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수술용 로봇에 필요한 모션은? – 다빈치 수술로봇 시스템에 사용되는 맥슨모터

최근 차세대 수술법으로 손상을 최소화하는 Intuitive Surgical사(이하 인튜이티브)의 da VinciS HD(이하 다빈치) 수술로봇 시스템이 점점 더 폭넓게 사용되고 있다. 이 시스템은 최고의 모션 컨트롤 기술을 적용하여 저속의 계산된 속도에서도 숙련된 의사처럼 부드러우면서 정확한 움직임을 보장해야 한다.

다빈치 시스템의 전체 구성은 ‘수술 콘솔’, 수술 도구를 보유한 ‘환자용 카트’, 수술 상황 공유를 위한 고해상도 영상 시스템 ‘비전 카트’로 구성되어 있다.
다빈치 시스템의 전체 구성은 ‘수술 콘솔’, 수술 도구를 보유한 ‘환자용 카트’, 수술 상황 공유를 위한 고해상도 영상 시스템 ‘비전 카트’로 구성되어 있다.

다빈치는 로봇이 자체적으로 구동하는 것이 아니고 집도 의사가 수술실 내에서 유선으로 연결된 조종간으로 로봇 팔에 장착된 수술 기구를 직접 조작하는 방식이다. 다빈치로 수술하기 위해서는 한 쌍의 수술용 로봇 팔(매니퓰레이터)이 필요하고, 카메라를 삽입하기 위해 환부에 8mm~12mm의 작은 절개부 3개를 내야한다. 

수술이 진행되는 동안에는 로봇과 수술 보조자만이 환자 옆에 위치하게 되며, 의사는 수술 주조정 장치(수술 콘솔)를 통해 정밀하게 진행되는 개방형 수술을 직접 보며 감독한다. 이 시스템의 전체 구성은 수술 콘솔, 수술 도구를 보유한 환자용 카트, 수술 상황 공유를 위한 고해상도 영상 시스템 비전 카트 이렇게 3가지 부분으로 구성되어 있다.

다빈치 시스템 중 로봇 팔에 손목 기능이 있는 수술 도구를 보유한 환자용 카트 모습이다.
다빈치 시스템 중 로봇 팔에 손목 기능이 있는 수술 도구를 보유한 환자용 카트 모습이다.

수술 콘솔은 다빈치가 수술을 수행하는 데 있어서 가장 중요한 부분이다. 영상을 통한 수술은 극히 고난이도의 작업이며, 가장 일반적인 어려움은 의사가 처리해야 하는 소위 방향 전환이다. 기존의 복강경 수술 대비 다빈치를 통해 집도 시 생길 수 있는 반직관적인 움직임에 대응하기 위해 의사는 콘솔에서 수술 현장을 영상화한 3D HD 화상을 보면서 수술을 집도해 이를 극복할 수 있다. 

다빈치의 핵심은 모터
여기서 각 조종 장치의 핵심은 바로 모터이다. 인튜이티브사의 엔지니어는 엔코더를 결합하거나 결합하지 않은 맥슨모터(maxon motor)의 RE 25가 포함된 30개 이상의 모터를 사용하여 다빈치를 설계했다. 여기에는 맥슨모터의 GP 13 기어헤드와 13mm 마그네틱 엔코더가 결합된 RE 13 모터, 특수 엔코더가 결합된 RE 35 시리즈 모터 등이 해당된다. 

 

집도의의 정밀한 움직임을 위해서 다빈지에는 수십개의 초 정밀 모터가 장착되어 있다. 이 브러시드 DC 모터는 고효율로 인해 개발자들 사이에서는 많이 알려져 있으며, 고품질의 네오디뮴 마그넷과 코어리스 권선방식 등의 기술을 이용해 코깅 토크를 없앴다.
집도의의 정밀한 움직임을 위해서 다빈지에는 수십개의 초 정밀 모터가 장착되어 있다. 이 브러시드 DC 모터는 고효율로 인해 개발자들 사이에서는 많이 알려져 있으며, 고품질의 네오디뮴 마그넷과 코어리스 권선방식 등의 기술을 이용해 코깅 토크를 없앴다.

맥슨모터는 고정자를 네오디뮴 영구자석으로 설계하고 코어리스 권선을 사용하며 마그네틱 코깅 현상을 제거하여 특히 저속에서 구동 시, 기존의 모터에 비해 더 좋은 결과를 얻을 수 있다. 맥슨은 다빈치 시스템의 입력과 출력을 모두 책임지고 있다. 연속된 피드백 컨트롤을 통해 모터와 엔코더는 의사로부터 입력신호를 받고, 콘솔 컨트롤러를 통해 실시간으로 전송되며, 조정 장치(매니퓰레이터)에서 모터로 출력신호를 보내게 된다.

맥슨 DC 모터 RE25(Ø25 mm, 그래파이트 브러시, 20W 코어리스 DC 모터)
맥슨 DC 모터 RE25(Ø25 mm, 그래파이트 브러시, 20W 코어리스 DC 모터)
DC모터 RE13, 유성 기어 GP13, MR 엔코더 조합의 드라이브 모듈
DC모터 RE13, 유성 기어 GP13, MR 엔코더 조합의 드라이브 모듈

또한, 의사가 구동시키는 조종부의 모터는 이중 역할을 구별하기 위해 마스터로 불린다. 슬레이브 또는 매니퓰레이터 모터 역시 정밀함이 요구될 뿐 아니라 의사가 작동체 끝을 적당한 위치로 이동시키는 동안, 역구동성(back-drivability)이 있어야 한다. 이런 모터 시스템의 역할로 의사의 손끝이 만들어내는 미세한 움직임을 실현해 낸다.

다빈치 수술용 로봇의 조종부에는 두 개의 조이스틱이 있다. 집도의는 이를 이용해 미세한 조작을 해야한다.
다빈치 수술용 로봇의 조종부에는 두 개의 조이스틱이 있다. 집도의는 이를 이용해 미세한 조작을 해야한다.

현재 다빈치는 비뇨기과·부인과·이비인후과·외과·심장 및 흉부외과 등의 수술에서 널리 사용되고 있다. 지난 해까지 세계적으로 720만 건 이상, 국내에서는 10만 건 이상의 수술이 시행됐다. 현재 다빈치는 세계적으로 5,500여대, 국내에는 올해 3월 기준으로 96대가 설치된 것으로 알려져있다.

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.