KR101670735B1 - Robot for controlling position of moving platform and System for stimulating living body having the same - Google Patents
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Abstract
로봇은, 고정 플랫폼과, 상기 고정 플랫폼에 결합되는 복수의 구동 모듈과, 상기 구동 모듈에 결합되어 상기 구동 모듈에 의해 자세가 변화하는 운동 플랫폼을 포함한다. 상기 복수의 구동 모듈 각각은, 원호 형태의 제1가이드 부재와, 상기 제1가이드 부재에 결합되는 이동 부재와, 일단 부가 상기 이동 부재에 결합되고, 타단 부가 상기 운동 플랫폼에 고정되는 다리 부재를 포함하며, 상기 이동 부재는 상기 제1가이드 부재를 따라 활주하고, 상기 다리 부재의 타단 부는 상기 운동 플랫폼에 대해 회전 가능하게 연결된다. 생체 자극 시스템은 상기 로봇과, 상기 운동 플랫폼에 결합되며 생체에 자극을 가하는 자극기를 포함하고, 상기 운동 플랫폼의 자세 변화에 따라 상기 자극기가 상기 생체의 자극 부위로 위치 이동한다. The robot includes a fixed platform, a plurality of driving modules coupled to the fixed platform, and a moving platform coupled to the driving module, the moving platform being changed in attitude by the driving module. Each of the plurality of drive modules includes a first guide member in the form of an arc, a moving member coupled to the first guide member, and a leg member having one end coupled to the moving member and the other end fixed to the moving platform The moving member slides along the first guide member, and the other end of the leg member is rotatably connected to the moving platform. The biomedical stimulation system includes the robot and a stimulator coupled to the exercise platform and applying a stimulus to the living body, and the stimulator is moved to the stimulation region of the living body according to a change in the posture of the exercise platform.
Description
본 발명은 운동 플랫폼의 위치를 제어하는 로봇과 이를 구비한 생체 자극 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구동 모듈을 이용해 운동 플랫폼을 다양한 위치 및 자세로 운동시키고, 운동 플랫폼에 생체 자극기를 결합하여 상기 자극기를 자극 부위로 효과적으로 위치시킬 수 있는 로봇과 이를 구비한 생체 자극 장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
비침습적 방식의 뇌자극은 다양한 신경/정신 의학적 질환의 치료 측면에서 크게 각광받고 있으며, 대표적 기술로 TMS (transcranial magnetic stimulation), tDCS (transcranial direct current stimulation), TUS (transcranial ultrasound stimulation) 등을 들 수 있다. Non-invasive brain stimulation is widely seen in the treatment of various neurological / psychiatric disorders. Typical techniques include transcranial magnetic stimulation (TMS), transcranial direct current stimulation (tDCS), and transcranial ultrasound stimulation (TUS) have.
최근에는 이러한 뇌자극을 통해 사람과 컴퓨터 사이의 양방향 정보 전달 가능성까지 보고되고 있어 이에 대한 관심이 높아지고 있다. 그러나 이러한 획기적인 방법들은, 높은 기대 성능에도 불구하고 아직까지 널리 이용되지 못하고 있다. 보편화를 방해하는 가장 큰 이유는 낮은 재현성이다. In recent years, the possibility of transmitting bi-directional information between a human and a computer through such brain stimulation has been reported. However, these breakthrough methods have not yet been widely used despite their high expected performance. The main reason for hindering generalization is low reproducibility.
위의 방법들은 대부분 사람의 손으로 자극 위치 및 각도 등을 조절하는 방법을 사용하여 원하는 위치에 정확하게 자극을 가하기 어려웠으며, 이로 인해 자극 효과의 재현성이 떨어지는 단점이 있었다.Most of the above methods have difficulty in precisely stimulating the desired position using the method of controlling the position and angle of the stimulation with the hand of the human hand, and the reproducibility of the stimulation effect is deteriorated.
이러한 문제점을 극복하기 위해 최근 로봇을 이용하여 뇌자극의 정확도를 높이려는 노력들이 있었다. 이러한 연구들에서는 대부분 특허문헌 1과 같이 산업용으로 많이 쓰이는 기존의 6자유도 직렬형 로봇암을 이용하였으며, 정밀한 자극을 통해 뇌자극 성능을 많이 향상시켰다. In order to overcome these problems, there have been recent efforts to improve the accuracy of brain stimulation using a robot. Most of these studies use conventional six-degree-of-freedom tandem robot arm, which is widely used for industrial purposes as in
그러나 이러한 형태의 로봇은 안전성이 낮으며 제어 실패 시 사람의 머리에 큰 충격을 가할 수 있다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 높은 감속비를 사용하여 장치의 구동 속도를 줄임으로써 안전성을 확보한 장치도 개발되었으나, 피험자의 갑작스러운 움직임을 추종하지 못하는 문제점을 보이고 있다.However, this type of robot has a low safety and can cause a great impact on the head of a person in case of control failure. In order to overcome such a problem, a device for securing safety by reducing the driving speed of the device by using a high reduction ratio has been developed. However, the device is not able to follow the sudden movement of the subject.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 직렬형 로봇과는 다르게 제어 실패 시에도 로봇의 작업단(end-effector)만이 피자극자의 머리에 접촉할 수 있는 구조를 가지며, 작업단의 관성효과가 작아서 높은 구동 속도와 안전성을 동시에 확보할 수 있는 병렬형 로봇 및 이를 구비한 생체 자극 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the problems of the prior art described above. Unlike the serial type robot, the robot has a structure in which only the end-effector of the robot can contact the head of the stimulant, And it is an object of the present invention to provide a parallel type robot and a biomedical stimulation system having the parallel type robot that can secure a high driving speed and safety at the same time.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 고정 플랫폼과, 상기 고정 플랫폼에 결합되는 복수의 구동 모듈과, 상기 구동 모듈에 결합되어 상기 구동 모듈에 의해 자세가 변화하는 운동 플랫폼을 포함하고, 상기 복수의 구동 모듈 각각은, 원호 형태의 제1가이드 부재와, 상기 제1가이드 부재에 결합되는 이동 부재와, 일단 부가 상기 이동 부재에 결합되고, 타단 부가 상기 운동 플랫폼에 고정되는 다리 부재를 포함하며, 상기 이동 부재는 상기 제1가이드 부재를 따라 활주하고, 상기 다리 부재의 타단 부는 상기 운동 플랫폼에 대해 회전 가능하게 연결되는 로봇이 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a portable terminal including a fixed platform, a plurality of driving modules coupled to the fixed platform, and a moving platform coupled to the driving module, Each of the plurality of drive modules includes a first guide member in the form of an arc, a moving member coupled to the first guide member, a leg member having one end coupled to the moving member and the other end fixed to the moving platform, Wherein the moving member is slid along the first guide member and the other end of the leg member is rotatably connected to the moving platform.
일 실시예에 따르면, 상기 다리 부재는 일자형 부재로 형성되고, 그 길이 방향을 따라 길이 신축이 가능하며, 상기 이동 부재의 상기 제1가이드 부재를 따르는 회전 운동에 더하여 상기 다리 부재의 신축 운동을 통해 상기 운동 플랫폼의 자세를 변화시킨다. According to one embodiment, the leg member is formed as a straight member and is capable of extending and contracting along the longitudinal direction thereof. In addition to the rotational movement of the moving member along the first guide member, Thereby changing the posture of the exercise platform.
일 실시예에 따르면, 상기 다리 부재의 일단 부는 상기 이동 부재에 회전 가능하게 연결된다. According to one embodiment, one end of the leg member is rotatably connected to the moving member.
일 실시예에 따르면, 상기 다리 부재의 일단 부는 2축의 제2유니버설 조인트에 의해 상기 이동 부재에 대해 두 방향으로 회전 가능하게 연결되고, 상기 제1유니버설 조인트의 상기 2축은 상기 제1가이드 부재가 형성하는 원호의 법선 방향과 평행하게 연장되는 제1회전축과, 상기 제1회전축과 수직하며 다리 부재의 길이방향으로 연장되는 제2회전축이다. According to one embodiment, one end of the leg member is rotatably connected in two directions to the moving member by a second universal joint of two axes, and the two axes of the first universal joint are formed by the first guide member And a second rotation axis which is perpendicular to the first rotation axis and extends in the longitudinal direction of the leg member.
일 실시예에 따르면, 상기 다리 부재의 타단 부는 2축의 제2유니버설 조인트에 의해 상기 운동 플랫폼에 대해 두 방향으로 회전 가능하게 연결되고, 상기 제2유니버설 조인트의 2축은, 상기 제1회전축과 평행하게 연장되는 제3회전축과, 상기 제2회전축과 수직하며, 상기 제3회전축과 수직한 제4회전축이다. According to one embodiment, the other end of the leg member is rotatably connected in two directions with respect to the moving platform by a second universal joint of two axes, and the two axes of the second universal joint are parallel to the first rotational axis And a fourth rotation axis that is perpendicular to the second rotation axis and perpendicular to the third rotation axis.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 구동 모듈의 제1가이드 부재들은 서로 나란하게 평행 배치된다. According to one embodiment, the first guide members of the plurality of drive modules are arranged in parallel to each other.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 구동 모듈 각각은, 상기 제1가이드 부재 옆으로 서로 나란하게 평행 배치되는 제2가이드 부재를 더 포함하고, 상기 제2가이드 부재는 상기 제1가이드 부재에 대응하는 원호 형태를 가지며, 상기 운동 부재는 상기 제1가이드 부재 및 상기 제2가이드 부재를 따라 운동한다. According to one embodiment, each of the plurality of drive modules further includes a second guide member disposed parallel to and parallel to the first guide member, and the second guide member includes a second guide member corresponding to the first guide member And the motion member moves along the first guide member and the second guide member.
일 실시예에 따르면, 상기 제1가이드 부재에는 기어치가 형성되고, 상기 이동 부재에는 곡선 구동기에 의해 회전하는 회전 샤프트가 회전 가능하게 연결되고, 상기 회전 샤프트의 둘레에는 상기 기어치와 치합되는 피니언이 형성되며, 상기 곡선 구동기에 의해 상기 회전 샤프트가 회전하면, 상기 피니언이 상기 기어치와 치합된 상태로 회전하여, 상기 이동 부재가 상기 제1가이드 부재를 따라 운동한다. According to an embodiment of the present invention, a gear is formed in the first guide member, a rotating shaft rotatable by a curved driver is rotatably connected to the moving member, and a pinion meshing with the gear teeth is formed around the rotating shaft And when the rotation shaft is rotated by the curved driver, the pinion is rotated with the gear teeth engaged with each other, and the moving member moves along the first guide member.
일 실시예에 따르면, 상기 이동 부재는 상기 회전 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 프레임과, 상기 프레임에 연결되며, 상기 제2가이드 부재를 따라 이동하도록 상기 가이드 부재에 결합되는 주행체를 포함한다. According to one embodiment, the moving member includes a frame rotatably supporting the rotating shaft, and a traveling member connected to the frame and coupled to the guide member to move along the second guide member.
일 실시예에 따르면, 로봇은 상기 다리 부재를 길이 신축시키는 병진 구동기를 포함한다. According to one embodiment, the robot includes a translational actuator for stretching the leg members.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 구동 모듈은 회전 프레임에 고정되어 상기 고정 플랫폼에 연결되고, 상기 회전 프레임은 상기 고정 플랫폼에 대해 회전 가능하다. According to one embodiment, the plurality of drive modules are fixed to the rotating frame and connected to the stationary platform, and the rotating frame is rotatable with respect to the stationary platform.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 로봇과, 상기 운동 플랫폼에 결합되며 생체에 자극을 가하는 자극기를 포함하고, 상기 운동 플랫폼의 자세 변화에 따라 상기 자극기가 상기 생체의 자극 부위로 위치 이동하는 생체 자극 시스템이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a robot comprising: a robot; and a stimulator that is coupled to the movement platform and applies a stimulus to the body, wherein the stimulus is moved to a stimulation region of the body according to a change in posture of the movement platform, System is provided.
일 실시예에 따르면, 상기 자극기는, 상기 생체에 자기를 인가하는 자기 자극기, 전류를 인가하는 전기 자극기 또는 초음파를 인가하는 초음파 자극기이다. According to one embodiment, the stimulator is a magnetic stimulator that applies magnetism to the living body, an electric stimulator that applies current, or an ultrasonic stimulator that applies ultrasonic waves.
일 실시예에 따르면, 상기 생체 자극 시스템은 생체의 뇌를 자극하는 뇌 자극 시스템이다. According to one embodiment, the biomedical system is a brain stimulation system that stimulates the brain of a living body.
일 실시예에 따르면, 상기 자극기 및 상기 생체에는 광학 측정기를 통해 인식할 수 있는 마커가 부착되고, 상기 생체의 움직임에 따른 상기 자극기와 상기 생체와의 상대적 위치 변화를 상기 마커를 통해 감지하여, 상기 생체의 움직임을 보상하도록 상기 복수의 구동 모듈을 제어한다. According to one embodiment, a marker recognizable through the optical measuring instrument is attached to the stimulator and the living body, and a change in relative position between the stimulator and the living body according to the movement of the living body is sensed through the marker, And controls the plurality of drive modules to compensate for movement of the living body.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 모듈의 사시도이다.
도 4는 도 3의 구동 모듈의 이동 부재를 도시한 것이다.
도 5는 고정 플랫폼에 대해 구동 모듈들이 회전한 모습을 도시한 것이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 구동 모듈들을 독립적으로 제어하여, 운동 플랫폼의 자세를 변화시키는 모습을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 동작 제어를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 자극 시스템을 개념적으로 도시한 것이다. 1 and 2 are perspective views of a robot according to an embodiment of the present invention.
3 is a perspective view of a driving module according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the moving member of the drive module of Figure 3;
Figure 5 shows the drive modules rotated relative to the stationary platform.
FIGS. 6A through 6C illustrate a method of independently controlling the driving modules of the robot according to an embodiment of the present invention to change the posture of the exercise platform.
7 is a conceptual diagram for explaining an operation control of a robot according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 conceptually illustrates a biostimulation system according to an embodiment of the present invention.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, it is to be understood that the technical idea of the present invention and its essential structure and operation are not limited thereby.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇(1)의 사시도이다. 1 and 2 are perspective views of a
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 로봇(1)은 지면 또는 다른 구조물에 고정되는 기둥 형태의 고정 플랫폼(20)과, 상기 고정 플랫폼(200에 결합되는 복수의 구동 모듈(10, 10', 10") 및 상기 구동 모듈(10, 10', 10")들 각각에 결합되어 운동하는 운동 플랫폼(40)을 포함한다. 1 and 2, the
복수의 구동 모듈(10, 10', 10")은 대략 중심에 대략 아치(arch) 형태의 공간을 형성하며, 해당 아치형 공간에 사람 등 피작업 대상이 위치할 수 있도록 한다(도 2 참조). The plurality of
본 실시예에 따르면, 세 개의 구동 모듈(10, 10', 10")이 구비된다. According to the present embodiment, three
도 3은 구동 모듈(10)의 구성을 도시한 것이다. 본 실시예에 따르면, 세 개의 구동 모듈(10, 10', 10")의 구성은 서로 동일하다. 따라서, 하나의 구동 모듈(10)에 대해서만 설명하고, 나머지 구동 모듈들에 대해서는 중복된 설명을 생략한다. Fig. 3 shows the configuration of the
도 3에서는 설명의 편의를 위해 구동 모듈(10)의 일부만을 도시하였다. In FIG. 3, only a part of the
도 3에 도시된 바와 같이, 구동 모듈(10)은 원호 형태의 제1가이드 부재(300) 및 제2가이드 부재(400)와, 제1가이드 부재(300) 및 제2가이드 부재(400)와 결합되어 가이드 부재들이 형성하는 원호 형태의 궤적을 따라 활주하는 이동 부재(100) 및, 일단 부는 이동 부재(100)에 결합되고 타단 부는 운동 플랫폼(40)에 고정되는 다리 부재(200)를 포함한다.3, the
제1가이드 부재(300)는 약간 넓은 판 형태로 형성되며, 제1가이드 부재(300)의 외부면에는 기어치(310)가 형성되어 있다. 후술하는 바와 같이 제1가이드 부재(300)는 일종의 렉 기어의 역할을 수행하여, 이동 부재(100)가 이동하기 위한 추진력을 전달하는 역할을 한다. The
제2가이드 부재(400)는 제1가이드 부재(300)에 비해서는 면적이 적은 얇은 형태로 형성되어 있다. 제2가이드 부재(400)는, 이동 부재(100)가 제1가이드 부재(300)를 따라 이동할 때 발생할 수 있는 진동을 억제하여 이동 부재(100)가 부드러운 원호 궤적을 그리며 이동할 수 있도록 해준다. The
제2가이드 부재(400)에는 이동 부재(100)의 주행체(116)(도 4 참조)가 결합될 수 있는 가이드 홈(410)이 형성되어 있다. The
본 실시예에 따른, 제1가이드 부재(300)와 제2가이드 부재(400)는 동일한 곡률을 가지는 원호 형태로 형성되며, 제1가이드 부재(300)와 제2가이드 부재(400)는 서로 나란하게 평행 배치된다. The
본 명세서에서 원호형의 부재가 "나란하게 평행 배치"된다는 것은 각 부재의 (원호의) 원점이 동일 축 상에 위치하고, 각 부재가 서로 겹치지 않도록 평행하게 배치되는 상태임을 의미한다. In this specification, the arcuate members are "arranged side by side in parallel ", meaning that the origin of each member is on the same axis, and the members are arranged in parallel so as not to overlap each other.
본 실시예에 따르면, 제2가이드 부재(400)의 반경이 제1가이드 부재(300)의 반경보다 살짝 커서, 제2가이드 부재(400)의 외측 둘레면이 제1가이드 부재(300)의 기어치의 끝선보다 살짝 반경 방향 외측으로 위치한다. The radius of the
본 실시예에서, 제1가이드 부재(300)와 제2가이드 부재(400)의 중심각은 180도를 넘는 것으로 도시되었지만, 필요에 따라 180도 또는 그 이하가 되도록 할 수도 있다. In this embodiment, the center angles of the
도 4는 이동 부재(100)의 구성을 도시한 것이다. Fig. 4 shows the structure of the
도 4에 도시된 바와 같이, 이동 부재(100)는 프레임(110)과, 상기 프레임(110)에 회전 가능하게 고정되는 회전 샤프트(124) 및 상기 회전 샤프트(124)를 회전시키는 곡선 구동기(120)를 포함한다. 4, the shifting
프레임(110)은 회전 사프트(124)와 수직하게 배치되는 상면 프레임(113) 및 하면 프레임(112)과, 상면 프레임(113) 및 하면 프레임(112)을 연결 지지하는 제1측면 프레임(114) 및 제2측면 프레임(115)을 포함한다. 아울러, 프레임(110)은 제1측면 프레임(114) 및 제2측면 프레임(115)에 대해 수직한 제3측면 프레임(118)을 포함한다. The
회전 샤프트(124)는 상면 프레임(113) 및 하면 프레임(112)을 관통하며, 상면 프레임(113) 및 하면 프레임(112)에 대해 회전 가능하게 지지된다. The
상면 프레임(113)의 외측에는 주행체(116)가 결합된다. 주행체(116)는 이동 부재(100)를 제2가이드 부재(400)에 지지시키는 역할을 한다. The traveling
주행체(116)에는 주행체(116)의 길이방향 전체에 걸쳐 형성되며, 외측으로 개방된 연결홈(117)이 형성되어 있다. The traveling
연결홈(117)에는 제2가이드 부재(400)가 결합(더 자세하게는, 제2가이드 부재(400)의 가이드홈(410)을 기준으로 제2가이드 부재(400)의 내측 부분이 연결홈(117)에 삽입되어 결합)된다. The inner side portion of the
주행체(116)는 제2가이드 부재(400)에 결합된 상태로 제2가이드 부재(400)의 길이방향을 따라 슬라이드 이동 가능하다. The traveling
제3 측면 프레임(118)의 외측에는 두 개의 회전축 연결 블록(111)이 형성되어 있으며, 회전축 연결 블록(111)에는 제1유니버설 조인트(200)의 일 회전 샤프트가 삽입될 수 있는 통공이 형성되며, 두 통공의 중심을 지나는 선이 제1회전축(S1)(도 3 참조)이 된다. Two rotary
곡선 구동기(120)는 플랫 모터(flat motor)인 모터(121), 상기 모터(121)의 모터 축에 연결되어 회전을 감속하는 하모닉 드라이브(123)를 포함한다. 하모닉 드라이브(123)를 통해 높은 토크가 회전 샤프트(124)로 전달될 수 있도록 한다. The
모터(121)에는 브레이크가 구비될 수 있으며, 브레이크는 모터(121)에 전원이 공급되지 않은 상태에서도 회전 샤프트(124)가 고정되도록 모터(121)의 모터축을 고정함으로써, 로봇(1)이 자세를 유지할 수 있게 해준다. The
또한, 곡선 구동기(120)는 모터(121)의 회전각을 감지할 수 있는 회전각 센서(122)를 포함한다. The
상면 프레임(113)과 하면 프레임(112) 사이에 위치하는 회전 샤프트(124)의 중간 부분에는 회전 샤프트(124)의 둘레 방향으로 피니언(125)이 형성된다. A
제1가이드 부재(300)의 기어치(310)는 회전 샤프트(124)의 피니언(125)에 치합된다. The
모터(121)가 구동하여 회전 샤프트(124)가 회전하면, 제1가이드 부재(300)가 일종의 렉 기어로 작용하여, 회전 샤프트(124)가 제1가이드 부재(300)의 원주 방향을 타고 구름 운동하게 된다. 이에 따라서, 회전 샤프트(124)에 연결된 이동 부재(100)가 이동하게 된다. When the
이동 부재(100)의 제3측면 프레임(118)에는 제1유니버설 조인트(220)가 결합되며, 제1유니버설 조인트(220)를 길이 방향으로 관통하는 샤프트(221)에는 일자 형태로 연장되는 다리 부재(200)가 결합된다. A first
제1유니버설 조인트(220)는 제1가이드 부재가 형성하는 원호의 법선 방향과 평행하게 연장되는 제1회전축(S1)과, 제1회전축(S1)과 수직하며 다리 부재(200)의 길이 방향으로 연장되는 제2회전축(S2)의 2 축 구조를 가진다. The first
제1유니버설 조인트(220)의 몸체가 제1회전축(S1)을 기준으로 회전함에 따라서 다리 부재(200)가 제1회전축(S1)을 중심으로 이동 부재(100)에 대해 회전할 수 있다. 아울러, 다리 부재(200)는 제2회전축(S2)을 중심으로 제1유니버설 조인트(220)의 몸체를 중심으로 회전가능하여, 제2회전축(S2)을 중심으로 이동 부재(100)에 대해 회전할 수 있다. As the body of the first
다리 부재(200)는 일자 형태로 연장되는 몸체부(210)를 포함하고, 몸체부(210)는 제1유니버설 조인트(220)에 연결되는 제1몸체(212)과 상기 제1몸체(212)의 길이방향으로 슬라이드 이동 가능한 제2몸체(211)를 포함한다. The
제2몸체(211)가 제1몸체(212)를 따라 슬라이드 이동함에 따라서 다리 부재(200)의 길이가 신장 또는 수축될 수 있다. As the
제2몸체(211)가 제1몸체(212) 사이에는 제2몸체(211)를 슬라이드 이동시키기 위한 병진 구동기(230)가 구비된다. 병진 구동기(230)는 공압 피스튼일 수도 있고, 회전을 직선으로 바꾸는 메커니즘을 동반하는 모터일 수도 있다. A translating
제2몸체(211)의 단부에는 운동 플랫폼(400)에 연결될 수 있는 제2유니버설 조인트(240)가 형성된다. At the end of the
제2유니버설 조인트(240)는 제1회전축(S1)과 평행하게 연장되는 제3회전축(S3)과, 제2회전축(S2) 및 제3회전축(S3)과 수직한 제4회전축(S4)을 정의하는 2축 구조이다. The second
제2유니버설 조인트(240)를 통해 다리 부재(200)에 연결되는 운동 플랫폼(40)은 다리 부재(200)에 대해 제3회전축(S3)과 제4회전축(S4)을 중심으로 두 방향으로 회전 가능하다. The moving
다시 도 1을 참조하면, 구동 모듈(10, 10', 10") 각각의 제1가이드 부재(300, 300', 300")들은 서로 나란하게 평행 배치된다. 아울러, 구동 모듈(10, 10', 10") 각각의 제2가이드 부재(400, 400', 400")들 역시 서로 나란하게 평행 배치된다. 즉, 구동 모듈(10, 10', 10")들의 모든 가이드 부재들은 서로 나란하게 평행 배치되는 관계에 있다. Referring again to FIG. 1, the
구동 모듈(10, 10', 10")들의 모든 가이드 부재(300, 400, 300', 400', 300", 400")들의 양단은 프레임(31, 32)에 고정되어 있다. Both ends of all the
도 5에 도시된 바와 같이, 두 프레임(31, 32) 중 회전 프레임(32)은 고정 프렛폼(20)에 고정되며, 회전 구동기(21)에 의해 고정 플랫폼(20)에 대해 회전 가능하다. 5, the rotating
이로써, 로봇(1)은 총 7자유도로 구동되며, 하나의 회전 구동기(21)와 그에 연결된 6자유도 병렬형 로봇으로 구성된다. 6자유도 병렬형 로봇은 평행하게 놓여진 3개의 곡선형 가이드(제1가이드 부재 및 제2가이드 부재)를 따라 각각 움직이는3개의 이동 부재와, 그에 연결되는 3개의 다리 부재로 구성되고, 3개의 다리 부재는 폐루프(closed-loop)를 구성하며 운동 플랫폼(40)과 연결된다.Thus, the
본 실시예에 따른 로봇(1)은 구동 모듈(10, 10', 10") 각각의 곡선 구동기와 병진 구동기를 독립적으로 제어하여 이동 부재(100, 100', 100")가 대응하는 제1가이드 부재(300, 300', 300")를 따라 회전 운동 및/또는 다리 부재(200, 200', 200")가 신축 운동하도록 함으로써, 그에 연결된 운동 플랫폼(40)의 자세를 변화시킬 수 있다. The
도 6a 내지 도 6c는 구동 모듈(10, 10', 10")을 독립적으로 제어하여, 운동 플랫폼(40)의 자세를 변화시키는 모습을 도시한 것이다. 6A to 6C show how the driving
도 6a은, 도 2의 기준 위치와 비교하여 제1구동 모듈(10)의 이동 부재(100)를 반시계 방향으로 회전 / 다리 부재(200)는 신장시키고, 제2구동 모듈(10')의 이동 부재(100')는 시계 방향으로 회전 / 다리 부재(200')는 신장시키며, 제3구동 모듈(10")의 다리 부재(200")는 수축시킨 상태를 도시한 것이다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 운동 플랫폼(40)은 기준 위치에 비해 피험자(H)의 머리의 전방측을 향하도록 자세 제어된 것을 알 수 있다. 6A shows a state in which the moving
도 6b는, 도 2의 기준 위치와 비교하여, 구동 모듈(10, 10', 10")들의 이동 부재(100, 100', 100")들이 전체적으로 동일각도로 시계방향으로 회전하고, 다리 부재들의 길이는 불변하도록 제어된 상태를 도시한 것이다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 운동 플랫폼(40)은 기준 위치에 비해 피험자(H)의 머리의 측방을 향하도록 자세 제어된 것을 알 수 있다. 6B shows a state in which the moving
도 6c는, 도 6b의 위치를 기준으로, 제1구동 모듈(10)의 이동 부재(100)를 반시계 방향으로 회전 / 다리 부재(200)는 신장시키고, 제2구동 모듈(10')의 이동 부재(100')는 시계 방향으로 회전 / 다리 부재(200')는 신장시키며, 제3구동 모듈(10")의 이동 부재(100")는 시계 방향으로 회전 / 다리 부재(200")는 수축시킨 상태를 도시한 것이다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 운동 플랫폼(40)은 기준 위치에 비해 피험자(H)의 머리의 전방 및 측방을 향하도록 자세 제어된 것을 알 수 있다. 6C shows a state in which the moving
이와 같이, 본 실시예에 따른 로봇(1)은 구동 모듈(10, 10', 10")의 두 구동기(곡선 구동기, 병진 구동기)를 독립적으로 제어하여, 운동 플랫폼(40)의 자세를 다양하게 제어할 수 있다. As described above, the
도 7은 본 실시예에 따른 로봇(1)의 동작 제어를 설명하기 위한 개념도이다. 도 7에서는 설명의 편의를 위해 제2구동 모듈(10')의 구성만을 표시하였다. 7 is a conceptual diagram for explaining the operation control of the
후술하는 바와 같이, 운동 플랫폼(40)에는 자극기 등과 같은 엔드 이펙터가 결합되며, 구동 모듈(10, 10', 10")의 제어 대상은 엔드 이펙터의 위치가 된다. As will be described later, an end effector such as a stimulator is coupled to the
엔드 이펙터의 끝단의 위치 벡터 와 기준 위치에 대한 회전행렬(R)(3×3 행렬)이 주어지면, 원점에서 운동 플랫폼(40)의 제2유니버설 조인트(240)까지의 거리 벡터(qi)는 하기 [수학식 1]과 같이 정해진다.
Position vector of end effector end And the rotation matrix (R) with respect to a reference position (3 × 3 matrix) to the distance vector (q i) to the second
[수학식 1][Equation 1]
여기서 아래 첨자 i는 다리 부재의 번호를 나타내며, bi는 운동 플랫폼(40)의 국지좌표계에서 본 운동 플랫폼(40)의 제2유니버설 조인트(240)까지의 거리 벡터이다. Where b i is the distance vector from the local coordinate system of the
이렇게 정해진, 를 만족시키기 위한 제1구동 입력값(θi)(제1구동기(121')의 회전각)를 하기 [수학식 2]를 이용해 구할 수 있다.
In this way, The first drive input value (θ i) to satisfy to the (rotation angle of the first actuator 121 ') can be determined using Equation (2).
[수학식 2]&Quot; (2) "
상기 [수학식 2]에서 얻어진 구동 입력값(θi)을 이용하여, 다리 부재(200')의 신축거리에 해당하는 제2구동 입력값(di)를 하기 [수학식 3]과 같이 구할 수 있다.
The second driving input value d i corresponding to the expansion and contraction distance of the leg member 200 'is obtained by the following equation (3) using the driving input value? I obtained in the above-mentioned equation (2) .
[수학식 3]&Quot; (3) "
상기 [수학식 2] 및 [수학식 3]에서 구해진 총 6개의 구동기 입력값(θi, di)를 얻을 수 있고, 각각의 구동 모듈(10, 10', 10")은 두 개(이동 부재의 회전 운동을 위한 곡선 구동기 및 다리 부재의 신축을 위한 병진 구동기)씩 총 6개의 구동기를 포함하므로, 입력값만큼 6개의 구동기를 동시 구동하여 엔드 이펙터의 위치 및 각도를 원하는대로 제어할 수 있다. The Equation (2), and it is possible to obtain the [Equation 3] of six actuator input value (θ i, d i) determined in each drive module (10, 10 ', 10 ") is two (mobile A curved driver for rotational movement of the member, and a translational driver for the extension / contraction of the leg member), the position and angle of the end effector can be controlled as desired by simultaneously driving six actuators as much as the input value .
상기 엔드 이펙터의 종류는 제한이 없지만, 본 실시예에 따르면 엔드 이펙터로서 생체에 자극을 가하는 자극기가 운동 플랫폼(40)에 부착되어, 로봇(1)이 생체 자극 시스템을 구성한다. There is no limitation on the kind of the end effector, but according to the present embodiment, a stimulator that applies a stimulus to the living body as an end effector is attached to the
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 자극 시스템을 개념적으로 도시한 것이다. FIG. 8 conceptually illustrates a biostimulation system according to an embodiment of the present invention.
도 8에 도시된 바와 같이 운동 플랫폼(40)에는 엔드 이펙터로서 자극기(500)가 부착된다. 본 실시예에 따른 생체 자극 시스템은 피험자(H)의 뇌에 자극을 인가하는 뇌 자극 시스템이다. 자극기(500)는 필요에 따라 교체될 수 있으며, 자기를 인가하는 자기 자극기, 전류를 인가하는 전기 자극기 또는 초음파를 인가하는 초음파 자극기일 수 있다. As shown in FIG. 8, a
상술한 제어 방식에 따라 운동 플랫폼(40)의 자세를 변화시켜, 자극기(500)가 원하는 생체(피험자(H)의 머리)의 자극 부위로 위치 이동할 수 있다(도 6 참조). 이때, 대략 구 형태로 볼 수 있는 피험자(H)의 머리에 자극기(500)가 운동 중 충돌하는 것을 방지하기 위해, 운동 플랫폼(40)은 머리 주변에서는 구 형태의 운동 범위(워크 스페이스)를 가지고 이동하도록 제어되는 것이 바람직하다. The attitude of the
도 8에 도시된 바와 같이, 생체 자극 시스템은 광학 측정기(600)를 포함하고, 자극기(500)에는 광학 측정기(600)에 의해 포착될 수 있는 마커(510)가 부착되고, 피험자(H)의 자극 부위에도 마커(520)가 부착된다. 8, the biomedical system includes an
광학 측정기(600)는 마커(510, 520)를 감지하여, 자극기(500)와 피험자(H)의 자극 부위 위치를 감지할 수 있도록 해준다. 또한, 광학 측정기(600)는 마커(510, 520)의 이동을 기초로 자극기(500)와 피험자(H)의 위치를 모니터에 시뮬레이션할 수 있는 비전 인식을 제공한다. The
본 실시예에 따른 생체 자극 시스템은 다음과 같은 순서로 동작한다. The biomedical stimulation system according to this embodiment operates in the following order.
먼저, 피험자의 머리에 비전 시스템 인식용 마커(520)를 부착하고, 자극기(500)에 비전 시스템 인식용 마커(500)를 부착한다. 피험자(H)의 머리에 대한 CT 및 fMRI 정보 등을 이용하여, 비전 시스템의 광학 측정기(optical tracker)(600)에서 본 피험자의 뇌 부위의 좌표계 정보를 준비한다. First, a vision
다음으로, 자극기(500)를 이용한 원하는 뇌 자극 부위 및 각도과, 자극량을 지정한다. Next, a desired brain stimulation region and angle and stimulation amount using the
각 구동 모듈에서 큰 운동을 담당하는 저속, 고출력의 회전 구동기(21)가 구동하여, 자극기(500)를 작업 영역 근처로 이동시킨다.A low-speed, high-
역기구학 해석을 통해 로봇(1)의 6개 구동기(곡선 구동기 3개, 병진 구동기 3개)가 동시 구동하여, 원하는 뇌자극 위치 및 각도로 자극기(500)를 이동시킨다.Through the inverse kinematic analysis, six actuators (three curved actuators and three translational actuators) of the
해당 위치에서 자극기(500)를 작동하여, 지정한 자극량만큼 뇌자극이 수행된다.By operating the
이때, 피험자(H)의 움직임은 머리에 붙어있는 마커(520)를 통해 감시되며, 피험자의 움직임 발생시 에러를 보상하도록 제어신호가 입력되어 로봇(1)은 뇌 자극 작업 동안 지정한 위치 및 각도를 유지하도록 구동한다.At this time, the movement of the subject H is monitored through a
본 실시예에 따른 로봇(1)과 이를 구비한 생체 자극 시스템은, 곡선 가이드를 따라 병렬형 로봇이 구동하는 구조를 지닌다. The
이러한 구조로 인해, 예를 들어, 사람 머리 주변이라는 특수한 형태의 작업영역에 대해 장치 크기 대비 넓은 작업영역을 확보할 수 있으며, 머리와 자극기 간의 충돌 가능 부분이 최소화되어 피자극자의 안전성을 극대화 할 수 있다.Due to this structure, it is possible to secure a wide work area relative to the device size, for example, for a special type of work area around the human head, and to minimize the possibility of collision between the head and the stimulator, have.
일반적으로 머리와 장치의 충돌 발생시, 위험도는 충돌에 의한 운동에너지에 비례한다. 제안한 장치는 병렬형 장치의 특성상 장치 작업단의 관성 효과를 작게 할 수 있어 큰 감속비를 사용하지 않고도 충돌시 발생하는 운동에너지를 낮출 수 있으며, 이로 인해 갑작스러운 피험자의 운동을 보상하기 위한 구동 성능이 크게 향상될 수 있다.Generally, when a head collision occurs, the risk is proportional to the kinetic energy due to the collision. Since the proposed device can reduce the inertia effect of the device operation stage due to the characteristics of the parallel device, it is possible to lower the kinetic energy generated at the time of collision without using a large reduction ratio, Can be greatly improved.
결과적으로 본 실시예에 따른 생체 자극 시스템은 안전하고 정밀한 뇌자극을 가능케하며, 뇌자극 치료의 효과를 극대화하고, 관련 연구의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다. As a result, the biostimulation system according to the present embodiment enables safe and precise brain stimulation, maximizes the effect of the brain stimulation therapy, and greatly improves the reliability of the related research.
Claims (15)
상기 고정 플랫폼에 결합되는 복수의 구동 모듈;
상기 구동 모듈에 결합되어 상기 구동 모듈에 의해 자세가 변화하는 운동 플랫폼을 포함하고,
상기 복수의 구동 모듈 각각은,
원호 형태의 제1가이드 부재;
상기 제1가이드 부재에 결합되는 이동 부재;
일단 부가 상기 이동 부재에 결합되고, 타단 부가 상기 운동 플랫폼에 고정되는 다리 부재를 포함하고,
상기 다리 부재는 그 길이 방향을 따라 길이 신축이 가능하고,
각각의 다리 부재의 일단 부는 대응하는 이동 부재에 회전 가능하게 연결되고,
각각의 다리 부재의 타단 부는 상기 운동 플랫폼에 대해 회전 가능하게 연결되며,
각각의 이동 부재가 대응하는 제1가이드 부재를 따라 독립적으로 위치 이동하고, 각각의 상기 다리 부재가 독립적으로 신축하여, 상기 운동 플랫폼의 자세를 변화시키는 것을 특징으로 하는 로봇. Fixed platform;
A plurality of drive modules coupled to the stationary platform;
And a motion platform coupled to the drive module, the motion platform changing its posture by the drive module,
Wherein each of the plurality of drive modules includes:
A first guide member having an arc shape;
A moving member coupled to the first guide member;
A leg member having one end coupled to the moving member and the other end fixed to the moving platform,
Wherein the leg member is capable of extending and contracting along its longitudinal direction,
One end of each leg member is rotatably connected to a corresponding shifting member,
The other end of each leg member is rotatably connected to the moving platform,
Each of the movable members is independently moved along the corresponding first guide member, and each of the leg members is independently expanded and contracted to change the attitude of the movement platform.
상기 다리 부재의 일단 부는 2축의 제1유니버설 조인트에 의해 상기 이동 부재에 대해 두 방향으로 회전 가능하게 연결되고,
상기 제1유니버설 조인트의 상기 2축은,
상기 제1가이드 부재가 형성하는 원호의 법선 방향과 평행하게 연장되는 제1회전축과,
상기 제1회전축과 수직하며 다리 부재의 길이방향으로 연장되는 제2회전축인 것을 특징으로 하는 로봇. The method according to claim 1,
One end of the leg member is rotatably connected to the moving member in two directions by a first universal joint of two axes,
Wherein the two axes of the first universal joint
A first rotation axis extending parallel to a normal direction of an arc formed by the first guide member,
And a second rotation axis which is perpendicular to the first rotation axis and extends in the longitudinal direction of the leg member.
상기 다리 부재의 타단 부는 2축의 제2유니버설 조인트에 의해 상기 운동 플랫폼에 대해 두 방향으로 회전 가능하게 연결되고,
상기 제2유니버설 조인트의 2축은,
상기 제1회전축과 평행하게 연장되는 제3회전축과,
상기 제2회전축과 수직하며, 상기 제3회전축과 수직한 제4회전축인 것을 특징으로 하는 로봇. 5. The method of claim 4,
And the other end of the leg member is rotatably connected in two directions with respect to the movement platform by a second universal joint of two axes,
And the two shafts of the second universal joint,
A third rotation axis extending parallel to the first rotation axis,
And a fourth rotation axis that is perpendicular to the second rotation axis and perpendicular to the third rotation axis.
상기 복수의 구동 모듈의 제1가이드 부재들은 서로 나란하게 평행 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇. The method according to claim 1,
Wherein the first guide members of the plurality of drive modules are arranged in parallel to each other.
상기 복수의 구동 모듈 각각은,
상기 제1가이드 부재 옆으로 서로 나란하게 평행 배치되는 제2가이드 부재를 더 포함하고,
상기 제2가이드 부재는 상기 제1가이드 부재에 대응하는 원호 형태를 가지며,
상기 이동 부재는 상기 제1가이드 부재 및 상기 제2가이드 부재를 따라 운동하는 것을 특징으로 하는 로봇. The method according to claim 6,
Wherein each of the plurality of drive modules includes:
And a second guide member disposed parallel to and parallel to the first guide member,
The second guide member has an arc shape corresponding to the first guide member,
And the moving member moves along the first guide member and the second guide member.
상기 제1가이드 부재에는 기어치가 형성되고,
상기 이동 부재에는 곡선 구동기에 의해 회전하는 회전 샤프트가 회전 가능하게 연결되고,
상기 회전 샤프트의 둘레에는 상기 기어치와 치합되는 피니언이 형성되며,
상기 곡선 구동기에 의해 상기 회전 샤프트가 회전하면, 상기 피니언이 상기 기어치와 치합된 상태로 회전하여, 상기 이동 부재가 상기 제1가이드 부재를 따라 운동하는 것을 특징으로 하는 로봇. 8. The method of claim 7,
The first guide member is provided with gear teeth,
A rotating shaft rotatable by a curved driver is rotatably connected to the moving member,
A pinion that engages with the gear teeth is formed around the rotating shaft,
And when the rotary shaft is rotated by the curved driver, the pinion is rotated in a state engaged with the gear teeth, and the moving member moves along the first guide member.
상기 이동 부재는,
상기 회전 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 프레임;
상기 프레임에 연결되며, 상기 제2가이드 부재를 따라 이동하도록 상기 제2가이드 부재에 결합되는 주행체를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇. 9. The method of claim 8,
The moving member includes:
A frame rotatably supporting the rotating shaft;
And a traveling body connected to the frame and coupled to the second guide member to move along the second guide member.
상기 다리 부재를 길이 신축시키는 병진 구동기를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇. The method according to claim 1,
And a translational actuator for stretching the leg member to a length.
상기 복수의 구동 모듈은, 회전 프레임에 고정되어 상기 고정 플랫폼에 연결되고,
상기 회전 프레임은 상기 고정 플랫폼에 대해 회전 가능한 것을 특징으로 하는 로봇. The method according to claim 1,
Wherein the plurality of drive modules are fixed to the rotating frame and connected to the fixed platform,
Wherein the rotating frame is rotatable with respect to the fixed platform.
상기 운동 플랫폼에 결합되며, 생체에 자극을 가하는 자극기를 포함하고,
상기 운동 플랫폼의 자세 변화에 따라 상기 자극기가 상기 생체의 자극 부위로 위치 이동하는 것을 특징으로 하는 생체 자극 시스템. A robot according to any one of claims 1 and 4 to 11;
A stimulator coupled to the exercise platform for applying a stimulus to the living body,
Wherein the stimulator is moved to a stimulation region of the living body according to a change in posture of the exercise platform.
상기 자극기는, 상기 생체에 자기를 인가하는 자기 자극기, 전류를 인가하는 전기 자극기 또는 초음파를 인가하는 초음파 자극기인 것을 특징으로 하는 생체 자극 시스템.13. The method of claim 12,
Wherein the stimulator is a magnetic stimulator for applying magnetism to the living body, an electric stimulator for applying a current, or an ultrasonic stimulator for applying ultrasonic waves.
상기 생체 자극 시스템은 생체의 뇌를 자극하는 뇌 자극 시스템인 것을 특징으로 하는 생체 자극 시스템. 13. The method of claim 12,
Wherein the biomedical stimulation system is a brain stimulation system for stimulating a brain of a living body.
상기 자극기 및 상기 생체에는 광학 측정기를 통해 인식할 수 있는 마커가 부착되고,
상기 생체의 움직임에 따른 상기 자극기와 상기 생체와의 상대적 위치 변화를 상기 마커를 통해 감지하여, 상기 생체의 움직임을 보상하도록 상기 복수의 구동 모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는 생체 자극 시스템. 13. The method of claim 12,
A marker recognizable through an optical measuring instrument is attached to the stimulator and the living body,
Wherein the controller controls the plurality of driving modules to detect a change in relative position between the stimulator and the living body according to the movement of the living body through the marker to compensate for the movement of the living body.
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