의료 수술용 로봇의 성능 최적화를 위한 리니어 가이드와 크로스 롤러 베어링 적용시 고려사항
로봇은 수술이 필요한 사람들에게 점점 더 현실적인 옵션이 되고 있으며, 많은 경우 외과의사의 손보다 선호되기도 한다. 정밀 모션 구성 요소와 첨단 소프트웨어 및 비전 시스템 덕분에 수술용 로봇의 기능이 점점 더 발전 하고 있다.
로봇 팔, 제어 콘솔 또는 엔드 이펙터를 설계하는 경우, 리니어 가이드와 크로스 롤러 베어 링(CRB)이 이러한 정밀한 수술 절차의 특수한 조작과 동작 요구 사항을 충족할 수 있는지 확인해야 한다. 뿐만 아니라 베어링이 최적의 성능을 발휘하도록 하려면, 수술용 로봇의 변환, 제어 시스템, 엔드 이펙터에 대한 중요성을 제대로 알아야 하며, 베어링을 지정할 때 고려해야 할 특성을 이해하는 것이 필수적이다.
정밀한 동작과 고성능
여러 개의 로봇 팔이 하나의 수술에 종종 사용되므로, 팔과 회전 메커니즘이 동기화되어 움직여야 한다. 정밀하고 제어 가능하게 움직이는 베어링이 없다면 팔과 기구가 충돌하거나 장기나 조직과 우연히 접촉할 수 있다. 이러한 로봇 팔의 움직임을 가능하게 하는 베어링이 수술의 성공과 환자의 안전을 좌우하기 때문에, 반복 가능하고 일관된 성능이 필수적이다. 이를 위해 고려해야 할몇 가지 기본 사항과 핵심 요구 사항은 다음과 같다.
▲ 롤링형 직선 운동 가이드는 4열의 원통형 롤러가 평행하게 배열되어 있어, 궤도면의 넓은 면적에 접촉하여 높은 하중 용량, 매우 부드러운 운동, 높은 정확성 및 강성을 제공한다.
리니어 가이드
앞서 언급했듯이, 충돌이나 의도하지 않은 환자 접촉과 같은 위험을 제거하기 위해서는 로봇 팔의 리니어 가이드의 위치 정확도가 매우 중요하다.
또한 모든 리니어 가이드가 부드럽게 움직일 수 있는 것은 아니라는 점도 기억해야 한다. 수술용 로봇에서 속도보다더 중요한 특성이다. 바람직한 리니어 가이드는 이동 거리 전체에 걸쳐 낮은 수준의 균일한 미끄럼 저항을 가진다. 수술용 로봇에는 작은 크기가 자주 요구되며, 일부 소형 리니어 가이드는 같은 크기의 다른 장치보다 더 큰 하중 용량을 가진다. 따라서 운반해야 하는 하중에 비해 소형인 리니어 가이드를 선택하는 것이 좋다.
두 가지 리니어 가이드 디자인은 수술 장비에 특히 적합한 정밀 기능을 제공한다. 그 중 첫번째인 재순환 볼 타입의 리니어 모션 가이드는 궤도와 4개 지점에서 접촉하는 두 줄의 볼로 구성되어 있어 하중 방향이나 복잡성이 다양할 때, 특히 사전 하중이 잘 제어되는 경우에도 높은 안정성과 정확성을 제공한다.
이 리니어 가이드는 또한 조용하게 작동한다. 예를 들어, LWLF2와 같은 IKO의 리니어 가이드에서 2열 배열을 찾을 수 있다. 이 제품은 2mm의 트랙 폭과 5mm의 슬라이드 유닛 폭과 함께 업계에서 가장 낮은 단면 높이를 제공한다. 스테인리스 스틸 구조도 표준으로 제공되므로 녹 방지 오일을 사용할 수 없는 응용 분야에 이상적이다.
또 다른 디자인 롤링 타입 리니어 모션 가이드는 매우 견고한 캐리지 안에 4열의 원통형 롤러가 나란히 배열되어 있다. 롤러가 넓은 면적에 걸쳐 궤도와 접촉하기 때문에 높은 강성, 높은 부하 용량, 부드러운 동작을 가능 하게 한다. 롤러 타입 가이드는 더 높은 부하를 처리할 수 있기 때문에 한두 치수 작은 사이즈를 선택 하는 것이 합리적일 수 있다. 공간이 제한된 로봇 팔의 경우 매력 적인 고려 사항이다.
IKO는 재순환 볼 타입과 롤러 타입의 리니어 모션 가이드(각각 ML시리즈와 MX시리즈)를 표준 스테인리스 스틸 구조와 C루브 자기 윤활 기술과 함께 제공하여, 유지보수가 필요 없는 오래 지속되는 작동을 가능하게 한다.
크로스 롤러 베어링
로봇 팔은 궁극적으로 수술 도구를 제자리에 놓아야 하고, 로봇 관절 내부의 CRB는 정교한 위치 지정 작업을 수행하기 위해 팔을 회전시킨다.
CRB는 큰 접촉 면적을 만드는 큰 직교 배열의 롤러를 특징으로 하며, 하중 하 에서 처짐을 줄이고 탄성 변형을 감소시킨다. 이러한 특성 덕분에 CRB는 로봇 관절에 이상적인 높은 회전 정확도와 컴팩트한 크기를 모두 제공한다. 리니어 가이드와 마찬가지로 높은 정확성, 부드러운 동작, 견고성, 반복성을 고려해야 한다.
▲ 후프형 입력 장치는 외과의의 다양한 동작에 따라 베어링에 다른 하중을 가하기 때문에 반경 방향 하중, 추력 하중, 모멘트 하중을 동시에 처리할 수 있는 베어링이 필요하다.
CRB, 외과의에 안정적 로봇 손 제공
로봇 수술은 외과의사가 없으면 수술이 아니다. 그러나 그렇다고 해서 외과의사가 반드시 수술실에 환자와 함께 있는 것은 아니다.
그들은 옆방에 있을 수도 있고, 혹은 전 세계 어디에 있을 수도 있다. 그들은 ‘손목에 착용 하는’ 콘솔을 통해 로봇 팔과 기구를 제어할 수 있다. 콘솔에서 외과의의 손은 회전 고리, 조이스틱 또는 핸들을 돌리고 조작한다. CRB는 이러한 입력이 부드럽고 정확하게 움직이도록 보장하여 제어 소프트웨어가 제스처 를 해석하고 로봇 팔의 실제 움직임으로 확장할 수 있도록 한다.
CRB는 수술 로봇 제어에 매우 적합하다. 왜냐하면 입력(특히 후프형 입력)이 외과 의사의 다양한 동작에 따라 베어링에 다른 하중을 가할 수 있기 때문이다. 이를 관리하기 위해 CRB는 단일 장치에서 반경 방향, 추력 및 모멘트 하중을 동시에 처리한다. 또한 CRB는 정밀성과 다기능성을 제공한다. 롤러가 직교 배열로 배열 되어 있고 하나의 베어링이 다방향 하중을 견딜 수 있기 때문이 다. 이러한 배열 방식은 다른 베어링 유형보다 공간을 적게 차지 하며, 손목과 팔의 관절과 같이 제한된 공간 내에 있는 메커니즘에 이상적이다.
CRB는 일반 베어링과 일부 다점 접촉 볼 베어링보다 회전 토크가 낮고, 정적 토크와 동적 토크의 차이가 미미하다. 결과적으로, 크로스 롤러 베어링은 기계가 높은 정밀도를 달성하고, 전력 소비를 줄이며, 작동 온도 상승을 제한하여 전반적인 효율성을 높이는 데도움이 될 수 있다.
▲ IKO 크로스 롤러 베어링은 깨끗한 포장, 특수 그리스 또는 스테인리스 스틸 레이스 링과 함께 제공된다.
로봇 수술 제어 콘솔의 또 다른 중요한 요구 사항은 무엇일까? 그것은 ‘좋은 촉감’이다. 외과의사의 손가락이나 손의 움직임 중 일부만 로봇을 통해 전달되기 때문에, 콘솔은 후프 입력의 움직임과 회전 운동을 허용하지만, 그렇지 않으면 전달에 영향을 미칠 수있는 ‘유격’을 발생시키지 않는 적절한 베어링이 필요하다. 외과 의가 조작을 수행하는 데 필요한 정확한 촉감을 제공하기 위해서는 예압 관리가 필수적이다.
또한 입력 장치가 과도하게 회전하는 원인이 될 수 있는 무저항 상태를 방지한다. IKO에서는 공장 조정된 예압을 사용하여 CRB 를 맞춤화하여 외과의에게 적합한 촉감을 제공하거나 회전 정확 도가 우수한 더 높은 등급을 만들 수 있다.
IKO 엔지니어는 외과 의사가 최대한 능숙하게 로봇 수술을 수행할 수 있도록 적합한 CRB 를 선택할 수 있도록 요구 사항을 검토할 수 있다. 다양한 크기의 CRB는 컨트롤러 내의 좁은 공간에 맞도록 작고 슬림한 크기로 제공되며, 다른 유닛은 내부 링과 외부 링을 하나의 견고한 부품으로 결합하여 더 높은 정밀도를 가진 견고한 유닛을 만들면서 공간과 무게를 절약한다.
▲ IKO CRBT 시리즈와 같은 초슬림 CRB는 높이가 5.5mm, 폭이 5mm에 불과하여 공간이 제한된 엔드 이펙터 설계에 적합하다.
컴팩트한 크로스 롤러 베어링
기구와 영상 장치를 다루는 엔드 이펙터 내부에서 CRB는 외과의의 손재주를 향상시키고 위험한 충돌을 방지해야 할 뿐만 아니라, 점점 더 작아지는 디자인에 맞아야 한다. CRB는 엔드 이펙터에 매우 적합하다. 왜냐하면 이 부속 장치에 필요한 정밀한 회전 운동을 하나의 컴팩트한 베어링으로 달성할 수 있기 때문이다.
앞서 설명한 바와 같이, CRB는 안쪽 링과 바깥쪽 링 사이에 직각 으로 크로스하는 롤러를 사용하여 궤도와 더 많이 접촉하여 균일한 다방향 하중 분배를 가능하게 한다. 이 배열은 복잡한 작업에 필요한 정확한 위치와 부드러운 동작을 보장할 뿐 아니라, 크기를 최소한으로 유지하는 데 도움이 된다. 이것이 바로 엔드 이펙터의두 가지 핵심 고려 사항이다. IKO가 이러한 CRB 설계 요소를 활용하고, 점점 작아지는 수술용 로봇의 엔드 이펙터를 위해 이를 개선하는 방법은 다음과 같다.
• 작은 외경: IKO는 내경에 비해 외경이 작고 폭이 좁은 베어링을 제공한다.
• 분리기가 있는 슬림한 유닛: 가장 좁은 공간 요구 사항에 맞게 설계된 슬림형 CRB는 구동력을 절약하고 더 부드러운 움직임을 가능하게 하는 롤러 사이에 분리기가 있는 제품도 있다. 예를 들어, IKO의 슈퍼 슬림 CRBT는 높이가 5.5mm, 폭이 5mm에 불과하다.
• 미리 뚫린 구멍: CRB는 미리 뚫린 장착 구멍을 지정할 수 있어 특수 하우징이나 고정판이 필요하지 않으므로 엔드 이펙터 설계 에서 귀중한 공간을 절약하고 전체 비용을 절감할 수 있다.
오염 문제 방지
의료 또는 수술 용도에서는 부식에 강하고 세척 용액에 견딜 수있는 고품질 강철을 사용하는 것이 중요하다. 리니어 가이드의 경우 표준 스테인리스 스틸 구조의 가이드를 선택하는 것이 좋다.
리니어 가이드에는 스테인리스 스틸 슬라이드 유닛 케이스, 트랙 레일, 엔드 플레이트 및 원통형 롤러를 액세서리로 추가할 수도 있다. 또 다른 옵션인 블랙 크롬은 트랙 레일과 슬라이드 유닛의 부식을 방지하고, 불소 수지층과 결합하면 이물질이 부품에 달라 붙는 것을 방지한다.
자료제공: IKO(www.ikont.com)
