KR20140072302A

KR20140072302A - 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치

Info

Publication number: KR20140072302A
Application number: KR1020120137674A
Authority: KR
Inventors: 송창훈; 박영배; 이창훈; 손동현
Original assignee: 큐렉소 주식회사
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-13
Also published as: US9339345B2; US20140155911A1; KR101422678B1

Abstract

본 발명에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치는 로봇팔 부분에 구비된 모터에 결합되는 샤프트와 이 샤프트의 단부에 절삭헤드가 형성된 커터와, 상기 샤프트가 삽입되는 슬리브와 이 슬리브가 고정되는 슬리브베이스로 이루어진 커터지지부재가 구비된 관절 절삭시스템의 절삭장치에 있어서, 상기 슬리브는 중공홀을 갖는 봉상의 독립부재로 구성되어 상기 슬리브베이스에 장착 또는 분리 가능하게 구성된 것을 특징으로 한다.
이에 따르면, 커터지지부재의 슬리브와 슬리브베이스를 분리 구조로 구성함으로써 커터가 삽입되는 슬리브의 직경을 최소화하면서도 강성을 증가시킬 수 있어서 슬리브의 굽힘현상을 저감시킬 수 있으므로 내구성이 현저히 향상되고 슬리브의 직경 감소에 따라 시술시에 뼈, 근육, 주변 연부 조직의 간섭 및 손상을 줄일 수 있어서 시술의 안정성이 향상되고 환자의 회복기간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다. 그리고, 절삭장치의 장시간 사용이나 노후로 교체하고자 하는 경우에도 종래와 같이 고가의 슬리브 및 슬리브베이스 전체를 교체하는 것이 아니라 슬리브만을 교체할 수 있으므로 유지보수성이 향상되고 유지보수비용이 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치에 의하면, 커터의 떨림 현상을 최소화할 수 있고, 절삭헤드의 절삭성이 향상되어 시술시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 커터의 교체 없이 단일의 커터에 의해 대퇴골(femur), 경골(tibia)을 용이하게 절삭할 수 있는 동시에 임플란트의 고정돌부가 삽입되는 삽입홀(peg)을 절삭할 수 있으므로 신속하고 정확하게 시술할 수 있고 시술의 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치{CUTTING APPARATUS FOR CUTTING SYSTEM WHICH USES THE ROBOT}

본 발명은 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 커터가 삽입되는 슬리브의 직경을 최소화하면서도 강성이 증가되어 휨이 방지되도록 함으로써 내구성이 향상되고 시술시에 뼈, 근육, 주변 연부 조직의 간섭 및 손상을 줄일 수 있으며, 슬리브의 휨 발생시에 슬리브만을 교체할 수 있도록 함으로써 유지보수성이 향상되고 유지보수비용이 절감될 뿐만 아니라 뼈의 절삭성이 향상되고 커터의 교체 없이 인공관절 수술이 가능하도록 함으로써 신속하고 정확하게 시술할 수 있고 시술의 안정성을 확보할 수 있는 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치에 관한 것이다.

인간의 평균수명 연장에 따른 노령 인구의 증가로 관절염 및 고관절부 골다공성 골절 등 관절질환 환자의 수가 급격하게 증가되고 있다.

관절질환은 초기이거나 경미한 경우 약물치료, 물리치료 등의 비수술적 치료를 시행하지만 질환의 정도가 심하거나 일상생활이 불가능할 경우 수술적 치료를 시행하게 된다.

수술적 치료는 관절 내시경 수술, 연골 세포 이식술 등이 있고, 중증의 질환일 경우 인공관절 수술을 받게 된다.

로봇을 이용한 인공관절 수술은 컴퓨터에 입력된 정보에 따라 로봇의 위치 가변형 팔의 말단부에 장착된 절삭장치의 커터를 회전시켜 무릎뼈를 깎아내고 인공무릎관절(a,임플란트,도2 참조)를 장착하는 시술법이다.

도1은 종래의 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치를 나타낸 도면, 도2는 무릅관절 부위에 시술되는 인공관절(임플란트)의 일 예를 나타낸 개략적인 사시도로서, 이에 도시된 바와 같이 로봇의 위치 가변형 팔의 말단부에 장착된 외측면과 선단면에 절삭날이 형성된 직경 7.8mm의 헤드(110)와, 헤드(110)에 연장하여 형성되며 환봉 형상인 직경 2.3mm의 샤프트(120)로 되어 있고, 이 샤프트(120)의 후단측은 로봇의 위치 가변형 팔의 선단측에 설치된 모터(M)와 연결되어 있다.

그리고, 샤프트(120)의 외주면은 모터(M)의 하우징에 고정되는 슬리브(130)에 의해 회전 가능하도록 지지되어 샤프트(120)가 회전할 때에 떨림이나 휨이 발생하지 않도록 되어 있고, 슬리브(130)의 외측으로는 헤드(110)가 돌출되어 이 헤드(110)의 회전에 의해 뼈의 절삭작용을 수행하도록 되어 있다.

전술한 바와 같은 도1에 도시된 절삭장치는 헤드(110)의 직경(7.8mm)이 지나치게 커서 시술시에 피부조직과의 간섭현상이 발생되어 피부와 속살을 많이 절개하여야 하고 터널커팅과 같이 커팅 경로에 다양한 변화를 줄 수 있는 시술이 어려울 뿐만 아니라 샤프트(120)가 길이가 긴 슬리브(130)에 삽입되어 회전되므로 마찰이 심하여 장시간 사용시에 마모 현상이 발생되고 원활한 회전이 불가능한 한계점이 있었다.

도2는 종래 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치의 다른 예를 나타낸 도면으로서, 대한민국 등록특허 등록번호 제10-0873014호로 개시되어 있는 로봇을 이용한 관절 절삭시스템을 나타낸 것이다.

도2를 참조하면, 로봇을 이용한 관절 절삭시스템은 위치가변형의 팔을 구비함과 함께 팔의 선단측에 모터(M)가 구비되고 모터의 하우징에 슬리브(14)가 결합되며 모터의 축에 연결되는 커터(10)가 슬리브(14) 내에 회전 가능하게 결합된 것에 있어서, 상기 커터(10)는 환봉 형상으로 되어 있음과 함께 슬리브(14) 내에 모터에 의해 회전할 수 있도록 결합 위치되고 슬리브 외측으로 연장된 외팔보 형태를 취하고 있는 샤프트(11)와, 슬리브 외측으로 연장된 샤프트의 선단부에 형성된 헤드(12)를 포함하며, 상기 헤드(12)가 터널식으로 뼈의 내부로 진입하여 뼈를 절삭하면서 진행하기 위한 샤프트(11)의 외팔보 길이와 헤드의 직경은, 외팔보 길이가 20~30mm이고 그 직경이 1.5~4.0mm 이거나 또는 외팔보 길이가 70~80mm이고 그 직경이 4.0~6.0mm 중 어느 하나의 길이와 직경으로 선택되어 구성된 것이다.

전술한 바와 같은 도2에 도시된 절삭장치는 무릎관절의 절삭부를 최소의 직경과 이에 따른 최대의 길이로 최적화 한 외팔보 형태의 커터를 사용하여 터널식 커팅 기법으로 시술함으로써, 신속하고 안전하게 뼈를 절삭할 수 있고, 뼈에 붙어 있는 근육 또는 주변 연부 조직의 손상을 어느 정도 줄일 수 있는 장점은 있지만, 샤프트(11)가 슬리브(14)에 의해 지지되지 않고 외팔보 형태로 노출되므로 휨과 떨림 현상이 발생되는 단점이 있다. 특히, 시술시 샤프트(11)가 60,000rpm 이상의 속도로 회전되는 고려할 때 심할 경우 샤프트(11)의 파손 우려가 있는 등 안전성이 결여되는 단점이 있다. 아울러, 샤프트(11)는 떨림을 고려할 때 외팔보 형태로 돌출시킬 수 있는 길이에 한계가 있으므로 수술 위치가 깊을 경우에는 전혀 사용할 수 없는 문제점이 있다.

최근에는 전술한 도1 및 도3의 단점을 보완하기 위한 방안으로 슬리브의 직경을 줄여 시술시 뼈, 근육, 주변 연부 조직의 간섭 및 손상을 최소화하고, 슬리브의 내부에 다수의 베어링 등이 내장된 커터지지부재가 개발되고 있다.

하지만, 이러한 형태의 커터지지부재는 캡 형태의 슬리브베이스에 파이프 형상의 슬리브가 일체로 형성됨에 따라 가공이 어렵고 많은 시간이 소요되어 제조원가가 상승되는 단점이 있다. 특히 슬리브베이스와 슬리브가 일체로 형성됨에 따라 가공용 치구를 슬리브의 내부홀에 삽입하기가 곤란함에 따라 슬리브의 내주면에 베어링의 삽입을 위한 안착홈이나 설치홈의 가공이 어려워 베어링 등을 그대로 삽입, 조립하여야 하므로 자연히 슬리브의 직경을 줄일 수 없게 된다. 이와 같이 슬리브의 직경을 줄일 수 없어서 그 직경을 크게 형성하게 되면 시술시 뼈, 근육, 주변 연부 조직의 간섭 및 손상을 막을 수 없는 한계점이 있다.

그리고, 커터지지부재에 삽입되는 커터의 샤프트가 60,000rpm 이상의 속도로 장시간 회전되어 슬리브에 내장된 베어링이 손상된 경우나, 또는 뼈를 절삭하는 과정에서 절삭헤드를 전후 좌우방향으로 이동시킬 경우 슬리브에 굽힘 하중이 작용되어 휘게 되면 슬리브와 함께 일체로 형성된 슬리브베이스 전체를 교체하여야 하므로 교체비용이 지나치게 상승되는 단점이 있다.

한편, 전술한 종래 절삭장치들은 인공관절의 시술시에 공통적으로 직경이 7.8㎜인 절삭헤드(110,12)를 구비한 커터와, 직경이 2.3㎜인 절삭헤드(110,12)를 구비한 커터를 동시에 사용하여야 하므로 시술중에 커터의 교체에 따른 불편함과 수술시간의 증가와 같은 다양한 문제점을 수반하게 된다. 보다 구체적으로 설명하면 시술시에 인공관절(임플란트)가 안착되는 무릅뼈(대퇴골(femur), 경골(tibia))의 표면은 7.8㎜인 절삭헤드를 구비한 커터를 이용하여 절삭하고, 인공관절(a)의 고정돌부(a2)가 삽입되는 삽입홀(peg, 무릅뼈에 천공되는 홀)을 절삭하고자 하는 경우에는 기 장착되어 있는 커터를 해체하고 직경이 2.3㎜인 절삭헤드를 구비한 커터로 교체하여야 불편함이 있다.

본 발명은 상기 내용에 착안하여 제안된 것으로, 커터가 삽입되는 슬리브의 직경을 최소화하면서도 강성이 증가되어 휨이 방지되도록 함으로써 내구성이 향상되고 시술시에 뼈, 근육, 주변 연부 조직의 간섭 및 손상을 줄일 수 있도록 한 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 슬리브의 휨 발생시에 슬리브만을 교체할 수 있도록 함으로써 유지보수성이 향상되고 유지보수비용이 절감되도록 한 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 뼈의 절삭성이 향상되고 커터의 교체 없이 인공관절 수술이 가능하도록 함으로써 신속하고 정확하게 시술할 수 있고 시술의 안정성을 확보할 수 있도록 한 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치는 로봇팔 부분에 구비된 모터에 결합되는 샤프트와 이 샤프트의 단부에 절삭헤드가 형성된 커터와, 상기 샤프트가 삽입되는 슬리브와 이 슬리브가 고정되는 슬리브베이스로 이루어진 커터지지부재가 구비된 관절 절삭시스템의 절삭장치에 있어서, 상기 슬리브는 중공홀을 갖는 봉상의 독립부재로 구성되어 상기 슬리브베이스에 장착 또는 분리 가능하게 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 슬리브는 상기 샤프트를 회전 가능하게 지지하도록 상기 중공홀 내부에 설치되는 지지베어링을 구비하고, 상기 지지베어링은 상기 슬리브의 두께 감소가 최소화되어 굽힘 하중에 대한 강성이 증가 되도록 상기 슬리브의 전후 부분에 배치될 수 있다.

한편, 상기 슬리브베이스는 중공부를 갖는 베이스몸체, 상기 베이스몸체의 선단 내주면에 형성되고 상기 슬리브의 후단 부분이 체결되는 제1 베이스체결부, 상기 베이스몸체의 후단 내주면에 형성되고 로봇팔 부분에 체결되는 제2 베이스체결부, 및 세척수의 분출을 위해 상기 베이스몸체에 형성되는 세척수분출홀을 구비하고, 상기 슬리브는 봉상의 슬리브몸체, 상기 슬리브몸체의 후단에 상기 제1 베이스체결부에 체결되는 슬리브체결부가 형성된 체결몸체, 상기 지지베어링이 체결되도록 상기 중공홀의 내주면에 이격, 배치되는 베어링안착홈, 및 상기 봉상몸체에 작용되는 굽힘 하중에 대한 보강 기능을 수행하도록 상기 베어링안착홈 사이 범위의 내주면에 상기 중공홀의 중심을 향해 돌출, 형성되는 보강부를 구비할 수 있다.

이때, 상기 베어링안착홈은 상기 슬리브체결부의 근접한 상기 체결몸체의 내주면에 형성되는 제1 베어링안착홈과, 상기 슬리브몸체의 앞쪽 부분에 형성되는 제2 베어링안착홈으로 구성될 수 있다.

상기 지지베어링은 상기 제1 베어링안착홈의 선단 부분에 결합되는 제1 지지베어링, 상기 제2 베어링안착홈의 후단 부분에 결합되는 제2 지지베어링, 상기 제1 베어링안착홈의 후단 부분에 결합되는 제3 지지베어링, 상기 제2 베어링안착홈의 선단 부분에 결합되는 제4 지지베어링으로 구성될 수 있다.

이때, 상기 제1 내지 제4 지지베어링은 복수의 베어링이 연이어 배치되고 외륜이 상기 제1 및 제2 베어링안착홈에 끼움되고 내륜이 상기 샤프트의 외주면에 끼움 되도록 설치되고, 상기 제2 및 제4 지지베어링 사이와 상기 제1 및 제3 지지베어링 사이의 중공홀 내주면에 설치되고 상기 샤프트가 삽입되는 중공홀이 형성된 보강스페이서를 더 구비할 수 있다.

그리고, 상기 샤프트의 요동을 방지하기 위해 상기 슬리브의 중공홀 선단 및 후단에 끼워지고 상기 샤프트가 삽입되는 중공홀이 형성된 앤드스페이서를 더 구비할 수 있다.

한편, 상기 절삭헤드는 헤드코어에 등 각도로 분할, 형성된 복수의 날이 돌출, 형성되고, 상기 절삭헤드의 외경은 무릅관절 임플란트의 고정돌부 직경과 같거나 상기 고정돌부의 직경에 대해 10% 범위 내에서 외경 치수가 크게 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 날은 5개로 구성되고, 상기 절삭헤드의 외경은 6.2㎜을 기준으로 전후 10% 범위 내에서 가감된 치수로 형성될 수 있다.

또한, 상기 날은 절삭력의 향상을 위한 러핑 홈이 형성되고, 상기 절삭헤드의 외경은 6.2㎜을 기준으로 전후 10% 범위 내에서 가감된 치수로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치에 의하면, 커터지지부재의 슬리브와 슬리브베이스를 분리 구조로 구성함으로써 커터가 삽입되는 슬리브의 직경을 최소화하면서도 강성을 증가시킬 수 있어서 슬리브의 굽힘현상을 저감시킬 수 있으므로 내구성이 현저히 향상시킬 수 있다. 또한 절삭헤드의 직경이 감소됨에 따라 시술시에 뼈, 근육, 주변 연부 조직의 간섭 및 손상을 줄일 수 있어서 시술의 안정성이 향상되고 환자의 회복기간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

그리고, 절삭장치의 장시간 사용이나 노후로 교체하고자 하는 경우에도 종래와 같이 고가의 슬리브 및 슬리브베이스 전체를 교체하는 것이 아니라 슬리브만을 교체할 수 있으므로 유지보수성이 향상되고 유지보수비용이 절감할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치에 의하면, 커터의 떨림 현상을 최소화할 수 있고, 절삭헤드의 절삭성이 향상되어 시술시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 커터의 교체 없이 단일의 커터에 의해 대퇴골(femur), 경골(tibia)을 용이하게 절삭할 수 있는 동시에 임플란트의 고정돌부가 삽입되는 삽입홀(peg)을 절삭할 수 있으므로 신속하고 정확하게 시술할 수 있고 시술의 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

도1은 종래의 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치를 나타낸 도면,
도2는 무릅관절 부위에 시술되는 인공관절(임플란트)의 일 예를 나타낸 개략적인 사시도,
도3은 종래의 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치의 또 다른 예를 나타낸 도면,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치를 나타내는 정면도,
도5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치를 나타내는 분리 사시도,
도5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치를 나타내는 단면도,
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치에 적용되는 슬리브를 나타낸 단면도,
도7a 내지 도7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치에 적용되는 슬리브베이스를 나타낸 도면,
도8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치에 적용할 수 있는 커터의 일 예를 나타낸 사시도,
도8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치에 적용할 수 있는 커터의 다른 예를 나타낸 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.

도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치를 나타내는 정면도, 도5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치를 나타내는 분리 사시도, 도5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치를 나타내는 단면도이다.

도4 내지 도5b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치는 의료용 로봇의 로봇팔 부분(미도시)에 장착되는 무릅 관절 등과 같은 임플란트(a)를 시술하기 위해 뼈를 절삭하는 장치로서 로봇팔 부분에 구비된 모터(미도시)에 결합되는 샤프트(11)와 이 샤프트(11)의 단부에 절삭헤드(12)가 형성된 커터(1)와, 샤프트(11)가 삽입되는 슬리브(21)와 이 슬리브(21)가 고정되는 슬리브베이스(22)를 구비한 커터지지부재(2)가 구비되어 있다.

특히, 본 발명에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치는 커터지지부재(2)의 슬리브(21)와 슬리브베이스(22)가 분리 가능하게 구성된 것으로, 슬리브(21)는 중공홀(211)을 갖는 봉상의 독립부재로 구성되어 슬리브베이스(22)에 장착 또는 분리 되도록 되어 있다.

그리고, 슬리브(21)는 샤프트(11)를 회전 가능하게 지지하도록 중공홀(211) 내부에 지지베어링(3)이 설치되어 있다. 이때 지지베어링(3)은 굽힘 하중에 대한 강성을 고려하여 슬리브(21)의 두께 감소가 최소화 되도록 슬리브(21)의 전후 부분에 배치되는 것이 중요하다.

도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치에 적용되는 슬리브를 나타낸 단면도이다.

도6을 참조하면, 슬리브(21)는 대략 중공홀(211)을 갖는 환봉 형상의 부재로서 슬리브몸체(212), 체결몸체(213), 베어링안착홈(214), 및 보강부(215)가 형성되어 있다.

슬리브몸체(212)는 시술시에 인체의 내부로 삽입되는 부분으로 외경이 균일한 봉상부재로 형성된다. 슬리브몸체(212)는 수술 부위나 방식 등에 따라 다양한 길이로 제한 없이 형성될 수 있지만 무릅 관절 시술용은 77㎜를 기준으로 전후 10% 범위의 길이를 갖도록 형성되는 것이 바람직하고, 소재는 인체에 악영향을 주지 않은다면 여러 가지 재질을 이용하여 제작할 수 있다. 본 실시예에서는 규격 SUS303으로 호칭되는 스테인레스를 이용하여 제작한다.

체결몸체(213)는 슬리브몸체(212)의 후단에 일체로 연장, 형성되는 부분으로 후술되는 슬리브베이스(22)의 제1 베이스체결부(223)에 체결되는 슬리브체결부(213a)가 형성되어 있다. 그리고 체결몸체(213)의 후방에는 로봇팔의 접속부(미도시)가 기밀적으로 접속되도록 기밀용 씰링(23)이 삽입되는 씰링삽입홈(213b)과 오-링(24,O-ring)이 삽입되는 오링삽입홈(213c)이 요입, 형성되어 있다.

베어링안착홈(214)은 지지베어링(3)이 체결되도록 중공홀(211)의 내주면에 형성되는 것으로 슬리브(21)의 전후 부분에 위치하도록 이격, 형성되어 있다.

그리고, 상기 베어링안착홈(214)은 슬리브체결부(213a)와 근접한 체결몸체(213)의 내주면에 해당되는 중공홀(211)에 형성되는 제1 베어링안착홈(214a)과, 슬리브몸체(212)의 앞쪽 부분에 형성되는 제2 베어링안착홈(214b)으로 구성되어 있다.

보강부(215)는 슬리브몸체(212)에 작용되는 굽힘 하중에 대한 보강 기능을 수행하도록 제1 및 제2 베어링안착홈(214a,214b) 사이에 해당되는 범위에서 슬리브몸체(212)의 두께가 두껍게 형성되도록 중공홀(211)의 중심을 향해 돌출, 형성되어 있다.

한편, 상기 지지베어링(3)은 제1 베어링안착홈(214a)의 선단 부분(보강부에 접한 부분)에 결합되는 제1 지지베어링(31), 제2 베어링안착홈(214b)의 후단 부분(보강부에 접한 부분)에 결합되는 제2 지지베어링(32), 제1 베어링안착홈(214a)의 후단 부분(체결몸체의 앞쪽 부분)에 결합되는 제3 지지베어링(33), 및 제2 베어링안착홈(214b)의 선단 부분에 결합되는 제4 지지베어링(34)으로 구성되어 있다.

그리고, 제1 내지 제4 지지베어링(31,32,33,34)은 복수의 베어링이 연이어 배치되고 외륜이 제1 및 제2 베어링안착홈(214a,214b)에 끼움되고 내륜이 샤프트(11)의 외주면에 끼움 되도록 설치되어 있다. 이때, 제1 내지 제4 지지베어링(31,32,33,34)은 샤프트(11)의 고속 회전을 안정적으로 지지할 수 있도록 내구성이 우수한 베어링이라면 제한 없이 선택하여 적용할 수 있지만 본 실시예에서는 2개의 볼 베어링이 연이어 배치된 구조로 구성되어 있다.

아울러, 상기한 제2 및 제4 지지베어링(32,34)에는 슬리브몸체(212)의 굽힘 현상을 저지하는 보강스페이서(4,4')가 설치되어 있다. 이 보강스페이서(4,4')는 제2 및 제4 지지베어링(32,34) 사이와 제1 및 제3 지지베어링(31,33) 사이에 이격 거리에 해당되는 길이범위로 형성되어 중공홀의 내주면에 삽입되어 설치된다. 이때, 보강스페이서(4,4')는 봉상부재의 중심에 샤프트(11)가 삽입되는 중공홀이 형성된 구조로 형성되어 있다. 그리고, 보강스페이서(4,4')는 지지베어링(3)을 정위치 시켜 유격이 발생되지 않도록 하는 동시에 지지베어링이 없는 구간에서 샤프트(11)의 떨림이 방지되도록 가이드 하는 작용을 수행한다.

한편, 슬리브(21)는 샤프트(11)의 회전시에 요동을 방지하기 위한 앤드스페이서(5,5';end spacer)가 구비되어 있다. 앤드스페이서(5,5')는 슬리브(21)의 중공홀(211) 선단에 끼워지고 샤프트(11)가 삽입되는 중공홀(211)이 형성된 것으로 상기한 보강스페이서(4,4')에 비해 현저하게 짧은 길이로 형성되어 있다. 그리고 앤드스페이서는 슬리브몸체(212)의 선단 중공홀(211)에 설치되는 선단측 앤드스페이서(5)와, 슬리브몸체(212)의 후단 중공홀(211)에 설치되는 후단측 앤드스페이서(5')로 이루어져 억지끼움 방식 또는 용접방식으로 결합되거나 외주면에 금속의 결합에 이용되는 접착제(록타이트, loctite 609)가 도포되어 삽입, 고착된다.

특히 슬리브(21)의 선단에 결합된 선단측 앤드스페이서(5)는 샤프트(11)의 회전 및 이동시에 선단 부분에 인가되는 부하를 안정적으로 지지함으로써 샤프트(11)의 휨과 떨림 현상을 저감시킬 수 있다.

도7a 내지 도7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치에 적용되는 슬리브베이스를 나타낸 도면으로서, 도7a는 단면도, 도7b는 좌측면도, 도7c는 우측면도이다.

도7a 내지 도7c를 참조하면 슬리브베이스(22)는 슬리브(21)와 체결되는 베이스몸체(222)에 제1 베이스체결부(223), 제2 베이스체결부(224), 및 세척수분출홀(225) 등이 형성되어 있다.

베이스몸체(222)는 중심에 중공부(221)를 갖는 원추형 캡 형태로 형성된 것으로, 중공부(221)는 로봇팔의 접속부(미도시)가 삽입되도록 후방에 내경이 크게 형성된 부분과 슬리브(21)의 체결몸체(212)가 접속되도록 전방에 내경이 상대적으로 작게 형성된 부분이 서로 연통되게 형성되어 있다.

제1 베이스체결부(223)는 슬리브(21)의 후단 부분이 체결되는 부분으로 베이스몸체(222)의 전방 내주면에 형성되고 슬리브(21)의 슬리브체결부(213a)와 나사결합 되는 암나사산으로 형성되어 있다.

제2 베이스체결부(224)는 베이스몸체(222)의 후단 내주면에 형성되고 로봇팔의 접속부에 마련된 체결부(미도시)가 체결되도록 베이스몸체(222)의 후방 내주면에 형성되고 로봇팔의 접속부와 나사결합 되는 암나사산으로 형성되어 있다.

세척수분출홀(225)은 인공 관절 등의 시술시에 세척수의 분출을 위해 베이스몸체(222)에 형성되는 것으로 중공부(221)로부터 전방을 향해 관통되는 홀로 구성되고, 이 홀은 복수 개로 구성되는 것으로 본 실시예에서는 베이스몸체(222)에 3개가 등 각도로 분할, 배치되어 있다. 그리고, 상기한 세척수분출홀(225)을 통해 배출되는 세척수는 세척작용을 수행하는 역할과 함께 절삭시 과도한 마찰열로 인해 뼈의 절삭면이 손상되지 않도록 냉각작용을 수행하는 역활을 한다.

도8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치에 적용할 수 있는 커터의 일 예를 나타낸 사시도이다.

도8a를 참조하면, 절삭헤드(12)는 헤드코어(121)에 등 각도로 분할, 형성된 복수의 날(122)이 돌출, 형성되고, 이 절삭헤드(12)의 외경은 무릅관절 임플란트(a, 도2 참조)의 고정돌부(a2) 직경과 같거나 상기 고정돌부(a2)의 직경에 대해 10% 범위 내에서 외경 치수가 크게 형성되어 있다.

바람직하게, 상기 절삭헤드(12)는 6.2㎜을 기준으로 전후 10% 범위의 외경을 갖도록 형성되어 있고, 헤드코어(121)에 형성되는 날(122)은 5개가 등 각도로 분할 배치된 형상으로 구성되어 있다. 그 이유는 통상적으로 임플란트(a)의 고정돌부(a2) 직경이 6.0㎜ 이하이고 고정돌부가 삽입되도록 무릅뼈에 천공되는 삽입홀(미도시)의 직경을 접착제(통상 시멘트로 호칭됨)의 주입두께를 고려하여 천공하여야 하기 때문이다.

도8a에 도시된 바와 같이 절삭헤드(12)의 외경이 6.2㎜ 정도로 형성되면 인공관절의 시술시에 대퇴골(femur), 경골(tibia)을 용이하게 절삭할 수 있고, 동시에 인공관절 임플란트(a)의 고정돌부(a2)가 삽입되는 삽입홀(peg)을 동시에 절삭할 수 있으므로 시술중에 종래와 같이 7.8㎜ 커터와 2.3㎜ 커터를 교체할 필요없이 단일의 커터에 의해 신속하고 편리하게 시술할 수 있다.

도8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치에 적용할 수 있는 커터의 다른 예를 나타낸 사시도이다.

도8b를 참조하면, 절삭헤드(12')는 도8a에 도시된 형태와 마찬가지로 그 외경을 무릅관절 임플란트(a)의 고정돌부(a2) 직경과 같거나 고정돌부의 직경에 대해 10% 이내의 범위만큼 큰 치수로 형성하되, 날(122)은 4개로 구성되고, 각 날에는 러핑 홈(123)이 형성된 점에 특징이 있다. 이때, 절삭헤드(12')의 외경은 6.2㎜을 기준으로 전후 10% 범위내에서 가감된 치수로 형성된다.

러핑(roughing) 홈(123)은 절삭헤드(12')의 회전시에 날(122)의 마찰저항을 저감시키고 절삭시 발생되는 이물질의 배출과 세척수의 유동이 효과적으로 이루어지게 하므로 절삭성을 향상시킬 수 있다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치의 작용을 간략하게 설명한다.

먼저 전술한 바와 같이 구성된 커터(1)를 커터지지부재(2)에 조립하고 슬리브베이스(22)를 로봇팔의 접속부에 체결하게 되면 제2 베이스체결부(224)와 로봇팔의 체결부(미도시)가 서로 나사결합되면서 고정된다. 이때, 커터(1)의 샤프트(11)는 로봇팔의 접속부에 내장된 모터(미도시)로부터 동력을 전달받을 수 있도록 접속된다.

이와 같이 절삭장치의 조립이 완료되면 컴퓨터에 입력된 정보에 따라 가변되는 로봇팔의 작동에 따라 커터지지부재(2)가 위치이동되고 커터(1)가 회전되면서 무릎뼈의 절삭과정을 수행하게 된다.

이때, 커터(1)의 샤프트(11)는 제1 내지 제4 지지베어링(31,32,33,34)에 의해 지지되므로 60,000rpm 이상의 회전수로 고속 회전하게 되더라도 안정적인 회전동작이 수행된다. 또한 샤프트(11)의 선단은 슬리브몸체(212)의 선단에 결합된 선단측 앤드스페이서(5)에 의해 지지되므로 절삭헤드(12)의 떨림 현상을 저감시킬 수 있다.

한편, 무릅뼈(대퇴골(femur), 경골(tibia))의 절삭시에는 절삭헤드(12)를 상하 및 좌우 또는 회전시키는 동작을 수행하게 되므로, 이때 슬리브(21)는 굽힘 하중을 반복적으로 인가받게 된다. 이러한 굽힘 하중은 슬리브(21)가 외팔보 구조이므로 단면적이 급격하게 변화되는 슬리브베이스(22)와 슬리브(21)의 연결 부위에 집중 되면서 큰 변형력이 작용된다. 이때 슬리브(21)는 내부에 보강부(215)가 형성되어 있어서 굽힘 하중을 지지하게 되므로 휨과 같은 변형 발생을 방지할 수 있다.

특히, 상기한 보강부(215)를 형성함에 있어서 지지베어링(3)을 슬리브(21)의 양쪽 단부측에 배치, 구성함으로써 슬리브(1)의 외경을 증가시키지 않아도 되므로 시술시 뼈, 근육, 주변 연부 조직의 간섭 및 손상을 최소화할 수 있다.

아울러, 절삭헤드(12)를 상하 및 좌우 또는 회전시키는 동작을 수행하는 과정에서 슬리브몸체(212)의 선단에 결합된 앤드스페이서(5)에 의해 샤프트(11)가 지지되므로 절삭헤드(12)의 휨 현상을 저감시킬 수 있다.

한편, 도8a 및 도8b에 도시된 형태로 절삭헤드(12,12')가 형성되면 그 외경이 6.2㎜ 정도이므로 인공관절의 시술시에 대퇴골(femur), 경골(tibia)을 용이하게 절삭할 수 있고 동시에 임플란트(a)의 고정돌부(a2)가 삽입되는 삽입홀(peg)을 동시에 절삭할 수 있으므로 시술중에 종래와 같이 7.8㎜ 커터를 2.3㎜ 커터로 교체할 필요없이 신속하고 편리하게 시술할 수 있다.

또한, 날이 5개로 구성된 절삭헤드(12)나 날에 러핑 홈(123)이 형성된 절삭헤드(12')를 이용하여 절삭과정을 수행하게 되므로 절삭동작이 보다 신속하게 수행된다.

아울러, 슬리브(21)와 슬리브베이스(22)가 분리되는 구조이므로 장시간 사용이나 노후로 절삭장치를 교체하고자 하는 경우에도 종래와 같이 고가의 슬리브 및 슬리브베이스 전체를 교체하는 것이 아니라 슬리브(21)만을 교체할 수 있으므로 유지보수성이 향상되고, 유수보수 비용이 절감되는 장점이 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않은 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

a:임플란트 a2:고정돌부
1:커터 11:샤프트
12,12':절삭헤드 121:중심코어
122:날 123:러핑 홈
2:커터지지부재 21:슬리브
211:중공홀 212:슬리브몸체
213:체결몸체 214:베어링안착홈
215:보강부 22:슬리브베이스
221:중공부 222:베이스몸체
223:제1 베이스체결부 224:제2 베이스체결부
225:세척수분출홀 3:지지베어링
31:제1 지지베어링 32:제2 지지베어링
33:제3 지지베어링 34:제4 지지베어링
4,4':보강스페이서 5,5':앤드스페이서

Claims

로봇팔 부분에 구비된 모터에 결합되는 샤프트와 이 샤프트의 단부에 절삭헤드가 형성된 커터와, 상기 샤프트가 삽입되는 슬리브와 이 슬리브가 고정되는 슬리브베이스로 이루어진 커터지지부재가 구비된 관절 절삭시스템의 절삭장치에 있어서,
상기 슬리브는 중공홀을 갖는 봉상의 독립부재로 구성되어 상기 슬리브베이스에 장착 또는 분리 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치.
제1항에 있어서,
상기 슬리브는 상기 샤프트를 회전 가능하게 지지하도록 상기 중공홀 내부에 설치되는 지지베어링을 구비하고,
상기 지지베어링은 상기 슬리브의 두께 감소가 최소화되어 굽힘 하중에 대한 강성이 증가 되도록 상기 슬리브의 전후 부분에 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치.
제2항에 있어서,
상기 슬리브베이스는 중공부를 갖는 베이스몸체, 상기 베이스몸체의 선단 내주면에 형성되고 상기 슬리브의 후단 부분이 체결되는 제1 베이스체결부, 상기 베이스몸체의 후단 내주면에 형성되고 로봇팔 부분에 체결되는 제2 베이스체결부, 및 세척수의 분출을 위해 상기 베이스몸체에 형성되는 세척수분출홀을 구비하고,
상기 슬리브는 봉상의 슬리브몸체, 상기 슬리브몸체의 후단에 상기 제1 베이스체결부에 체결되는 슬리브체결부가 형성된 체결몸체, 상기 지지베어링이 체결되도록 상기 중공홀의 내주면에 이격, 배치되는 베어링안착홈, 및 상기 봉상몸체에 작용되는 굽힘 하중에 대한 보강 기능을 수행하도록 상기 베어링안착홈 사이 범위의 내주면에 상기 중공홀의 중심을 향해 돌출, 형성되는 보강부를 구비한 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치.
제3항에 있어서,
상기 베어링안착홈은 상기 슬리브체결부의 근접한 상기 체결몸체의 내주면에 형성되는 제1 베어링안착홈과, 상기 슬리브몸체의 앞쪽 부분에 형성되는 제2 베어링안착홈으로 구성되고,
상기 지지베어링은 상기 제1 베어링안착홈의 선단 부분에 결합되는 제1 지지베어링, 상기 제2 베어링안착홈의 후단 부분에 결합되는 제2 지지베어링, 상기 제1 베어링안착홈의 후단 부분에 결합되는 제3 지지베어링, 상기 제2 베어링안착홈의 선단 부분에 결합되는 제4 지지베어링으로 구성된 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 내지 제4 지지베어링은 복수의 베어링이 연이어 배치되고 외륜이 상기 제1 및 제2 베어링안착홈에 끼움되고 내륜이 상기 샤프트의 외주면에 끼움 되도록 설치되고,
상기 제2 및 제4 지지베어링 사이와 상기 제1 및 제3 지지베어링 사이의 중공홀 내주면에 설치되고 상기 샤프트가 삽입되는 중공홀이 형성된 보강스페이서를 더 구비한 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치.
제1항에 있어서,
상기 샤프트의 요동을 방지하기 위해 상기 슬리브의 중공홀 선단 및 후단에 끼워지고 상기 샤프트가 삽입되는 중공홀이 형성된 앤드스페이서를 더 구비한 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절삭헤드는 헤드코어에 등 각도로 분할, 형성된 복수의 날이 돌출, 형성되고, 상기 절삭헤드의 외경은 무릅관절 임플란트의 고정돌부 직경과 같거나 상기 고정돌부의 직경에 대해 10% 범위 내에서 외경 치수가 크게 형성된 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치.
제7항에 있어서,
상기 날은 5개로 구성되고, 상기 절삭헤드의 외경은 6.2㎜을 기준으로 전후 10% 범위 내에서 가감된 치수로 형성된 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치.
제7항에 있어서,
상기 날은 절삭력의 향상을 위한 러핑 홈이 형성되고, 상기 절삭헤드의 외경은 6.2㎜을 기준으로 전후 10% 범위 내에서 가감된 치수로 형성된 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 관절 절삭시스템의 절삭장치.