KR100719347B1 - 3-degree of freedom surgical cartesian robot for positioning surgical tool - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수술도구 위치 설정용 3자유도 직교형 수술로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동 및 수동 동작이 가능한 로봇을 이용하여 수술도구를 환자의 시술부위에 용이하게 정위치시킬 수 있으며, 로봇이 유동되는 변위의 폭을 줄여 충분한 시술공간을 확보함으로써, 수술의 정밀성과 안정성을 높일 수 있는 수술도구 위치 설정용 3자유도 직교형 수술로봇에 관한 것이다.The present invention relates to a three degree of freedom orthogonal surgical robot for positioning the surgical tool, more specifically, by using a robot capable of automatic and manual operation can easily position the surgical tool on the patient's surgical site, the robot By reducing the width of the flow displacement to secure a sufficient surgical space, the three degree of freedom of orthogonal surgical robot for positioning the surgical tool to increase the precision and stability of the operation.
본 발명에 따른 수술도구 위치 설정용 3자유도 직교형 수술로봇은, 베이스판 상부에 수직하게 구비된 한 쌍의 Y축 프레임과; 상기 Y축 프레임 사이에 구비되며 제1이동수단에 의해 승, 하강되는 X축 방향 가이드부재와; 상기 X축 방향 가이드부재에 이동 가능하게 설치되며, 제2이동수단에 의해 상기 Y축 프레임의 횡방향으로 이동되는 X축 프레임과; 상기 X축 프레임의 일단에 직교되게 구비된 Z축 방향 가이드부재와; 상기 Z축 방향 가이드부재에 이동가능하게 설치되며, 제3이동수단에 의해 상기 X축 프레임과 직교되는 방향으로 이동되는 Z축 프레임과; 상기 Z축 프레임의 일단에 결합되며 수술도구나 센서가 장착되는 도구 지지대가 포함된 것을 특징으로 한다.Three degree of freedom orthogonal surgical robot for positioning the surgical tool according to the present invention, a pair of Y-axis frame provided perpendicular to the base plate; An X-axis direction guide member provided between the Y-axis frames and moved up and down by a first moving means; An X-axis frame movably installed in the X-axis direction guide member and moved in a lateral direction of the Y-axis frame by a second moving means; A Z-axis direction guide member provided at right angles to one end of the X-axis frame; A Z-axis frame movably mounted to the Z-axis direction guide member and moved in a direction orthogonal to the X-axis frame by a third moving means; It is coupled to one end of the Z-axis frame is characterized in that it comprises a tool support for mounting surgical instruments or sensors.
척추, 수술도구, 3자유도, 로봇, 프레임, 무게추 Spine, Surgical Instruments, 3 DOF, Robot, Frame, Weight
Description
도 1은 종래의 수술도구 위치 설정용 로봇의 구성도,1 is a configuration diagram of a conventional surgical tool positioning robot;
도 2는 본 발명에 따른 수술도구 위치 설정용 3자유도 직교형 수술로봇의 사시도,Figure 2 is a perspective view of a three degree of freedom orthogonal surgery robot for positioning the surgical tool according to the present invention,
도 3은 도 1의 부분확대사시도,3 is a partially enlarged perspective view of FIG. 1;
도 4는 도 1의 "A-A"에서 바라본 단면도,4 is a cross-sectional view taken from "A-A" of FIG. 1,
도 5는 도 1의 "B-B"에서 바라본 단면도,5 is a cross-sectional view taken from "B-B" of FIG.
도 6은 본 발명에 따른 제1이동수단의 다른 실시예를 보인 도면,6 is a view showing another embodiment of the first moving means according to the present invention;
도 7은 본 발명에 따른 제2이동수단의 다른 실시예를 보인 도면,7 is a view showing another embodiment of the second moving means according to the present invention;
도 8은 본 발명에 따른 제3이동수단의 다른 실시예를 보인 도면, 8 is a view showing another embodiment of the third moving means according to the present invention;
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 X축 및 Z축 프레임의 동작과정을 보인 도면,9 and 10 are views showing the operation of the X-axis and Z-axis frame in accordance with the present invention,
도 11은 본 발명에 따른 수술도구 위치 설정용 3자유도 직교형 수술로봇의 제어블럭도,11 is a control block diagram of a three degree of freedom orthogonal surgery robot for positioning a surgical tool according to the present invention,
도 12는 본 발명에 따른 수술 부위의 위치를 설정하는 영상 사진,12 is an image photograph for setting the position of the surgical site according to the present invention,
도 13은 본 발명에 따른 시술 부위에 케이-와이어가 위치된 영상 사진,13 is an image photograph where the K-wire is located at the treatment site according to the present invention;
도 14는 본 발명에 따른 스크류가 고정된 시술부위의 영상 사진.Figure 14 is an image photograph of the surgical site is fixed screw according to the invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
100 : 베이스판 110 : 바퀴100: base plate 110: wheels
200 : Y축 프레임 210 : 상부판200: Y-axis frame 210: top plate
300 : X축 프레임 330 : X축 방향 가이드부재300: X axis frame 330: X axis direction guide member
340 : 슬라이더 400 : Z축 방향 가이드부재340: slider 400: Z-axis direction guide member
450 : 도구지지대 500 : 무게추450: tool support 500: weight
510 : 지지롤러 520 : 와이어510: support roller 520: wire
550 : 제1브레이크 551 : 제1나사축550: First brake 551: First screw shaft
552 : 제1마찰패드 560 : 제2브레이크552: first friction pad 560: second brake
561 : 제2나사축 562 : 제2마찰패드561: second screw shaft 562: second friction pad
580 : 완충부재 581 : 지지판580: buffer member 581: support plate
582 : 탄성패드 583 : 스프링582: elastic pad 583: spring
610 : 제1피니언 611 : 제1랙기어610: first pinion 611: first rack gear
620 : 제2피니언 621 : 제2랙기어620: second pinion 621: second rack gear
630 : 제3피니언 631 : 제3랙기어630: Third Pinion 631: Third Rack Gear
710 : 제1풀리 711 : 제1고정와이어710: the first pulley 711: the first fixed wire
720 : 제2풀리 721 : 제2고정와이어720: second pulley 721: second fixed wire
730 : 제3풀리 731 : 제3고정와이어730: the third pulley 731: the third fixed wire
800 : 제어부 810 : 영상표시부800: control unit 810: image display unit
820 : 영상촬영부 830 : 모터구동부820: Image capturing unit 830: Motor driving unit
840 : 센서 900 : 케이-와이어(K-wire)840 sensor 900: K-wire
910 : 스크류(screw) 1000 : 수술대910: screw 1000: operating table
M1-1 : 제1-1구동모터 M1-2 : 제1-2구동모터M1-1: 1-1 Drive Motor M1-2: 1-2 Drive Motor
M2-1 : 제2-1구동모터 M2-2 : 제2-2구동모터M2-1: 2-1 driving motor M2-2: 2-2 driving motor
M3-1 : 제3-1구동모터 M3-2 : 제3-2구동모터M3-1: 3-1 drive motor M3-2: 3-2 drive motor
H : 가이드홈 R : 롤러H: Guide groove R: Roller
본 발명은 수술도구 위치 설정용 3자유도 직교형 수술로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동 및 수동 동작이 가능한 로봇을 이용하여 수술도구를 환자의 시술부위에 용이하게 정위치시킬 수 있으며, 로봇이 유동되는 변위의 폭을 줄여 충분한 시술공간을 확보함으로써, 수술의 정밀성과 안정성을 높일 수 있는 수술도구 위치 설정용 3자유도 직교형 수술로봇에 관한 것이다.The present invention relates to a three degree of freedom orthogonal surgical robot for positioning the surgical tool, more specifically, by using a robot capable of automatic and manual operation can easily position the surgical tool on the patient's surgical site, the robot By reducing the width of the flow displacement to secure a sufficient surgical space, the three degree of freedom of orthogonal surgical robot for positioning the surgical tool to increase the precision and stability of the operation.
일반적으로, 외과용 수술에는 의사를 보조하기 위하여 각종 의료용 기구를 장착할 수 있는 의료용 로봇이 사용되어 왔는데, 최근에는 그 응용 분야가 척추 수술에까지 적용되고 있으며, 그 실시예로서 국내 공개특허 제2003-0018008호(공개일 : 2003.03.04)의 외과용 기구를 정위치시키는데 사용되는 장치가 도 1에 개시되어 있다.In general, a surgical robot that can be equipped with various medical instruments has been used to assist the surgeon in the surgical operation, the application field has recently been applied to spinal surgery, as an example An apparatus used to position a surgical instrument of 0018008 (published: March 4, 2003) is disclosed in FIG.
상기 도면에 도시된 바와 같이, 종래의 외과용 기구를 장착할 수 있는 장치(2)는, 컴퓨터(5) 및 상기 컴퓨터(5)에 의해 생성된 기구 이동지시를 수신하는 로봇 제어시스템(6)으로 구성된 것이다.As shown in the figure, a
또한 상기 로봇 제어시스템(6)은, 기구(4)가 장착되는 플레이트(10)가 단부에 구비되고, 고정 베이스(9)에 고정되는 로봇암(8)으로 구성된다.In addition, the
상기 외과용 기구(4) 이동 지시는 상기 로봇 제어시스템(6)에 의해 해석되며, 상기 로봇암(8)을 상기 기구(4)와 함께 고정 베이스(9)에 대해 상대적으로 이동시킨다.The
한편, 상기 로봇암(8)은 플레이트(10)의 충분한 자유도가 가능하도록 3 이상의 조인트로 구성되고, 상기 플레이트(10)에는 상기 기구(4)의 위치를 나타내는 기구센서(12)가 구비되어 있다.On the other hand, the
상기 장치(2)에는 광학적 탐지기(14)가 구비되어 있는데, 상기 광학적 탐지기(14)는 상기 기구센서(12)에 의해 발생된 신호를 수신하여 센서의 위치를 모니터링 하도록 둘 이상의 독립된 수신 소자들을 가지고 있으며, 또한 외과 시술이 시행되는 환자 내의 뼈에 고정될 수 있는 기준센서(16)가 포함되어 있다.The
또한 상기 장치(2)는, 상기 탐지기(14)와 관련하여 규정된 좌표시스템 내의 환자 뼈의 위치를 등록하는데 사용되는 프로브(probe, 18)가 포함되어 있다. 뼈의 위치 등록은 뼈의 영상 생성을 위한 스캐닝 작업(특히, X-레이 또는 CT스캔)에 앞서서 뼈 내부에 이식된 표준 마커(marker)에 상기 프로브(18)를 접촉시킴으로써 이루어진다.The
상기 마커는 외과적인 시술에 사용되는 기준 센서로서, 좌표시스템 내의 환자 뼈의 위치를 이전에 생성된 뼈의 영상과 연관시켜줄 수 있는 기준이 될 수 있고, 상기 컴퓨터(5)를 통해 상기 마커들의 위치를 확인할 수 있도록 각 마커들과 차례로 접촉할 수 있으며, 상기 프로브(18)를 조인트의 이동이 측정될 수 있는 암상에 부착함으로써, 수학적인 모니터링이 가능해진다.The marker is a reference sensor used in a surgical procedure, and may be a reference for associating a position of a patient bone in a coordinate system with an image of a previously generated bone, and the position of the markers through the
한편, 상기 좌표시스템 내에서 상기 로봇 제어시스템(6)의 진정한 위치를 나타내는 로봇 제어시스템 센서(20)를 고정식 베이스(9)에 설치할 수 있는데, 상기 로봇 제어시스템 센서(20) 또한 상기 기구센서(12)와 같이 다수의 발광 다이오드가 배치된 플레이트가 포함된다.On the other hand, the robot
상기 로봇 제어시스템 센서(20)에 의해 상기 로봇 제어시스템(6)의 위치 변화가 감지되어 상기 컴퓨터(5)로 송신되고, 상기 컴퓨터(5)는 수신된 감지 신호에 의해 상기 기구(4)를 적절하게 위치되도록 동작시킬 수 있는 것이다.The position change of the
그러나, 상기와 같이 이루어진 장치(2)는 다수의 센서(12,20), 마커, 프로브(18) 등을 통해 시술하고자 하는 위치로 상기 외과용 기구(4)를 이동시킬 수 있으나, 다수의 센서(12,20), 마커, 프로브(18)를 통해 상기 컴퓨터(5)에서 처리해야 하는 매개변수의 값이 많아 상기 외과용 기구(4)를 정밀하게 제어하는데 어려움이 있었으며, 상기 외과용 기구(4)를 정확하게 위치시키기 위한 재교정 시간이 장시간 소요되는 문제점이 있었다.However, the
그리고 상기 로봇암(8)은 조인트로 연결된 것이어서 상기 고정 베이스(9)에 편심되게 고정될 수밖에 없는데, 상기 로봇암(8)을 균형적으로 지지할 수 있는 별 도의 무게 보상장치가 없어 상기 로봇암(8)의 작동시 편심 하중이 일측으로 집중되어 균형적인 동작을 기대할 수가 없거나, 상기 로봇암(8)이 쉽게 손상될 수 있는 우려가 있었다.In addition, the
또한 척추경은 적게는 5∼8mm이고, 이에 고정되는 스크류는 3∼5mm의 직경을 갖게 되는 것이며, 척추는 통상적으로 일정 각도로 경사진 형태를 갖는 것으로, 척추경 나사못 시술은 고도의 정밀성을 요하게 되는데, 상기 로봇암(8)의 경우 상기 고정 베이스(9)에 고정되는 구조이어서 상기 외과용 기구(4)를 압박하여 뼈에 나사공을 형성하는 과정 중에 상기 로봇암(8)에 전달되는 가압력을 원활하게 지지할 수 없었고, 이로 인하여 상기 조인트 부분에서 미세한 유동이 발생되어 시술의 정밀성을 저하시키는 요인이 되었다.In addition, the pedicle is at least 5 ~ 8mm, the screw is fixed to have a diameter of 3 ~ 5mm, the spine is usually inclined at a certain angle, pedicle screw procedure requires a high degree of precision. In the case of the
아울러, 지금까지 제안된 기술들은 단순히 조인트로 연결된 로봇의 형태를 갖는 구조에 불과한 것이어서, 수술과정 중에 조인트의 회전에 의해 상기 로봇암(8)이 다른 수술장치들에 간섭되는 것을 방지하기 위해서는 상대적으로 많은 공간을 확보해야 할 필요성이 있었던 반면, 의사의 경우 상대적으로 협소한 공간에서 시술을 해야하는 어려움이 있었다.In addition, the techniques proposed so far are merely a structure having a form of a robot connected by a joint, so that the
본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 로봇이 유동되는 변위의 폭을 감소시킴으로써, 상대적으로 의사에게 넓은 시술공간을 제공함과 동시에, 다른 수술장치에 간섭되지 않도록 동작시킬 수 있는 수술도구 위치 설정용 3자유도 직교형 수술로봇을 제공함에 있다.The present invention was devised to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to reduce the width of the displacement in which the robot flows, thereby providing a relatively large space for the surgeon and not interfering with other surgical devices. The three degrees of freedom for positioning the surgical instruments that can be operated is to provide an orthogonal surgical robot.
본 발명의 다른 목적은, 로봇의 동작을 지지하고 자중을 보상할 수 있는 무게보상수단을 구비함으로써, 적은 용량의 구동모터를 사용하여도 자동으로 구동시킬 수 있으며, 수동 동작시 의사가 적은 힘으로 로봇을 동작시킬 수 있을 뿐만 아니라, 영상데이터를 이용하여 시술 부위를 위치좌표를 설정하는 과정을 생략할 수 있어 사용상의 편리성 도모하는데 있다.Another object of the present invention, by providing a weight compensation means that can support the operation of the robot to compensate for its own weight, can be automatically driven even using a small capacity drive motor, when the manual operation with a small force In addition to operating the robot, it is possible to omit the process of setting the position coordinates of the treatment site using the image data to facilitate the use.
본 발명의 또 다른 목적은 시술시 외력에 의해 로봇이 횡방향으로 이동되는 것을 방지하는 한편, 환자의 호흡에 의한 신체의 움직임과 척추에 나사공을 형성할 때 발생되는 상, 하 방향의 유동을 추종할 수 있도록 구성함으로써, 수술의 안정성을 향상시키는데 있다.Another object of the present invention is to prevent the robot from moving in the lateral direction by the external force during the procedure, while the movement of the body caused by the breathing of the patient and the flow of the up and down generated when forming a screw hole in the spine By configuring to follow, it is to improve the stability of the surgery.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 3자유도 직교형 수술로봇의 구성은, 베이스판 상부에 수직하게 구비된 한 쌍의 Y축 프레임과; 상기 Y축 프레임 사이에 구비되며 제1이동수단에 의해 승, 하강되는 X축 방향 가이드부재와; 상기 X축 방향 가이드부재에 이동 가능하게 설치되며, 제2이동수단에 의해 상기 Y축 프레임의 횡방향으로 이동되는 X축 프레임과; 상기 X축 프레임의 일단에 직교되게 구비된 Z축 방향 가이드부재와; 상기 Z축 방향 가이드부재에 이동가능하게 설치되며, 제3이동수단에 의해 상기 X축 프레임과 직교되는 방향으로 이동되는 Z축 프레임과; 상기 Z축 프레임의 일단에 결합되며 수술도구나 센서가 장착되는 도구 지지대가 포함된 것을 특징으로 한다.The configuration of the three degree of freedom orthogonal surgical robot according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a pair of Y-axis frame provided perpendicular to the base plate; An X-axis direction guide member provided between the Y-axis frames and moved up and down by a first moving means; An X-axis frame movably installed in the X-axis direction guide member and moved in a lateral direction of the Y-axis frame by a second moving means; A Z-axis direction guide member provided at right angles to one end of the X-axis frame; A Z-axis frame movably mounted to the Z-axis direction guide member and moved in a direction orthogonal to the X-axis frame by a third moving means; It is coupled to one end of the Z-axis frame is characterized in that it comprises a tool support for mounting surgical instruments or sensors.
또한 상기 Y축 프레임의 상부를 연결하는 상부판의 저부에 장착된 복수개의 지지롤러와; 상기 지지롤러를 경유하며 일측이 상기 X축 방향 가이드부재에 연결된 복수개의 와이어와; 상기 와이어의 타측과 연결되며 상기 Y축 프레임을 따라 승, 하강되는 무게추로 구성된 무게보상수단이 더 포함된 것을 특징으로 한다.In addition, a plurality of support rollers mounted on the bottom of the upper plate for connecting the upper portion of the Y-axis frame; A plurality of wires connected to the X-axis direction guide member on one side thereof via the support roller; It is connected to the other side of the wire characterized in that it further comprises a weight compensation means consisting of a weight, which is raised, lowered along the Y-axis frame.
또한 상기 X축 방향 가이드부재는, 상기 X축 프레임이 이동가능하게 통과되도록 양측이 개구된 관형의 형상으로 구비되되, 그 내측에 상기 X축 프레임의 길이방향으로 형성된 복수개의 가이드홈을 따라 이동되는 복수개의 롤러로 구성되며, 상기 Y축 프레임에 슬라이더를 매개로 연결된 것을 특징으로 하는 한다.In addition, the X-axis direction guide member is provided in a tubular shape with both sides opened so that the X-axis frame is movably passed, and is moved along a plurality of guide grooves formed in the longitudinal direction of the X-axis frame therein. It is composed of a plurality of rollers, characterized in that connected to the Y-axis frame via a slider.
또한 상기 Z축 방향 가이드부재는, 상기 Z축 프레임이 이동가능하게 통과되도록 양측이 개구된 관형의 형상으로 구비되되, 그 내측에 상기 Z축 프레임의 길이방향으로 형성된 복수개의 가이드홈을 따라 이동되는 복수개의 롤러로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the Z-axis direction guide member is provided in a tubular shape with both sides opened so that the Z-axis frame is movably passed, and is moved along a plurality of guide grooves formed in the longitudinal direction of the Z-axis frame therein. It is characterized by consisting of a plurality of rollers.
또한 상기 X축 방향 가이드부재에 관통되어 상기 X축 프레임을 가압 고정하는 제1브레이크가 더 포함된 것을 특징으로 한다.In addition, it characterized in that it further comprises a first brake penetrates the X-axis direction guide member for pressing and fixing the X-axis frame.
또한 상기 제1브레이크는, 상기 X축 방향 가이드부재에 나사결합되는 제1나사축과; 상기 제1나사축의 일단에 구비되어 상기 X축 프레임을 선택적으로 고정하거나 해제하는 제1마찰패드로 구성된 것을 특징으로 한다.The first brake may include a first screw shaft screwed to the X axis direction guide member; And a first friction pad provided at one end of the first screw shaft to selectively fix or release the X-axis frame.
또한 상기 Z축 방향 가이드부재에 관통되어 상기 Z축 프레임을 가압 고정하는 제2브레이크가 더 포함된 것을 특징으로 한다.In addition, a second brake penetrates the Z-axis direction guide member to pressurize and fix the Z-axis frame.
또한 상기 제2브레이크는, 상기 Z축 방향 가이드부재에 나사결합되는 제2나사축과; 상기 제2나사축의 일단에 구비되어 상기 Z축 프레임을 선택적으로 고정하 거나 해제하는 제2마찰패드로 구성된 것을 특징으로 한다.The second brake may include a second screw shaft screwed to the Z-axis direction guide member; A second friction pad is provided at one end of the second screw shaft to selectively fix or release the Z-axis frame.
또한 상기 베이스판의 저부에 복수개의 바퀴가 더 구비된 것을 특징으로 한다.In addition, a plurality of wheels is further provided on the bottom of the base plate.
또한 상기 X축 및 Z축 프레임 각각의 양측에 구비되어 상기 X축 및 Z축 방향 가이드부재와의 충돌시 충격을 흡수하는 완충부재가 더 포함된 것을 특징으로 한다.In addition, provided on both sides of each of the X-axis and Z-axis frame is characterized in that it further comprises a shock absorbing member for absorbing the impact during the collision with the X-axis and Z-axis direction guide member.
또한 상기 완충부재는, 상기 X축 및 Z축 프레임 각각의 양측에 설치된 지지판에 일측이 연결되고 타측에 탄성패드가 연결된 스프링인 것을 특징으로 한다.In addition, the buffer member is characterized in that the spring is connected to one side and the elastic pad is connected to the support plate installed on both sides of each of the X-axis and Z-axis frame.
또한 제1이동수단은, 상기 X축 방향 가이드부재의 일측에 브라켓을 매개로 설치된 제1-1구동모터와; 상기 제1-1구동모터의 회전축에 구비된 제1피니언과 맞물리도록 상기 Y축 프레임을 따라 설치된 제1랙기어로 구성된 것을 특징으로 하는 한다.In addition, the first moving means, the first-drive motor is installed on one side of the X-axis direction guide member via a bracket; And a first rack gear installed along the Y-axis frame to engage with the first pinion provided on the rotation shaft of the first-first driving motor.
또한 바람직하게는, 제1이동수단은 상기 X축 방향 가이드부재의 일측에 브라켓을 매개로 설치된 제1-2구동모터와; 상기 제1-2구동모터의 회전축에 구비된 제1풀리와 소정 부분이 권회되고 양측이 상기 Y축 프레임의 양측에 고정된 제1고정와이어로 구성된 것을 특징으로 한다.Also preferably, the first moving means may include: a 1-2 driving motor installed on one side of the X-axis direction guide member via a bracket; The first pulley and the predetermined portion provided on the rotating shaft of the 1-2 drive motor is characterized in that it is composed of a first fixed wire fixed to both sides of the Y-axis frame.
또한 상기 제2이동수단은, 상기 X축 방향 가이드부재의 타측에 브라켓을 매개로 설치된 제2-1구동모터와; 상기 제2-1구동모터의 회전축에 구비된 제2피니언과 맞물리도록 상기 X축 프레임을 따라 설치된 제2랙기어로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the second moving means, and the second-drive motor installed on the other side of the X-axis direction guide member via a bracket; And a second rack gear installed along the X-axis frame to engage with the second pinion provided on the rotation shaft of the second-first driving motor.
또한 바람직하게는, 상기 제2이동수단은 상기 X축 방향 가이드부재의 타측에 브라켓을 매개로 설치된 제2-2구동모터와; 상기 제2-2구동모터의 회전축에 구비된 제2풀리와 소정 부분이 권회되고 양측이 상기 X축 프레임의 양측에 고정된 제2고정와이어로 구성된 것을 특징으로 한다.Also preferably, the second moving means may include a second-2 driving motor installed on the other side of the X-axis direction guide member via a bracket; The second pulley and the predetermined portion provided on the rotating shaft of the second driving motor 2-2 is characterized in that it is composed of a second fixed wire fixed to both sides of the X-axis frame.
또한 상기 제3이동수단은, 상기 Z축 방향 가이드부재의 일측에 브라켓을 매개로 설치된 제3-1구동모터와; 상기 제3-1구동모터의 회전축에 구비된 제3피니언과 맞물리도록 상기 Z축 프레임을 따라 설치된 제3랙기어로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the third moving means, and the third-drive motor installed on one side of the guide member in the Z-axis direction via the bracket; And a third rack gear installed along the Z-axis frame to engage with the third pinion provided on the rotation shaft of the 3-1 driving motor.
또한 바람직하게는, 상기 제3이동수단은 상기 Z축 방향 가이드부재의 일측에 브라켓을 매개로 설치된 제3-2구동모터와; 상기 제3-2구동모터의 회전축에 구비된 제3풀리와 소정 부분이 권회되고 양측이 상기 Z축 프레임의 양측에 고정된 제3고정와이어로 구성된 것을 특징으로 한다.Also preferably, the third moving means may include: a third-2 driving motor installed on one side of the Z-axis direction guide member via a bracket; The third pulley and the predetermined portion provided on the rotating shaft of the 3-2 drive motor is wound, and both sides are characterized by consisting of a third fixed wire fixed to both sides of the Z-axis frame.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 3자유도 직교형 수술로봇의 구성은, 베이스판 상부에 수직하게 구비된 한 쌍의 Y축 프레임과; 상기 Y축 프레임 사이에 구비되며 제1이동수단에 의해 승, 하강되는 X축 방향 가이드부재와; 상기 X축 방향 가이드부재에 이동 가능하게 설치되며, 제2이동수단에 의해 상기 Y축 프레임의 횡방향으로 이동되는 X축 프레임과; 상기 X축 프레임의 일단에 직교되게 구비된 Z축 방향 가이드부재와; 상기 Z축 방향 가이드부재에 이동가능하게 설치되며, 제3이동수단에 의해 상기 X축 프레임과 직교되는 방향으로 이동되는 Z축 프레임과; 상기 Z축 프레임의 일단에 결합되며 수술도구나 센서가 장착되는 도 구 지지대와; 상기 제 1, 2, 3이동수단의 구동을 제어하는 제어수단이 포함된 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a configuration of a three degree of freedom orthogonal surgical robot comprising: a pair of Y-axis frames provided perpendicular to an upper portion of a base plate; An X-axis direction guide member provided between the Y-axis frames and moved up and down by a first moving means; An X-axis frame movably installed in the X-axis direction guide member and moved in a lateral direction of the Y-axis frame by a second moving means; A Z-axis direction guide member provided at right angles to one end of the X-axis frame; A Z-axis frame movably mounted to the Z-axis direction guide member and moved in a direction orthogonal to the X-axis frame by a third moving means; A tool support coupled to one end of the Z-axis frame and equipped with a surgical tool or a sensor; Control means for controlling the driving of the first, second, third moving means is characterized in that it is included.
또한 상기 제어수단은, 레이저 발생부 및 레이저 수신부로 구성되어 시술과정을 실시간으로 촬영하여 영상데이터를 얻는 영상촬영부와; 상기 영상촬영부에서 얻은 영상 데이터를 전송받아 저장된 알고리즘을 통해 수술부위의 위치좌표를 설정하는 제어부와; 상기 제어부의 제어신호에 의해 상기 제1, 2, 3이동수단의 구동원인 각각의 모터에 전원을 공급하는 모터구동부가 포함된 것을 특징으로 한다.In addition, the control means, comprising a laser generating unit and a laser receiving unit for taking a procedure in real time to take the image data to obtain the image data; A control unit configured to receive the image data obtained by the image capturing unit and set position coordinates of the surgical site through a stored algorithm; And a motor driving part for supplying power to each motor which is a driving source of the first, second, and third moving means by a control signal of the controller.
또한 상기 모터의 회전범위를 검출하여 상기 제어부로 검출된 신호를 송신하는 센서가 더 포함된 것을 특징으로 한다.The apparatus may further include a sensor that detects a rotation range of the motor and transmits the detected signal to the controller.
또한 상기 센서는, 상기 모터의 회전량을 검출하는 엔코더 센서인 것을 특징으로 한다.In addition, the sensor is characterized in that the encoder sensor for detecting the rotation amount of the motor.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention in detail.
도 2는 본 발명에 따른 수술도구 위치 설정용 3자유도 직교형 수술로봇의 사시도이고, 도 3은 도 1의 부분확대사시도이고, 도 4는 도 1의 "A-A"에서 바라본 단면도이고, 도 5는 도 1의 "B-B"에서 바라본 단면도이다.Figure 2 is a perspective view of a three degree of freedom orthogonal surgical robot for positioning a surgical tool according to the present invention, Figure 3 is a partially enlarged perspective view of Figure 1, Figure 4 is a cross-sectional view as seen from "AA" of Figure 1, Figure 5 Is a cross-sectional view as seen from " BB "
상기 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수술도구 위치설정용 3자유 도 직교형 수술로봇은 크게 베이스판(100)과, 상기 베이스판(100)의 상부에 구비되며 X축 방향 가이드부재(330)을 매개로 상호 교차되게 설치된 Y축 프레임(200) 및 X축 프레임(300)과, 상기 X축 프레임(300)과 Z축 방향 가이드부재(430)을 매개로 직교되게 설치된 Z축프레임(400)과, 상기 Y축, X축, Z축 프레임(200, 300 400)들을 각기 이동시키는 제1, 2, 3이동수단과, 상기 Z축 프레임(400)의 일단에 결합되며 수술도구나 센서가 장착되는 도구지지대(450)로 구성된다.As shown in the figure, the three degree of freedom orthogonal surgical robot for positioning the surgical tool according to the present invention is largely provided on the
즉, 수술용 로봇은 시술하고자 하는 인체의 특정 부분에 수술도구가 정확하게 위치되도록 안내함과 동시에, 수술실의 주위 환경과 의사의 시술에 방해될 수 있는 요소를 줄여주는 것이 바람직한바, 본 발명에서는 비교적 간단한 동작으로 수술 도구를 신속하게 위치시킬 수 있고, 유동 공간의 폭을 감소시켜줄 수 있도록 X축, Y축, Z축 방향으로 각각 유동이 가능한 3자유도 형태의 직교형 로봇으로 구현한 것이다.That is, the surgical robot guides the surgical tool to be accurately positioned on a specific part of the human body to be treated, and at the same time, it is desirable to reduce the elements that may interfere with the surrounding environment of the operating room and the doctor's procedure. In order to reduce the width of the flow space and to reduce the width of the flow space, the three-degree of freedom orthogonal robot can be used to move the surgical tool quickly.
상기 베이스판(100)은, 로봇의 안정된 동작을 유지하기 위하여 바닥에 고정한 고정형으로 구비될 수 있으나, 본 발명에서는 수술도구를 수술 부위에 용이하게 위치할 수 있도록 하부에 바퀴(110)를 장착한 유동형으로 구비되는 것이 바람직하다.The
상기 Y축 프레임(200)은, 상기 베이스판(100) 상부에 수직하게 한 쌍으로 구비되고, 상기 Y축 프레임(200) 사이에는 제1이동수단에 의해 승, 하강되는 X축 방향 가이드부재(330)가 설치된다.The Y-
더욱 구체적으로는, 상기 Y축 프레임(200)에 상기 X축 방향 가이드부재(330) 의 양측 상, 하부가 슬라이더(340)를 매개로 이동 가능하게 설치되며, 상기 슬라이더(340)는 상기 Y축 프레임(200)의 가이드홈(H)을 따라 이동된다.More specifically, the upper and lower sides of the X-axis
상기 X축 방향 가이드부재(330)는, 상기 X축 프레임(300)이 이동가능하게 통과되도록 양측이 개구된 관형의 형상으로 구비되며, 그 내측에는 상기 X축 프레임(300)의 길이방향으로 형성된 복수개의 가이드홈(H)을 따라 이동되는 복수개의 롤러(R)가 구비된다.The X-axis
상기 Z축 방향 가이드부재(430)는, 상기 X축 프레임(300)의 좌측 단부에 직교되게 연결되는데, 이는 상기 Z축 프레임(400)이 이동가능하게 통과되도록 양측이 개구된 관형의 형상으로 구비되며, 그 내측에는 상기 Z축 프레임(400)의 길이방향으로 형성된 복수개의 가이드홈(H)을 따라 이동되는 복수개의 롤러(R)가 구비된다.The Z-axis
즉, 상기 X축 및 Z축 방향 가이드부재(330, 430)는 상기 X축 및 Z축 프레임(300, 400)을 각각 지지함과 동시에 횡방향으로 직선되게 이동되도록 안내하는 역활을 수행하는 것이다.That is, the X- and Z-axis
한편, 상기 Z축 방향 가이드부재(430)에는 상기 X축 및 Z축 프레임(300, 400)의 편심하중이 집중된 구조이어서, 이를 지지하는 상기 X축 방향 가이드부재(330)가 자중에 의해 하강되거나, 편심하중에 의해 수평을 유지하기 어려운바, 본 발명에서는 X축 방향 가이드부재(330)의 무게를 보상하여 하중의 균형을 유지시켜 주는 무게보상수단이 더 포함되는 것이 바람직하다.On the other hand, the Z-axis
상기 무게보상수단은, 상기 Y축 프레임(200)의 상부를 연결하는 상부판(210) 의 저부에 장착된 복수개의 지지롤러(510)와, 상기 지지롤러(510)를 경유하며 일측이 상기 X축 방향 가이드부재(330)에 연결된 복수개의 와이어(520)와, 상기 와이어(520)의 타측과 연결되며 상기 Y축 프레임(200)을 따라 승, 하강되는 무게추(500)로 구성된다.The weight compensating means includes a plurality of
즉, 상기 무게보상수단에 의해 상기 X축 방향 가이드부재(330)는 상기 Y축 프레임(200)의 일정 높이에서 수평을 유지한 상태로 위치하게 되며, 외력이 작용되거나 상기 제1이동수단이 구동되면, 무게 중심을 유지하며 Y축 프레임(200)을 따라 승, 하강될 수 있는 것이다. That is, the X-axis
또한 상기 X축 및 Z축 프레임(300, 400)의 이동을 제어하기 위하여 상기 X축 및 Z축 방향 가이드부재(330, 430)에 각각 관통되어 상기 X축 및 Z축 프레임(300, 400)을 가압 고정하는 제1,2브레이크(550, 560)가 더 포함되는 것이 바람직하다.Also, in order to control the movement of the X and Z axis frames 300 and 400, the X and Z axis frames 300 and 400 are penetrated through the X and Z axis
상기 제1브레이크(550)는, 상기 X축 방향 가이드부재(330)에 나사결합되는 제1나사축(551)과, 상기 제1나사축(551)의 일단에 구비되어 상기 X축 프레임(300)을 선택적으로 고정하거나 해제하는 마찰패드(552)로 구성되며, 상기 제2브레이크(560)는 상기 Z축 방향 가이드부재(430)에 나사결합되는 제2나사축(561)과, 상기 제2나사축(561)의 일단에 구비되어 상기 Z축 프레임(400)을 선택적으로 고정하거나 해제하는 제2마찰패드(562)로 구성된다.The
본 발명에 따른 3자유도 직교형 수술로봇은 자동과 수동으로 동작이 가능한 구조로서, 로봇의 수동 조작시 상기 제1, 2, 3이동수단의 구동원을 자유 운동모드 로 변환시킨 상태에서 상기 제1,2브레이크(550, 560)의 고정력을 해제하게 되면, 사용자가 적은 힘으로도 상기 X축 및 Z축 프레임(300, 400)을 자유롭게 이동시켜 환자의 수술 부위에 도구지지대(450)를 용이하게 위치시킬 수 있으며, 위치가 설정된 후에는 상기 제1,2브레이크(550, 560)를 작동시켜 상기 X축 및 Z축 프레임(300, 400)을 고정시킬 수 있게 된다.The three degree of freedom orthogonal surgical robot according to the present invention has a structure that can be automatically and manually operated, the first in the state of converting the drive source of the first, second, third moving means to the free movement mode during manual operation of the robot When releasing the fixing force of the two
여기서, 상기 Y축 프레임(200)은 별도의 고정수단이 없어 시술시 환자의 호흡에 따른 상, 하로의 미세한 움직임에 맞춰 소폭으로 유동될 수 있는 구조로, 시술의 안정성을 도모할 수 있게 된다.Here, the Y-
또한 상기 X축 및 Z축 프레임(300, 400)의 이동시 상기 X축 및 Z축 방향 가이드부재(330, 430)에 충돌될 경우에 발생되는 충격을 흡수할 수 있도록 상기 X축 및 Z축 프레임(300, 400)의 양측에 각각 완충부재(580)가 더 구비되는 것이 바람직하다.In addition, the X-axis and Z-axis frame (300, 400) to move the X-axis and Z-axis frame (300, 400) to absorb the shock generated when the impact on the guide member (330, 430) in the X-axis and Z-axis ( It is preferable that the
상기 완충부재(580)는, 상기 X축 및 Z축 프레임(300, 400) 각각의 양측에 설치된 지지판(581)에 일측이 연결되고 타측에 탄성패드(582)가 연결된 스프링(583)으로 구성될 수 있다. 그러나 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않음은 물론이며, 충격을 흡수할 수 있는 구성이라며 어느 것이 사용되어도 무방하다. The
본 발명에 따른 상기 제1이동수단의 제1실시예는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 X축 방향 가이드부재(330)를 상기 Y축 프레임(200)을 따라 승, 하강시키는 구 성으로서, 구체적으로는 상기 X축 방향 가이드부재(330)의 일측에 브라켓을 매개로 설치된 제1-1구동모터(M1-1)와, 상기 제1-1구동모터(M1-1)의 회전축에 구비된 제1피니언(610)과 맞물리도록 상기 Y축 프레임(200)을 따라 설치된 제1랙기어(611)로 구성된다.As shown in FIG. 3, the first embodiment of the first moving unit according to the present invention is configured to lift and lower the X-axis
또한 본 발명에 따른 상기 제1이동수단의 제2실시예가 도 6에 도시되어 있다. 상기 도면에 도시된 바와 같이 상기 제1이동수단은, 상기 X축 방향 가이드부재(330)의 일측에 브라켓을 매개로 설치된 제1-2구동모터(M1-2)와, 상기 제1-2구동모터(M1-2)의 회전축에 구비된 제1풀리(710)에 소정 부분이 권회되고 양측이 상기 Y축 프레임(200)의 양측에 고정된 제1고정와이어(711)로 구성된다.A second embodiment of the first moving means according to the invention is also shown in FIG. 6. As shown in the drawing, the first moving means includes a first-second driving motor M1-2 installed on one side of the X-axis
즉, 상기 제1풀리(710)가 상기 제1고정와이어(711)를 권회하면서 발생되는 직선방향의 힘에 의해 상기 X축 방향 가이드부재(330)가 상기 Y축 프레임(200)을 따라 승, 하강되는 것이다.That is, the X-axis
본 발명에 따른 상기 제2이동수단의 제1실시예는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 X축 프레임(300)을 상기 X축 방향 가이드부재(330)를 따라 좌, 우로 이동시키는 구성으로서, 구체적으로는 상기 X축 방향 가이드부재(330)의 타측에 브라켓을 매개로 설치된 제2-1구동모터(M2-1)와, 상기 제2-1구동모터(M2-1)의 회전축에 구비된 제2피니언(620)과 맞물리도록 상기 X축 프레임(300)을 따라 설치된 제2랙기어(621)로 구성된다.As shown in FIG. 3, the first embodiment of the second moving unit according to the present invention is configured to move the
또한 본 발명에 따른 상기 제2이동수단의 제2실시예가 도 7에 도시되어 있 다. 상기 도면에 도시된 바와 같이 상기 제2이동수단은, 상기 X축 방향 가이드부재(330)의 타측에 브라켓을 매개로 설치된 제2-2구동모터(M2-2)와, 상기 제2-2구동모터(M2-2)의 회전축에 구비된 제2풀리(720)와 소정 부분이 권회되고 양측이 상기 X축 프레임(300)의 양측에 고정된 제2고정와이어(721)로 구성된다.In addition, a second embodiment of the second moving means according to the present invention is shown in FIG. As shown in the figure, the second moving means includes a second-2 driving motor M2-2 installed on the other side of the X-axis
본 발명에 따른 상기 제3이동수단의 제1실시예는 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 Z축 프레임(400)을 상기 Z축 방향 가이드부재(430)를 따라 좌, 우로 이동시키는 구성으로서, 구체적으로는 상기 Z축 방향 가이드부재(430)의 일측에 브라켓을 매개로 설치된 제3-1구동모터(M3-1)와, 상기 제3-1구동모터(M3-1)의 회전축에 구비된 제3피니언(630)과 맞물리도록 상기 Z축 프레임(400)을 따라 설치된 제3랙기어(631)로 구성된다.As shown in FIG. 2, the first embodiment of the third moving unit according to the present invention is configured to move the Z-
또한 본 발명에 따른 상기 제3이동수단의 제2실시예가 도 8에 도시되어 있다. 상기 도면에 도시된 바와 같이 상기 제3이동수단은, 상기 Z축 방향 가이드부재(430)의 일측에 브라켓을 매개로 설치된 제3-1구동모터(M3-2)와, 상기 제3-1구동모터(M3-2)의 회전축에 구비된 제3풀리(730)와 소정 부분이 권회되고 양측이 상기 Z축 프레임(400)의 양측에 고정된 제3고정와이어(731)로 구성된다.A second embodiment of the third moving means according to the invention is also shown in FIG. 8. As shown in the drawing, the third moving means includes a third driving motor M3-2 installed on one side of the Z-axis
본 발명에서는 도 11과 같이 3자유도 직교형 수술로봇을 구동시키는 제어수단이 더 포함될 수 있다.In the present invention, as shown in Figure 11 may be further included a control means for driving a three degree of freedom orthogonal surgical robot.
상기 제어수단은, 레이저(x-ray) 발생부 및 레이저(x-ray) 수신부로 구성되 어 시술과정을 실시간으로 촬영하여 영상데이터를 얻는 영상촬영부(820)와, 상기 영상촬영부(820)에서 얻은 영상 데이터를 전송받아 소정의 알고리즘을 통해 수술부위의 위치좌표를 설정하는 제어부(800)와, 상기 제어부(800)의 제어신호에 의해 상기 Y축, X축 및 Z축 프레임(200, 300, 400)을 이동시키는 구동모터들에 전원을 공급하는 모터구동부(830)로 구성된다.The control unit includes a laser (x-ray) generating unit and a laser (x-ray) receiving unit, an
즉, 상기 제어부(800)의 제어신호에 의해 상기 모터구동부(830)를 통해 외부의 전원이 공급되어 각 구동모터들이 구동되면, 상기 Y축, X축 및 Z축 프레임(200, 300, 400)이 동작되면서 상기 제어부(800)에 입력된 수술 부위의 위치좌표로 상기 도구지지대(450)가 위치되는 것이다.That is, when external power is supplied through the
상기 도구지지대(450)가 수술부위의 위치로 이동되었는지의 여부 및 수술도구가 수술부위에 정확하게 위치되었는지의 여부 등은 상기 영상촬영부(820)로부터 전송된 영상데이터가 영상표시부(810)에 의해 표시됨으로써, 의사가 육안으로 확인할 수 있게 된다. Whether the
한편, 상기 모터(140,410)의 회전량을 검출하여 상기 제어부(800)로 검출된 신호를 송신하는 센서(840)가 더 구비되는데, 상기 센서(840)의 검출신호가 상기 제어부(800)에 송신되면, 상기 제어부(800)에 저장된 소정의 알고리즘에 의해 해석되는 피드백(feedback)을 통해 상기 각 구동모터의 회전범위를 반복적으로 제어함으로써, 시술하고자 하는 위치에 상기 도구지지대(450)를 정확하게 위치시킬 수 있게 된다.Meanwhile, a
여기서, 상기 센서(840)는, 상기 각 구동모터의 회전량을 검출할 수 있는 엔 코더 센서(encoder sensor)로 구비되는 것이 바람직하다.Here, the
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 척추경 나사못 시술에 따른 3자유도 직교형 수술로봇의 동작과정에 의거하여 설명하기로 한다.The operation of the present invention configured as described above will be described based on the operation process of the three degree of freedom orthogonal surgical robot according to the pedicle screw procedure.
먼저, 환자를 수술대(1000)에 위치시키고, 3자유도 직교형 수술로봇을 상기 수술대(1000)의 길이방향에 평행하게 위치시킨다.First, the patient is placed on the operating table 1000, and the three degree of freedom orthogonal surgical robot is positioned parallel to the longitudinal direction of the operating table 1000.
이어서, 척추의 손상된 부분을 시술하기 위해 레이저(x-ray) 발생장치 및 수신장치로 구성된 영상촬영부(820)를 통해 시술부위의 2차원 영상을 각각 추출하고(도 12의 영상 사진 참조), 이 영상을 바탕으로 제어부(800)에 저장된 알고리즘을 통해 시술부위의 위치좌표를 설정한 후, 조작버튼(미도시)을 눌러 로봇의 모터구동부(830)에 제어신호를 전송하게 되면, 이 제어신호에 의해 각 구동모터가 구동되면서 Y축, X축 및 Z축 프레임(200, 300, 400)이 동작되어 도구지지대(450)가 시술부위에 위치된다.Subsequently, two-dimensional images of the surgical site are extracted through the
이를 더욱 구체적으로 설명하면, 상기 제어부(800)로부터 제어신호에 의해 제1-1구동모터(M1-1)가 구동되면 제1피니언(610)이 상기 Y축 프레임(200)의 길이방향으로 구비된 제1랙기어(611)와 맞물려 회전됨에 따라, X축 방향 가이드부재(330)가 승강 또는 하강됨으로써 수술 로봇의 높이를 조절하게 된다.In more detail, when the first-first driving motor M1-1 is driven by a control signal from the
이때, X축 방향 가이드부재(330)와 와이어(520)로 연결된 무게추(500)에 의해 상기 X축 방향 가이드부재(330)는 균형을 유지하며 승, 하강될 수 있게 된다.At this time, the X-axis
이와 동시에, 제2-1구동모터(M2-1)가 구동되어 제2피니언(620)이 상기 X축 프레임(300)에 구비된 제2랙기어(621)와 맞물려 회전되면서 상기 X축 프레임(300)이 상기 X축 방향 가이드부재(330)를 따라 좌, 우로 이동되며, 또한 제3-1구동모터(M3-1)가 구동되어 제3피니언(630)이 Z축 프레임(400)에 구비된 제3랙기어(631)와 맞물려 회전되면서 상기 Z축 프레임(400)이 Z축 방향 가이드부재(430)를 따라 좌, 우로 이동됨으로써, 상기 도구지지대(450)를 상기 수술대(1000)의 일측을 통해 길이방향으로 전진시킬 수 있게 된다.At the same time, the 2-1 driving motor (M2-1) is driven so that the
이러한 동작은 상기 Y축, X축 및 Z축 프레임(200, 300, 400)에 동시 또는 순차적으로, 또는 역순으로 이루어지게 된다.This operation is performed simultaneously or sequentially or in reverse order on the Y-axis, X-axis, and Z-axis frames 200, 300, and 400.
상기와 같이 X축, Y축, Z축의 3방향으로 이동시킬 수 있는 3자유도 직교형 수술로봇의 구조적인 특징에 의해 상기 Y축 프레임(200)을 중심으로 상기 수술대(1000)에서 이동되는 상기 X축 및 Z축 프레임(300, 400)의 이동범위를 효과적으로 줄여줄 수 있게 된다. 따라서 상기 도구지지대(450)를 주위의 다른 수술용 기구와 시술하는 의사에게 방해되지 않으면서 환자의 시술부위에 근접시킬 수 있는 한편, 의사에게는 상대적으로 넓은 시술 공간을 제공할 수 있게 된다.As the structural feature of the three degree of freedom orthogonal surgical robot that can move in three directions of the X-axis, Y-axis, Z-axis as described above, the movable table 1000 is moved around the Y-
상기 Y축, X축 및 Z축 프레임(200, 300, 400)의 이동범위는 상기 각 구동모터의 회전량을 검출하는 센서(840)에 의해 감지되고, 감지된 출력값은 상기 제어부(800)에 저장된 알고리즘에 의해 해석되며, 환자의 척추에 대한 시술 위치와 상기 도구지지대(450)의 실제 위치가 상이한 경우에는, 피드백(feedback)을 통해 다시 상기 각 구동모터들을 구동시켜 시술 위치와 상기 도구지지대(450)의 위치를 정확하게 일치시키는 보상 과정을 반복적으로 수행하게 된다.The moving ranges of the Y, X, and Z axis frames 200, 300, and 400 are detected by the
이후, 제1,2브레이크(550, 560)를 이용하여 상기 X축 및 Z축 프레임(300, 400)을 가압 고정함으로써, 외력에 의해 상기 X축 및 Z축 프레임(300, 400)이 유동되는 것을 방지하게 된다.Thereafter, the X and Z axis frames 300 and 400 are pressurized and fixed using the first and
상기와 같은 일련의 과정으로 상기 도구지지대(450)의 위치가 상기 제어부(800)의 좌표시스템에 입력된 좌표값에 일치되면, 의사는 환자의 피부를 소폭으로 절개하고, 상기 도구지지대(450)를 통해 케이-와이어(K-wire, 900)를 삽입하여 척추에 밀착시킨 후, 내경이 서로 다른 소/중/대직경의 확장관(미도시)을 순차적으로 삽입하고, 다시 소/중직경의 확장관을 대직경 확장관으로부터 인출시키는 방법으로 절개된 부분을 확개시켜 공간을 확보하게 된다.When the position of the
이어서, 스크류 드라이버(screw driver)를 상기 대직경 확장관 내부로 삽입하여 척추에 나사공을 형성한 다음, 스크류(screw, 910)를 나사공에 체결하여 고정한다. 상기 도구지지대(450)의 위치와 상기 케이-와이어(900) 및 상기 스크류(910)의 고정하는 과정은 도 13 및 도 14와 같이 영상표시부(810)를 통해 모니터링되어 의사가 수시로 확인할 수 있다.Subsequently, a screw driver is inserted into the large diameter expansion tube to form a screw hole in the spine, and then a
상기와 같이 시술 과정에서 상기 도구지지대(450)에 의해 시술하고자 하는 척추 부분에 상기 케이-와이어(900), 확장관, 스크류 가이드 등과 같은 수술 도구들을 정확하게 위치시킬 수 있어 환자의 피부를 소폭으로 절개하여도 시술이 가능하게 된다.As described above, surgical tools such as the K-
또한 상기 제1,2브레이크(550, 560)에 의해 상기 X축 및 Z축 프레임(300, 400)이 고정된 상태이므로, 스크류 가이드로 척추에 나사공을 형성할 때 발생되는 가압력에도 상기 도구지지대(450)가 횡방향으로 유동되지 않으며, 환자의 호흡에 따른 신체의 미세한 움직임에 맞춰 상기 X축 방향 가이드부재(330)가 상기 Y축 프레임(200)을 따라 승, 하강됨으로써, 환자의 호흡에 의한 신체의 움직임을 추종할 수 있게 된다.In addition, since the X-axis and Z-
여기서, 척추경은 적게는 5∼8mm이고, 이에 고정되는 스크류는 3∼5mm의 직경을 갖게 되는 것으로, 상기 스크류 드라이버로 척추경의 경사도에 맞춰 나사공을 형성하는 과정은 척추경 시술에 있어서 고도의 정밀성이 요구될 수밖에 없는 바, 본 발명에 따른 로봇의 구조와 환자의 호흡에 의한 신체의 움직임을 추종할 수 있는 구조를 통해 척추경 수술의 안정성과 정밀성을 확보할 수 있는 것이다.Here, the pedicle is at least 5 to 8mm, and the screw fixed thereto has a diameter of 3 to 5mm, and the process of forming the screw hole according to the tilt of the pedicle with the screw driver is highly accurate in pedicle surgery. This is inevitably required, through the structure of the robot and the structure that can follow the movement of the body by the breathing of the patient according to the present invention to ensure the stability and precision of pedicle surgery.
또한 상기 도구지지대(450)와 각종 수술도구가 시술하고자 하는 부위에 정확하게 위치되어 있는지 여부 등, 일련의 수술과정은 영상표시부(810)를 통해 육안으로 확인할 수 있어 수술의 정밀성을 극대화시킬 수 있게 된다.In addition, a series of surgical procedures, such as whether the
상기 척추경 나사못 시술이 완료되면 의사는 절개된 부위를 봉합하고, 조작버튼을 눌러 상기 수술 로봇을 최초의 상태로 복귀시킨다.When the pedicle screw procedure is completed, the doctor sutures the incision site and presses the operation button to return the surgical robot to the initial state.
상기 로봇을 구동시키는 방법에 대하여 제1, 2, 3이동수단의 일 실시예인 구동모터, 피니언, 랙기어의 구조에 한하여 설명하였으나, 다른 실시예인 구동모터, 풀리, 고정와이어의 구성 또한 동일하게 동작되는 것이므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.The method of driving the robot has been described with reference to the structure of the drive motor, pinion, and rack gear which are one embodiment of the first, second, and third moving means. Therefore, detailed description thereof will be omitted.
한편, 본 발명에서는 상기 Y축, X축 및 Z축 프레임(200, 300, 400)을 상기 제1, 2, 3이동수단에 의해 자동으로 구동시키는 것과는 별개로, 상기 각 구동모터에 공급되는 전원을 차단하여 의사가 손으로 상기 프레임의 일측을 잡고 직접 수술부위에 위치시키는 수동 동작도 가능하다.On the other hand, in the present invention, apart from automatically driving the Y-axis, X-axis and Z-axis frame (200, 300, 400) by the first, second, third moving means, the power supplied to each drive motor It is also possible to manually block the doctor to hold one side of the frame by hand and position directly on the surgical site.
즉, 상기 각 구동모터에는 큰 토크를 얻기 위하여 일반적으로 사용되는 하모닉 드라이브, 유성기어 등의 감속기를 가 포함되어 있지 아니하므로, 상기 각 구동모터에 공급되는 전원을 차단하여 자동운동 모드로 변환시키면, 수동 동작이 가능한 것이다.That is, since each drive motor does not include a reducer such as a harmonic drive, a planetary gear, and the like, which are generally used to obtain a large torque, when the power supply to each drive motor is cut off and converted into an automatic movement mode, Manual operation is possible.
이때, 상기 X축 방향 가이드부재(330)에는 와이어(520)로 연결된 무게추(500)에 의해 로봇의 자중을 보상할 수 있는 구조이므로, 의사가 수동으로 로봇을 조작할 경우 로봇의 자중으로 인한 부담을 최소화시킬 수 있어 적은 힘으로도 상기 Y축, X축 및 Z축 프레임(200, 300, 400)을 각기 이동시킬 수 있게 된다.At this time, the X-axis
이후, 상기 도구지지대(450)를 시술하고자 하는 척추 부분에 위치시킨 후, 상기 제1,2브레이크(550, 560)로 상기 X축 및 Z축 프레임(300, 400)을 고정한 상태에서 시술을 하면 된다.Thereafter, after placing the
상기와 같이, 로봇을 수동으로 조작할 경우 영상데이터를 이용하여 시술 부위를 위치좌표를 설정하는 과정을 생략할 수 있어 수술 시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.As described above, when the robot is manually operated, the procedure of setting the position coordinates of the surgical site using the image data can be omitted, thereby reducing the operation time.
이와 같이 본 발명에 따른 3자유도 직교형 수술로봇은 X축, Y축, Z축 방향으로 프레임들을 이동시킬 수 있는 구조적인 특징에 의해 협소한 공간에서도 다른 수 술기구나 시술하는 의사에게 간섭되지 않고 시술하고자 하는 신체 부위에 정확하게 위치시킬 수 있으며, 특히 환자의 호흡에 의한 신체의 움직임과 척추에 나사공을 형성할 때 발생되는 상, 하 방향의 유동을 추종할 수 있어 수술의 정밀성과 안정성을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 환자에게 수술에 대한 부담감을 줄여줄 수 있는 것으로, 의료용 로봇에 있어서 매우 유용한 발명이라 할 것이다.As described above, the three degree of freedom orthogonal surgical robot according to the present invention is structurally capable of moving the frames in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions without interfering with other surgical instruments or doctors in a narrow space. It can be precisely positioned on the part of the body to be treated, and in particular, it can follow the movement of the body caused by the breathing of the patient and the flow of the up and down direction generated when forming a screw hole in the spine, thereby improving the precision and stability of the surgery. In addition to being able to reduce the burden on surgery to patients, it will be said to be a very useful invention in medical robots.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 3자유도 직교형 수술로봇은 X축, Y축, Z축 방향으로 프레임들을 이동시킬 수 있는 구조적인 특징에 의해 종래의 수술 로봇에 비하여 보다 좁은 영역에서도 작동이 가능함으로써, 다른 수술도구에 간섭됨으로 인하여 발생되는 의료사고를 미연에 방지할 수 있고, 시술하는 의사에게는 상대적으로 넓은 시술공간을 제공할 수 있어 수술에 대한 안정성을 높일 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the three degree of freedom orthogonal surgical robot is operated in a narrower area than the conventional surgical robot by a structural feature capable of moving the frames in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. By doing so, it is possible to prevent medical accidents caused by interference with other surgical instruments in advance, and to provide a relatively wide treatment space to the doctor performing the procedure, thereby increasing the stability of the surgery.
그리고 X축 및 Z축 프레임 등의 자중을 보상할 수 있는 무게보상수단이 구비되어 프레임의 동작을 원활하게 지지함과 아울러, 적은 용량의 구동모터로도 구동이 가능하며, 수동 동작시 의사가 적은 힘으로 로봇을 동작시킬 수 있고 영상데이터를 이용하여 시술 부위를 위치좌표를 설정하는 과정을 생략할 수 있어 사용상의 편리성 향상시킬 수 있다.In addition, a weight compensation means for compensating the weight of the X-axis and Z-axis frame, etc. is provided to smoothly support the operation of the frame, and can be driven by a small capacity drive motor, and has little intention in manual operation. The robot can be operated by force, and the process of setting the position coordinates of the treatment site using the image data can be omitted, thereby improving convenience in use.
또한 X축 방향 가이드부재가 환자의 호흡에 의한 신체의 움직임과 척추에 나사공을 형성할 때 발생되는 상, 하 방향의 유동에 따라 승, 하강되고, 이를 무게보상수단에 의해 원활하게 지지할 수 있어 로봇의 동작신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 특히 로봇의 자동 및 수동 동작이 가능함에 따라 불가피한 사고로 인하여 구동장치가 작동되지 않더라도 적절하게 수동으로 동작시켜 시술을 수행할 수 있어 로봇의 오작동에 의한 의료 사고를 방지할 수 있는 효과가 있다.In addition, the X-axis guide member is raised and lowered according to the flow of the body due to the breathing of the patient and the flow of the upper and lower directions generated when forming a screw hole in the spine, it can be smoothly supported by the weight compensation means The operation reliability of the robot can be improved, and in particular, the automatic and manual operation of the robot enables the robot to operate properly even if the driving device is not operated due to an unavoidable accident. It is effective to prevent accidents.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20110411 Year of fee payment: 5 |
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LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |