KR102116119B1 - 마스터 로봇 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 짐벌락이 방지되면서 오퍼레이터가 부드럽게 조작할 수 있는 마스터 로봇 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 여유 각도를 결정하기 위하여 자코비안(jacobian)을 영공간(null-space)에 투영하는 방법을 사용하지 않고, 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도에 비례하도록 결정하는 방법을 사용하므로, 특정 방향에서 방향 자유도를 상실하여 짐벌락에 빠지는 문제를 해결할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워지면 제1 각도에 비례하도록 여유 각도를 결정하므로, 오퍼레이터가 부드럽게 핸들을 조작할 수 있다.

Description

마스터 로봇 및 그 제어 방법{Master robot and control method thereof}

본 발명은 짐벌락이 방지되면서 오퍼레이터가 부드럽게 조작할 수 있는 마스터 로봇 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

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

이러한 수술용 로봇은 의사의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터(master) 로봇과, 조작부로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave) 로봇으로 구분될 수 있는데, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇은 하나의 수술용 로봇의 각 부분으로서 구분되거나, 별도의 장치로 구성되어 수술실에 각각 배치될 수도 있다.

수술용 마스터 로봇에는 의사의 조작을 위한 디바이스가 설치되는데, 로봇 수술의 경우 집도의는 수술에 필요한 인스트루먼트를 직접 조작하는 것이 아니라, 전술한 디바이스를 조작하여 로봇에 장착된 각종 인스트루먼트가 수술에 필요한 동작을 수행하도록 한다.

통상 마스터 로봇에 설치되는 마스터 디바이스는 의사가 손으로 잡고 움직이는 핸들과, 핸들과 로봇 본체를 매개하는 마스터 암으로 이루어지는데, 마스터 암은 의사가 핸들을 잡고 이동, 회전 등의 조작행위를 할 때 핸들의 움직임을 서포트할 수 있도록 로봇 본체와 핸들을 연결하는 다관절 링크 형태의 암(arm)으로 구성된다.

한편, 마스터 암은 조작자의 손목 가동범위보다 충분한 범위를 움직일 수 있도록 설계되는데, 이를 위해 기본 관절에 여유 관절이 추가로 구성된다. 여유 관절은 조작자의 손목 움직임을 적절한 위치와 속도로 추종하여 움직인다.

수술용 로봇의 성능 향상을 위해, 마스터 암에서 조작자의 손목 가동범위를 확보하고 저항감을 주지 않으며, 짐벌락(gimbal-lock)에 걸리지 않는 여유 관절의 추종각(이하, 여유 각도)을 결정하는 방법이 요구된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 복수의 로봇 암으로 구성된 마스터 로봇에서 짐벌락 방지가 가능하도록 여유 각도를 결정하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 오퍼레이터의 움직임에 방해가 되지 않도록 여유 각도를 결정하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 일 실시예에 따른 마스터 로봇은 요축으로 회전 가능하도록 베이스부에 장착되는 하측 암(lower arm); 피치축으로 회전 가능하도록 상기 하측 암에 장착되는 중간 암(middle arm); 상기 요축으로 회전 가능하도록 상기 중간 암에 장착되는 상측 암(upper arm); 롤축으로 회전 가능하도록 상기 상측 암에 장착되는 핸들; 및 상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 제1 각도, 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 제2 각도, 및 상기 중간 암이 상기 하측 암에 대하여 회전하는 제3 각도로부터 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하는 제4 각도를 결정하는 제어부를 포함한다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제어부는, 상기 제3 각도가 0도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제2 각도로부터 상기 제4 각도를 결정한다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제어부는, 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제1 각도로부터 상기 제4 각도를 결정한다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제어부는, 상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제1 각속도 및 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제2 각속도로부터 상기 제4 각도를 결정한다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제어부는, 상기 제1 각속도 및 상기 제2 각속도에 비례하도록 상기 제4 각도를 결정한다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제어부는, 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도에 비례하도록 상기 제4 각도를 결정한다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제어부는, 상기 제3 각도가 0도에 가까워질수록 상기 제1 각도보다 상기 제2 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록 상기 제4 각도를 결정하고, 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워질수록 상기 제2 각도보다 상기 제1 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록 상기 제4 각도를 결정한다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제어부는, 하기 수학식에 의해 상기 제4 각도인 θ₄를 결정하고,

(수학식)

θ₄=k₁*W₁* θ₁+ k₂*W₂* θ₂

상기 수학식에서 상기 θ₁는 상기 제1 각도를, 상기 θ₂는 상기 제2 각도를, 상기 k₁는 상기 제1 각도에 대한 상기 제4 각도의 비율을 조정하기 위한 비례상수를, 상기 k₂는 상기 제2 각도에 대한 상기 제4 각도의 비율을 조정하기 위한 비례상수를, 상기 W₁는 상기 제1 각도에 대한 가중치를, 상기 W₂는 상기 제2 각도에 대한 가중치를 나타낸다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 제3 각도가 0도에 가까워질수록, 상기 W₁는 0에 가까운 값을, 상기 W₂는 1에 가까운 값을 갖고, 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워질수록, 상기 W₁는 1에 가까운 값을, 상기 W₂는 0에 가까운 값을 갖는다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 W₂는 상기 제3 각도에 대한 cos함수로 결정되고, 상기 W₁는 상기 W₂와 합이 1이 되도록 결정된다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 W₂는 상기 제3 각도에 대한 다항함수로 결정되고, 상기 W₁는 상기 W₂와 합이 1이 되도록 결정된다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇에서, 상기 핸들의 조작에 따라 수술 도구가 장착되는 슬레이브 암이 조종된다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 마스터 로봇은 요축으로 회전 가능하도록 베이스부에 장착되는 하측 암(lower arm), 피치축으로 회전 가능하도록 상기 하측 암에 장착되는 중간 암(middle arm), 상기 요축으로 회전 가능하도록 상기 중간 암에 장착되는 상측 암(upper arm), 롤축으로 회전 가능하도록 상기 상측 암에 장착되는 핸들을 포함하고, 상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 제1 각도를 획득하는 단계; 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 제2 각도를 획득하는 단계; 상기 중간 암이 상기 하측 암에 대하여 회전하는 제3 각도를 획득하는 단계; 상기 제1 각도, 상기 제2 각도, 및 상기 제3 각도로부터 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하는 제4 각도를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 제4 각도로 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하도록 제어하는 단계를 포함한다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 제4 각도는 상기 제3 각도가 0도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제2 각도로부터 결정되는, 마스터 로봇의 제어 방법.

일 실시예에 따른 마스터 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 제4 각도는 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제1 각도로부터 결정된다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 제4 각도는 상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제1 각속도 및 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제2 각속도로부터 결정된다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 제4 각도는 상기 제1 각속도 및 상기 제2 각속도에 비례하도록 결정된다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 제4 각도는 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도에 비례하도록 결정된다.

일 실시예에 따른 마스터 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 제4 각도는 상기 제3 각도가 0도에 가까워질수록 상기 제1 각도보다 상기 제2 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록, 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워질수록 상기 제2 각도보다 상기 제1 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록 결정된다.

다른 실시예에 따른 마스터 로봇에 있어서, 요축으로 회전 가능하도록 베이스부에 장착되는 하측 암(lower arm); 피치축으로 회전 가능하도록 상기 하측 암에 장착되는 중간 암(middle arm); 상기 요축으로 회전 가능하도록 상기 중간 암에 장착되는 상측 암(upper arm); 롤축으로 회전 가능하도록 상기 상측 암에 장착되는 핸들; 및 상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제1 각속도 및 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제2 각속도로부터 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하는 제4 각도를 결정하는 제어부를 포함한다.

다른 실시예에 따른 마스터 로봇에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1 각속도 및 상기 제2 각속도에 비례하도록 상기 제4 각도를 결정한다.

본 발명에 따르면 여유 각도를 결정하기 위하여 자코비안(jacobian)을 영공간(null-space)에 투영하는 방법을 사용하지 않고, 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도에 비례하도록 결정하는 방법을 사용하므로, 특정 방향에서 방향 자유도를 상실하여 짐벌락에 빠지는 문제를 해결할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워지면 제1 각도에 비례하도록 여유 각도를 결정하므로, 오퍼레이터가 부드럽게 핸들을 조작할 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇의 전체 구조를 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇을 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 마스터 로봇에서 각 구성요소들 및 그 연결관계를 간략하게 표현한 도면이다.
도 4는 짐벌락 상태를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 제3 각도가 90도 또는 -90인 상태를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 제어부가 여유 각도(제4 각도)를 결정하는 방법의 일 예를 나타낸 순서도이다.
도 9는 제어부가 여유 각도(제4 각도)를 결정하는 방법의 다른 예를 나타낸 순서도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 하기 설명은 실시예들을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 당해 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.

본 명세서에서 사용되는 '구성된다' 또는 '포함한다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 로봇의 전체 구조를 나타내는 평면도이다.

도 1을 참조하면, 수술용 로봇(1)은 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, 수술용 로봇(1)은 비전 카트(30)를 포함할 수 있다. 비전 카트(30)의 표시부(35)를 통해서, 보조자(A)가 수술의 진행 상황을 확인할 수 있다.

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 수술기구, 수술기구를 길이 방향으로 이동시키는 이송 구동부와, 수술기구를 회전시키는 회전 구동부, 수술기구의 끝단에 설치되어 수술 병변을 절개 또는 절단하는 수술기구 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.

슬레이브 로봇(10)은 환자(P)를 수술하기 위하여 하나 이상으로 이용될 수 있으며, 수술 부위가 디스플레이 부재(미도시)를 통해 화상 이미지로 표시되 도록 하기 위한 수술 도구(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.

마스터 콘솔(20)과 슬레이브 로봇(10)이 반드시 물리적으로 독립된 별도의 장치로 분리되어야 하는 것은 아니며, 하나로 통합되어 일체형으로 구성될 수 있다.

마스터 콘솔(20)은 마스터 로봇(도 2의 100) 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.

상세히, 마스터 콘솔(20)은 오퍼레이터(O)가 조작할 수 있도록 마스터 로봇을 구비한다. 마스터 로봇은 한 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.

예를 들어, 오퍼레이터(O)는 핸들 형태의 조작 레버를 이용하여 슬레이브 로봇 암(11)이나 수술 도구(12) 등을 조작 할 수 있다. 이와 같은 조작 레버는 그 조작방식에 따라 다양한 기구적 구성을 가질 수 있으며, 슬레이브 로봇 암(11)이나 수술 도구(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.

마스터 콘솔(20)의 디스플레이 부재에는 수술 도구(12)를 통해 촬영되는 영상이 화상 이미지로 표시된다. 또한 디스플레이 부재에는 소정의 가상 조작판이 상기 수술 도구(12)를 통해 촬영되는 영상과 함께 표시되거나 또는 독립적으로 표시될 수 있다.

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.

비전 카트(30)는 슬레이브 로봇(10)이나 마스터 콘솔(20)에 이격되게 설치되고, 외부에서 수술의 진행상황을 표시부(35)를 통해서 확인할 수 있다.

표시부(35)에서 디스플레이되는 영상은 오퍼레이터(O)의 디스플레이 부재에서 디스플레이 되는 영상과 동일할 수 있다. 보조자(A)는 표시부(35)의 영상을 확인하면서, 오퍼레이터(O)의 수술 작업을 보조할 수 있다. 예를 들어, 보조자(A)는 수술의 진행상태에 따라 수술 도구(12)를 인스트루먼트 카트(3)에서 교체할 수 있다.

중앙 제어부(40)는 슬레이브 로봇(10), 마스터 콘솔(20) 및 비전 카트(30)와 연결되어, 각각의 신호를 송수신 할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 로봇을 나타낸다. 일 실시예에 따른 마스터 로봇은 하측 암(lower arm, 140), 중간 암(middle arm, 130), 상측 암(upper arm, 120), 핸들(110), 및 제어부(미도시)를 포함한다.

마스터 로봇(100)의 움직임을 해석하기 위한 관성 좌표계의 롤축(y), 피치축(x), 및 요축(z)에서, 하측 암(140)은 요축으로 회전 가능하도록 베이스부(200)에 장착된다. 또한 중간 암(130)은 피치축으로 회전 가능하도록 하측 암(140)에 장착된다. 또한 상측 암(120)은 요축으로 회전 가능하도록 중간 암(130)에 장착된다. 또한 핸들(110)은 롤축으로 회전 가능하도록 상측 암(120)에 장착된다.

도 3은 도 2에 도시된 마스터 로봇(100)에서 각 구성요소들 및 그 연결관계를 간략하게 표현한 도면이다.

도 3을 참조하면, 하측 암의 일단(140a)은 베이스부(200)에 연결되고, 중간 암의 일단(130a)은 하측 암의 타단(140b)에 연결되고, 상측 암의 일단(120a)은 중간 암의 타단(130b)에 연결되고, 핸들(110)은 상측 암의 타단(120b)에 연결되어 있다.

도 2 및 도 3은 마스터 로봇(100)의 초기자세를 도시한 도면들로, 마스터 로봇(100)의 핸들(110), 상측 암(120), 중간 암(130), 및 하측암(140)이 서로에 대해 회전 자유도를 갖도록 구성되므로, 오퍼레이터가 핸들(110)을 조작함에 따라 마스터 로봇(100)의 자세가 변경될 수 있다.

예를 들어, 오퍼레이터는 핸들(110)을 롤축, 요축, 및 피치축으로 회전시킬 수 있는데, 핸들(110)을 롤축으로 회전시키면 핸들(110)이 상측 암(120)에 대하여 제1 각도(θ1)만큼 회전하게 되고, 핸들(110)을 요축으로 회전시키면 상측 암(120)이 중간 암(130)에 대하여 제2 각도(θ2)만큼 회전하게 되고, 핸들(110)을 피치축으로 회전시키면 중간 암(130)이 하측 암(140)에 대하여 제3 각도(θ3)만큼 회전하게 된다.

이때, 오퍼레이터가 핸들(110)로 조작 가능한 범위를 확장하기 위해, 제어부는 하측 암(140)이 베이스부(200)에 대하여 회전하도록 여유 각도(제4 각도)를 결정하며, 결정된 제4 각도(θ4)로 하측 암(140)이 베이스부(200)에 대하여 회전하도록 제어한다.

여기서, 제1 각도(θ1), 제2 각도(θ2), 및 제4 각도(θ4)의 부호는 초기자세를 기준으로 롤축 또는 요축에 대해 동일한 방향으로 회전하였을 때, 모두 동일하도록 설정된다. 제3 각도(θ3) 또한 다른 각도들과 동일한 회전방향에 대하여 동일한 부호를 갖도록 설정될 수 있다.

예를 들어 초기자세를 기준으로, 핸들(110)이 롤축에 대해 시계방향으로 회전하면 제1 각도(θ1)는 양의 값을 갖고, 상측 암(120)이 요축에 대해 시계방향으로 회전하면 제2 각도(θ2)는 양의 값을 갖고, 하측 암(140)이 요축에 대해 시계방향으로 회전하면 제4 각도(θ4)는 양의 값을 갖게 된다. 이때, 시계방향이란 각축이 향하는 방향에 오른손 엄지손가락이 향하도록 두었을 때, 오른손 나머지 손가락들이 감기는 방향을 의미한다.

제어부는 기본적인 논리 연산이 가능해야 하므로 central processing unit(CPU), micro controller unit(MCU), 마이크로프로세서, field programmable gate array(FPGA), application specific integrated circuit(ASIC) 등 논리 연산이 가능한 반도체 소자를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

종래에는 여유 각도를 계산하기 위하여, 카테시안(cartesian) 공간 속도와 관절(joint) 공간 속도간의 도함수 매핑관계인 자코비안(jacobian)을 영공간(null-space)에 투영하는 방법을 사용하였다. 이 방법은 로봇공학에서 일반적으로 잘 사용되는 방법이지만 연산량이 많고, 도 4에 도시된 것과 같이 특정 방향에서 방향 자유도를 상실하는 짐벌락에 빠지는 문제가 있다.

또한 종래 방법은 도 5 및 도 6과 같이, 하측 암(140)에 대해 중간 암(130)이 90도 또는 -90도 정도로 회전하는 경우, 오퍼레이터가 핸들(110)을 조작하는데 저항감을 느끼는 문제가 있다.

본 발명에서 제어부는 마스터 로봇(100)에 짐벌락이 발생하지 않으면서 오퍼레이터가 핸들(110)을 부드럽게 조작 가능하도록 여유 각도, 즉 제4 각도(θ4)를 결정하며, 이하에서는 도 2에 도시된 마스터 로봇(100)의 구성을 토대로 여유 각도의 결정 방법에 대해 살펴본다.

도 7은 제어부가 여유 각도(제4 각도)를 결정하는 방법의 일 예를 나타낸 순서도이다.

먼저, 핸들(110)의 상측 암(120)에 대한 회전 각도인 제1 각도(θ1), 상측 암(120)의 중간 암(130)에 대한 회전 각도인 제2 각도(θ2), 및 중간 암(130)의 하측 암(140)에 대한 회전 각도인 제3 각도(θ3)를 획득한다(S11, S12, S13).

이때, 회전 각도는 엔코더에 의해 검출될 수 있다. 각도 검출을 위해 증분형 인코더(Incremental Encoder), 절대형 인코더(Absolute Encoder), 자기식 인코더(Magnetic Encoder), 및 퍼텐쇼미터(Potentiometer) 등 다양한 종류의 엔코더가 사용될 수 있다.

다음으로, 획득한 제1 각도(θ1), 제2 각도(θ2), 및 제3 각도(θ3)로부터 제4 각도(θ4)를 결정한다(S14). 결정된 제4 각도(θ4)로 회전하도록 하측 암(140)이 제어될 수 있다(S15).

단계 14(S14)를 보다 상세하게 살펴보기 위해 도 8을 참조하면, 제어부는 제3 각도(θ3)가 0도와 유사한 값을 갖는지 여부를 판단한다(S141). 0도와 유사한 값을 갖는지 여부는 제3 각도(θ3)가 -a도~+a도 범위에 속하는지 여부로 판단할 수 있으며, 이때 a는 0 또는 그 부근의 값을 갖는 임의의 상수이다.

제3 각도(θ3)가 0도와 유사한 값을 가지면, 제4 각도(θ4)를 제2 각도(θ2)에 비례하도록 결정한다(S142). 이때, 제4 각도(θ4)는 제2 각도(θ2)와 같은 부호를 갖도록 결정된다.

제3 각도(θ3)가 0도와 유사한 값을 갖지 않으면, 제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖는지 여부를 판단한다(S143). 제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖는지 여부는 단계 141(S141)과 유사한 방식으로 판단할 수 있다.

제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 가지면, 제4 각도(θ4)를 제1 각도(θ1)에 비례하도록 결정한다(S144). 이때, 제4 각도(θ4)는 제1 각도(θ1)와 같은 부호를 갖도록 결정된다.

이와 같이 제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖는 경우, 즉 도5 및 도 6에 도시된 자세로 마스터 로봇(100)이 조작된 경우에, 여유 각도(제4 각도)를 제2 각도(θ2)가 아닌 제1 각도(θ1)에 비례하도록 결정하면, 마스터 로봇(100)의 자세가 변하더라도 요축에 대한 회전 성분으로부터 여유 각도(제4 각도)를 결정하게 되므로, 오퍼레이터가 부드럽게 마스터 로봇(100)을 조작하는 것이 가능하다.

제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖지 않으면, 제4 각도(θ4)를 제1 각도(θ1) 및 제2 각도(θ2)에 모두 비례하도록 결정한다(S145). 이때, 제3 각도(θ3)가 0에 가까운 값을 가질수록 제1 각도(θ1)보다 제2 각도(θ2)의 가중치를 크게 하여 제4 각도(θ4)를 결정하고, 제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도에 가까운 값을 가질수록 제2 각도(θ2)보다 제1 각도(θ1)의 가중치를 크게 하여 제4 각도(θ4)를 결정할 수 있다.

이상의 설명에 따른 제어부가 여유 각도(제4 각도)를 결정하는 방법을 다음의 수학식 1로 표현할 수 있다.

(수학식 1)

θ4=k1*W1* θ1+ k2*W2* θ2

수학식 1에서 k1는 제1 각도(θ1)에 대한 제4 각도(θ4)의 비율을 조정하기 위한 비례상수를, k2는 제2 각도(θ2) 에 대한 제4 각도(θ4)의 비율을 조정하기 위한 비례상수를, W1는 제1 각도(θ1)에 대한 가중치를, 상기 W2는 제2 각도(θ2) 에 대한 가중치를 나타낸다. 또한 k1, k2, W1, 및 W2는 양수로 구성된다.

W1 및 W2는 제3 각도(θ3)에 의해 결정되며, 상세하게 제3 각도(θ3)가 0도에 가까워질수록, W1는 0에 가까운 값을 W2는 1에 가까운 값을 갖고, 제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도에 가까워질수록, W1는 1에 가까운 값을 W2는 0에 가까운 값을 갖도록 결정될 수 있다.

예를 들어, W1, W2, 및 제3 각도(θ3)의 관계는 다음의 수학식 2로 결정될 수 있다.

(수학식 2)

W2=k*cos(θ3)

W1=1 - W2

또 다른 예로, W1, W2, 및 제3 각도(θ3)의 관계는 다음의 수학식 3으로 결정될 수 있다.

(수학식 3)

W2=b0*(θ3)n + b1*(θ3)n-1 +

+ bn-1*(θ3) + bn

W1=1-W2

상기 수학식 1 내지 3을 이용하여 여유 각도(제4 각도)를 결정하면, 제3 각도(θ3)가 0도에 가까워질수록 제4 각도(θ4)를 결정하기 위한 제2 각도(θ2)의 비중이 높아지고, 제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도에 가까워질수록 제4 각도(θ4)를 결정하기 위한 제1 각도(θ1)의 비중이 높아지게 된다.

따라서 제3 각도(θ3)가 90도 또는 -90도와 가까워질수록, 즉 도5 및 도 6에 도시된 자세로 마스터 로봇(100)이 조작되는 경우에, 제2 각도(θ2)의 비중을 낮추고 제1 각도(θ1)의 비중을 높여 여유 각도(제4 각도)를 결정하게 되므로, 오퍼레이터가 부드럽게 마스터 로봇(100)을 조작하는 것이 가능하다.

도 9는 제어부가 여유 각도(제4 각도)를 결정하는 방법의 다른 예를 나타낸 순서도이다.

먼저 핸들(110)의 상측 암(120)에 대한 회전 각속도에서 요축 각속도 성분인 제1 각속도(w1) 및 상측 암(120)의 중간 암(130)에 대한 회전 각속도에서 요축 각속도 성분인 제2 각속도(w2)를 획득한다(S21, S22).

이때, 제1 각속도 및 제2 각속도는 엔코더에 의해 검출된 회전 각도를 이용하여 산출되거나 또는 관성 센서에 의해 센싱된 값으로부터 획득될 수 있다.

다음으로 획득한 제1 각속도(w1) 및 제2 각속도(w2)로부터 제4 각도(θ4)를 결정한다(S23). 결정된 제4 각도(θ4)로 회전하도록 하측 암(140)이 제어될 수 있다(S24).

제4 각도는 제1 각속도 및 제2 각속도에 비례하도록 결정될 수 있으며, 예를 들어 다음의 수학식 4에 의해 결정될 수 있다.

(수학식 4)

θ4=k3*w1 + k4*w2

수학식 4에서 k3는 제1 각속도(w1)에 대한 제4 각도(θ4)의 비율을 조정하기 위한 비례상수를, k4는 제2 각속도(w2)에 대한 제4 각도(θ4)의 비율을 조정하기 위한 비례상수를 나타낸다.

이상의 방법에 따라 여유 각도(제4 각도)를 결정하고 결정된 여유 각도(제4 각도)로 하측 암이 회전하도록 제어하면, 자코비안(jacobian)을 영공간(null-space)에 투영하는 방법을 사용하는 종래 방법과는 다르게 짐벌락에 빠지는 문제로부터 자유로울 수 있다.

이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

100: 마스터 로봇 110: 핸들
120: 상측 암 130: 중간 암
140: 하측 암 200: 베이스부

Claims (21)

1. 요축으로 회전 가능하도록 베이스부에 장착되는 하측 암(lower arm);
   피치축으로 회전 가능하도록 상기 하측 암에 장착되는 중간 암(middle arm);
   상기 요축으로 회전 가능하도록 상기 중간 암에 장착되는 상측 암(upper arm);
   롤축으로 회전 가능하도록 상기 상측 암에 장착되는 핸들; 및
   상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 제1 각도, 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 제2 각도, 및 상기 중간 암이 상기 하측 암에 대하여 회전하는 제3 각도로부터 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하는 제4 각도를 결정하는 제어부를 포함하는, 마스터 로봇.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 제3 각도가 0도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제2 각도로부터 상기 제4 각도를 결정하는, 마스터 로봇.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 제3 각도가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제1 각도로부터 상기 제4 각도를 결정하는, 마스터 로봇.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제1 각속도 및 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제2 각속도로부터 상기 제4 각도를 결정하는, 마스터 로봇.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 제1 각속도 및 상기 제2 각속도에 비례하도록 상기 제4 각도를 결정하는, 마스터 로봇.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 제1 각도 및 상기 제2 각도에 비례하도록 상기 제4 각도를 결정하는, 마스터 로봇.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 제3 각도가 0도에 가까워질수록 상기 제1 각도보다 상기 제2 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록 상기 제4 각도를 결정하고,
   상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워질수록 상기 제2 각도보다 상기 제1 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록 상기 제4 각도를 결정하는, 마스터 로봇.
8. 제6항에 있어서,
   상기 제어부는,
   하기 수학식에 의해 상기 제4 각도인 θ₄를 결정하고,
   (수학식)
   θ₄=k₁*W₁* θ₁+ k₂*W₂* θ₂
   상기 수학식에서 상기 θ₁는 상기 제1 각도를, 상기 θ₂는 상기 제2 각도를, 상기 k₁는 상기 제1 각도에 대한 상기 제4 각도의 비율을 조정하기 위한 비례상수를, 상기 k₂는 상기 제2 각도에 대한 상기 제4 각도의 비율을 조정하기 위한 비례상수를, 상기 W₁는 상기 제1 각도에 대한 가중치를, 상기 W₂는 상기 제2 각도에 대한 가중치를 나타내는, 마스터 로봇.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제3 각도가 0도에 가까워질수록, 상기 W₁는 0에 가까운 값을, 상기 W₂는 1에 가까운 값을 갖고,
   상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워질수록, 상기 W₁는 1에 가까운 값을, 상기 W₂는 0에 가까운 값을 갖는, 마스터 로봇.
10. 제9항에 있어서,
    상기 W₂는 상기 제3 각도에 대한 cos함수로 결정되고,
    상기 W₁는 상기 W₂와 합이 1이 되도록 결정되는, 마스터 로봇.
11. 제9항에 있어서,
    상기 W₂는 상기 제3 각도에 대한 다항함수로 결정되고,
    상기 W₁는 상기 W₂와 합이 1이 되도록 결정되는, 마스터 로봇.
12. 제1항에 있어서,
    상기 핸들의 조작에 따라 수술 도구가 장착되는 슬레이브 암이 조종되는, 마스터 로봇.
13. 마스터 로봇의 제어 방법에 있어서,
    상기 마스터 로봇은 요축으로 회전 가능하도록 베이스부에 장착되는 하측 암(lower arm), 피치축으로 회전 가능하도록 상기 하측 암에 장착되는 중간 암(middle arm), 상기 요축으로 회전 가능하도록 상기 중간 암에 장착되는 상측 암(upper arm), 롤축으로 회전 가능하도록 상기 상측 암에 장착되는 핸들을 포함하고,
    상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 제1 각도를 획득하는 단계;
    상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 제2 각도를 획득하는 단계;
    상기 중간 암이 상기 하측 암에 대하여 회전하는 제3 각도를 획득하는 단계;
    상기 제1 각도, 상기 제2 각도, 및 상기 제3 각도로부터 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하는 제4 각도를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 제4 각도로 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하도록 제어하는 단계를 포함하는, 마스터 로봇의 제어 방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 제4 각도는 상기 제3 각도가 0도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제2 각도로부터 결정되는, 마스터 로봇의 제어 방법.
15. 제13항에 있어서,
    상기 제4 각도는 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도와 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제1 각도로부터 결정되는, 마스터 로봇의 제어 방법.
16. 제12항에 있어서,
    상기 제4 각도는 상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제1 각속도 및 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제2 각속도로부터 결정되는, 마스터 로봇의 제어 방법.
17. 제16항에 있어서,
    상기 제4 각도는 상기 제1 각속도 및 상기 제2 각속도에 비례하도록 결정되는, 마스터 로봇의 제어 방법.
18. 제13항에 있어서,
    상기 제4 각도는 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도에 비례하도록 결정되는, 마스터 로봇의 제어 방법.
19. 제18항에 있어서,
    상기 제4 각도는 상기 제3 각도가 0도에 가까워질수록 상기 제1 각도보다 상기 제2 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록, 상기 제3 각도가 90도 또는 -90도에 가까워질수록 상기 제2 각도보다 상기 제1 각도에 더 큰 가중치를 두고 비례하도록 결정되는, 마스터 로봇.
20. 요축으로 회전 가능하도록 베이스부에 장착되는 하측 암(lower arm);
    피치축으로 회전 가능하도록 상기 하측 암에 장착되는 중간 암(middle arm);
    상기 요축으로 회전 가능하도록 상기 중간 암에 장착되는 상측 암(upper arm);
    롤축으로 회전 가능하도록 상기 상측 암에 장착되는 핸들; 및
    상기 핸들이 상기 상측 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제1 각속도 및 상기 상측 암이 상기 중간 암에 대하여 회전하는 각속도의 요축 성분인 제2 각속도로부터 상기 하측 암이 상기 베이스부에 대하여 회전하는 제4 각도를 결정하는 제어부를 포함하는, 마스터 로봇.
21. 제20항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 각속도 및 상기 제2 각속도에 비례하도록 상기 제4 각도를 결정하는, 마스터 로봇.

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