KR20150044510A - 가변 강성 모듈 및 수술용 로봇 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 조인트들을 포함한 조인트 조립체와, 그 일단이 복수의 조인트들을 차례로 관통하여 조인트 조립체의 일단에 설치되는 적어도 하나의 케이블과, 케이블의 타단을 락킹하여 조인트 조립체의 밴딩을 제한하는 락킹장치를 포함하는 가변 강성 모듈에 관한 것으로, 락킹장치를 통해 케이블을 락킹함으로써 조인트 조립체를 선택적으로 밴딩 가능 또는 밴딩 불가능한 상태로 전환할 수 있다.

Description

가변 강성 모듈 및 수술용 로봇 시스템{VARIABLE RIGIDITY MODULE AND SURGICAL ROBOT SYSTEM}

본 발명은 사용자가 선택적으로 강성이 변경되도록 할 수 있는 가변 강성 모듈에 관한 것이다.

가변 강성 모듈은 최소 침습 수술에 사용되는 수술용 로봇 등에 적용될 수 있는 구조이다.

최소 침습 수술은 작은 구멍을 통해 수술이 이루어져야 할 부위까지 튜브를 삽입하고, 수술용 로봇을 튜브로 삽입하여 수술용 로봇이 튜브를 통해 수술할 부위까지 이동할 수 있도록 하는 방식으로 수술이 이루어진다.

그런데, 수술할 부위의 위치에 따라서는 튜브가 굴곡지게 밴딩될 수 있으므로, 밴딩되어 있는 튜브를 통해 수술용 로봇이 이동하기 위해서는 수술용 로봇이 밴딩될 수 있어야만 한다.

이때, 수술할 부위의 위치에 따라서는 튜브가 굴곡지게 밴딩된 상태가 될 수 있으므로, 수술용 로봇은 튜브를 통과할 수 있도록 밴딩되어야만 한다.

그런데 이러한 수술용 로봇은 튜브를 통과한 후에는 다시 밴딩할 수 없는 상태로 변경되어야만 수술용 로봇이 정확한 위치에서 수술을 수행 할 수 있다.

따라서 최소 침습 수술에 사용되는 수술용 로봇과 같이 밴딩이 선택적으로 이루어져야 하는 기구에는 사용자가 선택적으로 밴딩이 이루어지도록 할 수 있도록 그 강성이 변경되는 가변 강성 모듈을 채용하여야만 한다.

본 발명의 일 측면은 사용자가 선택적으로 강성을 변경 할 수 있는 가변 강성 모듈을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 가변 강성 모듈은 복수의 조인트들을 포함한 조인트 조립체와, 그 일단이 상기 복수의 조인트들을 차례로 관통하여 상기 조인트 조립체의 일단에 설치되는 적어도 하나의 케이블과, 상기 케이블의 타단을 락킹하여 상기 조인트 조립체의 유연성을 변경하는 락킹장치를 포함한다.

또한 상기 복수의 조인트들은 그 일단으로부터 돌출 형성되어 일측으로 이웃한 조인트의 타단에 삽입되는 삽입부와, 그 타단에 오목 형성되어 타측으로 이웃한 조인트의 삽입부가 수용되는 수용부를 포함한다.

또한 상기 적어도 하나의 케이블은 복수의 케이블을 포함하며, 상기 복수의 조인트들은 원주 방향으로 서로 이격되게 마련되어 상기 복수의 케이블이 관통하여 설치되는 복수의 케이블 설치공을 포함한다.

또한 상기 복수의 케이블은 그 타단에 마련된 걸림부를 각각 포함하며, 상기 락킹장치는 상기 케이블의 타단에 각각 설치된 복수의 지지부재와, 상기 복수의 지지부재와 상기 조인트 조립체 사이를 탄성 지지하는 복수의 코일 스프링과, 회전 가능하게 설치되어 회전하며 상기 걸림부에 걸려 상기 걸림부를 지지하는 락킹부재를 포함한다.

또한 상기 락킹부재는 상기 복수의 케이블에 각각 마련된 걸림부를 락킹하는 복수의 락킹부를 포함하며, 상기 복수의 락킹부는 상기 케이블의 직경 보다 큰 폭을 갖되 상기 걸림부 보다 작은 폭을 갖는 슬롯을 포함한다.

또한 상기 락킹장치는 상기 락킹부재에 연결되어 상기 락킹부재를 회전시키는 액추에이터를 포함한다.

또한 상기 복수의 조인트는 중공의 원통 형상으로 각각 형성되며, 상기 조인트 조립체는 상기 복수의 조인트들 내측에 배치되어 상기 복수의 조인트들이 서로 탄성 지지되도록 하는 코일 스프링을 포함하며, 상기 락킹장치는 상기 조인트 조립체를 향해 진퇴 이동 가능하게 설치되며 상기 복수의 케이블들의 타단이 각각 설치되는 락킹부재를 포함한다.

또한 상기 락킹부재와 연결되어 상기 락킹부재를 진퇴이동 시키는 액추에이터를 포함한다.

또한 본 발명의 일 측면에 따른 수수용 로봇 시스템은 수술용 로봇과, 상기 수술용 로봇을 구동하기 위한 액추에이터와, 밴딩 가능한 재질로 형성되어 상기 수술용 로봇을 안내하는 가이드 튜브를 포함하며, 상기 수술용 로봇은 수술을 수행하는 수술용 툴과, 상기 가변 강성 모듈을 적어도 하나 포함한다.

또한 상기 적어도 하나의 가변 강성 모듈은 서로 링크 결합되는 복수의 가변 강성 모듈을 포함하며, 상기 수술용 툴은 상기 복수의 가변 강성 모듈들의 선단에 링크 결합되는 수술용 로봇 시스템.

상술한 바와 같이 사용자가 락킹장치를 통해 케이블을 락킹 또는 락킹 해제하여 조인트 조립체가 밴딩 가능한 상태 또는 밴딩 불가능한 상태로 전환할 수 잇따.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 강성 모듈이 적용되는 수술용 로봇 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 강성 모듈의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 강성 모듈의 동작 상태를 보인 단면도이다.
도 4는 도 2의 A부 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 강성 모듈에 적용된 락킹장치의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 강성 모듈에 적용된 락킹장치의 동작 상태를 보인 평면도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 가변 강성 모듈의 동작 상태를 보인 단면도이다.

이하에서는 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 가변 강성 모듈을 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시예에 따른 가변 강성 모듈이 적용되는 수술용 로봇 시스템은 수술을 수행하는 수술용 로봇(1)과, 수술용 로봇(1)을 구동하기 위한 액추에이팅 모듈(2)과, 밴딩 가능한 재질로 형성되며 환자의 몸에 마련된 체강 내로 삽입되어 수술용 로봇(1)이 환자의 몸 내부의 수술할 부위로 이동할 수 있도록 안내하는 가이드 튜브(3)와, 가이드 튜브(3)와 액추에이팅 모듈(2) 사이를 연결하는 연결튜브(4)를 포함한다.

가이드 튜브(3)는 체강을 통해 환자의 몸 내부로 삽입된 후 수술할 부위의 위치에 따라 밴딩되며 그 선단이 수술할 부위로 접근한다. 따라서 수술용 로봇(1)은 밴딩될 수 있는 상태가 되어 가이드 튜브(3) 내를 통과하고, 가이드 튜브(3)를 통과한 후에는 힘을 받을 수 있도록 밴딩될 수 없는 상태가 되어야 한다.

따라서 수술용 로봇(1)은 밴딩이 선택적으로 이루어질 수 있도록 강성이 변경되는 복수의 가변 강성 모듈(1-1)과, 가변 강성 모듈(1-1)들의 선단에 연결되어 선단에 배치되어 수술을 수행하는 수술용 툴(1-2)을 포함한다.

복수의 가변 강성 모듈(1-1)들은 서로 링크 결합되며, 수술용 툴(1-2)은 가변 강성 모듈(1-1)들의 선단에 링크 결합되어, 서로에 대해 일정 각도 범위 내에서 회전할 수 있도록 되어 있다.

도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 가변 강성 모듈은 밴딩될 수 있도록 복수의 조인트(11)로 구성된 조인트 조립체(10)와, 조인트 조립체(10)를 형성하는 조인트(11)들을 차례로 관통하도록 설치되어 그 일단이 조인트 조립체(10)의 일단측에 각각 설치되는 복수의 케이블(20)과, 케이블(20)의 타단에 연결되어 조인트 조립체(10)의 밴딩을 제한하는 락킹장치(30)를 포함한다.

조인트 조립체(10)는 중공의 원통 형상으로 형성된 복수의 조인트(11)가 축 방향으로 차례로 배치되며 케이블(20)들을 통해 서로 연결된다. 조인트(11)들은 서로에 대해 일정 각도 회전 가능한 상태로 설치된다. 본 실시예에서는 조인트 조립체(10)는 3개의 조인트(11)로 이루어져 있다.

조인트 조립체(10)를 형성하는 조인트(11)들이 서로 연결될 수 있도록 각 조인트(11)의 일단에는 일측으로 돌출 형성되어 일측으로 이웃한 조인트(11)에 삽입되는 삽입부(11b)가 마련되며, 각 조인트(11)의 타단에는 오목 형성되어 타측으로 이웃한 조인트(11)의 삽입부(11b)가 수용되는 수용부(11c)가 마련된다.

케이블(20)의 설치를 위해 각 조인트(11)의 외주측 단부에는 케이블(20)이 설치되는 케이블 설치공(11a)이 마련된다. 본 실시예에서 케이블(20)은 4개가 구비되며, 각 조인트(11)에는 4개의 케이블(20)이 관통 설치될 수 있도록 4개의 케이블 설치공(11a)이 원주 방향으로 서로 이격되게 마련된다.

케이블(20)은 그 일단이 조인트 조립체(10)의 일단측에 위치한 조인트(11)의 케이블 설치공(11a) 인접부에 지지되고, 그 타단이 조인트 조립체(10)의 타단측에 코일 스프링(32)을 통해 탄성 지지된다. 케이블(20)의 타단에는 케이블(20)의 타단이 코일 스프링(32)을 통해 조인트 조립체(10)에 탄성지지될 수 있도록 하는 지지부재(21)가 설치된다.

코일 스프링(32)은 상술한 케이블(20)의 타단이 그 내측을 관통하도록 설치되며, 그 일단은 조인트 조립체(10)에 지지되고 그 타단은 지지부재(21)에 지지된다. 외력에 의해 조인트 조립체(10)가 밴딩될 경우에는 코일 스프링(32)이 탄성 변형하였다가, 조인트 조립체(10)에 작용하던 외력이 해제되면, 코일 스프링(32)의 탄성 복원력에 의해 조인트 조립체(10)를 형성하는 조인트(11)들은 일직선 상에 배치된 상태로 복귀한다.

락킹장치(30)는 케이블(20)의 이동을 제한하여 조인트 조립체(10)의 강성을 증가시켜 조인트 조립체(10)의 밴딩을 제한한다. 이러한 락킹장치(30)는 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 케이블(20)의 타단에 설치되며 코일 스프링(32)을 통해 조인트 조립체(10)의 타단에 탄성 지지되는 지지부재(21)와, 회전 가능하게 설치되어 회전하며 케이블(20)의 타단에 마련된 걸림부(21)에 걸려 케이블(20)을 락킹하는 락킹부재(31)와, 원판 형상으로 형성되며 락킹부재(31)가 회전 가능하게 설치되어 락킹부재(31)의 회전을 안내하는 가이드판(32)과, 락킹부재(31)를 회전시키는 액추에이터(34)를 포함한다.

락킹부재(31)는 걸림부(21)가 걸려 지지되는 락킹부(31a)를 포함한다. 본 실시예에서 락킹부(31a)는 4개의 케이블(20)에 대응하도록 4개가 구비된다. 락킹부(31a)에는 케이블(20)의 직경에 비해 큰 폭을 갖되, 걸림부(21)에 비해서는 작은 폭을 갖도록 형성된 슬롯(31b)이 마련되어, 걸림부(21)가 락킹부(31a)에 걸려 지지될 수 있도록 되어 있다.

가이드판(32)은 케이블(20)의 타단에 설치된 걸림부(21)가 가이드판(32)을 관통하여 돌출될 수 있도록 관통공(32a)이 마련된다. 관통공(32a)은 4개의 케이블(20)에 대응하도록 4개가 원주 방향으로 서로 이격 형성된다.

액추에이터(34)는 그 로드(34a)가 4개의 락킹부(31a) 중 하나로부터 연장된 연장부(31c)와 연결되어 로드(34a)의 진퇴 이동에 따라 락킹부재(31)가 회전한다.

다음은 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 가변 강성 모듈(1-1)의 동작을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저 도 4에 도시한 바와 같이 락킹부재(31)에 의해 케이블(20)의 타단이 락킹되지 않은 상태에서 조인트 조립체(10)에 외력이 가해지면, 외력이 가해지는 방향에 따라 코일 스프링(32)들 중 일부가 탄성 변형하면서 케이블(20)의 타단이 관통공(32a)을 통과하여 조인트 조립체(10) 측으로 이동하고, 그에 따라 조인트 조립체(10)가 도 3에 도시한 바와 같이 밴딩된다. 즉, 락킹장치(30)에 의해 케이블(20)이 락킹되지 않은 상태에서는 조인트 조립체(10)가 외력에 의해 자유롭게 밴딩될 수 있다.

다음으로 도 6에 도시한 바와 같이 사용자가 액추에이터(34)를 통해 락킹부재(31)를 회전시키면 케이블(20)은 슬롯(31b) 내로 진입하고, 걸림부(21)는 락킹부(31a)의 슬롯(31b) 인접부에 지지되어 케이블(20)에 타단이 락킹부(31a)에 락킹된다. 이러한 상태에서는 조인트 조립체(10)에 외력이 가해지더라도 케이블(20)들의 타단은 이동할 수 없으므로, 조인트들(11)은 케이블(20)들에 의해 지지되어 조인트 조립체(10)의 강성은 증가한다. 따라서 외력이 가해지더라도 조인트 조립체(10)는 도 2에 도시한 바와 같이 밴딩되지 않는 상태를 그대로 유지한다. 즉, 이러한 상태에서 조인트 조립체(10)는 밴딩이 불가능하다.

따라서 상기와 같이 사용자가 액추에이터(34)를 동작시켜 락킹부재(31)에 의해 케이블(20)들을 락킹 또는 락킹 해제함으로써 조인트 조립체(10)를 밴딩 가능한 상태에서 밴딩이 불가능한 상태로 전환하거나 밴딩이 불가능한 상태에서 밴딩 가능한 상태로 전환할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 가변 강성 모듈을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 가변 강성 모듈은 도 7에 도시한 바와 같이 복수의 조인트(41)들에 의해 밴딩 가능하게 형성되는 조인트 조립체(40)와, 조인트(41)들을 관통하여 일단이 조인트 조립체(40)의 일단에 각각 설치되는 4개의 케이블(50)과, 케이블(50)들을 락킹하여 조인트 조립체(40)의 밴딩을 제한하는 락킹장치(60)를 포함한다.

조인트 조립체(40)는 중공의 원통형상으로 형성된 복수의 조인트(41)와, 조인트(41)들의 내측에 배치되어 조인트(41)들을 서로 연결함과 동시에 조인트(41)들이 서로 이격되도록 탄성 지지하는 하나의 코일 스프링(42)을 포함한다.

각 조인트(41)에는 케이블(50)이 관통하여 설치되는 케이블 설치공(41a)이 마련되며, 각 조인트(41)의 일단에는 일측으로 돌출 형성되어 일측으로 이웃한 조인트(41)에 삽입되는 삽입부(41b)가 마련되며, 각 조인트(41)의 타단에는 오목 형성되어 타측으로 이웃한 조인트(41)의 삽입부(41b)가 수용되는 수용부(41c)가 마련된다.

락킹장치(60)는 원판 형상으로 형성되어 케이블(50)들의 타단이 모두 연결되며 조인트 조립체(40)를 향해 진퇴 이동 가능하게 설치된 락킹부재(62)와, 로드(61a)가 락킹부재(62)에 연결되어 락킹부재(62)를 진퇴이동 시키는 액추에이터(61)를 포함한다.

따라서 이와 같이 구성된 가변 강성 모듈(1-1)에 있어서, 사용자가 액추에이터(61)를 통해 락킹부재(62)가 조인트 조립체(40)측으로 이동하게 하면, 코일 스프링(42)의 탄성 복원력에 의해 조인트(41)들에 마련된 삽입부(41c)는 이웃한 조인트(41)들의 수용부(41b)로부터 분리되어 도 8에 도시한 바와 같이 서로 이격된다.

이러한 상태에서는 조인트(41)들은 코일 스프링(42)을 통해서만 서로 연결되어 있으므로 조인트 조립체(40)에 외력이 가해지면 조인트 조립체(40)는 도 9에 도시한 바와 같이 밴딩된다.

또한 사용자가 액추에이터(61)를 통해 락킹부재(62)가 조인트 조립체(40)측으로부터 이격되도록 하면, 코일 스프링(42)이 탄성 변형하면서 조인트(41)들에 마련된 삽입부(41c)들이 이웃한 조인트(41)들에 마련된 수용부(41b)에 수용되어 조인트(41)들은 서로 밀착된다.

이러한 상태에서는 조인트(41)들이 서로 지지되어 있는 상태가 되므로, 조인트 조립체(40)에 외력이 가해지더라도 조인트 조립체(40)는 밴딩되지 않는다.

본 실시예에서는 본 발명에 따른 가변 강성 모듈(1-1)이 수술용 로봇에 적용될 수 있다는 점을 밝히고 있으나, 이는 한정을 위한 것이 아니며, 선택적으로 밴딩이 이루어져야 하는 각종 기구에 적용되어 사용될 수 있다.

본 발명은 상기에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 수정 및 변형할 수 있다는 점은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

10: 조인트 조립체 11: 조인트
11a: 케이블 설치공 11c: 수용부
11c: 삽입부 20: 케이블
21: 걸림부 22: 지지부재
30: 락킹장치 31: 락킹부재
31a: 락킹부 31b: 슬롯
32: 가이드판 33: 코일 스프링
34: 액추에이터

Claims (10)

1. 복수의 조인트들을 포함한 조인트 조립체와,
   그 일단이 상기 복수의 조인트들을 차례로 관통하여 상기 조인트 조립체의 일단에 설치되는 적어도 하나의 케이블과,
   상기 케이블의 타단을 락킹하여 상기 조인트 조립체의 유연성을 변경하는 락킹장치를 포함하는 가변 강성 모듈.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 조인트들은 그 일단으로부터 돌출 형성되어 일측으로 이웃한 조인트의 타단에 삽입되는 삽입부와, 그 타단에 오목 형성되어 타측으로 이웃한 조인트의 삽입부가 수용되는 수용부를 포함하는 가변 강성 모듈.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 케이블은 복수의 케이블을 포함하며,
   상기 복수의 조인트들은 원주 방향으로 서로 이격되게 마련되어 상기 복수의 케이블이 관통하여 설치되는 복수의 케이블 설치공을 포함하는 가변 강성 모듈.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 복수의 케이블은 그 타단에 마련된 걸림부를 각각 포함하며,
   상기 락킹장치는 상기 케이블의 타단에 각각 설치된 복수의 지지부재와, 상기 복수의 지지부재와 상기 조인트 조립체 사이를 탄성 지지하는 복수의 코일 스프링과, 회전 가능하게 설치되어 회전하며 상기 걸림부에 걸려 상기 걸림부를 지지하는 락킹부재를 포함하는 가변 강성 모듈.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 락킹부재는 상기 복수의 케이블에 각각 마련된 걸림부를 락킹하는 복수의 락킹부를 포함하며,
   상기 복수의 락킹부는 상기 케이블의 직경 보다 큰 폭을 갖되 상기 걸림부 보다 작은 폭을 갖는 슬롯을 포함하는 가변 강성 모듈.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 락킹장치는 상기 락킹부재에 연결되어 상기 락킹부재를 회전시키는 액추에이터를 포함하는 가변 강성 모듈.
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 복수의 조인트는 중공의 원통 형상으로 각각 형성되며,
   상기 조인트 조립체는 상기 복수의 조인트들 내측에 배치되어 상기 복수의 조인트들이 서로 탄성 지지되도록 하는 코일 스프링을 포함하며,
   상기 락킹장치는 상기 조인트 조립체를 향해 진퇴 이동 가능하게 설치되며 상기 복수의 케이블들의 타단이 각각 설치되는 락킹부재를 포함하는 가변 강성 모듈.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 락킹부재와 연결되어 상기 락킹부재를 진퇴이동 시키는 액추에이터를 포함하는 가변 강성 모듈.
9. 수술용 로봇과,
   상기 수술용 로봇을 구동하기 위한 액추에이터와,
   밴딩 가능한 재질로 형성되어 상기 수술용 로봇을 안내하는 가이드 튜브를 포함하며,
   상기 수술용 로봇은 수술을 수행하는 수술용 툴과, 제 1 항 내지 제 8 항의 가변 강성 모듈을 적어도 하나 포함하는 수술용 로봇 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가변 강성 모듈은 서로 링크 결합되는 복수의 가변 강성 모듈을 포함하며,
    상기 수술용 툴은 상기 복수의 가변 강성 모듈들의 선단에 링크 결합되는 수술용 로봇 시스템.

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