수술 로봇에 가장 일반적으로 사용되는 텅스텐 케이블 구성은 8×19, 7×37 및 19×19입니다. 8×19 텅스텐 케이블은 201개의 텅스텐 와이어로 구성되고, 7×37은 259개의 와이어, 그리고 19×19는 361개의 나선형 연선으로 구성됩니다. 스테인리스강은 다양한 의료 및 수술 기기를 포함한 여러 분야에 사용되지만, 수술 로봇 분야에서는 텅스텐 케이블을 대체할 수 있는 재료가 없습니다.
그렇다면 기계식 케이블에 널리 사용되는 스테인리스강이 수술 로봇 구동 장치에 점점 덜 사용되는 이유는 무엇일까요? 스테인리스강 케이블, 특히 초소형 케이블은 군사, 항공우주 분야는 물론 수많은 수술 분야에서 널리 사용되고 있는데 말입니다.
수술 로봇 동작 제어에 스테인리스 스틸 케이블 대신 텅스텐 케이블이 사용되는 이유는 생각만큼 신비로운 것이 아닙니다. 바로 내구성 때문입니다. 하지만 이 기계식 케이블의 강도는 선형 인장 강도만으로 측정되는 것이 아니므로, 현장 조건에 적합한 다양한 시나리오에서 데이터를 수집하여 성능 지표로서 강도를 테스트해야 합니다.
8×19 구조를 예로 들어보겠습니다. 수술 로봇에서 피치와 요를 구현하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 기계식 케이블 설계 중 하나인 8×19 구조는 하중이 증가함에 따라 스테인리스 스틸 케이블보다 훨씬 뛰어난 성능을 보여줍니다.
참고로, 텅스텐 케이블의 사이클 시간과 인장 강도는 하중이 증가함에 따라 증가하는 반면, 대체재인 스테인리스 스틸 케이블의 강도는 동일한 하중에서 텅스텐 케이블의 강도에 비해 급격히 감소합니다.
하중이 10파운드이고 직경이 약 0.018인치인 스테인리스 스틸 케이블은 동일한 8×19 설계 및 와이어 직경을 가진 텅스텐 케이블이 달성하는 사이클 수의 45.73%만을 제공합니다.
실제로 이 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 케이블은 엄격한 규제 요건을 충족하거나 초과해야 하므로, 케이블은 어떤 상황에서도 견딜 수 있어야 합니다. 따라서 이 분석은 동일한 직경의 8×19 텅스텐 케이블을 스테인리스 스틸 케이블과 비교했을 때 본질적인 강도 이점이 있으며, 두 옵션 중 더 강하고 내구성이 뛰어난 케이블 재질로 로봇을 구동할 수 있음을 보여줍니다.
또한, 8×19 설계의 경우, 동일한 직경과 하중을 가진 스테인리스강 와이어 로프에 비해 텅스텐 와이어 로프의 사이클 수는 최소 1.94배 더 높습니다. 더욱이, 연구 결과에 따르면 적용 하중을 10파운드에서 30파운드로 점진적으로 증가시켜도 스테인리스강 케이블은 텅스텐의 탄성을 따라잡을 수 없으며, 오히려 두 재질 간의 격차가 커지는 것으로 나타났습니다. 동일한 30파운드 하중에서 사이클 수는 3.13배까지 증가합니다. 더욱 중요한 결과는 연구 기간 내내 마진이 30포인트 이하로 감소하지 않았다는 점입니다. 텅스텐은 항상 평균 39.54% 더 높은 사이클 수를 유지했습니다.
이 연구는 고도로 통제된 환경에서 특정 직경의 전선과 케이블 설계를 조사했지만, 텅스텐이 더 강하고 정확한 응력, 인장 하중 및 풀리 구성에서 더 많은 사이클을 제공한다는 것을 입증했습니다.
수술용 로봇 애플리케이션에 필요한 사이클 수를 달성하기 위해 텅스텐 기계 엔지니어와 협력하는 것이 매우 중요합니다.
스테인리스강, 텅스텐 또는 기타 기계 케이블 재질에 관계없이, 두 개의 케이블 어셈블리가 동일한 1차 권선을 담당하는 경우는 없습니다. 예를 들어, 마이크로 케이블은 일반적으로 가닥 자체가 필요하지 않으며, 케이블에 적용되는 부속품의 거의 불가능에 가까운 정밀한 공차도 필요하지 않습니다.
많은 경우 케이블 자체의 길이와 크기, 그리고 부속품의 위치와 크기를 선택하는 데 어느 정도 유연성이 있습니다. 이러한 치수는 케이블 어셈블리의 허용 오차를 구성합니다. 기계식 케이블 제조업체가 해당 용도의 허용 오차를 충족하는 케이블 어셈블리를 제작할 수 있는 경우, 이러한 어셈블리는 실제 사용 환경에서만 사용할 수 있습니다.
생명이 걸린 수술 로봇의 경우, 설계 허용 오차를 충족하는 것이 유일하게 용납될 수 있는 결과입니다. 따라서 외과의사의 모든 움직임을 모방하는 초박형 기계식 케이블은 세계에서 가장 정교한 케이블 중 하나라고 해도 과언이 아닙니다.
이러한 수술 로봇 내부에 들어가는 기계식 케이블 어셈블리 역시 작고 비좁은 공간을 차지합니다. 놀랍게도 이 텅스텐 케이블 어셈블리는 어린이 연필심보다도 작은 풀리에 장착된 아주 좁은 통로에 완벽하게 들어맞으면서도, 예측 가능한 주기로 움직임을 유지하며 두 가지 작업을 모두 수행합니다.
또한 케이블 엔지니어가 사전에 케이블 재질에 대해 조언해 줄 수 있다는 점도 중요합니다. 이를 통해 시간, 자원, 심지어 비용까지 절약할 수 있으며, 이는 로봇의 시장 진출 전략을 수립할 때 핵심적인 요소입니다.
수술 로봇 시장이 급속도로 성장함에 따라 단순히 기계식 케이블을 사용하여 움직임을 보조하는 것만으로는 더 이상 충분하지 않습니다. 수술 로봇 제조업체들이 혁신적인 제품을 시장에 출시하는 속도와 위치는 제품이 얼마나 쉽게 대량 생산에 적합하게 준비될 수 있느냐에 달려 있습니다. 바로 이러한 이유로 기계 엔지니어들이 매일 이러한 케이블 어셈블리를 연구, 개선 및 제작하고 있다는 점을 기억하는 것이 중요합니다.
예를 들어, 수술 로봇 프로젝트는 강도, 연성 및 내구성이 뛰어난 스테인리스강으로 시작하지만, 로봇 개발 후반 단계에서는 텅스텐을 사용하는 경우가 종종 있습니다.
수술용 로봇 제조업체들은 로봇 설계 초기에는 일반적으로 스테인리스강을 사용했지만, 나중에는 우수한 성능 때문에 텅스텐을 선택했습니다. 이는 동작 제어 방식에 있어 갑작스러운 변화처럼 보일 수 있지만, 사실은 그렇지 않습니다. 소재 변경은 로봇 제조업체와 케이블 제작을 담당하는 기계 엔지니어 간의 필수적인 협업의 결과입니다.
스테인리스강 케이블은 수술 기구 시장, 특히 내시경 장비 분야에서 필수적인 소재로 자리매김하고 있습니다. 그러나 스테인리스강은 내시경/복강경 시술 중 움직임을 지탱할 수 있지만, 더 부서지기 쉽지만 밀도가 높고 따라서 더 강한 텅스텐과 같은 인장 강도를 가지고 있지는 않습니다.
텅스텐은 수술 로봇용 케이블 소재로 스테인리스강을 대체하기에 이상적인 소재이지만, 케이블 제조업체 간의 긴밀한 협력이 얼마나 중요한지는 간과할 수 없습니다. 경험이 풍부한 초박형 케이블 기계 엔지니어와 협력하면 세계적인 수준의 컨설턴트 및 제조업체로부터 케이블을 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 최적의 케이블 제조업체를 선정하여 설계 계획 개선의 과학적 근거와 속도를 우선시할 수 있습니다. 이를 통해 경쟁사보다 빠르게 모션 제어 목표를 달성할 수 있습니다.
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