KR101635796B1 - 모터 시스템, 모터 및 이를 포함하는 로봇 아암 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터 시스템, 모터 및 이를 포함하는 로봇 아암 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 주기적인 표면을 갖는 랙을 포함하는 모터가 제공되며, 그 랙은 복수의 결합 요소와 결합한다. 시간차를 두면서 주기적인 방식으로 결합 요소를 표면 구조체 쪽으로 앞뒤로 구동시킴으로써, 선형 운동이 일어날 수 있다.

Description

모터 시스템, 모터 및 이를 포함하는 로봇 아암 장치{MOTOR SYSTEM, MOTOR, AND ROBOT ARM DEVICE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 모터 시스템, 모터 및 이를 포함하는 로봇 아암 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 선형 운동 중에 힌지 정밀도를 주고 또한 의료 분야에 사용되는데 더욱 적합한 모터에 관한 것이다.

선형 운동을 위한 여러 종류의 모터들이 개발되어 있다. 예컨대, 반도체 산업에서 웨이퍼의 정확한 배치를 위해 선형 모터가 사용된다. 다른 예로 랙(rack)과 피니언(pinion)이 있다. 피니언은 원형이고 그의 외부 표면에 치부(tooth)가 제공되어 있다. 이들 치부는 선형 바아, 즉 랙에 있는 다른 치부와 맞물린다. 이렇게 해서, 피니언의 회전 운동이 랙의 선형 운동으로 변환된다.

모터와 로봇 아암 장치에 대한 특히 흥미로운 적용 분야는 자기 공명 영상(MRI)을 사용하는 의료용 영상 촬영 분야이다.

인구가 점진적으로 고령화됨으로 인해, 새로운 암 환자가 점점 늘어나고 있다. 암은 조기에 발견되면, 회복 가능성은 더 크게 된다. 새로운 진단법으로 암을 매우 이른 단계에서 발견할 수 있다.

빈번히 발생하는 암의 형태는 전립선암이다. 조기 발견 방법은 전립선의 조영 증강(contrast-enhanced) MRI를 사용하는 것이다. 이에 의해 전립선의 요철(암을 나타낼 수 있음)이 검출된다. 그러나, 확실하게 진단하여 치료를 시작하기 위해서는 생체 검사 조직 샘플이 필요하다. MRI 검사의 진단적 질을 높히는 것과 관련한 문제는, 너무 작아서 통상적인 생체 검사 기술로는 간과될 수 있는 병소(lesion)들이 발견된다는 것이다. 이 결과, 생체 검사를 여러 번 반복해야 되거나, 또는 더 나쁘게는, 생체 검사 바늘이 병소를 놓쳐서 암이 없다라고 결론을 내릴 수 있다.

이러한 이유로, MRI 영상 촬영에 기초하여 정확하고 확인가능하며 간단하고 또한 신속한 방식으로 생체 검사 샘플을 채취할 수 있을 필요가 있다. 생체 검사 바늘이 MRI를 보면서 조작될 수 있으면 최적이고, 바늘의 조작으로 인한 전립선의 변형은 처리 중에 보상될 수 있다. 바늘이 병소에서 보이고 또한 그래서 생체 검사 샘플이 의심가는 부위에서 채취되었음이 확인된 경우에만, 암의 존재 여부에 대한 명확한 판단을 내릴 수 있다. MRI에 기반한 현재의 방법은 MRI의 안내를 받는 것이 아니라 MRI로 확인하는 것이며 그래서 많은 시간을 필요로 한다. 의사는 MRI 공간에 들어가서 환자를 MRI 밖으로 슬라이딩시키고 바늘을 조작해야 하며, 그 후에 환자를 다시 밀어 MRI 안으로 들어가게 해야 한다. 의사는 상기 공간을 떠나 MRI 확인을 한다. 이러한 일은 바늘이 원하는 위치에 도달할 때까지 반복된다.

그래서, 특히 의료용 장치를 위해 정확한 배치를 가능케 해주는 모터가 필요하다.

또한, 이들 모터는 살균 상태일 필요가 있다.

추가로, 이들 장치는 MRI 환경내에서 작동되기에 적합할 필요가 있다.

본 발명의 목적은 상기한 필요들 중 적어도 하나를 해결하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이 목적은 표면에 구조체가 제공되어 있는 랙 부재를 갖는 모터를 포함하는 모터 시스템으로 달성되며, 상기 구조체는 적어도 하나의 방향으로 주기적으로 배치된 기어 요소를 갖는다. 랙 부재의 일차원 예는 상기 랙 부재인데, 이 랙 부재에서 표면 구조체는 주기적으로 배치된 치부들을 포함한다. 그러나, 예컨대 표면에 허니콤형의 딤플(dimple)이 제공되어 있는 금속 평면 형태의 2차원 이상의 배치도 가능하다. 이러한 표면은, 이 경우 단일 허니콤 셀인 기어 요소의 주기적인 배치가 나타나는 방향이 하나 이상 있다는데 특징이 있다.

본 발명에 따른 모터는 상기 적어도 하나의 방향 중의 일 방향을 위해 배치되는 한 세트의 복수의 액츄에이터를 수용하는 치형 부재를 더 포함하며, 그 액츄에이터 각각은 상기 기어 요소와 결합하도록 형성된 결합 요소 및 이 결합 요소를 구동시켜 상기 주기적인 구조체에 대해 앞뒤로 움직이게 하는 구동 유닛을 포함한다.

본 발명에 따르면, 주기적인 배치가 나타날 수 있는 방향들 중의 한 방향을 위해 한 세트의 액츄에이터가 사용된다. 다른 방향들을 위해서는 복수의 세트가 사용될 수 있다.

결합 요소는 기어 요소와 결합하도록 형성되어 있다. 바람직하게는, 이 결합 요소는 기어 요소와 접촉하기 위한 외부 표면을 가지며, 이 외부 표면은 적어도 그 기어 요소 자체에 상보적인 형태의 일 부분을 갖는다. 공지된 랙 및 피니언의 경우, 피니언의 치부가 결합 요소를 형성하고, 원형 구조체 및 이 원형 구조체를 회전시키기 위한 구동 수단은 구동 유닛을 구성한다고 생각할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 결합 요소는 상기 기어 요소 쪽으로 가는 운동의 적어도 일 부분 중에 그 기어 요소와 결합하여, 상기 랙 부재와 상기 치형 부재 간의 상대 운동이 상기 적어도 하나의 방향 중의 상기 일 방향으로 일어나게 된다. 그래서, 기어 요소와 결합 요소 간의 결합에 의해 치형 부재와 랙 부재 간의 상대 운동이 일어나게 되는데, 이는 이들 부재 중의 하나는 정지되어 있거나 그들 둘다가 정지되어 있지 않음을 의미한다.

일반적으로, 결합 요소는 결과적인 상대 운동의 방향이 아닌 특정 방향에서 랙 부재와 결합한다. 랙과 피니언에서, 선형 운동을 위해 요구되는 힘은 직접 피니언의 회전 운동으로 유발된다. 본 발명의 경우, 미는 힘은 결합 요소와 기어 요소의 형상과 결합 방향의 힘의 결과인 것이다.

본 발명에서, 상기 액츄에이터 각각은 서로 떨어져 배치되어 상기 주기적인 구조체의 상이한 환산 위상에서 그 주기적인 구조체와 결합하게 된다. 여기서, 상이한 위상은 주기적인 배치의 방향을 따르는 상이한 위치에서 주기적인 구조체와 결합하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 모터 시스템은, 상기 액츄에이터 세트에 있는 각 액츄에이터의 각각의 구동 유닛을 서로에 대해 시간차를 두고 작동하도록 주기적으로 제어하기 위한 제어 유닛을 더 포함한다. 따라서, 주어진 세트에 있는 각각의 액츄에이터는 단독으로 주기적으로 움직이게 된다. 추가로, 주어진 액츄에이터의 운동은 동일 세트내의 다른 액츄에이터에 대해 시간차를 두고 일어나는데, 즉 액츄에이터들은 같은 위상에 있지 않음을 의미한다. 예컨대, 한 액츄에이터가 주기적인 구조체 쪽으로 움직이고 다른 액츄에이터는 멀어지게 움직이는 때가 있을 것이다. 액츄에이터들은 바람직하게는 동일한 주기로 구동될 것이다.

본 발명에 따르면, 각각의 구동 유닛을 주기적으로 제어함으로써, 복수의 제어 기간 중에 상기 적어도 하나의 방향 중의 상기 일 방향으로 계속적인 상대 운동이 일어날 수 있다. 여기서, 계속적인 운동은 운동이 항상 주어진 방향으로 일어나고 반대 방향으로는 일어나지 않음을 말하는 것이다.

전술한 랙 및 피니언과는 달리, 본 발명에 따른 모터는 복수의 액츄에이터를 갖는데, 각각의 액츄에이터는 결합 요소와 구도 유닛을 가지며, 구동 유닛은 개별적으로 제어가능하다.

단일 액츄에이터의 단일 작동에 대해 랙 부재와 치형 부재 간의 상대 운동은 기어 요소의 형상과 결합 요소의 형상으로 결정된다. 그러므로, 선형 운동에 있어서 높은 정확도를 얻을 수 있게 된다. 예컨대, 비교적 많은 많은 수의 액츄에이터와 관련하여 비교적 가파른 프로파일을 사용할 수 있다. 그리고 단일 액츄에이터로 얻어지는 비교적 작은 변위는 한 세트에 있는 많은 수의 액츄에이터로 보상된다. 랙 및 피니언으로 유사한 정확도를 얻고자 한다면, 피니언의 크기 및/또는 치부의 크기를 감소시킬 필요가 있으며, 이 결과, 랙과 피니언 사이의 결합 영역이 감소되어 시스템이 덜 안정적으로 된다.

바람직하게는, 상기 기어 요소, 상기 액츄에이터 세트에 있는 액츄에이터의 수, 상기 제어 유닛 및 상기 액츄에이터의 위치는, 상기 제어 유닛이 상기 주기적인 제어의 일 기간 동안에 상기 액츄에이터 각각을 제어한 후에 치형 부재와 랙 부재 간의 상대 운동이 상기 적어도 하나의 방향 중의 상기 일 방향으로의 기어 요소 길이와 같거나 그를 초과하도록 되어 있다. 유리하게는, 각각의 결합 요소는 동일한 시간 기간을 사용하여 구동된다. 또한, 각각의 결합 요소는 바람직하게는 랙 부재와 치형 부재 사이의 동일한 상대 변위를 일으킨다.

본 발명에 따르면, 상이한 액츄에이터들로 얻어지는 개별 변위들의 합은 운동 방향으로 기어 요소의 길이를 초과한다. 이 때문에, 각각의 결합 요소는 뒤로 움직여 그의 작용을 반복할 수 있고 그리하여 계속적인 상대 운동이 일어날 수 있다.

바람직하게는, 상기 세트의 액츄에이터는 상기 적어도 하나의 방향의 상기 일 방향을 따라 서로 떨어져 위치된다. 액츄에이터들이 운동 방향으로 배치됨으로써, 관심 대상의 운동에 관련 없는 기계적 힘을 피할 수 있어 모터 자체 내의 마모와 마찰을 피할 수 있다.

상기 기어 요소의 배치는 바람직하게는 적어도 2 차원에서 주기적이며, 상기 액츄에이터는 상기 적어도 2 차원 각각에 대한 한 세트의 액츄에이터를 더 포함한다. 이 실시 형태에서, 랙 요소는 공지된 랙의 다차원 연장이라고 생각할 수 있다. 적어도 두 세트가 모터에 배치되는데, 각각의 세트는 다른 주기 방향을 위한 것이다. 한 세트의 액츄에이터가 모든 가능한 주기 방향을 맡을 필요는 없다. 또한, 두개의 다른 방향을 위해 두 세트를 사용하면, 두개의 다른 방향으로 상대 운동이 일어날 수 있다. 더욱이, 주기성은 일반적으로 이들 방향으로 다르기 때문에, 그들 방향으로의 상대 운동과 관련된 속도가 그에 따라 다르게 된다.

당업자라면 적절한 배치의 기어 요소와 적절한 배치의 결합 요소를 사용하여 어떤 원하는 방향으로의 운동이라도 얻을 수 있음을 이해할 것이다. 사실, 배치가 주기적인 어떠한 방향이라도 이 목적으로 사용될 수 있다. 또한, 배치가 주기적이다라는 사실은, 결합 요소가 이웃하는 기어 요소와 결합하도록 배치되어 있음을 반드시 암시하는 것은 아니다. 더욱이, 결합 요소의 총 개수는 기어 요소의 형상과 결합 요소의 형상에 달려 있다. 또한, 이들은 상호간의 결합으로 인한 랙 부재의 이동을 결정한다. 모든 결합 요소로 인한 결합된 이동은 기어 요소의 길이에 걸쳐 랙 부재를 이동시키기에 충분해야 한다.

이를 위해, 제어 유닛은 일 세트에 속하는 액츄에이터에 대한 제어에서 다른 세트에 속하는 액츄에이터에 대한 제어로 전환하도록 되어 있는 것이 유리하다. 이렇게 해서, 개별적인 운동들을 연속적으로 얻을 수 있다.

기어 요소를 랙 부재의 평평한 표면이나 또는 만곡된 표면에 배치하는 것 외에도, 랙 부재 자체는 몸체를 또한 포함할 수 있으며, 이 몸체의 바람직하게는 전체 주위에는 상기 기어 요소가 주기적으로 배치되어 있다. 이러한 모터로, 상대 운동에 의해 랙 부재와 치형 부재는 서로에 대해 회전하고/회전하거나 병진 이동할 수 있다. 연속적인 표면 구조체가 형성되도록 기어 요소들을 랙 부재 주위에 둠으로써, 완전한 일 회전 후에 결합 요소가 동일한 환산 위상에 있도록 회전은 완전할 수 있다. 랙 부재에 대한 결합 요소의 위치 및 기어 요소의 주기적인 배치에 따라, 이 회전에는 축방향 변위가 동반될 수 있다. 그래서, 결합 요소의 배치와 기어 요소의 배치에 따라, 랙 부재는 회전 또는 병진 이동하거나 회전과 병진 이동을 동시에 할 수 있다. 결합 요소를 다르게 배치하면 다른 방향의 운동을 얻을 수 있다.

상기 랙 부재의 특히 적합한 형상은 실질적으로 원통형이며, 이 원통의 원주방향 표면, 즉 그 원통의 축선에 팽행하게 연장되어 있는 표면상에는 주기적인 배치가 있다. 여기서, 상기 치형 부재는 상기 랙 부재의 적어도 일 부분을 수용하기 위한 원형 개구가 제공되어 있는 하우징을 포함하고, 상기 액츄에이터 세트는 상기 랙 부재에 대해 반경 방향으로 배치된다. 이 경우에도, 랙 부재 또는 치형 부재는 지지 프레임에 고정됨으로써 정지되어 있을 수 있다.

랙 부재의 원통형 실시 형태를 포함하는 본 발명의 상기 실시 형태에서, 상기 원형 개구는 상기 하우징에 있는 원형 관통 구멍으로 형성될 수 있다. 예컨대, 치형 부재가 정지되어 있으면, 랙 부재는 실질적으로 그의 전체 길이에 걸쳐 움직일 수 있다. 랙 부재가 치형 부재와의 결합에서 벗어나는 것을 방지하기 위해 운동 제한기를 랙 부재 및/또는 치형 부재에 배치할 수 있다.

추가로 또는 대안적으로, 기어 요소는 상기 원통 주위에 나선형 경로로 분포되어 있다. 이 경우, 운동 방향은 나선형 경로에 대한 접벡터(tangent vector)이다. 액츄에이터들이 상대 운동의 방향으로 위치된다라는 것은, 그 액츄에이터들이 유사한 반경 방향 위치에 하지만 다른 축방향 및 원주방향 위치에 배치됨을 의미하며, 축방향 및 원주방향 위치는 관련된 접벡터에 대응한다.

모터의 안정성을 개선하기 위해, 랙 부재와 치형 부재는 표면 구조체에 수직인 방향으로 서로에 대해 고정될 수 있다. 예컨대, 원통형 랙 부재 실시 형태의 경우, 반경 방향이 표면 구조체에 수직이므로, 랙 부재와 치형 부재 사이의 반경 방향 거리는 일정하다. 지지 프레임을 사용하여, 치형 부재와 랙 부재 중의 하나를 고정할 수 있고, 다른 부재는 상기 적어도 하나의 방향 중의 일 방향으로 자유롭게 움직일 수 있다.

유리하게는, 상기 모터는 랙 부재 및/또는 치형 부재 중의 다른 하나를 안내하기 위해 그 랙 부재 및/또는 치형 부재에 배치되는 안내 요소를 더 포함한다. 원통형 실시 형태의 경우, 이러한 안내 요소는 치형 부재를 그의 축선을 따라 안내하므로 원형 개구나 관통 구멍으로 형성된다.

모터의 틈새를 피하기 위해, 상기 제어 유닛은 동력을 받은 적어도 하나의 결합 요소가 모터의 작동 중에 각 시점에서 상기 표면 구조체와 결합도록 상기 액츄에이터 세트내의 구동 유닛을 제어하는 것이 유리하다. 이렇게 해서, 결합 요소와 기어 요소 간에는 항상 직접적인 결합이 있게 된다. 가동 부분들 중의 하나, 예컨대 원통형 랙 요소에 외부에서 갑작스럽게 미는 힘이 가해지더라도, 이 외부의 미는 힘이 결합 요소와 치형 부재 사이의 연속적인 결합에 의해 저지되므로 랙 부재의 변위가 반드시 일어나는 것은 아니다.

추가적으로 또는 대안적으로, 상기 액츄에이터 각각의 구동 유닛은, 상기 결합 요소에 동력을 주어 상기 랙 부재 쪽으로 움직이게 하는 동력 공급 상태 및 상기 결합 요소가 랙 부재로부터 멀어지게 움직이게 하는 해제 상태에서 작동하도록 되어 있고, 상기 구동 유닛은 적어도 상기 해제 상태에서 작동할 수 있는 복원성 부재를 포함하고, 이 복원성 부재는 상기 결합 요소를 가압하여 랙 부재로부터 멀어지게 움직이게 하며 그리고/또는 구동 유닛은 해제 상태에서 본질적으로 결합 요소에 힘을 가함이 없이 그 결합 요소가 랙 부재로부터 멀어지게 움직일 수 있게 해주도록 되어 있다. 그래서, 결합 요소는 랙 부재와 결합하는 위치로부터 능동적으로 물러나거나 또는 본질적으로 대항력 없이 뒤쪽으로 움직일 수 있다. 대항력에 의해, 움직이는 랙 부재는 해제 상태에서 결합 요소를 멀어지게 밀 수 있다. 어느 경우든, 주기적인 구조체로부터 멀어지게 움직이는 액츄에이터에 의해 랙 부재가 받는 저항은 회피되어야 한다.

상기 세트의 액츄에이터들을 순차적으로 제어하는 제어 유닛을 갖는 것이 바람직하다.

기어 요소는 상기 액츄에이터들의 관점에서 보면 바람직하게 대칭형이며, 제어 유닛은 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 방향 중의 상기 일 방향의 반대 방향으로 랙 부재와 치형 부재 사이의 상대 운동이 일어나도록 상기 세트의 상기 액츄에이터들을 또한 제어할 수 있다.

대칭형 기어 요소를 가짐으로써, 즉 일 특정 방향 및 그의 반대 방향으로 움직이는 동일한 구조체가 존재함으로써, 서로 반대되는 양 방향으로, 예컨대 좌측에서 우측으로 또한 우측에서 좌측으로 일어나는 상대 운동을 얻을 수 있다. 제어 유닛은 개별적인 액츄에이터에 대한 제어 계획을 적합하게 하여 어느 방향을 사용할지 결정하게 된다.

본 발명에서, 일 방향 및 이 방향의 반대 방향은 서로 다른 방향인 것으로 이해되어야 하는데, 각각의 방향은 다른 세트의 액츄에이터에 할당될 수 있다. 그러나, 대칭형 기어 요소를 가짐으로써, 양 방향에 대해 동일한 세트를 사용할 수 있다.

바람직하게는, 상기 기어 요소는 상기 랙 부재의 표면에 있는 원추형 공동부를 포함하고, 상기 결합 요소는 대응하는 원추형 돌출부를 갖는다. 표면 구조체에 수직인 방향으로 회전 대칭인 원추형 또는 다른 형상으로 인해, 결합 요소와 기어 요소 간에 자동적인 중심 맞춤 결합이 이루어진다. 이리하여, 시스템의 마모가 줄어들고 또한 액츄에이터를 배치하는데 요구되는 정확도가 개선된다.

일 실시 형태에서, 주어진 주기 방향에 대한 액츄에이터 세트는 적어도 n 개의 액츄에이터를 포함하고, 여기서 n 은 2 이상이며, 각각의 액츄에이터는 대략 m × 360/n의 환산 위상에서 상기 표면 구조체와 결합하도록 위치되며, 여기서 m = 1 .. n 이다. 여기서, 환산 위상은, 포함되어 있는 정수개의 주기에 대해 보정된, 주기적인 구조체의 어떤 위치에서의 위상을 말한다. 예컨대, 절대 위상이 480도인 경우에 환산 위상은 480-360 = 120도가 될 것이다.

결합 방향으로부터 주기성을 계산하는 것이 중요하다. 결합 요소가 예컨대 어떤 각도에서 상기 주기적인 구조체와 결합하면, 결합 요소에서 볼 때, 기어 요소의 관련 길이는 수직방향 결합의 경우와는 다르게 될 수 있다. 이 경우, 계산을 위해서는 상기 관련 길이를 사용하는 것이 권고된다.

다르지만 등거리인 환산 위상에 있는 액츄에이터는 바람직하게는 다른 기어 요소에 대해 정렬된다. 이러면, 액츄에이터들이 서로 너무 가깝게 떨어져 있는 것이 방지되며, 액츄에이터들이 너무 가깝게 있으면 서로의 운동을 방해할 수 있다. 또한, 액츄에이터들은 바람직하게는 결합 요소가 수직으로 표면 구조체와 결합하도록배치된다.

상이한 세트가 각각의 주기 방향과 관련되어 있지만, 이는 적어도 하나의 액츄에이터가 두개의 개별적인 액츄에이터 세트에 속할 수 있는 가능성을 배제하는 것은 아니다. 예컨대, 5개의 액츄에이터가 십자가형 구조로 배치되면, 그 십자가의 중앙에 있는 액츄에이터는 십자가로 표시되는 양 방향으로의 운동에 관여될 것이다.

유리한 실시 형태의 구동 유닛은 작동가능한 피스톤형 실린더를 포함하고, 이 작동가능한 실린더는 실린더 하우징 및 이 하우징 안에서 움직일 수 있는 피스톤을 가지며, 상기 결합 요소는 상기 피스톤의 일 단부에 배치된다. 여기서, 실린더 하우징은 결합 방향으로 기어 요소에 대해 정지되어 있다.

구동 유닛은 결합 요소를 구동시키기 위한 다른 적절한 수단을 포함할 수 있다. 상기 실린더 외에도, 예컨대 선형 모터와 같은 유압 모터 또는 공압 모터 전기 모터가 사용될 수 있다.

이러한 작동가능한 실린더는 바람직하게는 단동식(single-acting)이다. 이는 피스톤이 기어 요소 쪽으로 움직이는 것은 실린더의 작동으로 인한 것이고 그래서 그 기어 요소에 상당한 힘이 가해지게 됨을 의미하는데, 기어 요소로부터의 왕복 운동은 실린더 또는 그의 외부의 어떤 종류의 복원성에 의해 일어난다. 예컨대, 스프링 또는 유체 압력과 같은 다른 복원성 수단이 실린더 하우징 내에 배치되어 피스톤이 작동되지 않을 때 그 피스톤을 가압하여 뒤로 움직이게 할 수 있다. 기어 요소로부터 멀어지는 방향으로 움직이는 중에, 그 피스톤은 기어 요소에 어떠한 힘도 가하지 않거나 매우 작은 힘만 가하게 된다.

특히 의료 분야를 위해서는, 작동가능한 실린더로서 공압 실린더를 사용하는 것이 바람직하다. 유압 실린더 또는 다른 실린더는 누출의 위험이 있다. 공압 실린더의 작동은 바람직하게는 압축 공기를 사용하여 일어나지만, 과소압을 사용할 수도 있다.

공압 실린더는 작동 중에 바람직하게는 펄스식으로 작동된다. 여기서 실린더는 짧은 시간 동안 작동될 것이다. 치형 부재와 랙 부재의 상대 운동의 속도는 공압 실린더가 작동되는 속도 및 사용되는 압축 공기에 의해 결정될 수 있다.

본 발명의 모터를 의료 분야, 특히 MRI 분야에 더 적합하게 하기 위해서는, 모터를 비전도성의 비자화된 또는 자화불가능한 재료로 만드는 것이 편리하다.

제 2 양태에 따르면, 본 발명은 로봇 아암 장치를 제공하는 바, 이 장치는 상기 로봇 아암 장치용 지지부에 장착 또는 배치될 수 있는 제 1 프레임부 및 상기 제 1 프레임부에 연결되는 제 2 프레임부를 포함한다. 여기서, 본 발명에 따른 모터는 상기 제 1 및 2 프레임부의 상호 방향 및/또는 거리를 변화시키기 위해 사용된다. 이를 위해, 상기 모터의 치형 부재는 상기 제 1 및 2 프레임부 중의 한 프레임부에 연결되며, 랙 부재는 상기 제 1 및 2 프레임부 중의 다른 프레임부에 연결된다. 이 연결은 직접 이루어질 필요는 없고 힌지 또는 다른 중간 구조체를 통해 이루어질 수 있다.

제 1 및/또는 제 2 프레임부는 그에 부품을 용이하게 배치하기 위해 평평한 플레이트부를 포함할 수 있다. 제 1 프레임부는 예컨대 환자가 누워 있는 베드에 부착되어 전체적으로 안정적으로 될 수 있다.

제 1 및 2 프레임부 사이에 배치되는 모터는 로봇 아암 장치의 구조부를 형성한다.

바람직한 실시 형태에서, 예컨대 상기 실린더의 형태로 된 랙 부재는 제 2 프레임부에 연결된다. 그러면 치형 부재는 제 1 프레임부에 연결된다. 모터는 다른 방식으로 장착될 수 있다. 복수의 모터들이 프레임부들 사이에 배치되는 경우, 그 모터들은 상기 두 장착 방법이 결합되도록 서로 다르게 장착될 수 있다.

로봇 아암 장치는 바람직하게는 스튜어트(Stewart) 플랫폼이 형성되도록 배치되는 본 발명에 따른 적어도 6개의 모터를 포함한다. 이러한 종류의 플랫폼은 6자유도의 운동, 즉 모든 방향으로의 병진 이동, 앵귤레이션(angulation) 및 회전을 가능케 해준다. 제 1 및 2 프레임부에 있는 모터들 사이의 연결은 이들 3 자유도를 지지해야 하며 이에 따라 힌지가 제공되어야 한다.

MRI 분야에서 로봇 아암 장치 또는 모터 자체를 사용할 수 있게 하기 위해서는, 플라스틱, 탄소, 유리 또는 세라믹 재료와 같은 비자성의 자화불가능한 또한 비전도성인 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 제 1 및/또는 제 2 프레임부에는 상기 모터의 치형 부재 또는 랙 부재를 수용하기 위한 관통 구멍이 제공되면, 로봇 아암 장치는 더 개선될 수 있다. 이는 치형 부재 또는 랙 부재 자체가 치형 부재 또는 랙 부재 중의 다른 것을 수용하기 위한 관통 구멍을 포함하면 특히 흥미롭다. 그 관통 구멍 때문에, 치형 부재 또는 랙 부재는 다른 부재를 통해 움직일 수 있으며, 그래서 모터의 동적 범위가 증가된다. 이러한 모터를 제 1 또는 2 프레임부의 관통 구멍에 배치하면, 모터의 대부분이 제 1 및 2 프레임부 사이의 공간의 외부에 배치될 수 있어 두 프레임부 사이의 최소 거리가 감소될 수 있다.

로봇 아암 장치를 더욱더 개선하기 위해, 이 로봇 아암 장치는 관통 구멍을 갖는 힌지, 바람직하게는 볼 조인트를 포함할 수 있고, 그 관통 구멍에서 상기 치형 부재 또는 랙 부재는 상기 힌지에 고정 연결되며, 그 힌지는 상기 치형 부재 또는 랙 부재를 상기 제 1 및/또는 제 2 프레임부에 힌지식으로 연결하도록 배치된다. 이러한 구성으로, 제 1 및 2 프레임부 사이의 최소 거리가 감소될 뿐만 아니라, 모터의 회전이 가능하게 된다. 볼 조인트가 사용되는 경우, 이 회전은 복수의 축에 대해 가능하다.

다른 양태에 따르면, 본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 모터를 제공한다. 이 모터의 구동 유닛은 외부에서 제어가능하다.

다음, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하도록 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 로봇 아암 장치의 바람직한 일 실시 형태를 나타낸다.
도 2a ∼ 2d 는 3개의 결합 요소를 갖는 본 발명에 따른 모터의 원리를 나타낸다.
도 3 은 2개의 결합 요소를 갖는 도 2a 의 모터의 일 변형예를 나타낸다.
도 4a ∼ 4b 는 2차원의 주기적인 구조체를 갖는 랙 부재의 일 실시 형태를 나타낸다.
도 5a ∼ 5g 는 본 발명에 따른 모터의 액츄에이터의 일 실시 형태를 나타낸다.
도 6 은 도 1 의 로봇 아암 장치의 일 변형예를 나타낸다.
도 7 은 본 발명에 따른 로봇 아암 장치의 일 적용예를 나타낸다.

이하의 실시 형태에 대한 설명에서, 모터의 작동은 치형 부재가 정지되어 유지되는 것처럼 하여 설명될 것이다. 당업자라면 랙 부재를 정지 상태로 유지할 수 있음을 이해할 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 로봇 아암 장치(1)의 일 실시 형태를 나타낸다. 이 로봇 아암 장치(1)는 제 1 프레임부(2) 및 제 2 프레임부(3)를 포함한다. 프레임부(2, 3)는 모터(4)에 의해 서로 연결되어 있다. 의료용 보조 기구가 제 2 프레임부(3) 위에 장착된다. 도 1 에서, 이 의료용 보조 기구는 아암에 의해 부착되는 바늘 안내부(5)이다.

상기 모터의 배치는 스튜어트(Stewart) 플랫폼 원리에 따른다. 여기서 모터(4)는 회전가능한 커플링(미도시), 예컨대 볼(및 소켓) 조인트에 의해 프레임부(2, 3)에 연결된다. 모터(4)는 모터 하우징(6)의 형태로 된 치형 부재를 포함하며, 그 모터 하우징 안에는 피스톤(7) 형태의 랙 부재가 움직일 수 있게 수용되어 있다.

모터 하우징(6)과 피스톤(7)의 조합체는 망원경 처럼 작동하며 이하에서 다리라고 한다. 로봇 아암 장치의 높이, 평행 변위, 회전 및 앵귤레이션(angulation)은 상이한 다리들의 길이를 변화시켜 결정된다.

도 2a ∼ 2d 는 본 발명에 따른 모터(4)의 바람직한 실시 형태를 개략적으로 나타낸다. 3개의 피스톤형 실린더가 치형 부재에 배치된다. 이들 실린더는 치부(8, 9, 10) 형태로 된 결합 요소 및 구동 유닛(미도시) 또는 그의 일 부분 모두를 포함한다. 상기 실린더는 바람직하게는 공압 실린더이다. 치부(8, 9, 10)는 치형 휠의 치부와 유사하게 형성된다. 3개의 치부는 랙 부재(11) 상에 있는 주기적인 구조체에 대해 120도로 위상 변위되어 있다. 이 주기적인 구조체는 삼각형 치부(12)의 형태로 된 일련의 기어 요소를 포함한다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 상이한 치부들은 각각은 상기 주기적인 구조체의 상이한 환산 위상에서 위치된다. 도 2a 에서, 각각의 삼각형 치부(12)의 정상부를 0도로 하면, 치부(8)는 180도의 환산 위상을 가지며, 치부(9)는 60도의 환산 위상을 갖고 또한 치부(10)은 300도의 환산 위상을 갖는다.

도 2a 에 나타나 있는 상황에서 시작할 때, 치부(9)가 활성화되면, 치부(8)는 비활성화된다. 치부의 활성화는, 구도 유닛이 치부를 작동시켜 랙 부재쪽으로 움직이게 하는 것을 의미한다. 비활성화는 치부가 물러나는 것을 의미한다. 이는 구동 유닛 자체에서 주어지는 정미(net) 힘, 예컨대, 치부를 구동시키는 공압 피스톤에 있는 스프링에 의해 또는 랙 부재와의 상호작용에 의해 달성될 수 있다. 이 후자의 경우에, 다른 결합 요소와 결합하는 랙 부재는 비활성화된 결합 요소를 랙 부재에서 멀어지게 밀게 된다. 어느 경우든, 비활성화된 결합 부재에 의해 랙 부재에 가해지는 힘을 최소화하는 것이 중요하다.

치부(9)의 결합으로 인해, 랙 부재(11)는 옆으로 슬라이딩한다. 이렇게 해서 치부(8)는 능동적으로 뒤로 밀리게 된다(도 2b 및 2c 참조). 치부(10)는 기어 요소의 정상부의 좌측에서 우측으로 슬라이딩한다. 그래서, 치부(9)가 랙 부재(11) 안에서 완전히 전진되면, 치부(10)는 랙 부재(11)와 결합하는 정확한 위치에 있게 된다.

따라서, 치부들이 번갈아 또는 순차적으로 활성화되면, 랙 부재(11)의 단계적인 변위가 가능하게 된다. 이러한 단계적인 변위는 치부들의 리듬을 변화시키면 어떤 원하는 속도에서도 가능하다. 어떠한 치부도 활성화되지 않으면, 랙 부재(11)는 치부(8, 9, 10)에 대해 자유롭게 움직일 수 있다. 적어도 하나의 치부가 연속적으로 활성화되면, 랙 부재(11)는 차단된다. 일반적으로 적어도 하나의 치부 또는 결합 요소를 연속적으로 활성화시키면, 모터의 감소된 틈새를 얻을 수 있다는 이점이 있다. 연속적인 결합으로 인해, 모터는 랙 부재에 가해지는 힘에 덜 민감하게 된다.

도 3 은 2개의 피스톤형 실린더를 사용하는 본 발명에 따른 모터의 일반적인 작동 원리를 보여준다.

도 3 에는 서로 앞뒤로 배치되어 있는 일련의 치부(12)를 포함하는 랙 부재(11)가 나타나 있다. 또한, 도 2a 의 실시 형태와 유사한 개별적인 피스톤형 실린더(미도시)에 연결되어 있는 2개의 치부(13, 14)도 나타나 있다. 이들 치부는 화살표(15, 16)로 나타낸 방향을 따라 움직일 수 있다.

도 3 에서, 치부(13)는 랙 부재(11), 보다 구체적으로는 그 랙 부재의 표면에 있는 주기적인 구조체와 결합한다. 대응하는 실린더가 활성화되어 치부(13)가 아래쪽으로 더 이동함에 따라, 랙 부재(11)는 화살표(17)로 나타나 있는 바와 같이 움직이게 될 것이다. 이렇게 해서, 점선으로 표시된 위치에 있게 될 것이다. 도 3 에서 알 수 있는 바와 같이, 치부(14)는 이 경우에 랙 부재(11)와 결합할 수 있다. 여기서 이 치부에 대응하는 실린더가 활성화되고 치부(13)에 대응하는 실린더는 비활성화되거나 능동적으로 물러나게 된다. 그 결과, 예컨대 (단동(single-action)) 실린더 자체에 있는 스프링과 관련된 스프링력에 의해 치부(13)는 뒤로 움직이게 될 것이다.

일단 치부(14)가 외측으로 움직이면, 랙 부재(11)는 출발 위치와 유사한 위치에 도달하며, 절차는 반복될 수 있다. 그리고 치부(13)의 실린더는 치부(14)의 실린더(비활성화되어 있음)와는 반대로 다시 활성화된다.

기어 랙(11)에 수직한 방향에서 볼 때 그 기어 랙의 주기성은 치부(13, 14)의 결합 방향(화살표(15, 16)에 각각 대응함)에서 볼 때와는 다름에 주의해야 한다. 측면(18)의 길이는 치부와 관련 있다.

도 3 에서 치부(13, 14)는 상이한 환산 위상에서 배치되어 있다. 예컨대 치부(13)은 랙 부재(11)의 위치(19)에 대응하고 치부(14)는 위치(20)에 대응한다고 말할 수 있다. 이들 두 위치는 측면(18)을 기어 요소의 관련 치수로 하여 계산할 때 180도의 위상차를 갖는다. 분명, 이는 화살표(21)로 표시된 길이에서 시작하여 상기 환산 위상을 계산하는 경우와는 다른 것이다.

도시되어 있는 치부(22)는 치부(14)와 동일한 환산 위상을 갖고 있음을 주의해야 한다.

이 시스템은 일방향 운동을 가능케 해준다. 다른 방향의 운동을 위해 제 2 시스템을 사용할 수 있으며, 이 시스템은 경상적인(mirrored) 위치에 배치된다.

도 4a 에 있는 실시 형태는 랙 부재(23) 상에 있는 2차원의 주기적인 구조체를 나타낸다. 이 주기적인 구조체는 다른식으로 평평한 표면에 2차원으로 배열된 원추형 구멍(24)들을 포함한다. 최적의 결합을 보장하기 위해, 결합 요소는 상기 원추형 구멍의 형상에 대응하는 형상, 즉 원추형 돌출부를 갖는다. 상기와 같은 배치로 인해, 상기 구조체가 주기성을 갖게 되는 여러 방향이 존재할 수 있다. 도 4b 에서, 주기성을 갖는 방향의 예로 여러 방향(25, 26, 27)이 있다.

결합 요소들을 랙 부재(23)에 대해 적절한 방식으로 배치하면, 그 랙 부재(23)의 변위는 방향(25, 26, 27) 중 어떤 방향을 따라서도 이루어질 수 있다. 예컨대, 도 4b 에는 랙 부재(23)에 대한 각각의 결합 요소의 선단의 위치가 점으로 표시되어 있다. 도 4b 에는 두 세트의 액츄에이터가 나타나 있다. 제 1 세트는 결합 요소의 선단이 점(28)으로 표시되어 있는 액츄에이터를 포함하고, 제 2 세트는 결합 요소의 선단이 점(29)으로 표시되어 있는 액츄에이터를 포함한다. 제 1 세트는 랙 부재를 방향(25)을 따라 움직이게 하는데 사용되며, 제 2 세트는 랙 부재를 방향(27)을 따라 움직이게 하는데 사용된다. 상기 두 세트가 십자형으로 배치되면, 한 액츄에이터가 두 운동을 위해 사용될 수 있어 비용과 공간을 절약할 수 있다.

상기 방향(25, 26, 27) 만이 가능한 방향은 아님을 주의해야 한다. 예컨대, 일 방향으로 있는 한 원추형 구멍 및 그 방향에 수직인 방향으로 있는 두개의 원추형 구멍에 대응하는 다른 방향도 존재할 수 있다. 체스 게임에서 기사(knight)의 움직임에 대응하는 이 방향은 기어 요소 배치의 주기성을 확인할 수 있는 방향을 또한 나타낸다. 이 방향을 사용할 때, 결합 요소는 이웃하는 원추형 구멍과 결합하게 배치되지는 않는다. 전술한 바와 같이, 기어 요소의 길이는 선택되는 방향에 달려 있다 . 예컨대, 상기한 기사형 방향의 경우, 기어 요소의 길이는 원추형 구멍의 직경을 제곱한 것의 5배의 제곱근이다. 랙 부재가 기어 요소의 길이에 걸쳐 움직일 수 있도록 충분한 결합 요소가 배치되어야 한다. 또한, 결합 요소의 배치는 도 4b 에 나타나 있는 것일 필요는 없다. 예컨대, 결합 요소들은 더 이상 운동 라인에 있지 않도록 그리고/또한 더 이상 서로에 인접하여 배치되지 않도록 분포될 수 있다. 그러나, 주어진 방향으로의 운동이 가능하도록 각각의 결합 요소는 그 밑에 있는 기어 요소와 규정된 위상차를 가져야 한다.

도 2, 3 및 4 의 실시 형태에서, 랙 부재(11, 23)는 일련의 치부/구멍을 포함한다. 그러므로, 단일 결합 요소의 각 작동에 대한 랙 부재(11, 23)의 변위는 그 랙 부재에 있는 치부의 횡방향 치수에 의해 주로 결정된다. 불행히도, 이러한 스텝의 크기는 어떤 적용에 대해서는 너무 클 수 있다. 특히, 의료 분야에 적용되는 경우, 바늘 안내부와 같은 의료용 보조 기구의 정확한 변위가 중요하다. 그러므로, 일부 적용에 대해서는 저속화가 바람직하다.

상기 저속화는 도 5a 및 5b 에 나타나 있는 랙 부재로 실현될 수 있다. 주기적인 구조체를 형성하기 위해 나선형으로 배열된 원추형 구멍(24)을 갖는 원통형 랙 부재(30)가 제공된다. 이 랙 부재(30)는 바람직하게는 플라스틱으로 만들어지는 모터 하우징(32)(관형 요소로 되어 있음)을 포함하는 치형 부재를 통과하면서 움직이게 된다. 상기 관형 요소는 모터 하우징(32)에 있는 격실(33)에 배치되어 있는 3개의 피스톤형 실린더를 수용한다. 이 실린더는 도 4 의 실시 형태와 유사하게 랙 부재 표면(31)에 있는 원추형 구멍(24)에 끼워지는 원추형 치부에 연결된다. 실린더는 관형 요소의 길이 방향으로 일측에 배치된다. 이는 다양한 부품들이 움직이는데 필요한 틈새를 옆에 두기 위해 행해지며, 따라서 그 틈새는 아암에 생기지 않는다.

두 방향으로의 랙 부재의 운동은 치부가 활성화될 때 결정된다. 상기 실린더들은, 랙 부재(30)가 활성화되면 선형 방향으로 움직이지 않고 원통형 랙 부재(30) 주위에 있는 원추형 구멍(24)의 나선형 경로를 따라 나선형 운동을 하도록 배치된다. 따라서, 랙 부재(30)의 완전한 회전 후에 얻어지는 축방향 변위는 원추형 구멍(24)의 축방향 중심간 거리(34)에 상당한다. 랙 부재(30)의 직경을 변화시켜 구멍의 수를 변화시키면, 많은 상이한 운동 전달이 실현될 수 있다.

도 4a 와 관련하여 설명한 바와 같이, 원추형 구멍과 결합 요소의 배치는 상이한 방향의 운동이 가능하도록 다르게 선택될 수 있다. 예컨대, 나선형 분포 대신에, 상기 구멍들은 원형으로 분포될 수 있다. 또한, 이 경우, 여러 방향의 주기성이 존재하므로 동시적인 회전 및 병진 이동이 일어날 수 있다.

도 5c 는 랙 부재(30) 주위에 나선(35)을 그리는 원추형 구멍(34)을 과장되게 나타낸 개략도이다. 그 나선은 도 5c 에서 평면에 나타나 있다. 개별적인 액츄에이터 및 특히 그의 결합 요소는 랙 부재(30)에 있는 주기적인 구조체에 대해 서로 120도의 위상차를 가지면서 나선(35) 상의 일 위치에서 랙 부재(30)와 결합한다. 여기서 점(36)들은 기어 랙 표면(31) 상에 있는 치부의 결합 방향을 따르는 치부 끝의 돌출부에 대응한다. 여기서 이들 점들은 각각 치부와 관련된 나선 상에 있다.

상기 모터에는 예컨대 랙 부재(30)의 축방향을 따라 배치된 제 2 세트의 액츄에이터가 제공될 수 있다. 이들 실린더를 사용하여, 랙 부재(30)는 회전 없이 또한 앞에서 언급한 제 1 세트의 액츄에이터 보다 빠르게 축방향으로 움직일 수 있다. 따라서, 서로 다른 세트들을 사용하여, 다른 운동, 예컨대 회전, 병진 이동 및 이들의 조합 운동을 얻을 수 있다.

도 5 의 실시 형태는 랙 부재(30)가 모터 하우징(32)의 관통 구멍에 배치되도록 수정될 수 있음에 주의해야 한다. 따라서, 랙 부재(30)는 모터 하우징(32)을 통과해 움직여 다른 측에서 나올 수 있다. 따라서, 랙 부재(30)의 동적 범위, 즉 그의 축방향 변위의 범위가 크게 개선된다.

도 5d ∼ 5g 는 도 5a 의 실시 형태의 부분 개방 사시도를 나타내는데, 여기서는 작동을 더 잘 보여주기 위해 상이한 액츄에이터들이 원주 방향으로 이동되어 있다.

도 5d 에서, 결합 요소(36 ∼ 36") 중 어떤 것도 원추형 구멍(24)와 결합하지 않는다. 이러한 모드에서 또한 잠금 수단이 없는 상태에서, 랙 부재(30)는 모터 하우징(30)에 대해 축방향으로 움직일 수 있다.

도 5e 에서, 다른 결합 요소와 유사하게 공압 또는 유압 실린더(미도시)의 피스톤 로드에 연결되는 결합 요소(36)가 원추형 구멍(24) 안으로 밀려 들어간다. 이 구멍은 결합 요소(36)와 완전히 정렬되지 않으므로, 원주 방향 및/또는 축방향으로 정미 힘이 발생되며, 이에 따라 랙 부재(30)가 화살표로 표시된 바와 같이 움직이게 된다.

다음, 결합 요소(36)에 대응하는 공압 또는 유압 실린더가 비활성화되거나 또는 이 실린더는 능동적으로 결합 요소(36)를 물러나게 할 것이다. 후자의 경우, 다양한 액츄에이터들을 제어하는 제어 유닛은 유압 또는 공압 실린더의 작동 운동을 반대로 할 수 있을 필요가 있을 것이다. 다시 말해, 전진 스트로크를 제어하는 것에 추가하여, 다른 액츄에이터를 제어하는 타이밍을 고려하여 전진 스트로크와 유사하게 후퇴 스트로크를 주기적으로 제어할 수 있을 필요가 있을 것이다.

결합 요소(36)가 관련 원추형 구멍에서 물러난 후에 또는 그와 동시에, 결합 요소(36")가 원주형 구멍에 결합한다(도 5f 참조). 이에 의해 다시 축방향 및/또는 원주방향 운동이 일어나게 된다. 전술한 바와 동일한 사항이 결합 요소(36')에 대해서도 반복된다(도 5g 참조).

일단 결합 요소(36')가 그와 마주하는 원추형 구멍에 완전히 삽입되면, 결합 요소(36)가 향해 있는 원추형 구멍에 대한 그 결합 요소의 위치는 도 5d 에 나타나 있는 것과 동일하게 된다. 이리하여 동일한 순서의 운동이 반복될 수 있으며, 그래서 단일의 연속적인 운동이 얻어진다.

도 6 은 도 1 의 로봇 아암 장치의 일 변형예를 나타낸다. 여기서, 제 1 프레임부(2)에는 관통 구멍(37)이 제공되어 있으며, 이 관통 구멍에는 볼 조인트(38)가 장착된다. 이 볼 조인트(38)는 치형 부재(32)와 제 1 프레임부(2) 사이의 연결을 용이하게 해준다. 이를 위해, 볼 조인트(38) 자체에는 관통 구멍(39)이 제공되어 있고, 이 관통 구멍에는 치형 부재(32)가 고정 연결된다. 특히, 치형 부재(32)에 또한 전술한 바와 같은 관통 구멍이 배치되어 있으면, 다용도 로봇 아암 장치가 얻어진다. 제 1 프레임부(2)와 제 2 프레임부(3) 사이에 있는 다리, 즉 모터가 매우 작게 만들어질 수 있으므로, 로봇 아암 장치는 매우 높은 동적 범위를 갖게 된다.

도 7 은 본 발명에 따른 로봇 아암 장치의 일 적용예를 나타낸다. 여기서 이 장치는 환자(40) 근처에서 베드에 장착된다. 로봇 아암 장치 및 이에 배치되어 있는 바늘 안내부는 초기 위치에 있다. 그리고 MRI 영상이 MRI 스캐너(41)를 사용해 기록된다.

MRI 스캐너 근처에 금속 물체는 있을 수 없음에 주의하는 것이 중요하다. 이 때문에, 로봇 아암 장치를 만들기 위한 부품 및 재료의 선택의 폭이 줄어든다. 도 7 에서, 모터에 있는 액츄에이터로서 공압 실린더가 사용되며, 로봇 아암 장치의 각 부품은 비자성의 자화불능인 비전도성 재료로 만들어진다.

공압 실린더의 활성화는 전기공압식 밸브에 의해 원격으로 일어난다. 의사가 로봇 아암 장치를 환자 근처에 놓고 대략적인 세팅을 할 때, 여기서부터 로봇 아암 장치의 차단 및 차단해제를 조절할 수 있는 것이 바람직하다. 이는 상기 장치 자체에 있는 제어 키이로 일어난다. 이들 제어 키이는 키이 형태의 밸브인데, 이 경우 그 밸브에 연결된 도관에 압력이 가해지거나 가해지지 않는다. 도관내의 압력은 원격으로, 즉 MRI 환경에서 떨어져서 검출되며, 검출 결과를 사용하여, 공압 실린더에 압축 공기를 공급한다.

공압 실린더는 바람직하게는 압축 공기로 구동된다. 실린더 마다 단지 약 3 mm의 변위만 요구되므로, 공기 소비는 제로이다. 그러므로, 소형의 정숙한 압축기로 충분하다. 각각의 실린더는 그 자신의 얇은 압축 공기 라인을 갖고 있는데, 이 라인은 다발지어져 있고 압축 공기 유닛에 연결된다. 이 압축 공기 유닛은 압축기, 압력 조절기, 압력 센서, 진공 펌프, 전기공압식 밸브 및 컴퓨터 신호를 전기공압식 밸브의 사용가능한 작동으로 변환시키기 위한 전자 장치를 포함한다.

상기 전기공압식 밸브는 원하는 운동을 얻기 위해 압축 공기 유닛으로 작동된다. 다리 길이를 변화시켜 움직이는 로봇 아암 장치의 운동은 선형이 아니다. 즉, 결정된 다리의 연장은 다른 다리의 위치에 따라 로봇 아암 장치의 위치에 다른 영향을 줄 수 있다. 그러나, 이러한 비선형성은 수학적으로 예측가능하며 소프트웨어로 보상된다. 변위가 일어날 거리는 본 발명에 따른 모터를 사용하여 예측될수 있다. 그러므로, 로봇 아암 장치로 규정가능한 경로를 그리는 것이 가능하다. 일단 로봇 아암 장치의 위치와 상태가 알려지면, MRI와 로봇 아암 장치를 연결해서 상기 경로가 결정된 영역내에 있게 할 수 있다. MRI에서 확인가능한 구조(예컨대, 바늘 안내부)가 로봇 아암 장치로 제어되고 이를 스크린 상에서 볼 수 있으면, 압축 공기 유닛에 의해 작동되는 일련의 모터들은, 로봇 아암 장치가 어디에 위치해 있는지 또한 어떤 연장 또는 아암이 사용되고 있는지를 정확하게 결정할 수 있다.

로봇 아암 장치의 수동 조작 후에, 그 로봇 아암 장치의 위치와 상태는 예컨대 더 이상 알려지지 않는다. 그래서 확인 절차가 필요하다. 하나 이상의 모터가 정해진 방향으로 예컨대 20개의 펄스를 받는다. 제 2 프레임부와 아암의 상대 위치 처럼 제 1 프레임부의 정확한 위치 및 로봇 아암 장치의 상태는 바늘 안내부의 변위로부터 구할 수 있다. 일단 이것이 알려지면, 바늘 안내부의 어떠한 변위도 예측가능하며 압축 공기 유닛으로 조절될 수 있다.

당업자라면 여기서 설명한 실시 형태들에 대한 수정이 이하의 청구 범위로 규정되는 본 발명의 범위 내에서 가능함을 이해할 것이다.

Claims (18)

1. 모터 및 제어 유닛을 포함하는 모터 시스템으로서,
   상기 모터는,
   적어도 2개의 방향으로 주기적으로 배치된 기어 요소를 가진 구조체가 표면 상에 제공되어 있는 랙 부재; 및
   상기 적어도 2개의 방향 중에서 하나의 방향을 위해 배치되는 한 세트의 복수의 액츄에이터를 수용하는 치형 부재
   를 가지며,
   상기 액츄에이터 각각은, 상기 기어 요소와 결합하도록 형성된 결합 요소 및 상기 결합 요소를 구동시켜 주기적인 상기 구조체에 대해 앞뒤로 움직이게 하는 구동 유닛을 포함하고,
   상기 결합 요소는 상기 기어 요소 쪽으로 가는 운동의 적어도 일부분 중에 상기 기어 요소와 결합하여, 상기 랙 부재와 상기 치형 부재 간의 상대 운동이 상기 적어도 2개의 방향 중에서 상기 하나의 방향으로 일어나게 되며, 상기 액츄에이터 각각은 서로 이격되어 배치되어 주기적인 상기 구조체의 상이한 환산 위상에서 주기적인 상기 구조체와 결합하게 되며,
   상기 제어 유닛은 상기 액츄에이터 세트에 있는 각 액츄에이터의 각각의 구동 유닛을 서로에 대해 시간차를 두고 작동하도록 주기적으로 제어하는, 모터 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 기어 요소, 상기 액츄에이터 세트에 있는 액츄에이터의 수, 상기 제어 유닛 및 상기 액츄에이터의 위치는, 상기 제어 유닛이 주기적인 제어의 일 주기 동안에 상기 액츄에이터 각각을 제어한 후에 치형 부재와 랙 부재 간의 상대 운동이 상기 적어도 2개의 방향 중에서 상기 하나의 방향으로의 기어 요소 길이와 같거나 이를 초과하도록 되어 있는 모터 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 모터는 상기 적어도 2개의 방향 각각을 위한 한 세트의 액추에이터를 더 포함하는 모터 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 랙 부재는 몸체를 포함하며, 상기 몸체의 전체 주위에는 상기 기어 요소가 주기적으로 배치되어 있는 모터 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 랙 부재는 원통형이며, 이 원통의 원주방향 표면 상에는 주기적인 배치가 있고, 상기 치형 부재는 상기 랙 부재의 적어도 일부분을 수용하기 위한 원형 개구가 제공되어 있는 하우징을 포함하고, 상기 액츄에이터 세트는 상기 랙 부재에 대해 반경 방향으로 배치되는 모터 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 원형 개구는 상기 하우징에 있는 원형 관통 구멍으로 형성되어 있는 모터 시스템.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 기어 요소는 상기 원통 주위에 나선형 경로로 분포되어 있는 모터 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어 유닛은, 동력을 받은 적어도 하나의 결합 요소가 모터의 작동 중에 각 시점에서 상기 표면 구조체와 결합하도록 상기 액츄에이터 세트 내의 구동 유닛을 제어하게 되는 모터 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 액츄에이터 각각의 구동 유닛은, 상기 결합 요소에 동력을 주어 상기 랙 부재 쪽으로 움직이게 하는 동력 공급 상태 및 상기 결합 요소가 랙 부재로부터 멀어지게 움직이게 하는 해제 상태에서 작동하도록 되어 있고, 상기 구동 유닛은 적어도 상기 해제 상태에서 작동할 수 있는 복원성 부재를 포함하고, 상기 복원성 부재는 상기 결합 요소를 가압하여 랙 부재로부터 멀어지게 움직이게 하고, 상기 구동 유닛은 해제 상태에서 결합 요소에 힘을 가함이 없이 결합 요소가 랙 부재로부터 멀어지게 움직일 수 있게 해주도록 되어 있는 모터 시스템.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기어 요소는 상기 랙 부재의 표면에 있는 원추형 공동부를 포함하고, 상기 결합 요소는 대응하는 원추형 돌출부를 갖는 모터 시스템.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터 시스템은 액츄에이터 세트에 속하는 적어도 n 개의 액츄에이터를 포함하고, 여기서 n 은 2 이상이며, 각각의 액츄에이터는 m × 360/n의 환산 위상에서 상기 표면 구조체와 결합하도록 위치되며, 여기서 m = 1 .. n 인 모터 시스템.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 유닛은 작동가능한 피스톤형 실린더를 포함하고, 작동가능한 실린더는 실린더 하우징 및 상기 실린더 하우징 안에서 움직일 수 있는 피스톤을 가지며, 상기 결합 요소는 상기 피스톤의 일 단부에 배치되는 모터 시스템.
13. 로봇 아암 장치로서,
    상기 로봇 아암 장치용 지지부에 장착 또는 배치될 수 있는 제 1 프레임부;
    상기 제 1 프레임부에 연결되는 제 2 프레임부; 및
    상기 제 1 및 2 프레임부의 상호 배향과 거리 중 적어도 하나를 변화시키기 위한, 제 1 항에 따른 모터 시스템
    을 포함하며,
    상기 모터 시스템의 모터의 치형 부재는 상기 제 1 및 2 프레임부 중의 한 프레임부에 연결되며, 랙 부재는 상기 제 1 및 2 프레임부 중의 다른 프레임부에 연결되는 로봇 아암 장치.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 모터 시스템은 스튜어트 플랫폼(Stewart platform)을 형성하도록 배치되는 적어도 6개의 모터를 포함하는 로봇 아암 장치.
15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 프레임부 중 적어도 하나의 프레임부에는 상기 모터의 치형 부재 또는 랙 부재를 수용하기 위한 관통 구멍이 제공되어 있는 로봇 아암 장치.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 로봇 아암 장치는 관통 구멍을 가진 힌지를 포함하고, 상기 관통 구멍에서 상기 치형 부재 또는 랙 부재는 상기 힌지에 고정 연결되며, 상기 힌지는 상기 치형 부재 또는 랙 부재를 상기 제 1 프레임부 또는 제 2 프레임부에 힌지식으로 연결하도록 배치되어 있는 로봇 아암 장치.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 힌지는 볼 조인트를 포함하는 로봇 아암 장치.
18. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 유닛은 외부에서 제어가능한 모터 시스템.

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