KR102495396B1 - Medical multi-dof robot - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따른 의료용다자유도 로봇은 제1전단부와 제1 후단부를 갖는 제1링크 암; 제1 전단부에 설치되어 제1전단부를 제1회전축을 중심으로 회동시키는 제1액츄에이터; 제2 전단부와 제2후단부를 갖는 제2링크 암; 제1 후단부에 설치되어 제2전단부를 제2회전축을 중심으로 회동시키는 제2 액츄에이터; 및 제2 후단부에 연결되는 자극 유닛을 포함하고, 자극 유닛은, 제2 후단부에 연결되는 선형 이동 장치; 선형 이동 장치에 연결되어 2개 이상의 자유도를 제공하는 자세 조절 장치;및 자세 조절 장치에 연결되는 자성 자극기를 포함할 수 있다A medical multi-degree-of-freedom robot according to an embodiment includes a first link arm having a first front end and a first rear end; a first actuator installed on the first front end to rotate the first front end about a first rotation axis; a second link arm having a second front end and a second rear end; a second actuator installed at the first rear end to rotate the second front end about a second rotation axis; and a stimulation unit connected to the second rear end, wherein the stimulation unit includes: a linear movement device connected to the second rear end; A posture control device connected to the linear movement device to provide two or more degrees of freedom; and a magnetic stimulator connected to the posture control device.
Description
본 발명은 자성 자극기에 6자유도 움직임을 제공할 수 있는 의료용 다자유도 로봇에 관한 것이다.The present invention relates to a medical multi-degree-of-freedom robot capable of providing six-degree-of-freedom movement to a magnetic stimulator.
뇌는 머리의 내부에 위치하는 기관으로 신경계의 최고 중추기관이다. 뇌는 대뇌(cerebrum), 소뇌(cerebellum), 중간뇌(midbrain, mesencephalon), 다리뇌(pons) 및 연수(medulla)로 나뉘어지며, 뇌파(brainwave)를 발생한다. 뇌파는 뇌전도(electroencephalography, EEG)라고도 하며, 신경계에서 뇌신경 사이에 신호가 전달될때 생기는 전기의 흐름을 말한다. 뇌파는 두뇌가 다양한 정보를 처리할 때 다르게 나타나며 뇌의 활동 상황을 측정하는 가장 중요한 지표이다.The brain is an organ located inside the head and is the highest central organ of the nervous system. The brain is divided into cerebrum, cerebellum, midbrain, mesencephalon, pons, and medulla, and generates brainwaves. EEG, also called electroencephalography (EEG), refers to the flow of electricity generated when signals are transmitted from the nervous system to cranial nerves. EEG appears differently when the brain processes various information and is the most important index for measuring the activity of the brain.
뇌에 전기적인 자극을 가하면 손떨림과 같은 신경증상을 치료하거나 완화시킬 수 있다. 뇌에 전기적인 자극을가하는 방법에는 침습형 뇌 전기 자극 방법과 비침습형 뇌 전기 자극 방법이 있다. 침습형 뇌 전기 자극 방법은 수술을 통해 뇌에 전극을 삽입하고, 전극에 전기 신호를 가하는 방법이다. 이에 비하여 비침습형 뇌 전기 자극방법은 두피에 전극을 접착시킨 다음, 전극에 전기 신호를 가하는 방법이다. 비침습형 뇌 전기 자극 방법은 침습형 뇌 전기 자극 방법에 비하여 비용과 위험이 적다는 장점이 있다. 이에 따라 비침습적인 방법으로 뇌에 전기 자극을 가할 수 있는 전기 자극 장치에 대한 연구 및 개발이 이루어지고 있다.Applying electrical stimulation to the brain can treat or alleviate neurological symptoms such as hand tremor. Methods of applying electrical stimulation to the brain include an invasive brain electrical stimulation method and a non-invasive brain electrical stimulation method. The invasive brain electrical stimulation method is a method of surgically inserting electrodes into the brain and applying electrical signals to the electrodes. In contrast, the non-invasive brain electrical stimulation method is a method in which electrodes are attached to the scalp and then electrical signals are applied to the electrodes. The non-invasive brain electrical stimulation method has the advantage of lower cost and risk compared to the invasive brain electrical stimulation method. Accordingly, research and development on an electrical stimulation device capable of applying electrical stimulation to the brain in a non-invasive manner has been conducted.
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. 실제로 환자 뇌의 특정부위를 자극하여 치매, 간질, 우울증 등 치료 사례가 보고되고 있다.Non-invasive brain stimulation is in the limelight in terms of treatment of various neuro/psychiatric diseases, and typical technologies include transcranial magnetic stimulation (TMS), transcranial direct current stimulation (tDCS), and transcranial ultrasound stimulation (TUS). there is. In fact, treatment cases such as dementia, epilepsy, and depression have been reported by stimulating specific parts of the patient's brain.
비침습형 자극 뇌 자극 방법은 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. 따라서, 높은 기대성능에도 불구하고 아직까지 널리 이용되지 못하고 있다. Most of the non-invasive stimulation brain stimulation methods use a method of adjusting the position and angle of the stimulation by human hands, making it difficult to accurately apply the stimulation to the desired location, which has a disadvantage in that the reproducibility of the stimulation effect is poor. Therefore, despite its high expected performance, it has not yet been widely used.
이러한 문제점을 극복하기 위해 최근 로봇을 이용하여 뇌자극의 정확도를 높이려는 노력들이 있었다. 예를 들어 ①기존의 6자유도 직렬형 로봇암, ②직렬형 구형 메커니즘, ③6자유도 병렬형 메커니즘 등을 이용한 연구에서는, 정밀한 자극을 통해 뇌 자극 성능을 많이 향상시킬 수 있었다. 그러나, 직렬형 형태의 로봇은 안전성이 낮으며 제어에 실패하는 경우 사람의 머리에 큰 충격을 가할 수 있다는 문제점이 있고, 기존의 구형(spherical) 메커니즘과 병렬형 구조의 로봇의 경우 안전성의 확보가 가능할 수는 있으나, 장비의 크기가 커지고 고가의 제작비를 필요로 한다는 점에서 문제점이 있다.In order to overcome these problems, efforts have been made to increase the accuracy of brain stimulation using robots. For example, in studies using ① existing 6-DOF serial robot arm, ② serial spherical mechanism, and ③ 6-DOF parallel mechanism, brain stimulation performance could be greatly improved through precise stimulation. However, serial type robots have a problem in that safety is low and a large impact can be applied to a person's head if control fails. It may be possible, but there is a problem in that the size of the equipment increases and expensive manufacturing costs are required.
따라서, 높은 안전성을 확보하는 동시에 정확도가 높은(즉, 환자의 운동 보상도 원활하게 수행할 수 있는) 뇌 자극 장치의 개발이 요구되며, 저가이면서 간단한 설치와 조작만으로도 정확하고 반복적인 자극을 할 수 있는 장비의 개발이 필요하다.Therefore, it is required to develop a brain stimulation device that secures high safety and has high accuracy (that is, can smoothly compensate for the patient's motion), and can perform accurate and repetitive stimulation with low-cost and simple installation and operation. equipment needs to be developed.
본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇은 제1전단부와 제1 후단부를 갖는 제1링크 암; 제1 전단부에 설치되어 제1전단부를 제1회전축을 중심으로 회동시키는 제1액츄에이터; 제2 전단부와 제2후단부를 갖는 제2링크 암; 제1 후단부에 설치되어 제2전단부를 제2회전축을 중심으로 회동시키는 제2 액츄에이터; 및 제2 후단부에 연결되는 자극 유닛을 포함하고, 자극 유닛은, 제2 후단부에 연결되는 선형 이동 장치; 선형 이동 장치에 연결되어 2개 이상의 자유도를 제공하는 자세 조절 장치; 및 자세 조절 장치에 연결되는 자성 자극기를 포함할 수 있다.A medical multi-degree-of-freedom robot according to an embodiment of the present invention includes a first link arm having a first front end and a first rear end; a first actuator installed on the first front end to rotate the first front end about a first rotation axis; a second link arm having a second front end and a second rear end; a second actuator installed at the first rear end to rotate the second front end about a second rotation axis; and a stimulation unit connected to the second rear end, wherein the stimulation unit includes: a linear movement device connected to the second rear end; a posture control device connected to the linear movement device to provide two or more degrees of freedom; and a magnetic stimulator connected to the posture control device.
일 실시예에 따르면, 자세 조절 장치는, 선형 이동 장치에 설치되고, 제3 전단부와 제3 후단부를 갖는 제3 링크 암; 제4 전단부와 제4 후단부를 갖는 제4 링크 암; 제3 후단부에 설치되어 제4 전단부를 제3 회전축을 중심으로 회동시키는 제3 액츄에이터; 제5전단부와 제5후단부를 갖는 제5링크 암; 제4 후단부에 설치되어 제5전단부를 제3 회전축에 수직한 제4 회전축을 중심으로 회동시키는 제4 액츄에이터; 제6 전단부와 제6후단부를 갖는 제6링크 암; 및 제5후단부에 설치되어 제6 전단부를 제3 및 제4 회전축에 수직한 제5회전축으로 회동시키는 제5액츄에이터를 포함하고, 자성 자극기는 제6 후단부에 연결될 수 있다.According to one embodiment, the posture control device may include a third link arm installed in a linear movement device and having a third front end and a third rear end; a fourth link arm having a fourth front end and a fourth rear end; a third actuator installed at the third rear end to rotate the fourth front end about a third rotation axis; a fifth link arm having a fifth front end and a fifth rear end; a fourth actuator installed at the fourth rear end to rotate the fifth front end about a fourth rotational axis perpendicular to the third rotational axis; a sixth link arm having a sixth front end and a sixth rear end; and a fifth actuator installed at the fifth rear end to rotate the sixth front end about a fifth rotational axis perpendicular to the third and fourth rotational axes, and a magnetic stimulator may be connected to the sixth rear end.
일 실시예에 따르면, 제1액츄에이터와 제1전단부 사이, 및 제2액츄에이터와 제2전단부 사이 각각에는 토션 스프링이 설치될 수 있다.According to one embodiment, a torsion spring may be installed between the first actuator and the first front end and between the second actuator and the second front end, respectively.
일 실시예에 따르면, 지면에 설치되는 스탠드; 및 스탠드의 상부에 설치되고 제1액츄에이터가 연결되는 높이 조절 유닛을 더 포함하고, 높이 조절 유닛은 제1및 제2 회전축의 교차점이 피자극자의 머리 중심과 일치하도록 제1액츄에이터의 높이를 조절할 수 있다.According to one embodiment, a stand installed on the ground; And a height adjustment unit installed on the top of the stand and connected to the first actuator, wherein the height adjustment unit adjusts the height of the first actuator so that the intersection point of the first and second rotation axes coincides with the center of the head of the pizza pole. there is.
일 실시예에 따르면, 자극 유닛은, 제6 후단부에 설치되는 토크 센서; 및 토크 센서에 연결되는 무빙 플랫폼을 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the stimulation unit may include a torque sensor installed at the sixth rear end; and a moving platform connected to the torque sensor.
일 실시예에 따르면, 제1액츄에이터는 제1 모터와 제1감속기를 포함하고, 제2액츄에이터는 제2모터와 제2감속기를 포함하고, 제1및 제2감속기는 각각 하모닉 드라이브로 구성될 수 있다.According to one embodiment, the first actuator includes a first motor and a first reducer, the second actuator includes a second motor and a second reducer, and the first and second reducers may each be configured as a harmonic drive. there is.
일 실시예에 따르면, 제1액츄에이터는 제1링크 암의 자유 회동을 방지하는 제1브레이크를 더 포함하고, 제2액츄에이터는 제2링크 암의 자유 회동을 방지하는 제2브레이크를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the first actuator may further include a first brake to prevent free rotation of the first link arm, and the second actuator may further include a second brake to prevent free rotation of the second link arm. there is.
일 실시예에 따르면, 제1링크 암과 피자극자의 머리 중심 사이의 거리는 제2링크 암과 머리 중심 사이의 거리보다 길 수 있다.According to one embodiment, the distance between the first link arm and the center of the head of the pizza pole may be longer than the distance between the second link arm and the center of the head.
일 실시예에 따르면, 제3 내지 제5회전축의 연장선은 하나의 교차점에서 교차하도록 구성될 수 있다.According to one embodiment, the extension lines of the third to fifth rotation shafts may be configured to intersect at one intersection point.
일 실시예에 따르면, 교차점은 제3 링크 암의 이동시 선형 이동 장치의 선형 축을 따라 이동하도록 구성될 수 있다.According to one embodiment, the intersection point may be configured to move along a linear axis of the linear movement device when the third link arm moves.
일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 링크 암은 피자극자의 머리를 감싸도록 각각 구형(spherical) 프레임으로 구성되고, 자성 자극기는 비침습적 뇌자극기일 수 있다.According to one embodiment, the first and second link arms are each configured as a spherical frame to enclose the head of a pizza stimulator, and the magnetic stimulator may be a non-invasive brain stimulator.
일 실시예에 따르면, 자세 조절 장치는 자성 자극기의 롤, 피치, 요우 각도를 조절하여자성 자극기의 자세를 제어하도록 구성될 수 있다.According to one embodiment, the posture adjusting device may be configured to control the posture of the magnetic stimulator by adjusting roll, pitch, and yaw angles of the magnetic stimulator.
본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇의 제어 방법에 있어서, 피자극자에 대한 자극 초점의 위치와 방향을 설정하는 단계; 역기구학(inverse kinematic) 분석을 수행하여 제1 내지 제5 액츄에이터 및 선형 이동 장치의 입력값을 계산하는 단계; 입력값에 따라 제1및 제2링크 암을 이동시키는 단계; 입력값에 따라 제4내지 제6링크 암을 이동시켜서 자성 자극기의 자세를 고정하는 단계; 및 입력값에 따라 제3 링크 암을 이동시켜서 자극 초점을 고정하는 단계를 포함할 수 있다.A control method for a medical multi-degree-of-freedom robot according to an embodiment of the present invention, comprising: setting a position and direction of a stimulation focus for an angiostimulator; Calculating input values of the first to fifth actuators and the linear movement device by performing inverse kinematic analysis; moving first and second link arms according to input values; fixing the posture of the magnetic stimulator by moving the fourth to sixth link arms according to input values; and fixing the stimulation focus by moving the third link arm according to the input value.
일 실시예에 따르면, 제3 링크 암을 이동시켜서 자극 초점 및 접촉힘을 조정(calibration)하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, a step of calibrating the stimulation focus and the contact force by moving the third link arm may be further included.
일 실시예에 따르면, 자극 초점을 변경하는 단계를 더 포함하고, 자극 초점을 변경하는 단계는,다른 자극 초점의 위치와 방향으로 재설정하는 단계; 재설정된 자극 초점에 따라 역기구학(inverse kinematic) 분석을 수행하여 제1 내지 제5 액츄에이터 및 선형 이동 장치의 2차 입력값을 계산하는 단계; 제1 내지 제6 링크 암을 초기 위치로 이동시키는 단계; 2차 입력값에 따라 제1및 제2링크 암을 이동시키는 단계; 2차 입력값에 따라 제4내지 제6링크 암을 이동시켜서 자성 자극기의 자세를 고정하는 단계; 및 2차 입력값에 따라 제3 링크 암을 이동시켜서 자극 초점을 고정하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the method further comprises changing a stimulation focus, wherein changing the stimulation focus comprises: resetting to a position and orientation of another stimulation focus; calculating secondary input values of the first to fifth actuators and the linear movement device by performing inverse kinematic analysis according to the reset stimulus focus; moving the first to sixth link arms to initial positions; moving the first and second link arms according to the secondary input value; fixing the posture of the magnetic stimulator by moving the fourth to sixth link arms according to the secondary input value; and fixing the stimulation focus by moving the third link arm according to the second input value.
본 발명의 일 실시예 따른 의료용 다자유도 로봇은 두 개의 구형 암(arm)을 가지므로, 사람 머리 주변에 해당하는 특정한 유효 작업 영역을 기준으로 기존의 장치보다 넓은 작업영역을 확보할 수 있으며, 사람 머리와 로봇 간의 충돌 가능 부분이 최소화되어 피자극자의 안전성을 극대화할 수 있다.Since the medical multi-degree-of-freedom robot according to an embodiment of the present invention has two spherical arms, it is possible to secure a wider work area than existing devices based on a specific effective work area corresponding to the vicinity of a human head, The potential collision between the human head and the robot is minimized, maximizing the safety of the pizza stimulator.
또한, 의료용 다자유도 로봇은 원하는 위치 및 각도로 뇌를 자극하는 것이 가능하게 되므로 안전하고 정밀한 뇌 자극을 가능하게 할 수 있다. 또한, 저비용으로 장비 제작이 가능하므로 장비의 보급률을 높일 수 있고, 자가 치료가 가능하도록 장치를 설계하여 뇌 자극 치료의 효과를 극대화할 수 있으며, 관련 연구의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.In addition, since the medical multi-degree-of-freedom robot can stimulate the brain at a desired position and angle, it can enable safe and precise brain stimulation. In addition, since equipment can be manufactured at low cost, the equipment penetration rate can be increased, and the effect of brain stimulation treatment can be maximized by designing the device to enable self-treatment, and the reliability of related research can be greatly improved.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇의 구동 부분을 나타낸 사시도이다.
도 3a는 도 2에서 자극 유닛을 나타낸 사시도이다.
도 3b는 도 2에 도시된 자극 유닛을 도 2와 다른 방향에서 바라본 모습을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 제1 회전 조인트의 회동 가동 범위를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 제2 회전 조인트의 회동 가동 범위를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 선형 조인트의 선형 가동 범위를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 자극 유닛에 토크 센서를 설치한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시된 선형 이동 장치의 작동 모습을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 2에 도시된 자세 조절 장치의 작동 모습을 나타낸 도면이다.
도 10은 도 2에 도시된 링크 암에 'T'자 형상을 적용한 모습을 나타낸 도면이다.
도 11은 도 2에 도시된 제1회전 조인트의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 2에 도시된 제2회전 조인트의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 2에 도시된 자극 유닛의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 의료용 다자유도 로봇의 가동 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 16은 도 15에 도시된 자극 초점을 변경하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 17은 역기구학 분석을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 의료용 다자유도 로봇의 제어 및 보상과정을 설명하기 위한 블록도이다.1 is a perspective view showing a multi-degree-of-freedom medical robot according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view showing a driving part of a multi-degree-of-freedom medical robot according to an embodiment of the present invention.
Figure 3a is a perspective view showing the stimulation unit in Figure 2;
FIG. 3B is a perspective view of the stimulation unit shown in FIG. 2 viewed from a direction different from that of FIG. 2 .
FIG. 4 is a view showing a rotational movable range of the first rotary joint shown in FIG. 2 .
FIG. 5 is a view showing a rotational movable range of the second rotary joint shown in FIG. 2 .
FIG. 6 is a diagram showing a linear movable range of the linear joint shown in FIG. 2 .
7 is a view for explaining an embodiment in which a torque sensor is installed in the stimulation unit shown in FIG. 2;
FIG. 8 is a view showing the operation of the linear movement device shown in FIG. 2 .
9 is a view showing an operation of the posture control device shown in FIG. 2 .
FIG. 10 is a view showing a state in which a 'T' shape is applied to the link arm shown in FIG. 2 .
11 is a view for explaining the operation of the first rotary joint shown in FIG. 2;
FIG. 12 is a view for explaining the operation of the second rotary joint shown in FIG. 2;
FIG. 13 is a diagram for explaining the operation of the stimulation unit shown in FIG. 2 .
14 is a diagram for explaining the movable range of the medical multi-degree-of-freedom robot.
15 is a flowchart illustrating a control method of a medical multi-degree-of-freedom robot according to an embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a flowchart illustrating the steps of changing the stimulus focus shown in FIG. 15 .
17 is a diagram for explaining inverse kinematics analysis.
18 is a block diagram for explaining the control and compensation process of the multi-degree-of-freedom medical robot.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 설명하기 위하여 예시적으로 제시된다. 본 발명에 따른 권리 범위는 이하의 실시예들이나 이들 실시예들에 대한 구체적 설명으로 한정되지 않는다.Embodiments of the present invention are presented by way of example to explain the technical idea of the present invention. The scope of rights according to the present invention is not limited to the following embodiments or specific descriptions of these embodiments.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇(1)을 나타낸 사시도이다.1 is a perspective view showing a medical multi-degree-of-
의료용 다자유도 로봇(1)은 구형 프레임을 가지는 주요 링크부에 선형 조인트와 2자유도 이상의 회전 조인트를 추가적으로 부착한 직렬형 메커니즘 구조로, 전체적인 크기를 최소화할 수 있다.The medical multi-degree-of-
의료용 다자유도 로봇(1)은 총 6자유도로 구동되며, 하나의 2자유도 구형 프레임과 그에 연결된 선형 엑츄에이터와 2자유도 이상의 방향 변환(orientation mechanism) 모듈로 구성될 수 있다. 2자유도 이상의 방향 변환 모듈은 각각 직각으로 연결되어 끝 단의 방향변화만 유도하면서 무빙 플랫폼과 연결될 수 있다. 무빙 플랫폼에는 뇌자극을 위한 자극기가 부착될 수 있다.The multi-DOF
의료용 다자유도 로봇(1)은 스탠드(10), 제1 회전 조인트(100), 제2 회전 조인트(200), 자극 유닛(300)을 포함할 수 있다. 제1 회전 조인트(100)는 제1 링크 암(120)과 제1 회전축(110)을 중심으로 제1 링크 암(120)을 회동시키는 제1 액츄에이터(130)를 포함할 수 있다. 제2 회전 조인트(200)는 제1 링크 암(220)과 제2 회전축(210)을 중심으로 제2 링크 암(220)을 회동시키는 제2 액츄에이터(230)를 포함할 수 있다. 자극 유닛(300)은 선형 이동 축(315)를 갖는 선형 조인트와 제3 내지 제5 회전 조인트를 포함할 수 있으며, 상세한 내용은 후술한다.The medical multi-degree-of-
제1 회전축(110)의 연장선과 제2 회전축(120)의 연장선이 이루는 각도는 대략 50°가 될 수 있다. 또한, 제2 회전축(120)의 연장선과 선형 이동 축(315)의 연장선이 이루는 각도는 대략 65°가 될 수 있다.An angle between the extension line of the
스탠드(10)는 지면 상에 설치될 수 있고, 하부(11)과 상부(12)로 구성될 수 있다. 상부(12)에는 높이 조절 유닛(13)이 설치될 수 있다. 상부(12)에는 레일(14)이 형성될 수 있고, 레일(14)의 상단에는 액츄에이터(15)가 설치될 수 있다. 프레임(16)은 레일(14)에 설치되어 액츄에이터(15)에 의하여 레일(14)을 따라 상하로 이동될 수 있다. 제1 액츄에이터(130)는 프레임(16)에 설치될 수 있다.The
높이 조절 유닛(13)은 제1 액츄에이터(130)를 이동시켜서, 제1 및 제2 회전축(110, 210)의 교차점(P1)이 자극 유닛(300)에 의해 자극을 받는 피자극자의 머리 중심과 일치하도록 제1 회전 조인트(100)의 높이를 조절할 수 있다.The
이와 같이, 높이 조절 유닛(13)은 지면과 장치 사이에 1자유도를 제공함으로써, 피자극자의 머리 중심에 포시져닝 장치의 회전 중심이 위치하는 것이 가능하도록 해줄 수 있다.In this way, the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇(1)의 구동 부분을 나타낸 사시도이다.2 is a perspective view showing a driving part of a medical multi-degree-of-
제1 회전 조인트(100)에서, 제1 링크 암(120)은 제1 전단부(121)와 제1 후단부(122)를 가질 수 있다. 제1 액츄에이터(130)는 제1 전단부(121)에 설치되어 제1 전단부(121)를 제1 회전축(110)을 중심으로 회동시킬 수 있다.In the first rotary joint 100 , the
제2 회전 조인트(200)에서, 제2 링크 암(220)은 제2 전단부(221)와 제2 후단부(222)를 가질 수 있다. 제2 액츄에이터(230)는 제1 후단부(122)에 설치되어 제2 전단부(221)를 제2 회전축(210)을 중심으로 회동시킬 수 있다. 제2 후단부(222)에는 자극 유닛(300)이 연결될 수 있다.In the second rotary joint 200 , the
자극 유닛(300)은 제2 후단부(222)에 연결되는 선형 이동 장치(310), 선형 이동 장치(310)에 연결되어 2개 이상의 자유도를 제공하는 자세 조절 장치(400), 및 자세 조절 장치(400)에 연결되는 자성 자극기(500)를 포함할 수 있다.The
선형 이동 장치(310)는 자극기 초점의 깊이 조절을 위하여 볼 스크류와 연결되어 구동되고, 2자유도 이상의 회전 변환 모듈 엑츄에이터, 감속기 그리고 구동 모듈의 위치 피드백을 위한 센서로 구성될 수 있다. The
선형 이동 장치(310)는 선형 프레임(311), 액츄에이터(312), 및 제3 링크 암(313)을 포함할 수 있다. 제3 링크 암(313)은 선형 프레임(311)에 설치되고, 액츄에이터(312)에 의하여 선형 프레임(311)의 길이 방향을 따라 이동될 수 있다.The
선형 조인트(301)는 선형 이동 장치(310)와 제3 링크 암(313)을 포함할 수 있다. 제3 회전 조인트(401)는 제3 액츄에이터(420)와 제4 링크 암(410)을 포함할 수 있다. 제4 회전 조인트(402)는 제4 액츄에이터(440)와 제5 링크 암(430)을 포함할 수 있다. 제5 회전 조인트(403)는 제5 액츄에이터(460)와 제6 링크 암(450)을 포함할 수 있다.The linear joint 301 may include a
선형 이동 장치(310)는 레일(311), 액츄에이터(312), 제3 링크 암(313)을 포함할 수 있다. 제3 링크 암(313)은 액츄에이터(312)에 의하여 레일(311)을 따라 선형 이동할 수 있다.The
제1 액츄에이터(130)과 제1 링크 암(120)의 제1 전단부(121) 사이에는 제1 토션 스프링(140)이 설치되고, 제2 액츄에이터(230)와 제2 링크 암(220)의 제2 전단부(211) 사이에는 제2 토션 스프링(240)이 설치될 수 있다. 이와 같이 제1 및 제2 토션 스프링(140, 240)이 제공되므로, 만일 자성 자극기(500)가 피자극자에게 충돌하더라도, 토션 스프링이 이러한 충격을 흡수할 수 있게 되어서 피자극자에게 가해지는 충격을 최소화할 수 있다.A
이와 같이, 각 구동 조인트와 프레임 사이에는 높은 강성을 가지는 토션 스프링을 부착함으로써, 피실험자의 머리와 로봇팔 충돌 시 피실험자에게 가해지는 물리적 데미지를 최소화시킬 수 있다.In this way, by attaching a torsion spring having high rigidity between each drive joint and the frame, physical damage applied to the test subject when the head of the test subject collides with the robot arm can be minimized.
제1 액츄에이터(130)는 제1 모터(131)와 제1감속기(133)를 포함하고, 제2 액츄에이터(230)는 제2 모터(231)와 제2 감속기(233)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 감속기(133, 233)는 각각 하모닉 드라이브(harmonic drive)로 구성될 수 있다. 하모닉 드라이브의 감속비는 100:1 정도를 가지게 되어서, 최종적으로 고토크를 링크 암에 전달할 수 있다.The
제1 액츄에이터(130)는 제1 모터(131)와 제1감속기(133)에 배치되고 제1 링크 암(120)의 자유 회동을 방지하는 제1 브레이크(132)를 더 포함하고, 제2 액츄에이터(230)는 제2 모터(231)와 제2 감속기(233) 사이에 배치되고 제2 링크 암(220)의 자유 회동을 방지하는 제2 브레이크(232)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 전원이 OFF 된 상태에서도 로봇의 자세가 변하지지 않고 유지될 수 있다.The
제1 및 제2 링크 암(120, 220)은 피자극자의 머리를 감싸도록 각각 구형(spherical) 프레임으로 구성되고, 자성 자극기(500)는 비침습적 뇌자극기일 수 있다. 이와 같이 구형 프레임을 사용하여 자극기가 피자극자의 머리 주위를 이동시, 피자극자의 머리 부분은 유효한 작동 범위에서 제외되기 때문에 높은 안전성을 가지며, 넓은 유효 작동 범위를 가질 수 있다.The first and
제1 링크 암(120)과 피자극자의 머리 중심 사이의 거리는 제2 링크 암(220)과 머리 중심 사이의 거리보다 길 수 있다. 제2 링크 암(220)에는 자극 유닛(300)이 설치되고 자극 유닛(300) 자체에서 보다 세밀한 조작이 가능하므로, 제1 링크 암(120)이 제2 링크 암(220) 보다 큰 범위의 움직임을 제공할 수 있다.The distance between the
자세 조절 장치(400)는 자성 자극기(500)의 롤(roll), 피치(pitch), 요우(yaw) 각도를 조절하여 자성 자극기(500)의 자세를 제어하도록 구성될 수 있다.The
의료용 다자유도 로봇(1)는 자극기와 구형 프레임 사이에 선형 조인트와 2자유도 이상의 방향 변환 조인트가 추가됨으로써, 자극기 초점의 깊이 및 방향을 세부적으로 컨트롤 할 수 있어, 높은 정확도를 가질 수 있다.The multi-degree-of-
도 3a는 도 2에서 자극 유닛(300)을 나타낸 사시도이다. 도 3b는 도 2에 도시된 자극 유닛(300)을 도 2와 다른 방향에서 바라본 모습을 나타낸 사시도이다.FIG. 3A is a perspective view showing the
제3 링크 암(313)은 레일(311)에 설치되는 제3 전단부(314)와 제3 액츄에이터(420)가 설치되는 제3 후단부(315)를 가질 수 있다. 제4 링크 암(410)은 제4 전단부(411)와 제4 후단부(412)를 가질 수 있고, 제3 액츄에이터 (420)는 제3 후단부(315)에 설치되어 제4 전단부(411)를 제3 회전축(425)을 중심으로 회동시킬 수 있다.The
제5 링크 암(430)는 제5전단부(431)와 제5 후단부(432)를 가질 수 있고, 제4 액츄에이터(440)는 제4 후단부(412)에 설치되어 제5전단부(431)를 제3 회전축(425)에 수직한 제4 회전축(445)을 중심으로 회동시킬 수 있다. 제6 링크 암(450)은 제6 전단부(451)와 제6후단부(452)를 가질 수 있고, 제5 액츄에이터(460)는 제5 후단부(432)에 설치되어 제6 전단부(451)를 제3 및 제4 회전축(425, 445)에 수직한 제5회전축(465)으로 회동시킬 수 있다. 자성 자극기(500)는 제6 후단부(452)에 연결될 수 있다.The
제3 내지 제5회전축(425, 445, 465)의 연장선은 하나의 교차점(P2)에서 교차하도록 구성될 수 있다. 이러한, 교차점(P2)은 제3 링크 암(313)의 이동시 선형 이동 장치(310)의 선형 축(315)을 따라 이동하도록 구성될 수 있다. Extension lines of the third to
제1 및 제2 회전 조인트(100, 200)와 선형 조인트(310)의 조합은 구형 링크부재의 이용으로 피자극자의 머리주변의 구형 표면을 효율적으로 이동 가능하여 높은 정확도와 구동 속도를 확보할 수 있다. 또한, 피자극자의 머리 상반구 전영역에 대한 작업이 가능하다. 한편, 직렬형 로봇과 비교하여 제어 실패 시에도 로봇의 작업단(end-effector)의 작업영역에 피자극자의 머리부분을 통과하는 영역이 없으므로 안전성 확보가 가능하다. 한편, 1 자유도 선형 유닛의 동작으로 자극기의 초점 및 접촉 힘 제어가 용이해질 수 있다.The combination of the first and second
자세 조절 장치(400)와 관련하여, 제4 내지 제6 링크 암(410, 430, 450)의 복합 구동을 통해 자극기의 초점 깊이 및 각도를 제어하기 용이해질 수 있다.Regarding the
도 4는 도 2에 도시된 제1 회전 조인트(100)의 회동 가동 범위를 나타낸 도면이다. 도 5는 도 2에 도시된 제2 회전 조인트(200)의 회동 가동 범위를 나타낸 도면이다. 도 6은 도 2에 도시된 선형 조인트(300)의 선형 가동 범위를 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a view showing a rotational movable range of the first rotary joint 100 shown in FIG. 2 . FIG. 5 is a view showing a rotational movable range of the second rotary joint 200 shown in FIG. 2 . FIG. 6 is a diagram showing a linear movable range of the linear joint 300 shown in FIG. 2 .
의료용 다자유도 로봇(1)의 기준 위치는 도 1에 도시된 형상과 같이 자극 유닛(300)이 지면으로부터 가장 높은 위치에 있도록 제1 및 제2 링크 암(120, 220)이 정렬된 상태를 의미한다.The reference position of the medical multi-degree-of-
의료용 다자유도 로봇(1)의 각 조인트는 목표 작업 영역(target workspace)인 피자극자의 머리 상반구 전영역만을 이동하도록, 그 구동 범위가 제한될 수 있다. Each joint of the multi-degree-of-freedom
일 실시예로, 도 5에 도시된 것과 같이 제1 회전 조인트(100)에서, 제1 액츄에이터(130)는 제1 링크 암(120)을 기준 위치로부터 +100°~ -100°사이에서 회동하도록 구동되고, 제2 회전 조인트(200)에서, 제2 액츄에이터(230)는 제2 링크 암(220)을 기준 위치로부터 +100°~ -100°사이에서 회동하도록 구동될 수 있다. In one embodiment, as shown in FIG. 5 , in the first rotary joint 100, the
다른 실시예로, 제1 회전 조인트는 +180°~ -180°사이에서 회동하고, 제2 회전 조인트는 0°~ 180°범위에서 회동하도록 구동이 제한될 수 있다. In another embodiment, the driving of the first rotational joint may be limited to rotate between +180° and -180°, and the second rotational joint rotates between 0° and 180°.
선형 조인트(301)에서, 액츄에이터(312)는 제3 프레임(313)을 0mm ~ 15mm 사이에서 선형 이동하도록 구동시킬 수 있다.In the linear joint 301, the
한편, 제3 회전 조인트(401)에서, 제3 액츄에이터(420)는 제4 링크 암(410)을 기준 위치로부터 +90°~ -90°사이에서 회동하도록 구동시킬 수 있다. 제4 회전 조인트(402)에서, 제4 액츄에이터(440)는 제5 링크 암(430)을 기준 위치로부터 +90°~ -90°사이에서 회동하도록 구동시킬 수 있다. 제5 회전 조인트(403)에서, 제5 액츄에이터(460)는 제6 링크 암(450)을 기준 위치로부터 +90°~ -90°사이에서 회동하도록 구동시킬 수 있다.Meanwhile, in the third rotary joint 401, the
도 7은 도 2에 도시된 자극 유닛(300)에 토크 센서를 설치한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 7 is a view for explaining an embodiment in which a torque sensor is installed in the
자극 유닛(300)은 제6 링크 암(450)의 제6 후단부(452)에 설치되는 토크 센서(530)를 포함할 수 있다. 토크 센서(530)에는 자성 자극기(500)가 연결될 수 있다. 자성 자극기(500)는 토크 센서(530)에 직접 연결되는 무빙 플랫폼(510) 및 자기장 발생기(520)를 포함할 수 있다. 무빙 플랫폼(510)은 자기장 발생기(520)를 에워싸는 형상을 가질 수 있다.The
토크 센서(530)는 6축 토크 발생을 감지할 수 있으며, 자성 자극기(500)가 피자극자의 머리에 접촉하는 경우 접촉 힘을 감지할 수 있다. 또한, 토크 센서(530)가 기준 힘 이상의 접촉 힘을 감지하는 경우에는 선형 이동 장치(310)을 작동시켜서 자성 자극기(500)를 피자극자의 머리로부터 즉각 멀어지도록 이동시킬 수 있다.The
이와 같이, 토크 센서(530)를 사용하면 피자극자의 안전성을 높일 뿐 아니라, 접촉 힘 감지를 가능하게 하여 대상체 자극시 적절한 크기의 힘으로 자극이 가능할 수 있다.In this way, the use of the
도 8은 도 2에 도시된 선형 이동 장치(310)의 작동 모습을 나타낸 도면이다. 도 9는 도 2에 도시된 자세 조절 장치(400)의 작동 모습을 나타낸 도면이다.FIG. 8 is a view showing the operation of the
도 8(a)는 선형 이동 장치(310)가 작동하는 모습을 나타내고, 도 8(b), 8(c)는 제5 회전 조인트(403)이 작동하는 모습을 나타낸다. 도 9(a), (b), (c), (d)는 제3 내지 제5 회전 조인트(401, 402, 403)이 작동하면서, 자성 자극기(500)가 이동하는 모습을 나타낸다. 이와 같이 자성 자극기(500)의 자세를 조절하여 자극 초점의 깊이와 방향을 조절할 수 있다.8(a) shows how the
도 10은 도 2에 도시된 링크 암에 'T'자 형상을 적용한 모습을 나타낸 도면이다.FIG. 10 is a view showing a state in which a 'T' shape is applied to the link arm shown in FIG. 2 .
제1 및 제2 링크 암(120, 220)은 각각 자극 유닛(300)의 고하중을 견뎌야 하기 때문에, 'T'자 형상의 단면을 가진 암으로 구성될 수 있다. 암이 'T'자 형상의 단면을 가지게 되면 일반적인 사각형 형상의 단면을 갖는 암보다 관성 모멘트가 증가하게 되어서 고하중에 대한 변형 발생 가능성을 낮출 수 있다.Since each of the first and
도 11은 도 2에 도시된 제1 회전 조인트(100)의 작동을 설명하기 위한 도면이다. 도 12는 도 2에 도시된 제2 회전 조인트(200)의 작동을 설명하기 위한 도면이다. 도 13은 도 2에 도시된 자극 유닛(300)의 작동을 설명하기 위한 도면이다. 도 14는 의료용 다자유도 로봇(1)의 가동 범위를 설명하기 위한 도면이다. 설명의 편의를 위하여 도 1 내지 3에 도시된 도면을 간략하게 표현하였다.FIG. 11 is a view for explaining the operation of the first rotary joint 100 shown in FIG. 2 . FIG. 12 is a view for explaining the operation of the second rotary joint 200 shown in FIG. 2 . FIG. 13 is a diagram for explaining the operation of the
도 11을 참조하면, 제1 회전 조인트(100)의 작동으로 피자극자의 머리에서 어느 영역까지 커버할 수 있는지 확인할 수 있다. 도 12를 참조하면, 제2 회전 조인트(200)의 작동으로 제1 회전 조인트(100)의 가동 범위를 넘어서서 피자극자의 머리에서 어느 영역까지 커버할 수 있는지 확인할 수 있다. 도 13을 참조하면, 선형 조인트(301) 및 제3 내지 제5 회전 조인트(401, 402, 403)의 작동을 통해 자성 자극기(500)의 자세를 조절하는 과정을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 11 , it is possible to check which area can be covered from the head of a pizza pole by the operation of the first
도 14에 도시된 바와 같이, 의료용 다자유도 로봇(1)는 자성 자극기(500)에 5 자유도에서 6 자유도의 움직임을 제공할 수 있으며, 목표 작업 영역(target workspace)인 피자극자의 머리 상반구 전영역을 커버할 수 있다.As shown in FIG. 14, the medical multi-degree-of-
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇(1)의 제어 방법(S1000)을 나타낸 순서도이다.15 is a flowchart illustrating a control method (S1000) of the medical multi-degree-of-
의료용 다자유도 로봇(1)은 아래와 같은 순서로 작동할 수 있다.The medical multi-degree-of-
(1) 준비단계(1) Preparation stage
- 장치의 조립 및 사용을 위한 베이스 고정- Fixed base for device assembly and use
- 베이스 단에 추가적으로 부착된 선형 엑츄에이터를 이용하여 피실험자의 머리 중심과 구형 프레임의 구 중심부의 거리값을 0으로 만들어준다.- By using the linear actuator additionally attached to the base end, the distance value between the center of the head of the subject and the center of the sphere of the spherical frame is set to 0.
(2) 자극 부위 입력 단계(2) Stimulation site input step
전문가를 통해 처방된 피자극자의 자극 부위 정보를 장치에 입력시킨다.Information on the stimulation site of the pizza stimulator prescribed by the expert is input into the device.
(3) 자극 시간, 자극 세기 등 입력 단계 (3) Input stage such as stimulation time and stimulation intensity
원하는 자극 세기와 시간 등을 지정한다.Designate the desired stimulation intensity and time.
(4) 자극 단계(4) stimulation phase
- 큰 운동을 담당하는 저속, 고출력의 구형 프레임을 구동하여, 자극기를 작업영역 근처로 이동시킨다. - By driving a low-speed, high-output spherical frame that is responsible for large movements, the stimulator is moved to the vicinity of the working area.
- 역기구학 해석을 통해 얻어진 자세를 5개 이상의 엑츄에이터를 동시 구동하여, 원하는 뇌 자극 위치 및 각도로 자극기를 이동시킨다. - Move the stimulator to the desired brain stimulation position and angle by simultaneously driving 5 or more actuators for the posture obtained through inverse kinematics analysis.
- 자극기가 작동되어 지정한 자극량만큼 뇌자극이 수행된다. - The stimulator is operated and brain stimulation is performed as much as the designated stimulation amount.
다음으로, 도 15를 참조하여, 설명한다.Next, with reference to FIG. 15, it demonstrates.
의료용 다자유도 로봇의 제어 방법(S1000)은, 피자극자에 대한 자극 초점의 위치와 방향을 설정하는 단계(S1100), 역기구학(inverse kinematic) 분석을 수행하여 제1 내지 제5 액츄에이터 및 선형 이동 장치의 입력값을 계산하는 단계(S1200), 입력값에 따라 제1 및 제2 링크 암을 이동시키는 단계(S1300); 입력값에 따라 제4내지 제6링크 암을 이동시켜서 자성 자극기의 자세를 고정하는 단계(S1400), 및 입력값에 따라 제3 링크 암을 이동시켜서 자극 초점을 고정하는 단계(S1500)를 포함할 수 있다. 또한, 제어 방법(S1000)은 제3 링크 암을 이동시켜서 자극 초점 및 접촉힘을 조정(calibration)하는 단계(S1600)을 더 포함할 수 있다. 또한, 제어 방법(S1000)은 자극 초점을 변경하는 단계(S1700)을 더 포함할 수 있다.The control method of the multi-degree-of-freedom robot for medical use (S1000) includes setting the position and direction of the stimulation focus for the angiostimulator (S1100), performing inverse kinematic analysis to determine the first to fifth actuators and the linear Calculating an input value of the moving device (S1200), moving the first and second link arms according to the input value (S1300); The steps of fixing the posture of the magnetic stimulator by moving the fourth to sixth link arms according to an input value (S1400), and fixing the stimulation focus by moving the third link arm according to an input value (S1500). can In addition, the control method ( S1000 ) may further include a step ( S1600 ) of calibrating the stimulation focus and the contact force by moving the third link arm. Also, the control method ( S1000 ) may further include a step ( S1700 ) of changing a stimulus focus.
단계 S1100에서, 구체적으로, 위치(x, y, z 값), 방향(Roll, Pitch, Yaw 값)의 총 6자유도를 설정할 수 있다.In step S1100, in detail, a total of 6 degrees of freedom of position (x, y, z values) and direction (roll, pitch, yaw values) can be set.
도 16은 도 15에 도시된 자극 초점을 변경하는 단계(S1700)를 나타낸 순서도이다.FIG. 16 is a flowchart illustrating the step of changing the stimulus focus shown in FIG. 15 (S1700).
자극 초점을 변경하는 단계(S1700)는, 다른 자극 초점의 위치와 방향으로 재설정하는 단계(S1710), 재설정된 자극 초점에 따라 역기구학(inverse kinematic) 분석을 수행하여 제1 내지 제5 액츄에이터 및 선형 이동 장치의 2차 입력값을 계산하는 단계(S1720), 제1 내지 제6 링크 암을 초기 위치로 이동시키는 단계(S1730), 2차 입력값에 따라 제1 및 제2 링크 암을 이동시키는 단계(S1740), 2차 입력값에 따라 제4 내지 제6 링크 암을 이동시켜서 자성 자극기의 자세를 고정하는 단계(S1750), 및 2차 입력값에 따라 제3 링크 암을 이동시켜서 자극 초점을 고정하는 단계(S1760)를 포함할 수 있다. 한편, 변경하는 단계(S1700)는 제3 링크 암을 이동시켜서 자극 초점 및 접촉힘을 조정(calibration)하는 단계(S1770)을 더 포함할 수 있다.The step of changing the stimulation focus (S1700) is the step of resetting the position and direction of another stimulation focus (S1710), and inverse kinematic analysis is performed according to the reset stimulation focus to determine the first to fifth actuators and the linear motion. Calculating the secondary input value of the moving device (S1720), moving the first to sixth link arms to initial positions (S1730), moving the first and second link arms according to the secondary input values (S1740), fixing the posture of the magnetic stimulator by moving the fourth to sixth link arms according to the secondary input value (S1750), and fixing the stimulation focus by moving the third link arm according to the secondary input value It may include a step (S1760). Meanwhile, the changing (S1700) may further include a step (S1770) of calibrating the stimulation focus and the contact force by moving the third link arm.
이후에, 자극 초점을 추가로 변경하고자 한다면, 또 다른 초점의 위치와 방향을 기준으로 자극 초점을 변경하는 단계(S1700)를 다시 수행할 수 있다.After that, if it is desired to further change the stimulation focus, the step of changing the stimulation focus based on the location and direction of another focus (S1700) may be performed again.
도 17은 역기구학 분석을 설명하기 위한 도면이다.17 is a diagram for explaining inverse kinematics analysis.
도 17에 도시된 바와 같이, 기본 좌표와 이동 좌표 O (x, y, z) 및 P (u, v, w)는 각각 지면과 자성 자극기(500)에 할당된다. 역기구학 분석을 위하여, 운동학에서는 두 개의 벡터 루프가 사용된다. 점 O, P, Q를 통과하는 첫 번째 벡터 루프는 원하는 자세와 관련된 정보를 포함하는 변환(T1)이다. 두 번째 벡터 루프는 액추에이터를 통해 원점 (O)에서 점 Q 로의 변환(T2)이다. 자극기의 위치 벡터 (P=[PxPYPz]T) 및 회전 행렬 Rp가 주어지면, 변환 행렬 T1은 다음과 같이 얻어진다.As shown in FIG. 17, basic coordinates and movement coordinates O (x, y, z) and P (u, v, w) are assigned to the ground and the
수식 (1):Equation (1):
여기서 DP은 원점에서 P 점까지의 변환 행렬이고 D(축, 값)은 특정 축을 따라 변환하는 변환 행렬이다. 그러면 회전 관절의 입력 값(θi)와 선형 액추에이터의 입력 값(d)으로 구성된 변환 행렬 변환(T2)은 다음과 같이 표현할 수 있다.Here, D P is a transformation matrix from the origin to point P, and D (axis, value) is a transformation matrix that transforms along a specific axis. Then, the transformation matrix transformation (T 2 ) composed of the input value (θ i ) of the rotary joint and the input value (d) of the linear actuator can be expressed as follows.
수식 (2):Equation (2):
여기서 R(축, 값)은 특정 축을 따라 회전하는 변환 행렬이다. 수식 (1)과 (2)에서, rd와 rs는 각각 점 O와 선형 조인트(Prismatic joint)의 초기 위치 사이, 그리고 점 Q와 자극 초점 (P) 사이의 거리이고, α 및 β은 구형 프레임(즉, 제1 및 제2 링크 암)의 디자인 각도이다. T1과 T2의 각 구성 요소가 같아야 하므로 각 조인트의 원하는 값 (θi, d)은 다음과 같이 도출된다.where R(axis, value) is a transformation matrix that rotates along a specific axis. In Equations (1) and (2), r d and r s are the distances between point O and the initial position of the prismatic joint and between the point Q and the stimulus focus (P), respectively, and α and β are spherical It is the design angle of the frame (ie, the first and second link arms). Since each component of T 1 and T 2 must be the same, the desired value (θ i , d) of each joint is derived as follows.
수식 (3):Equation (3):
여기서, c는 cos이고 s는 sin이라고 하면,Here, if c is cos and s is sin,
파생된 입력 값을 사용하여 장치의 작업단(end-effector, 즉, 자성 자극기(500))가 대상 위치 및 방향으로 위치될 수 있다. 이때, 제2 회전 조인트(Revolute joint)는 -100°<θ2<100° 범위에서 구동될 수 있으며, 제1 회전 조인트(Revolute joint)도 -100°<θ1<100°로 구동 범위가 설정될 수 있다.Using the derived input values, the end-effector of the device (i.e., the magnetic stimulator 500) can be positioned in the target position and orientation. At this time, the second revolute joint may be driven in the range of -100°<θ 2 <100°, and the driving range of the first revolute joint is also set to -100°<θ 1 <100°. It can be.
다만, 특이점을 방지하기 위해 제2 회전 조인트(Revolute joint)는 0°<θ2<180° 범위에서 구동될 수 있으며, 제1 회전 조인트(Revolute joint)도 -180° <θ1<180°로 구동 범위가 설정될 수 있다.However, in order to prevent a singularity, the second revolute joint can be driven in the range of 0°<θ 2 <180°, and the first revolute joint is also set to -180° <θ 1 <180°. A driving range can be set.
도 18은 의료용 다자유도 로봇의 제어 및 보상과정을 설명하기 위한 블록도이다.18 is a block diagram for explaining the control and compensation process of the multi-degree-of-freedom medical robot.
이하에서는 예상치 못한 인간의 움직임을 보상하기 위해 PBVS (position-based visual servoing) 방법을 사용하여 로봇을 제어할 수 있다. PBVS 기법은 3D 포즈 추정 과정이 필요하지만 기존의 데카르트 좌표계에서 사용하던 제어 방법을 그대로 사용할 수 있다.In the following, the robot can be controlled using a position-based visual servoing (PBVS) method to compensate for unexpected human movements. The PBVS technique requires a 3D pose estimation process, but the control method used in the existing Cartesian coordinate system can be used as it is.
피드백 제어에 사용되는 위치 및 방향 오류는 다음과 같이 정의될 수 있다. 유클리드 기하학에서 원하는 위치 (pd)와 현재의 작업단 위치 (pe)의 차이를 이용하여 위치 오차 (ep)를 정의한다.The position and orientation errors used for feedback control can be defined as: In Euclidean geometry, the position error (e p ) is defined using the difference between the desired position (p d ) and the current working end position (p e ).
수식 (4):Equation (4):
회전 행렬 R는 수식 (5)에서와 같이 임의 벡터 z의 길이를 유지하면서 방향을 회전하는 행렬이며, 특별한 직교 그룹에 속한다.The rotation matrix R is a matrix that rotates the direction while maintaining the length of an arbitrary vector z as shown in Equation (5), and belongs to a special orthogonal group.
수식 (5):Equation (5):
회전 행렬은 오일러 각도와 달리 특이점이 없다는 장점이 있지만 게인(gain) 조정이 어렵다. 아래에서는 컨트롤러의 방향 오류를 나타내는 회전 행렬을 사용한다.Unlike Euler angles, the rotation matrix has the advantage of not having a singularity, but it is difficult to adjust the gain. Below we use a rotation matrix to represent the orientation error of the controller.
삼각 함수의 작은 각도 근사값을 사용하여 새로운 방향 오류 (e0) 표현을 정의한다. 삼각 함수의 입력 각이 매우 작으면 sinθ=θ와 cosθ=1 과 같이 사인 함수와 코사인 함수를 근사하여 표현할 수 있다.We define a new orientation error (e 0 ) expression using a small-angle approximation of the trigonometric function. If the input angle of the trigonometric function is very small, the sine and cosine functions can be approximated and expressed as sinθ=θ and cosθ=1.
각각 14도 및 8도이며 근사치로 인한 오류율은 대략 1%이다. 따라서 이 근사치는 피사체의 약간의 움직임을 보정하기 위한 것이기 때문에 사용할 수 있다. 원하는 방향이 주어 졌을 때 (Rd), 작업단의 회전 (Re)이 측정 시스템에 의해 결정되면 방향 오류는 다음과 같다.14 degrees and 8 degrees, respectively, and the error rate due to approximation is approximately 1%. Therefore, this approximation can be used because it is intended to compensate for slight movement of the subject. Given the desired orientation (R d ) and the rotation of the working end (R e ) determined by the measuring system, the orientation error is
수식 (6):Equation (6):
수식 (6)에서 ZYX 오일러 각도를 사용하여 회전 행렬에 작은 각도 근사를 적용했다. 작은 각도가 가정되기 때문에 2 차 및 3 차 항도 무시할 수 있을 만큼 작다고 가정할 수 있다.In Equation (6), we applied a small-angle approximation to the rotation matrix using the ZYX Euler angles. Since small angles are assumed, the quadratic and cubic terms can also be assumed to be negligibly small.
이를 통해 행렬의 구성 요소 값을 그대로 사용하여 회전 오류를 추정 할 수 있다. 추정된 오차에 게인을 곱한 후, 식 (7)과 같이 회전 행렬의 곱을 사용하여 최종 오차()를 구합니다. 이러한 추정을 통해 어느 지점에서도 특이점이 없는 회전 행렬의 장점이며, 방향 오차에 대한 게인을 조정하여 원하는 성능을 얻을 수 있다.Through this, the rotation error can be estimated using the component values of the matrix as they are. After multiplying the estimated error by the gain, the final error ( ) is obtained. Through this estimation, it is an advantage of the rotation matrix that there is no singularity at any point, and the desired performance can be obtained by adjusting the gain for the orientation error.
수식 (7):Equation (7):
게인 값에 따라 보상되는 속도가 빠를수록 실험의 위험성이 높아지기 때문에 실험의 안전성과 성능을 고려하여 게인을 설정할 수 있다.Since the risk of the experiment increases as the speed of compensation according to the gain value increases, the gain can be set considering the safety and performance of the experiment.
이상 본 발명의 기술적 사상이 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 이루어질 수 있다. 또한, 그러한 치환, 변형 및 변경은 첨부된 청구범위 내에 속한다.Although the technical spirit of the present invention has been described above, various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit and scope of the present invention that can be understood by those skilled in the art. Also, such substitutions, modifications and alterations are within the scope of the appended claims.
1: 의료용 다자유도 로봇
10: 스탠드
100, 200, 401, 402, 403: 회전 조인트
120, 220: 링크 암
300: 자극 유닛
310: 선형 이동 장치
400: 방향 조절 장치
500: 자성 자극기1: Multi-degree-of-freedom robot for medical use
10: stand
100, 200, 401, 402, 403: rotary joint
120, 220: link arm
300: stimulation unit
310: linear movement device
400: direction control device
500: magnetic stimulator
Claims (15)
상기 제1 전단부에 설치되어 상기 제1 전단부를 제1 회전축을 중심으로 회동시키는 제1 액츄에이터;
제2 전단부와 제2 후단부를 갖는 제2링크 암;
상기 제1 후단부에 설치되어 상기 제2 전단부를 제2 회전축을 중심으로 회동시키는 제2 액츄에이터; 및
상기 제2 후단부에 연결되는 자극 유닛을 포함하고,
상기 자극 유닛은,
상기 제2 후단부에 연결되는 선형 이동 장치;
상기 선형 이동 장치에 연결되어 2개 이상의 자유도를 제공하는 자세 조절 장치; 및
상기 자세 조절 장치에 연결되는 자성 자극기를 포함하는,
의료용 다자유도 로봇.
a first link arm having a first front end and a first rear end;
a first actuator installed on the first front end to rotate the first front end about a first rotation axis;
a second link arm having a second front end and a second rear end;
a second actuator installed at the first rear end to rotate the second front end about a second rotation axis; and
And a stimulation unit connected to the second rear end,
The stimulation unit,
a linear movement device connected to the second rear end;
a posture adjusting device connected to the linear movement device to provide two or more degrees of freedom; and
Including a magnetic stimulator connected to the posture control device,
Multi-degree-of-freedom robot for medical use.
상기 자세 조절 장치는,
상기 선형 이동 장치에 설치되고, 제3 전단부와 제3 후단부를 갖는 제3 링크 암;
제4 전단부와 제4 후단부를 갖는 제4 링크 암;
상기 제3 후단부에 설치되어 상기 제4 전단부를 제3 회전축을 중심으로 회동시키는 제3 액츄에이터;
제5 전단부와 제5 후단부를 갖는 제5링크 암;
상기 제4 후단부에 설치되어 상기 제5전단부를 상기 제3 회전축에 수직한 제4 회전축을 중심으로 회동시키는 제4 액츄에이터;
제6 전단부와 제6 후단부를 갖는 제6 링크 암;및
상기 제5 후단부에 설치되어 상기 제6 전단부를 상기 제3 및 제4 회전축에 수직한 제5 회전축으로 회동시키는 제5 액츄에이터를 포함하고,
상기 자성 자극기는 제6 후단부에 연결되는,
의료용 다자유도 로봇.
According to claim 1,
The posture control device,
a third link arm installed on the linear movement device and having a third front end and a third rear end;
a fourth link arm having a fourth front end and a fourth rear end;
a third actuator installed at the third rear end to rotate the fourth front end about a third rotation axis;
a fifth link arm having a fifth front end and a fifth rear end;
a fourth actuator installed at the fourth rear end to rotate the fifth front end about a fourth rotation axis perpendicular to the third rotation axis;
A sixth link arm having a sixth front end and a sixth rear end; and
A fifth actuator installed at the fifth rear end to rotate the sixth front end to a fifth rotational axis perpendicular to the third and fourth rotational axes,
The magnetic stimulator is connected to the sixth rear end,
Multi-degree-of-freedom robot for medical use.
상기 제1 액츄에이터와 상기 제1 전단부 사이, 및 상기 제2 액츄에이터와 상기 제2 전단부 사이 각각에는 토션 스프링이 설치되는,
의료용 다자유도 로봇.
According to claim 1,
A torsion spring is installed between the first actuator and the first front end and between the second actuator and the second front end, respectively.
Multi-degree-of-freedom robot for medical use.
지면에 설치되는 스탠드; 및
상기 스탠드의 상부에 설치되고 상기 제1액츄에이터가 연결되는 높이 조절 유닛을 더 포함하고,
상기 높이 조절 유닛은 상기 제1 및 제2 회전축의 교차점이 피자극자의 머리 중심과 일치하도록 상기 제1 액츄에이터의 높이를 조절하는,
의료용 다자유도 로봇.
According to claim 1,
Stand installed on the ground; and
Further comprising a height adjustment unit installed on the top of the stand and connected to the first actuator,
The height adjustment unit adjusts the height of the first actuator so that the intersection point of the first and second rotation axes coincides with the center of the head of the pizza pole.
Multi-degree-of-freedom robot for medical use.
상기 자극 유닛은,
상기 제6 후단부에 설치되는 토크 센서; 및
상기 토크 센서에 연결되는 무빙 플랫폼을 더 포함하는,
의료용 다자유도 로봇.
According to claim 2,
The stimulation unit,
a torque sensor installed at the sixth rear end; and
Further comprising a moving platform connected to the torque sensor,
Multi-degree-of-freedom robot for medical use.
상기 제1 액츄에이터는 제1 모터와 제 1감속기를 포함하고,
상기 제2 액츄에이터는 제 2모터와 제 2감속기를 포함하고,
상기 제1 및 제2감속기는 각각 하모닉 드라이브로 구성되는,
의료용 다자유도 로봇.
According to claim 1,
The first actuator includes a first motor and a first reducer,
The second actuator includes a second motor and a second reducer,
The first and second reducers are each composed of a harmonic drive,
Multi-degree-of-freedom robot for medical use.
상기 제1액츄에이터는 상기 제1 링크 암의 자유 회동을 방지하는 제1브레이크를 더 포함하고,
상기 제2액츄에이터는 상기 제2 링크 암의 자유 회동을 방지하는 제2브레이크를 더 포함하는,
의료용 다자유도 로봇.
According to claim 6,
The first actuator further includes a first brake preventing free rotation of the first link arm,
The second actuator further comprises a second brake preventing free rotation of the second link arm.
Multi-degree-of-freedom robot for medical use.
상기 제1 링크 암과 피자극자의 머리 중심 사이의 거리는 상기 제2링크 암과 상기 머리 중심 사이의 거리보다 긴,
의료용 다자유도 로봇.
According to claim 1,
The distance between the first link arm and the center of the head of the pizza pole is longer than the distance between the second link arm and the center of the head,
Multi-degree-of-freedom robot for medical use.
상기 제3 내지 제5 회전축의 연장선은 하나의 교차점에서 교차하도록 구성된,
의료용 다자유도 로봇.
According to claim 2,
The extension lines of the third to fifth rotational axes are configured to intersect at one intersection,
Multi-degree-of-freedom robot for medical use.
상기 교차점은 상기 제3 링크 암의 이동시 상기 선형 이동 장치의 선형 축을 따라 이동하도록 구성된,
의료용 다자유도 로봇.
According to claim 9,
The crossing point is configured to move along the linear axis of the linear movement device when the third link arm moves,
Multi-degree-of-freedom robot for medical use.
상기 제1 및 제2링크 암은 피자극자의 머리를 감싸도록 각각 구형(spherical) 프레임으로 구성되고,
상기 자성 자극기는 비침습적 뇌자극기인,
의료용 다자유도 로봇.
According to claim 1,
The first and second link arms are each composed of a spherical frame to surround the head of the pizza pole,
The magnetic stimulator is a non-invasive brain stimulator,
Multi-degree-of-freedom robot for medical use.
상기 자세 조절 장치는 상기 자성 자극기의 롤, 피치, 요우 각도를 조절하여 상기 자성 자극기의 자세를 제어하도록 구성된,
의료용 다자유도 로봇.
According to claim 1,
The posture control device is configured to control the posture of the magnetic stimulator by adjusting the roll, pitch, and yaw angle of the magnetic stimulator.
Multi-degree-of-freedom robot for medical use.
피자극자에 대한 자극 초점의 위치와 방향을 설정하는 단계;
역기구학(inverse kinematic) 분석을 수행하여 제1내지 제5 액츄에이터 및 선형 이동 장치의 입력값을 계산하는 단계;
상기 입력값에 따라 상기 제1및 제2링크 암을 이동시키는 단계;
상기 입력값에 따라 상기 제4내지 제6링크 암을 이동시켜서 자성 자극기의 자세를 고정하는 단계; 및
상기 입력값에 따라 상기 제3 링크 암을 이동시켜서 상기 자극 초점을 고정하는 단계를 포함하는,
제어 방법.
In the control method of the medical multi-degree-of-freedom robot according to claim 2,
setting the position and direction of the stimulation focus for the pizza stimulator;
Calculating input values of the first to fifth actuators and the linear movement device by performing inverse kinematic analysis;
moving the first and second link arms according to the input value;
fixing the posture of the magnetic stimulator by moving the fourth to sixth link arms according to the input value; and
And fixing the stimulation focus by moving the third link arm according to the input value.
control method.
상기 제3 링크 암을 이동시켜서 자극 초점 및 접촉힘을 조정(calibration)하는 단계를 더 포함하는,
제어 방법.
According to claim 13,
Further comprising the step of calibrating the stimulation focus and contact force by moving the third link arm.
control method.
자극 초점을 변경하는 단계를 더 포함하고,
상기 자극 초점을 변경하는 단계는,
다른 자극 초점의 위치와 방향으로 재설정하는 단계;
재설정된 자극 초점에 따라 역기구학(inverse kinematic) 분석을 수행하여 제1 내지 제5 액츄에이터 및 선형 이동 장치의 2차 입력값을 계산하는 단계;
상기 제1내지 제6 링크 암을 초기 위치로 이동시키는 단계;
상기 2차 입력값에 따라 상기 제1및 제2링크 암을 이동시키는 단계;
상기 2차 입력값에 따라 상기 제4내지 제6링크 암을 이동시켜서 자성 자극기의 자세를 고정하는 단계; 및
상기 2차 입력값에 따라 상기 제3 링크 암을 이동시켜서 상기 자극 초점을 고정하는 단계를 포함하는,
제어 방법.
According to claim 13,
further comprising the step of changing the stimulation focus;
The step of changing the stimulation focus,
resetting to another stimulation focus location and orientation;
calculating secondary input values of the first to fifth actuators and the linear movement device by performing inverse kinematic analysis according to the reset stimulus focus;
moving the first to sixth link arms to initial positions;
moving the first and second link arms according to the second input value;
fixing the posture of the magnetic stimulator by moving the fourth to sixth link arms according to the second input value; and
And fixing the stimulation focus by moving the third link arm according to the secondary input value.
control method.
Priority Applications (2)
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---|---|---|---|
KR1020200139611A KR102495396B1 (en) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | Medical multi-dof robot |
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KR1020200139611A KR102495396B1 (en) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | Medical multi-dof robot |
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KR20220055305A (en) | 2022-05-03 |
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E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |