스 장치.In the user interface device mounted on the master console of the surgical robot device for the user to remotely control the slave robot equipped with a surgical tool,
housing;
A first force measuring unit which partially exposes the outer surface of the housing and measures the force exerted by the user;
A touch measuring unit disposed to be spaced apart from the first force measuring unit and partially exposed to an outer surface of the housing to measure the user's contact; And
And a connector disposed on one side of the housing and connected to the master console.제11 항에 있어서,
상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위이면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고,
상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절하는, 사용자 인터페이스 장치.The method of claim 11,
If the magnitude of the force measured by the first force measurement unit is a predetermined range, adjust the opening degree between a pair of jaws of the surgical tool,
When the magnitude of the force measured by the first force measurement unit exceeds a predetermined range, adjusts the grip force between a pair of jaws of the surgical tool, a user interface device.제11 항에 있어서,
상기 제1 힘 측정부의 아래에 배치되는 제2 힘 측정부;를 더 구비하는, 사용자 인터페이스 장치.The method of claim 11,
And a second force measurement unit disposed under the first force measurement unit.수술도구가 장착된 슬레이브 로봇을 원격조정하기 위한 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법에 있어서,
사용자 인터페이스 장치를 마스터 콘솔에 장착하는 단계;
사용자가 상기 사용자 인터페이스 장치의 터치 측정부를 접촉하여 상기 마스터 콘솔을 구동하는 단계;
상기 마스터 콘솔의 포지셔닝 암과 짐 벌암을 구동시켜서 상기 수술도구의 위치와 방향을 설정하는 단계; 및
상기 사용자 인터페이스 장치의 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기에 대한 데이터를 기초로 상기 수술도구의 조(jaw)의 개도와 그립력을 조절하는 수술도구 조작 단계;를 포함하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법.In the operation method of the master console of the surgical robot device for remote control of the slave robot equipped with a surgical tool,
Mounting the user interface device to the master console;
A user driving the master console by touching a touch measurement unit of the user interface device;
Setting the position and direction of the surgical tool by driving the positioning arm and the gimbal arm of the master console; And
A surgical tool operation step of adjusting the opening and gripping force of the jaw of the surgical tool based on the data on the magnitude of the force measured by the first force measuring unit of the user interface device. How to operate the master console.제14 항에 있어서,
상기 수술도구 조작 단계는
상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위이면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 개도를 조절하고,
상기 제1 힘 측정부에서 측정된 힘의 크기가 기 설정된 범위를 초과하면, 상기 수술도구의 한 쌍의 조(jaw) 사이의 그립력을 조절하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법.The method of claim 14,
The surgical tool operation step
If the magnitude of the force measured by the first force measurement unit is a predetermined range, adjust the opening degree between a pair of jaws of the surgical tool,
When the magnitude of the force measured by the first force measurement unit exceeds a predetermined range, adjusting the grip force between the pair of jaws of the surgical tool, the method of operating the master console of the surgical robot apparatus.제14 항에 있어서,
상기 마스터 콘솔을 구동하는 단계는
상기 터치 측정부에서 상기 사용자의 접촉신호를 수신하면, 기 설정된 제1 지연 시간 이후에 상기 마스터 콘솔을 구동시키는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법.The method of claim 14,
The step of driving the master console
When the touch measurement unit receives the user's contact signal, the master console is operated after a preset first delay time.제14 항에 있어서,
상기 사용자가 상기 제1 힘 측정부에 가력하는 힘을 유지하면서, 상기 제1 힘 측정부의 아래에 배치된 제2 힘 측정부를 조작하여, 상기 수술도구의 소작 기능을 실행하는 단계;를 더 포함하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법.The method of claim 14,
Further comprising the step of performing the cauterization function of the surgical tool by operating the second force measurement unit disposed under the first force measurement unit, while the user maintains the force applied to the first force measurement unit. , The operation method of the master console of the surgical robot device.제14 항에 있어서,
상기 사용자 인터페이스 장치를 마스터 콘솔에 장착하는 단계는
상기 사용자 인터페이스 장치에서 사용자 정보를 상기 마스터 콘솔에 전송하고, 상기 사용자 정보에 대응하여 상기 마스터 콘솔의 포지셔닝 암과 짐벌 암의 위치를 설정하는, 수술 로봇 장치의 마스터 콘솔의 조작 방법.The method of claim 14,
The step of mounting the user interface device to the master console
The user interface device transmits user information to the master console, and sets a position of the positioning arm and the gimbal arm of the master console in response to the user information, the operation method of the master console of the surgical robot device.

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