KR101744147B1

KR101744147B1 - 환자 상하지 견인 로봇 및 이를 위한 제어 시스템

Info

Publication number: KR101744147B1
Application number: KR1020160056393A
Authority: KR
Inventors: 민진영
Original assignee: 주식회사 소닉월드
Priority date: 2016-05-09
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2017-06-07

Abstract

본 발명은 환자의 상하지를 견인하기 위한 다축 로봇 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은, 환자의 상지 또는 하지를 견인하기 위한 로봇을 제어하는 시스템에 있어서, 로봇 몸체, 상기 로봇 몸체에 삽입되는 구조로 결합하여 상하 방향으로 움직이는 수직축, 일단에 인체 고정부(end effector)를 구비하고, 타단은 상기 수직축과 결합되는 견인암, 상기 수직축을 상하 방향으로 움직이기 위한 제 1 모터, 축방향을 기준으로 상기 수직축을 회전시키기 위한 제 2 모터, 및 전압 펄스를 인가하여 상기 제 1 및 제 2 모터를 제어하기 위한 모터 제어부,를 포함하는, 견인 로봇 제어 시스템에 관한 것이다.

Description

환자 상하지 견인 로봇 및 이를 위한 제어 시스템{PATIENT ARM OR LEG TRACTING ROBOT AND CONTROLLING SYSTEM THEREOF}

본 발명의 기술적 사상은 환자의 상하지를 이동시킬 수 있는 의료용 다축 로봇에 관한 것으로, 특히 모터를 효과적으로 제어하기 위한 모터 제어부를 채용한 로봇에 관한 것이다.

최근 교통사고 등에 의하여 정형외과 수술이 급속히 증가하고 있고, 이를 치료하기 위한 수술도 빈번하게 진행되고 있으나, 여전히 높은 수술부위감염(Surgical Site Infection, SSI) 비율로 인해 수술에 들어가기 전 소독처치 과정에 많은 시간이 소요되고 있다.

이러한 소독 처치 시, 수동식 환부소독처치 장치가 사용되고 있으나, 꽤 긴 소독시간(대략 30분~1시간)동안 보조임상인력이 환자의 환부를 손으로 들고 있어야 하며, 이로 인해 소독시간이 지연될 뿐만 아니라 비효율적인 인력 운영이 문제될 수 있다.

이에 따라, 최근 급속히 증가하고 있는 의료로봇시장에 보조를 맞춰 수동식 사지 세척 및 소독용 보조장치 개선에 대한 요구도가 높아지고 있고, 보조임상인력의 효율적 활용 등을 위해 의료용 수술대 사지 세척 및 소독용 다축견인 로봇이 제안되었고, 사용의 편리성, 안정성, 신속성 등에 있어 보다 효율적인 의료기기의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

이러한 다축견인 로봇의 경우, 신체의 일부를 들어올린 상태에서 다양한 방향으로의 움직임이 요구되기 때문에 이를 구동시키는 구동부는 많은 로드를 견딜 수 있어야 한다.

동시에, 이러한 다축견인로봇에 필요한 다수의 구동부(다축 또는 다관절)를 가지는 시스템은 각각의 구동부 간의 동기화가 필수적이다. 왜냐하면, 다수의 모터의 회전으로 시스템이 3차원 공간상에서 일정한 거동을 하게 되는데, 이때 각각의 모터가 동기화 되지 않을 경우(동일한 시간축 기준으로 동작하지 않을 경우) 의도와는 다른 거동 형태를 보이게 되기 때문이다.

이에 따라, 많은 로드를 견딜 수 있으면서 동시에 구동 상태를 지속적으로 피드백해 줄 수 있는 구동부에 대한 연구가 필요한 실정이다.

본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 정형외과 수술 전에, 환자의 상하지를 효율적으로 견인시킬 수 있는 상하지 견인 로봇을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 높은 효율의 에너지 효율을 가지면서 동시에 동작 상태를 지속적으로 피드백해 줄 수 있는 모터 및 이를 구비한 환자의 상하지 견인 로봇을 제공하는 데에 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 기술적 사상은, 환자의 상지 또는 하지를 견인하기 위한 로봇을 제어하는 시스템에 있어서, 로봇 몸체(200); 상기 로봇 몸체(200)에 삽입되는 구조로 결합하여 상하 방향으로 움직이는 수직축(210); 일단에 인체 고정부(end effector)를 구비하고, 타단은 상기 수직축과 결합되는 견인암(240); 상기 수직축(210)을 상하 방향으로 움직이기 위한 제 1 모터(100-1); 축방향을 기준으로 상기 수직축(210)을 회전시키기 위한 제 2 모터(100-2); 및 전압 펄스를 인가하여 상기 제 1 및 제 2 모터(100-1 및 100-2)를 제어하기 위한 모터 제어부(401);를 포함하는, 견인 로봇 제어 시스템을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 제 1 또는 제 2 모터(100-1 또는 100-2) 중 적어도 하나는 BLDC(Brushless DC) 모터이고, 상기 BLDC 모터는 적어도 3개의 상권선(phase winding)(U, V, W)을 구비할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 모터 제어부(401)는, 상기 적어도 3개의 상권선 중에서 2 개의 상권선에 전압 펄스를 인가하고, 상기 적어도 3개의 상권선 중에서 전압 펄스가 인가되지 않은 나머지 1 개의 상권선의 전류를 측정하며, 상기 측정된 전류값이 소정 임계치를 넘으면, 상기 전압 펄스가 인가되는 2 개의 상권선을 변경할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 소정 임계치는, 상기 2 개의 상권선에 인가되는 전압 펄스의 크기에 따라 달라지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 모터 제어부(401)는, 상기 측정된 전류값에 기초하여, 제어하는 모터의 회전을 감지할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 수직축(210)은, 볼 스크류를 더 구비하고, 상기 제 1 모터(100-1)는, 상기 볼 스크류를 회전시켜 상기 수직축(210)을 상하 이동시킬 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 견인줄(231)을 감기 위한 제 3 모터(100-3)를 더 구비하고, 상기 인체 고정부(230)는 상기 견인줄(231)의 일단에 결합되어, 상기 제 3 모터(100-3)에 의해서 상기 견인줄(231)의 타단으로부터 감기면 상기 인체 고정부(230)가 당겨지는 방식으로 견인될 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 다축으로 구비되는 상하지 견인 로봇은, 정형외과 수술 시 요구되는 환부소독처치 시 환자의 상하지를 견인하여 고정시킨 상태에서 원하는 방향으로 자유롭게 이동시킬 수 있어 사용의 편리성, 안정성, 신속성을 증대시킬 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 모터 및 모터 제어부는, 높은 에너지 효율을 가지면서 동시에 모터의 동작 상태를 지속적으로 모니터링할 수 있어서, 다축 견인 장치에 적합한 동작 환경을 제공하여 줄 수 있다. 교효율의 모터가 상하지 견인 로봇의 관절에 적용됨으로써, 로봇의 관절 구동 메커니즘의 소형화, 경량화, 및 단순화에 기여할 수 있고 또한 고속화 및 에너지 절감에도 기여할 수 있다.

도 1 (a), (b) 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상하지 견인 로봇(1000)을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상하지 견인 로봇(1000)을 제어하는 시스템의 블록도 및 내부 단면도를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비엘디시 모터(100) 및 이를 위한 주변 구성에 대한 블록도를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라, 3개의 상권선(502-1 내지 502-3)을 포함하는 고정자 및 회전자(501)의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 고정자와 회전자(501)의 상대적인 각도에 따라 상권선에 인가되는 전압의 방향을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 비엘디시 모터(100)의 시간대별(회전자의 회전 위치에 따른) 각 상권선에 인가되는 신호를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전압 펄스가 인가되지 않은 상태에서의 유도전류 측정값을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전압 펄스가 소정 값 인가된 상태에서의 유도전류 측정값을 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라, 부하가 증감됨에 따라 오프셋을 적용시켜 임계치를 변경하는 순서도를 도시하는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1 (a), (b) 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상하지 견인 로봇(1000)을 개략적으로 보여주는 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상하지 견인 로봇(1000)을 제어하는 시스템의 블록도 및 내부 단면도를 도시하는 도면이다. 이하, 도 1 내지 도 3을 함께 참조하여 설명한다.

도 1a를 참조하면, 본 실시예에 따른　상하지 견인 로봇(1000)은 로봇 몸체(200), 수직축(210), 견인암(240), 인체 고정부(230) 및 사용자 인터페이스(220)를 포함할 수 있다.

제 1 내지 제 3 모터(100-1 내지 100-3)는 로봇 몸체(200), 수직축(210) 및 견인암(240)을 연결시키는 각 관절 내에 배치되어, 수직축(210)을 상하이동시키거나, 견인암(240)을 회전시킬 수 있다.

도 3을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면, 제 1 모터(100-1)는 로봇 몸체(200)의 내부에 구비되어 수직축(210)을 상하 방향으로 움직일 수 있다. 수직축(210)은 볼 스크류(302)를 더 구비하고, 제 1 모터(100-1)는 상기 볼 스크류(302)에 동력을 전달하여 상기 수직축(210)의 상하 이동을 제어할 수 있다.

제 2 모터(100-2)는 로봇 몸체(200)를 중심으로 하여, 수직축(210)의 회전을 제어할 수 있다. 여기서 말하는 회전이란, 도 2에 도시된 바와 같이 수직 방향을 축으로 하는 회전(290)을 의미한다.

제 3 모터(100-3)는 수직축(210) 또는 견인암(240)의 내부에 구비되어 인체 고정부(230)를 끌어 당길 수 있다. 즉, 제 3 모터(100-3)는 견인줄(231)의 일단과 연결되고, 견인줄(231)의 타단은 상기 인체 고정부(230)와 연결되어, 제 3 모터(100-3)에 의해서 견인줄(231)이 감기면 상기 인체 고정부(230)를 당길 수 있다.

로봇 몸체(200)는 내부에 제어부(180)를 구비할 수 있다. 그리고 상술한 바와 같이, 로봇 몸체(200) 내부에는 수직축(210)이 삽입되는 구조로 결합하며, 수직축(210)을 이동시키고　제어하는 제 1 모터(100-1)가 배치될 수 있다. 한편, 로봇 몸체(200) 내부에 배치된 제어부(180)는 외부로부터 인가된 작업 명령에 따라 연산을 통해　제어　명령을 생성하여 통신 케이블(미도시)을 제 1 내지 제 3 모터(100-1 내지 100-3)로 전달할 수 있다. 도시된 바와 같이 제어부(180)는 전원 케이블(미도시)을 통해 1 내지 제 3 모터(100-1 내지 100-3) 각각으로 전원을 공급할 수도 있다.

로봇 몸체(200)는, 그 것의 배면에 바퀴(305)를 구비하여 필요로 하는 위치로 편리하게 이동될 수 있으며, 이동이 된 위치에서 안정적으로 고정되기 위하여 바닥지지다리(304)를 더 구비할 수 있다.

또한 로봇 몸체(200)는, 수술 침대(320)에 효과적으로 고정시키기 위한 침대결합부(303)를 더 포함할 수 있다.

즉, 로봇 몸체(200)는 환자(310)가 누워있는 수술 침대(320)에 인접한 위치로 이동하여 침대결합부(303)를 통하여 수술 침대(320)와 결합된 상태로 구동될 수 있다. 도 1을 참조하면, 상하지 견인 로봇(1000)은, 수직축(210)을 상하이동시키거나 견인암(240)을 회전시켜 환자의 상지 또는 하지를 인체 고정부(230)에 결합시킨 후, 이를 들어올려 고정시킬 수 있다. 이와 같이 상지 또는 하지가 들어올려져 고정된 상태에서 의료관계자에 의해 손쉽게 환부 소독을 수행되어질 수 있다. 또한, 이렇게 고정된 상태로 환부를 소독하다가, 다른 각도의 소독이 필요한 경우 견인암(240)이나 수직축의 이동을 통하여 원하는 각도로의 상하지의 이동을 수행할 수 있을 것이다.

수직축(210)은 상술한 바와 같이 로봇 몸체(200)에 삽입되는 구조로 결합하며, 상기 제 1 모터(100-1)에 의해 화살표로 표시된 바와 같이 상하 수직방향(도 2의 291 방향)으로 이동할 수 있다. 이러한 수직축(210)은 도시된 바와 같이 전체적으로 원기둥 형상을 가질 수 있고, 상부에는 견인암(240)이 결합할 수 있다. 좀더 구체적으로, 견인암(240)이 수직축(210)의 상부와 기계적으로 결합 할 수 있다. 여기서 기계적 결합은 볼트/너트, 리벳, 용접, 등을 이용하여 두 개의 공작물을 매우 견고하게 결합시키는 것을 의미할 수 있다.

한편, 견인암(240)의 왼쪽 말단 부분에는 인체 고정부(230)가 결합할 수 있다.

상술한 견인암(240)과 수직축(210)의 결합 부위 및 수직축(210)과 로봇 본체(200)와의 결합 부위 각각은 관절이라고 부를 수 있다. 즉, 상술한 로봇 본체(200)에서 인체 고정부(230)까지 포함하여 다관절 로봇이라고 부를 수 있으며, 본 발명의 일실시예에 따른 상하지 견인 로봇은 움직일 수 있는 자유도를 고려하였을 때 3축의 다관절 로봇으로 표현되고 있으나, 이러한 축의 개수에 한정되는 것은 아니다.

인체 고정부(230)는 견인하고자 하는 대상물(환자의 상하지)을 파지하는 부분이다. 인체 고정부(230)는 집게 형태로 구비되어 제어부(180)에 따른 신호에 의해서 환자의 상하지를 집어 고정시킬 수 있을 것이다.

물론 집게의 구체적인 형상은 다양하게 변형될 수 있다. 덧붙여, 인체 고정부(230)가 집게 형상을 갖는 경우 집게 형상의 인체 고정부(230)를 움직이고　제어하는 구동 장치가 포함될 수 있다.

사용자 인터페이스(220)는, 상하지 견인 로봇의 현재 동작 상태를 출력해 주고, 사용자로부터 제어 명령을 입력 받아 제어부(180)에 전달할 수 있을 것이다.

제어부(180)는, 사용자 인터페이스(220)로부터 수신되는 사용자 명령에 기초하여 상하지 견인 로봇의 전반적인 제어를 수행한다. 제어부(180)는 위에서 살펴본 구성요소들을 통해 입력 또는 출력되는 신호, 데이터, 정보 등을 처리하거나 메모리(170)에 저장된 응용 프로그램을 구동함으로써, 사용자에게 적절한 정보 또는 기능을 제공 또는 처리할 수 있다. 제어부(180)는 메모리(170)에 저장된 응용 프로그램을 구동하기 위하여, 도 1 및 도 2와 함께 살펴본 구성요소들 중 적어도 일부를 제어할 수 있다.

특히 제어부(180)는, (모터 제어부(401)를 통하여) 사용자로부터의 제어 명령에 기초하여 제 1 내지 제 3 모터(100-1 내지 100-3)를 연동하여 제어할 수 있다. 또한 제 1 내지 제 3 모터(100-1 내지 100-3)로부터의 동작 상태 감지 정보를 수신하고 이에 기초하여 제 1 내지 제 3 모터(100-1 내지 100-3)에 인가되는 전압 펄스의 세기를 조절할 수 있다. 예를 들어서, 특정 모터에 대한 회전이 의도했던 제어 동작에 못미칠 경우, 그 특정 모터에 대한 전압 펄스의 세기를 조절하여 해당 모터가 소모하는 전력을 상향조정시킬 수 있다. 즉, 그 특정 모터에 대한 부하가 증가할 경우, 더 높은 전압 펄스를 인가하여 원하는 제어 동작을 수행하기 위함이다.

전원공급부(190)는 제어부(180)의 제어 하에서, 외부의 전원, 내부의 전원을 인가 받아 상하지 견인 로봇(1000)에 포함된 각 구성요소들에 전원을 공급한다. 이러한 전원공급부(190)는 배터리를 포함하며, 상기 배터리는 내장형 배터리 또는 교체가능한 형태의 배터리가 될 수 있다. 전원공급부(190)는 전원 케이블을 통하여 제 1 내지 제 3 모터(100-1 내지 100-3) 각각에 전원을 공급할 수 있다.

상술한 바와 같이, 다관절 로봇의 경우에는 3차원 공간 상에서 움직여야 하기 때문에 자연스러운 움직임을 위해서는 움직임에 대한 피드백이 요구된다. 즉, 복수 개의 모터를 동시에 제어하면서, 해당 모터들의 모니터링이 함께 수행되어야 한다. 더욱이, 환자의 상하지를 움직이기 위해서는 높은 수치의 토크가 요구될 것이다. 이러한 요건들을 모두 만족시키기 위해서 본 발명에서는 비엘디시(BLDC) 모터를 채용한다.

일반적으로 비엘디시(Brushless Direct Current : BLDC)모터는 고정자에 3상의 코일을 감아 회전자계를 형성하고 회전자에는 영구자석을 부착하여 고정자에서 형성된 자계와 영구자석의 자계와의 상호작용에 의해 회전력을 얻는 직류모터의 일종이다.

비엘디시 모터는 운전의 편의성과 회전수 조절의 용이성 등의 직류모터의 장점을 모두 포함하면서 직류모터의 단점인 브러시를 없애 소음과 유지비를 저감함으로써 최근 다양한 분야에 많이 사용되고 있다. 즉, 브러시가 존재할 경우, 브러시의 마모로 인하여 지속적인 유지보수가 필요한 반면, 비엘디시 모터의 경우에는 브러시의 유지보수가 필요하지 않기 때문에 거의 반영구적으로 이용할 수 있다는 장점이 있다.

비엘디시 모터는 회전자의 위치를 검출하여 검출된 회전자의 위치에 따라 파워구동모듈에 제어신호를 인가하여 적절한 전류를 고정자의 3상 코일에 흘려 줌으로써 회전자의 자계와 고정자에 인가된 전류에 의한 자계의 상호작용에 의해 회전력을 얻는다.

이러한 비엘디시 모터의 회전에 있어서 회전자의 위치의 검출이 필수적인데 회전자의 위치를 검출하기 위해 자속의 변화에 따라 전위차가 달라지는 홀센서를 설치하여 회전자의 위치를 파악한다. 회전자의 위치를 파악하는 것이 일반적이다. 하지만 홀센서를 이용하는 경우 고온, 고압 환경 하에서 동작하는 모터에는 취부가 불가능하여 압축기 등의 구동에는 사용할 수 없는 문제점이 존재하며, 높은 부하 환경에서 정확한 고정자 위치를 확인할 수 없다는 단점이 있다. 즉, 본 발명에서와 같이, 환자의 상하지를 고정시킨 채로 이동시키는 경우, 홀 센서를 통한 정확한 고정자의 위치를 확인할 수 없을 것이다.

따라서, 본 발명의 일실시에에서는, 높은 부하 환경에서도 정확하게 고정자의 위치를 검출할 수 있으며, 회전자의 회전 상태를 지속적으로 피드백해 줄 수 있는 모터에 대해서 제안한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비엘디시 모터(100) 및 이를 위한 주변 구성에 대한 블록도를 도시하는 도면이다. 모터의 주변 구성으로는, 모터 제어부(401), 권선 스위칭부(402) 및 권선 전류계(403)를 포함할 수 있다.

비엘디시 모터는 적어도 3개의 상권선(phase winding)(U, V, W)을 구비할 수 있다.

모터 제어부(401)는, 상기 상권선(U, V, W)을 제어하기 위한 제어 신호를 권선 스위칭부(402)에 전달할 수 있다. 권선 스위칭부(402)는 Vpower 전압을 공급 받고, 복수 개의 스위칭 동작을 통하여 상기 3개의 상권선(U, V, W)에 펄스 전압을 인가할 수 있다.

이하, 비엘디시 모터의 동작 방식에 대해서 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따라, 3개의 상권선(502-1 내지 502-3)을 포함하는 고정자 및 회전자(501)의 동작을 설명하기 위한 개념도이다. 도 6은 고정자와 회전자(501)의 상대적인 각도에 따라 상권선에 인가되는 전압의 방향을 도시하는 도면이다.

도시된 도면에 따르면, 회전자(501)는 N극(501-1)과 S극(501-2)을 구비하며, 고정자의 내측에서 시계방향(clockwise)으로 회전하는 것을 기준으로 설명한다.

회전의 상대적인 위치를 설명하기 위하여, S극이 U 상권선(502-2)와 일치하는 시점을 기준으로 하여 시계 방향으로 회전할 경우 + 각도, 역시계 방향으로 회전할 경우 - 각도로 회전 위치를 기술하기로 한다. 즉, 도 5에 도시된 상태에서의 회전된 위치는 -30° 내지 30°에 속한다.

도시된 도면의 회전자(501)의 N극(501-1) 위치를 참조하면, W 상권선(502-1)의 위치에서 시계방향으로 다소 회전한 상태이다. 이러한 상태에서 W 상권선(502-1)에 N극이 유도되고, V 상권선(502-3)에서 S극이 유도될 경우, 회전자(501)의 N극(501-1)은 시계방향으로의 회전 모멘텀을 가질 수 있을 것이다. 따라서, W 상권선(502-1)의 전압은 N극을 유도시킬 수 있는 전압 펄스(W+ 신호라 함)가 인가되고, V 상권선(502-3)의 전압은 S극을 유도시킬 수 있는 전압 펄스(V- 신호라 함)이 인가될 수 있다.

즉, 상술한 모터 제어부(401)는, 권선 스위칭부(402)의 복수 개의 스위치 각각을 제어하여 상술한 W+ 신호 및 V-신호를 형성하여 모터(100)에 전달할 수 있다.

도 6에 도시된 회전자(501)의 위치 및 각각의 인가되는 전압 펄스 신호는 아래 표와 같을 것이다.

도 6의 상태	회전 위치	U 상권선에 인가되는 신호	V 상권선에 인가되는 신호	W 상권선에 인가되는 신호
(a) 상태	-30° ~ 30°	-	V-	W+
(b) 상태	30° ~ 90°	U-	-	W+
(c) 상태	90° ~ 150°	U-	V+	-
(d) 상태	150° ~ 210°	-	V+	W-
(e) 상태	210° ~ 270°	U+	-	W-
(f) 상태	270° ~ 330°	U+	V-	-

(a)상태는, 도 5와 관련되어 설명하였기 때문에, 이어서 (b) 상태를 예시로 설명한다. (b) 상태를 참조하면, 회전자(501)의 S극(501-2)이 U 상권선(502-2)에서부터 W 상권선(502-1)로 이동하는 상태이다.

U 상권선(502-2)에 S극을 유도시킬 경우, 상기 회전자(501)의 S극(501-2)을 밀어내는 척력이 발생되어, 시계방향으로의 회전 모멘텀을 발생할 수 있을 것이다. 또한, W 상권선(502-1)에 N극을 유도시킬 경우, 상기 회전자(501)의 S극(501-2)을 당기는 인력이 발생되어, 시계방향으로의 회전 모멘텀을 발생시킬 수 있을 것이다. 때문에, 상기 모터 제어부(401)는 (b)상태에서는 U 상권선(502-2)에 U- 신호를, W 상권선(502-1)에는 W+ 신호를 인가되도록 상기 권선 스위칭부(402)에 신호를 송신할 수 있다.

나머지 (c) 내지 (f) 상태도 동일한 원리로 설명할 수 있을 것이다. 이러한 표 1의 시간대별 인가 신호를 도 7의 그래프와 같이 정리할 수 있을 것이다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 비엘디시 모터(100)의 시간대별(회전자의 회전 위치에 따른) 각 상권선에 인가되는 신호를 도시하는 도면이다.

도시된 바와 같이, 회전자의 상대적인 위치((a) 내지 (f) 상태)에 따라서 인가되어야 하는 신호가 달라지게 된다.

한편, 회전자가 일정한 각속도로 회전할 경우, 이러한 회전자의 위치를 정확하게 모니터링하여 상기 도 7에 도시된 신호를 인가하는 것은 어렵지 않다. 하지만, 회전자가 일정한 각속도로 회전하지 않고, 외부로부터의 부하에 의해서 각속도가 달라지거나 역회전이 발생하는 경우, 단순한 홀센서에 의한 감지만으로는 상기 회전자의 정확한 위치에 따른 신호를 인가할 수 없다.

따라서, 본 발명에서는, 회전자의 위치를 보다 정확하게 감지하여 정확하게 상기 신호를 인가하는 모터에 대해 제안한다.

이를 위하여 본 발명의 일실시예에서는, 각 상권선(502-1 내지 502-3)에 대한 전류를 측정하는 권선 전류계(403)를 더 구비한다. 권선 전류계(403)는, 측정된 전류값을 모터 제어부(401)에 전달할 수 있다.

그리고 모터 제어부(401)는 상기 적어도 3개의 상권선 중에서 2 개의 상권선에 전압 펄스를 인가하고, 상기 적어도 3개의 상권선 중에서 전압 펄스가 인가되지 않은 나머지 1 개의 상권선의 전류를 측정하며, 상기 측정된 전류값이 소정 임계치를 넘으면, 상기 전압 펄스가 인가되는 2 개의 상권선을 변경한다. 도 5의 예시에서, W 및 U 상권선(502-1 및 502-3)에 전압 펄스가 인가되어 있는 상태에서 U 상권선(502-2)의 유도 전류를 측정하고, 해당 유도 전류가 소정 임계치를 넘을 때(exceed) 다음 상태의 입력으로 전환((a) 상태에서 (b) 상태로 전환)할 수 있다. 즉, 2 개의 상권선을 변경한다는 것은, 다음 상태의 입력으로 전환하는 것을 의미할 수 있다.

즉, 전압 펄스가 인가된 상권선이 아닌, 전압 펄스가 인가되지 않은 상권선에 대한 유도전류를 측정하는 것이다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전압 펄스가 인가되지 않은 상태에서의 유도전류 측정값을 도시하는 도면이다. 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전압 펄스가 소정 값 인가된 상태에서의 유도전류 측정값을 도시하는 도면이다.

도 8에 도시된 바에 따르면, 어떠한 상권선에도 전압 펄스가 인가되지 않은 상태에서 회전자를 회전시킬 경우, 유도전류는 일정한 정현파 형태를 띌 수 있다. 즉, 유도전류의 파형을 분석하여 회전자의 위치를 정확하게 측정할 수 있다고 해석할 수 있다. 그래프를 살펴보면, U 상권선(502-2)에 유도되는 전류 I_U(측정값)를 살펴보면, 1.5[s]를 기준으로 하였을 때 0[A]이며, 1.25[s]에서는 -1.5[A], 1.75[s]에서는 1.5[A]가 측정되었다. 이러한 전류 I_U를 기준으로 회전자의 위치를 판단하였을 때, 회전자는 1.25[s] 에서 -30° 그리고, 1.75[s]에서 30°를 나타낸다. 따라서, 도 8에서 전압 펄스 인가를 위한 회전자의 위치를 파악하기 위해서는, 유도전류의 측정치가 소정 임계치(1.5[A] 또는, -1.5[A])에 도달하였을 때 전압 펄스가 인가되는 상권선을 전환할 수 있을 것이다.

하지만, 도 8에서는 다른 상권선에 전압 펄스가 인가되지 않은 상태에서 측정된 유도전류의 그래프를 도시하는 도면이며, 다른 상권선에 전압 펄스가 인가된 상태에서 유도전류를 측정할 경우 도 9와 같이 유도 전류가 변경된다. 즉, 두 상권선에 인가되는 전압 펄스에 의해서 발생되는 자기장의 영향을 받기 때문에, 이와 같이 유도 전류의 파형이 변경될 수 있는 것이다.

마찬가지로, 1.25[s]에서 1.75[s]를 참조하면, 측정된 전류는 각각 0[A]와 3[A]이다. 즉, 상술한 임계치(1.5[A] 또는, -1.5[A])를 이용할 경우, 정확한 회전자의 위치 측정이 불가능할 것이다. 따라서 본 발명의 일실시예에서는, 임계치에 소정 오프셋을 적용하도록 제안한다. 이러한 오프셋은, 두 상권선에 인가되는 전압 펄스의 값에 비례하는 값이다. 즉, 오프셋을 적용하여 제 1 임계치에서 제 2 임계치로 변경시킬 수 있다.

예를 들어서, 전압 펄스의 값이 두 배가 된다면, 상기 오프셋의 값도 두 배로 조정될 수 있다.

도시된 도면에서는, 임계치에 +1.5[A]의 오프셋이 적용되어, 0[A] 및 3[A]의 임계치가 적용될 수 있다. 이러한 임계치는 상기 U 상권선(502-2)에만 적용되는 것이 아니라, 다른 W 및 V 상권선(502-1 및 502-3)에도 적용될 수 있다.

더 나아가, 제어부(180)는, 상기 측정된 전류값에 기초하여 상기 회전자의 회전 위치를 파악할 수도 있을 것이다. 즉, 측정된 전류가 정현파 파형 상에서 위치하는 곳에 따라서 회전자의 상대적인 회전 위치를 파악할 수 있기 때문이다. 제어부(180)는 이러한 회전자의 회전 위치를 판단하여, 각 모터에 인가되는 부하의 증감을 판단할 수 있을 것이다. 즉, 일반적인 회전자의 위치 보다 회전이 덜 된 위치에 회전자가 존재한다면, 그 만큼 부하가 높아졌다고 판단할 수 있을 것이다. 또는 회전자의 회전 주기가 길어질 경우, 그 만큼 부하가 더 높아졌다고 판단할 수도 있을 것이다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따라, 부하가 증감됨에 따라 오프셋을 적용시켜 임계치를 변경하는 순서도를 도시하는 도면이다.

S1001 단계에서 모터 제어부(401)는 제 1 세기의 전압 펄스 및 제 1 임계치를 이용하여 모터를 제어할 수 있다. 모터에 걸리는 부하가 증감됨에 따라서 모터에 인가되는 전압 펄스의 세기를 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 즉, S1001 단계에서와 같이 부하가 증가되면 S1005 단계로 이동하고, 부하가 감소되면 S1003 단계로 이동하며, 또는 부하가 그대로 유지될 경우 S1001 단계로 복귀할 수 있다.

S1003 단계에서 제어부(180)는 제 1 세기의 전압 펄스를 제 2 세기로 변경한다. 제 2 세기는 제 1 세기 보다 작은 값이다. 즉, 인가되는 부하가 감소하였다면, 그 만큼 낮은 크기의 전압 펄스를 인가할 수 있다.

전압 펄스의 세기가 낮아졌다면, 제어부(180)는 오프셋 값을 그거에 비례하여 낮출 수 있다. 즉, 전압 펄스의 세기에 비례하여 오프셋 값을 적용할 수 있다.

반대로, S1005 단계에서 제어부(180)는 제 1 세기의 전압 펄스를 제 3 세기로 변경한다. 제 3 세기는 제 1 세기 보다 큰 값이다. 즉, 인가되는 부하가 증가하였다면, 그 만큼 높은 크기의 전압 펄스를 인가할 수 있다.

전압 펄스의 세기가 높아졌다면, 제어부(180)는 오프셋 값을 그거에 비례하여 키울 수 있다. 마찬가지로, 전압 펄스의 세기에 비례하여 오프셋 값을 적용할 수 있기 때문이다.

S1007단계에서는 변경된 전압 펄스의 세기와 변경된 임계치에 기초하여 모터를 제어할 수 있다. 즉, 변경된 임계치에 도달하는 전류의 값이 측정될 경우, 전압 펄스가 인가되어 있는 2 개의 상권선을 다른 2 개로 치환할 수 있다.

이상으로 본 발명에 따른 상하지 견인 로봇 및 이를 제어하기 위한 시스템의 실시예를 설시하였으나 이는 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이에 의하여 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 작용이 제한되지는 아니하는 것으로, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 도면 또는 도면을 참조한 설명에 의해 한정／제한되지는 아니하는 것이다. 또한 본 발명에서 제시된 발명의 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로써 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 사용되어질 수 있을 것인데, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의한 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허청구범위에서 기술되는 본 발명의 기술적 범위에 구속되는 것으로서, 특허청구범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능한 것이다.

Claims

환자의 상지 또는 하지를 견인하기 위한 로봇을 제어하는 시스템에 있어서,
로봇 몸체(200);
상기 로봇 몸체(200)에 삽입되는 구조로 결합하여 상하 방향으로 움직이는 수직축(210);
일단에 인체 고정부(end effector)를 구비하고, 타단은 상기 수직축과 결합되는 견인암(240);
상기 수직축(210)을 상하 방향으로 움직이기 위한 제 1 모터(100-1);
축방향을 기준으로 상기 수직축(210)을 회전시키기 위한 제 2 모터(100-2); 및
전압 펄스를 인가하여 상기 제 1 및 제 2 모터(100-1 및 100-2)를 제어하기 위한 모터 제어부(401);를 포함하는,
견인 로봇 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 또는 제 2 모터(100-1 또는 100-2) 중 적어도 하나는 비엘디시(BLDC, Brushless DC) 모터이고,
상기 비엘디시 모터는 적어도 3개의 상권선(phase winding)(U, V, W)을 구비하는,
견인 로봇 제어 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 모터 제어부(401)는,
상기 적어도 3개의 상권선 중에서 2 개의 상권선에 전압 펄스를 인가하고,
상기 적어도 3개의 상권선 중에서 전압 펄스가 인가되지 않은 나머지 1 개의 상권선의 전류를 측정하며,
상기 측정된 전류값이 소정 임계치를 넘으면, 상기 전압 펄스가 인가되는 2 개의 상권선을 변경하는,
견인 로봇 제어 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 소정 임계치는, 상기 2 개의 상권선에 인가되는 전압 펄스의 크기에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는,
견인 로봇 제어 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 모터 제어부(401)는,
상기 측정된 전류값에 기초하여, 제어하는 모터의 회전을 감지하는,
견인 로봇 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 수직축(210)은, 볼 스크류를 더 구비하고,
상기 제 1 모터(100-1)는, 상기 볼 스크류를 회전시켜 상기 수직축(210)을 상하 이동시키는,
견인 로봇 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
견인줄(231)을 감기 위한 제 3 모터(100-3)를 더 구비하고,
상기 인체 고정부(230)는 상기 견인줄(231)의 일단에 결합되어, 상기 제 3 모터(100-3)에 의해서 상기 견인줄(231)의 타단으로부터 감기면 상기 인체 고정부(230)가 당겨지는,
견인 로봇 제어 시스템.