수술 로봇에서 가장 일반적인 텅스텐 케이블 구성은 8×19, 7×37, 그리고 19×19입니다. 텅스텐 와이어를 사용한 기계식 케이블의 경우, 8×19에는 201개의 텅스텐 와이어, 7×37에는 259개의 와이어, 그리고 마지막으로 19×19에는 361개의 나선형 연선이 포함됩니다. 스테인리스강은 수많은 의료 및 수술 기기를 포함한 다양한 분야에 사용되지만, 수술 로봇 분야에서 텅스텐 케이블을 대체할 수 있는 소재는 없습니다.
그런데 기계 케이블 소재로 잘 알려진 스테인리스 스틸이 수술용 로봇 구동 장치에서 점점 인기를 잃어가는 이유는 무엇일까요? 스테인리스 스틸 케이블, 특히 초미세 직경 케이블은 군사, 항공우주, 그리고 무엇보다도 수많은 다른 수술 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
수술용 로봇 모션 제어에서 텅스텐 케이블이 스테인리스 스틸을 대체하는 이유는 생각보다 그리 신비롭지 않습니다. 바로 내구성 때문입니다. 하지만 이 기계식 케이블의 강도는 선형 인장 강도만으로 측정되는 것이 아니기 때문에, 현장 조건에 적합한 다양한 시나리오에서 데이터를 수집하여 성능 척도로서 강도를 시험해야 합니다.
8×19 구조를 예로 들어 보겠습니다. 수술 로봇에서 피치(pitch)와 요(yaw)를 구현하는 데 가장 일반적으로 사용되는 기계식 케이블 설계 중 하나인 8×19 구조는 하중이 증가함에 따라 스테인리스 스틸 구조보다 성능이 훨씬 뛰어납니다.
텅스텐 케이블의 사이클 시간과 인장 강도는 하중이 증가함에 따라 증가한 반면, 대체 스테인리스 스틸 케이블의 강도는 동일한 하중에서 텅스텐의 강도에 비해 급격히 감소했습니다.
하중이 10파운드이고 직경이 약 0.018인치인 스테인리스 스틸 케이블은 동일한 8×19 디자인과 와이어 직경을 가진 텅스텐이 달성하는 사이클의 45.73%만을 제공합니다.
실제로 이 특정 연구는 10파운드(44.5N)의 하중에서도 텅스텐 케이블이 스테인리스 스틸 케이블보다 두 배 이상 더 자주 작동한다는 것을 즉시 보여주었습니다. 모든 부품과 마찬가지로 수술 로봇 내부의 미세 기계 케이블도 엄격한 규제 요건을 충족하거나 초과해야 하므로, 케이블은 어떤 충격에도 견딜 수 있어야 하지 않을까요? 따라서 분석 결과, 스테인리스 스틸 케이블과 동일한 직경의 8×19 텅스텐 케이블을 사용하는 것이 내재적인 강도 이점을 제공할 뿐만 아니라, 두 가지 옵션 중 더 강하고 내구성이 뛰어난 케이블 소재를 로봇에 공급할 수 있음을 보여줍니다.
또한, 8×19 설계의 경우, 텅스텐 와이어 로프의 사이클 수는 동일한 직경과 하중을 가진 스테인리스 스틸 와이어 로프의 사이클 수보다 최소 1.94배 높습니다. 연구에 따르면, 스테인리스 스틸 케이블은 적용 하중을 10파운드에서 30파운드로 점진적으로 증가시키더라도 텅스텐의 탄성을 따라올 수 없습니다. 실제로 두 케이블 소재 간의 차이는 점점 커지고 있습니다. 30파운드의 동일한 하중에서 사이클 수는 3.13배로 증가합니다. 더 중요한 발견은 연구 기간 내내 마진이 30포인트까지 감소하지 않았다는 것입니다. 텅스텐은 항상 더 높은 사이클 수를 보였으며, 평균 39.54%였습니다.
이 연구에서는 엄격하게 통제된 환경에서 특정 직경의 와이어와 케이블 디자인을 조사했지만, 텅스텐이 더 강하고 정밀한 응력, 인장 하중 및 풀리 구성으로 더 많은 사이클을 제공한다는 것을 보여주었습니다.
수술 로봇 응용 분야에 필요한 사이클 수를 달성하려면 텅스텐 기계 엔지니어와 협력하는 것이 중요합니다.
스테인리스강, 텅스텐 또는 기타 기계적 케이블 소재를 불문하고, 두 개의 케이블 어셈블리가 동일한 1차 권선에 연결되는 경우는 없습니다. 예를 들어, 일반적으로 마이크로케이블은 가닥 자체도 필요하지 않으며, 케이블에 적용되는 피팅의 거의 불가능한 엄격한 공차도 필요하지 않습니다.
많은 경우 케이블 자체의 길이와 크기, 그리고 부속품의 위치와 크기를 선택하는 데 있어 어느 정도 유연성이 있습니다. 이러한 치수는 케이블 어셈블리의 허용 오차를 구성합니다. 기계 케이블 제조업체가 애플리케이션의 허용 오차를 충족하는 케이블 어셈블리를 구현할 수 있는 경우, 해당 어셈블리는 실제 환경에서만 사용할 수 있습니다.
생명이 걸린 수술 로봇의 경우, 설계 공차를 달성하는 것이 유일하게 용인할 수 있는 결과입니다. 따라서 외과의의 모든 움직임을 모방하는 초박형 기계식 케이블은 지구상에서 가장 정교한 케이블 중 하나라고 해도 과언이 아닙니다.
이 수술 로봇 내부에 들어가는 기계식 케이블 어셈블리 역시 작고 비좁은 공간을 차지합니다. 놀랍게도 이 텅스텐 케이블 어셈블리는 어린이 연필 끝만 한 도르래의 가장 좁은 통로에도 완벽하게 들어맞으며, 예측 가능한 사이클 수로 동작을 유지하면서 두 가지 작업을 모두 수행합니다.
케이블 엔지니어가 케이블 소재를 미리 알려줄 수 있다는 점도 중요합니다. 이를 통해 로봇의 출시 전략을 세울 때 중요한 변수인 시간, 자원, 비용을 절약할 수 있습니다.
수술 로봇 시장이 빠르게 성장함에 따라, 단순히 움직임을 보조하기 위한 기계식 케이블만 제공하는 것은 더 이상 용납될 수 없습니다. 수술 로봇 제조업체들이 놀라운 제품을 시장에 출시하는 속도와 속도는 제품이 얼마나 쉽게 대량 생산될 준비가 되어 있는지에 달려 있습니다. 따라서 기계 엔지니어들이 이러한 케이블 어셈블리를 매일 연구, 개선, 제작한다는 점을 기억하는 것이 중요합니다.
예를 들어, 수술 로봇 프로젝트는 스테인리스 강의 강도, 연성, 사이클 계산 능력을 이용해 시작하지만, 로봇 개발의 후반 단계에서는 텅스텐을 사용하는 경우가 많습니다.
수술 로봇 제조업체들은 로봇 설계 초기에는 스테인리스 스틸을 사용했지만, 이후 성능이 우수한 텅스텐을 선택했습니다. 이는 동작 제어 방식에 대한 갑작스러운 변화처럼 보일 수 있지만, 실제로는 그렇게 보일 뿐입니다. 이러한 소재 변화는 로봇 제조업체와 케이블 제작을 위해 고용된 기계 엔지니어 간의 필수적인 협업의 결과입니다.
스테인리스 스틸 케이블은 수술 도구 시장, 특히 내시경 장비 분야에서 꾸준히 주요 소재로 자리매김하고 있습니다. 그러나 스테인리스 스틸은 내시경/복강경 수술 중 움직임을 지지할 수 있지만, 취성은 더 크지만 밀도가 더 높아 더 강한 스테인리스 스틸(텅스텐)만큼 인장 강도가 높지는 않습니다. 결과적으로 인장 강도가 낮아집니다.
텅스텐은 수술용 로봇 케이블 소재로 스테인리스 스틸을 대체하기에 이상적이지만, 케이블 제조업체 간의 긴밀한 협력이 얼마나 중요한지 간과해서는 안 됩니다. 경험이 풍부한 초박형 케이블 기계 엔지니어와 협력하면 세계적인 수준의 컨설턴트와 제조업체에서 케이블을 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 적절한 케이블 제조업체를 선택하는 것은 제작 계획 개선의 과학적 근거와 속도를 우선시하는 확실한 방법이기도 합니다. 이를 통해 경쟁업체보다 더 빠르게 모션 제어 목표를 달성할 수 있습니다.
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