KR20150030900A - Structure and design method of control arm - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 컨트롤 암 구조 및 컨트롤 암 설계방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a control arm structure and a control arm design method.
의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기계를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다. 특히, 수술부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제로 인하여 최근에는 로봇(robot)을 사용한 수술이 대안으로서 각광받고 있다.Medically, surgery refers to the repair of a skin, mucous membrane, or other tissue that is cut, torn or manipulated using a medical device. Particularly, due to problems such as hemorrhage, side effects, patient's pain, scarring, etc., the incision is made by cutting the skin of the surgical site and opening, treating, And is attracting attention as an alternative.
이러한 수술용 로봇은 의사의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터(master)부와, 조작부로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave)부로 구분될 수 있는데, 마스터부와 슬레이브부는 하나의 수술용 로봇의 각 부분으로서 구분되거나, 각각 별도의 장치로, 즉 조작부는 마스터 로봇으로, 구동부는 슬레이브 로봇으로 구분되어 수술실에 각각 배치될 수도 있다.The surgical robot may be divided into a master unit for generating and transmitting a signal required by a physician's operation and a slave unit for receiving signals from the operation unit and applying operations necessary for surgery to the patient. And the slave unit may be divided into respective parts of one surgical robot, or they may be separately provided as separate units, that is, the operation unit may be a master robot and the driving unit may be divided into slave robots, respectively.
수술용 로봇의 마스터부에는 의사의 조작을 위한 컨트롤 암(control arm)이 설치되는데, 로봇 수술의 경우 집도의는 수술에 필요한 인스트루먼트를 직접 조작하는 것이 아니라, 전술한 컨트롤 암을 움직여 로봇에 장착된 각종 인스트루먼트가 수술에 필요한 동작을 수행하도록 한다.In the master part of the surgical robot, a control arm for physician's operation is installed. In the case of robot surgery, the master does not directly manipulate the instrument necessary for the surgery, but moves the control arm Allow the instrument to perform the operations required for surgery.
수술용 로봇에서는, 의사가 컨트롤 암을 직접 손가락으로 잡고 장시간 동안 수술을 할 경우 컨트롤 암의 무게를 직접적으로 의사가 감당해야 하는 일이 발생할 수 있다.In a surgical robot, when the doctor holds the control arm directly with his or her fingers and performs operation for a long time, the weight of the control arm may have to be directly handled by the doctor.
또한, 의사가 컨트롤 암을 잡고 움직이는 동작을 감지하여 신호화함으로써, 수술용 로봇의 작동에 필요한 입력 신호로서 사용되도록 할 수 있다.In addition, a physician can sense the movement of the control arm by gripping the control arm and signaling the motion, so that it can be used as an input signal necessary for operation of the surgical robot.
이를 위해, 컨트롤 암은, 도 1에 도시된 것처럼, 로봇 본체에 암이 결합되는 힌지 부위에 캡스턴 디스크가 설치되며, 캡스턴 디스크는 모터 풀리와 와이어로 연결되는 구조로 이루어질 수 있다.To this end, as shown in FIG. 1, the control arm may have a structure in which a capstan disk is installed at a hinge portion where an arm is coupled to the robot body, and the capstan disk is connected to a motor pulley by a wire.
컨트롤 암의 무게를 경감시켜 중력 보상을 구현하기 위하여 모터를 작동시켜 암이 윗쪽으로 움직이도록 하는 구동력을 부여할 수 있으며, 컨트롤 암의 동작을 감지하여 포스 피드백(force feedback)을 구현하기 위하여 암의 움직임에 따른 모터 풀리의 회전을 인코더를 통해 신호화할 수 있다.In order to reduce the weight of the control arm and to implement gravity compensation, a driving force may be applied to move the arm upward by operating the motor. In order to realize force feedback by sensing the operation of the control arm, The rotation of the motor pulley along with the motion can be signaled through the encoder.
종래의 컨트롤 암 구조에서는, 전술한 중력 보상과 포스 피드백을 구현하기 위해 높은 토크(torque)값을 가지는 모터(풀리)를 캡스턴 디스크(capstan disk)와 와이어를 통해 연결하고, 모터를 구동시켜 캡스턴 디스크로 구동력을 전달하게 된다.In the conventional control arm structure, a motor (pulley) having a high torque value is connected to a capstan disk via a wire to realize the above-described gravity compensation and force feedback, As shown in FIG.
이 때, 모터의 토크가 지나치게 클 경우에는, 모터로부터 나오는 회전력(토크)을 모터 풀리에 감긴 와이어가 견디지 못하고 슬립(slip)이 발생할 수 있다.At this time, if the torque of the motor is excessively large, the wire wound around the motor pulley can not withstand the torque (torque) output from the motor, and a slip may occur.
즉, 컨트롤 암의 구동을 위한 모터가 와이어를 통해 캡스턴 디스크와 풀리 결합된 구조에 있어서, 모터의 토크 값에 따라(너무 클 경우) 모터와 캡스턴 디스크 사이에서 와이어에 슬립이 발생되어 원치 않는 오동작이 발생할 우려가 있다.That is, in the structure in which the motor for driving the control arm is coupled with the capstan disk and the pulley through the wire, the wire slips between the motor and the capstan disk according to the torque value of the motor (if too large) There is a possibility of occurrence.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.The above-described background technology is technical information that the inventor holds for the derivation of the present invention or acquired in the process of deriving the present invention, and can not necessarily be a known technology disclosed to the general public prior to the filing of the present invention.
한편, 미국 공개특허 US2012/0330287호에는 구동부-풀리 와이어-캡스턴 구조를 포함하는 수술용 인스트루먼트가 개시되어 있고, 대한민국 공개특허 특1998-043123호에는 풀리와 와이어 간의 슬립을 방지하기 위해 와이어에 걸림돌부를 형성한 기술이 개시되어 있다.
On the other hand, US Patent Publication No. US2012 / 0330287 discloses a surgical instrument including a driving portion-pulley wire-capstan structure. Korean Patent Laid-Open Publication No. 1998-043123 discloses a surgical stapling method for preventing slippage between a pulley and a wire. And the like.
본 발명은, 모터 풀리와 캡스턴 디스크가 와이어에 의해 풀리 결합된 컨트롤 암 구조에 있어서, 와이어의 슬립을 방지할 수 있는 컨트롤 암 구조 및 컨트롤 암 설계방법을 제공하는 것이다.The present invention provides a control arm structure and a control arm design method that can prevent slippage of a wire in a control arm structure in which a motor pulley and a capstan disk are pulley-connected by a wire.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
Other objects of the present invention will become readily apparent from the following description.
본 발명의 일 측면에 따르면, 모터에 연결되어 작동되는 모터 풀리(motor pulley)와, 모터 풀리에 인접하여 위치하는 캡스턴 디스크(capstan disk)와, 모터 풀리와 캡스턴 디스크에 각각 풀리 결합되어, 모터 풀리와 캡스턴 디스크를 기구적으로 연결하는 와이어(wire)와, 캡스턴 디스크에 결합되며, 캡스턴 디스크의 중심으로부터 소정 거리만큼 연장되는 암(arm)부와, 암부의 말단에 결합되는 짐벌(gimbal)을 포함하되, 와이어의 슬립(slip)을 방지하기 위해, 수학식 (1)을 만족하도록 설계된 것을 특징으로 하는 컨트롤 암 구조가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a motor drive apparatus including a motor pulley connected to a motor, a capstan disk positioned adjacent to the motor pulley, and a motor pulley coupled to the motor pulley and the capstan disk, An arm portion coupled to the capstan disk and extending a predetermined distance from the center of the capstan disk and a gimbal coupled to an end of the arm portion; A control arm structure is provided which is designed to satisfy the following expression (1) in order to prevent slippage of the wire.
Tp > Tm (1)Tp > Tm (1)
여기서, Tp는 짐벌에 대한 사용자 조작에 의해 모터 풀리에 작용하는 토크이고, Tm은 모터의 작동에 의해 모터 풀리에 작용하는 토크임.Here, Tp is a torque acting on the motor pulley by a user operation on the gimbal, and Tm is a torque acting on the motor pulley due to the operation of the motor.
수학식 (1)을 만족하도록, 모터의 출력, 모터 풀리의 직경, 캡스턴 디스크의 직경, 와이어의 마찰 계수, 와이어의 탄성 한도, 와이어가 상기 모터 풀리에 감긴 횟수, 암부의 연장 거리, 및 암부와 짐벌의 중량 등의 설계 변수가 조정될 수 있다.The motor output, the diameter of the motor pulley, the diameter of the capstan disk, the friction coefficient of the wire, the elastic limit of the wire, the number of times the wire is wound on the motor pulley, the extension distance of the arm portion, The design variables such as the weight of the gimbals and the like can be adjusted.
Tm은 모터가 작동될 때 모터에 인가되는 전류를 측정하여, 수학식 (2)로부터 도출될 수 있다.Tm can be derived from equation (2) by measuring the current applied to the motor when the motor is operated.
Tm = Tn x Im / In (2)Tm = Tn x Im / In (2)
여기서, Tn은 모터의 정격 토크(nominal torque), In은 모터의 정격 전류(nominal current), Im은 모터에 인가되는 전류의 측정값임.Where Tn is the rated torque of the motor, In is the nominal current of the motor, and Im is the measured value of the current applied to the motor.
Tp는 수학식 (3)으로부터 도출될 수 있다.Tp can be derived from equation (3).
Tp = Ft x Rp (3)Tp = Ft x Rp (3)
여기서, Ft는 와이어의 탄성 한도, Rp는 모터 풀리의 반경임.Here, Ft is the elastic limit of the wire, and Rp is the radius of the motor pulley.
짐벌에 대한 사용자 조작에 의해 와이어가 Ft의 힘으로 인장되도록 하기 위해, 와이어는 텐셔너(tensioner)에 의해 캡스턴 디스크에 고정되되, 텐셔너의 조임 토크는 수학식 (4) 으로부터 도출될 수 있다.The wire is fixed to the capstan disk by a tensioner so that the wire is pulled by the force of Ft by a user operation on the gimbal while the tightening torque of the tensioner can be derived from equation (4).
Tt = Ft x r (4)Tt = Ft x r (4)
여기서, Tt는 텐셔너의 조임 토크, r은 텐셔너의 반경임.Here, Tt is the tightening torque of the tensioner, and r is the radius of the tensioner.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 모터에 연결되어 작동되는 모터 풀리와, 모터 풀리에 인접하여 위치하는 캡스턴 디스크와, 모터 풀리와 캡스턴 디스크에 각각 풀리 결합되는 와이어와, 캡스턴 디스크에 결합되며, 캡스턴 디스크의 중심으로부터 소정 거리만큼 연장되는 암부와, 암부의 말단에 결합되는 짐벌을 포함하는 컨트롤 암을 설계하는 방법으로서, (a) 짐벌에 대한 사용자 조작에 의해 모터 풀리에 작용하는 토크를 도출하는 단계, (b) 모터의 작동에 의해 모터 풀리에 작용하는 토크를 도출하는 단계, 및 (c) 수학식 (1)을 만족하도록, 모터의 출력, 모터 풀리의 직경, 캡스턴 디스크의 직경, 와이어의 마찰 계수, 와이어의 탄성 한도, 와이어가 모터 풀리에 감긴 횟수, 암부의 연장 거리, 및 암부와 짐벌의 중량 등의 설계 변수를 조정하는 단계를 포함하는 컨트롤 암 설계방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a motor control apparatus including a motor pulley connected to a motor, a capstan disk positioned adjacent to the motor pulley, a wire pulley-connected to the motor pulley and the capstan disk, CLAIMS 1. A method of designing a control arm comprising an arm extending a predetermined distance from a center of a capstan disk and a gimbal coupled to an end of the arm, the method comprising: (a) deriving a torque acting on the motor pulley by user manipulation of the gimbal (B) calculating a torque acting on the motor pulley by operation of the motor; and (c) calculating the output of the motor, the diameter of the motor pulley, the diameter of the capstan disk, Adjusting the design parameters such as the friction coefficient, the elastic limit of the wire, the number of times the wire is wound on the motor pulley, the extension distance of the arm portion, and the weight of the arm portion and the gimbals This should control arm design method is provided.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
Other aspects, features, and advantages will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.
본 발명의 실시예에 따르면, 모터 풀리와 캡스턴 디스크를 풀리 와이어로 연결한 컨트롤 암 구조를 작동시키는 과정에서 와이어에 슬립(slip)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
According to the embodiment of the present invention, it is possible to prevent a slip from occurring in the wire during operation of the control arm structure in which the motor pulley and the capstan disk are connected by the pulley wire.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 구조를 나타낸 개요도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 구조를 나타낸 정면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 구조를 나타낸 저면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 설계방법을 나타낸 순서도.1 is a schematic diagram showing a control arm structure according to an embodiment of the present invention;
2 is a front view showing a control arm structure according to an embodiment of the present invention;
3 is a bottom view of a control arm structure according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a method of designing a control arm according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 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.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Referring to the accompanying drawings, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, .
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 구조를 나타낸 개요도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 구조를 나타낸 정면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 구조를 나타낸 저면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 설계방법을 나타낸 순서도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 모터(10), 모터 풀리(12), 캡스턴 디스크(20), 텐셔너(22), 와이어(30), 암부(40), 짐벌(42)이 도시되어 있다.2 is a front view illustrating a control arm structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a control structure according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of designing a control arm according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 to 3, a
본 실시예는 수술용 로봇의 마스터 인터페이스 암(master interface arm)과 같이 기계 장치를 작동시키기 위한 컨트롤 암의 구조를 개선한 것으로서, 특히 캡스턴 디스크와 모터 풀리를 연결하는 와이어의 미끄러짐, 즉 슬립을 방지한 것을 특징으로 한다.The present embodiment is an improvement of the structure of a control arm for operating a mechanical device such as a master interface arm of a surgical robot. In particular, the present invention prevents a slip of a wire connecting a capstan disk and a motor pulley, that is, .
본 실시예에 따른 컨트롤 암 구조는, 모터 풀리와 캡스턴 디스크를 연결하는 와이어의 감긴 힘(토크)에 관한 수식을 도출한 후 와이어가 탄성 한도 내에서 슬립이 발생하지 않을 정도로 감김 토크를 조절하는 기술을 적용한 것을 특징으로 한다.The control arm structure according to the present embodiment is a technique of deriving a formula relating to a winding torque (torque) of a wire connecting a motor pulley and a capstan disk, and then adjusting the winding torque to such an extent that the slip does not occur in the elastic limit of the wire Is applied.
수술용 로봇의 컨트롤 암에 적용되는 캡스턴 디스크의 모터 구동은 도 1과 같이 구성될 수 있다. 즉, 모터 풀리와 캡스턴 디스크 간의 동력 전달을 위해, 도 1에 도시된 것과 같이 와이어가 사용될 수 있다.Motor drive of the capstan disk applied to the control arm of the surgical robot can be configured as shown in Fig. That is, for power transmission between the motor pulley and the capstan disk, a wire can be used as shown in Fig.
와이어를 통한 동력 전달 방식은, 치차 이동시 충격이 있는 기어 방식에 비하여 백래쉬(backlash)가 0에 가깝기 때문에, 의사가 장시간 사용하게 되는 수술용 로봇의 제어용 암(컨트롤 암)의 동력 전달 방식으로 사용될 수 있다.Since the backlash is close to zero as compared with the gear system in which the impact is transmitted when the gear is moved, the power transmission system through the wire can be used as a power transmission system for the control arm (control arm) of the surgical robot, have.
또한, 로봇을 이용한 수술 과정에서 의사의 팔의 피로도를 덜어주기 위해, 컨트롤 암에는 '무게가 느껴지지 않도록' 하기 위한 중력 보상 기술이 적용될 필요가 있으며, 추가적으로 가상 벽체(virtual wall)를 설정하여 수술 영역을 벗어나게 되면 모터의 리버스 토크(reverse torque)를 이용하여 의사에게 알려주는, 햅틱(haptic) 기술이나 포스 피드백 기술이 구현될 필요가 있다.In order to relieve the physician's arm fatigue during the operation using the robot, the control arm needs to be applied with a gravity compensating technique for 'not feeling weight'. In addition, a virtual wall is set, Haptic technique or force feedback technique that informs the physician using reverse torque of the motor needs to be implemented.
이를 위해, 본 실시예에 따른 컨트롤 암 구조는, 모터 풀리(12), 캡스턴 디스크(20), 와이어(30), 암부(40) 및 짐벌(42)을 포함하여 구성될 수 있다.To this end, the control arm structure according to the present embodiment may include a
모터 풀리(12)는 모터(10)의 회전축에 연결되어 모터(10)의 작동에 따라 회전하는 풀리(pulley)이다. 본 실시예에 따른 모터 풀리(12)는 소정의 직경(Dp)을 가지며, 후술하는 와이어(30)는 모터 풀리(12)에 여러 번(n) 감길 수 있다. 예를 들면, 모터 풀리(12)의 직경은 11.44mm일 수 있으며, 와이어(30)는 모터 풀리(12)에 7회 감길 수 있다.The
캡스턴 디스크(20)는 모터 풀리(12)에 인접하여 위치하며, 암부(40)가 로봇 본체에 연결되는 힌지 부위에 설치되는 디스크(disc)이다. 캡스턴 디스크(20)의 회전에 따라 그에 연결된 암부(40)(및 짐벌(42))가 회전하게 된다. 본 실시예에 따른 캡스턴 디스크(20)는 소정의 직경(Dc)을 가지며, 후술하는 와이어(30)는 캡스턴 디스크(20)의 소정 지점에서 텐셔너(22)에 의해 고정될 수 있다.The
와이어(30)는 모터 풀리(12)와 캡스턴 디스크(20)에 각각 풀리 결합되어 모터 풀리(12)와 캡스턴 디스크(20)를 연결하는 구성요소로서, 모터 풀리(12)와 캡스턴 디스크(20)는 와이어(30)에 의해 기구적으로 연동되게 된다. 본 실시예에 따른 와이어(30)는 소정의 마찰 계수(μ)를 가지고 모터 풀리(12)에 감기게 된다.The
또한, 본 실시예에 따른 와이어(30)는 그 재질에 따라 소정의 탄성 한도(Ft)값을 가지게 된다.Also, the
수술용 로봇을 구성하는 여러 컴포넌트(component)들은 복잡하고, 다양한 방향으로 구동력이 전달되어야 하는 상황이므로, 일반적으로 텅스텐(tungsten) 소재의 와이어(30)가 주로 사용될 수 있다.Since various components constituting the surgical robot are complex and the driving force must be transmitted in various directions, the
모터 풀리(12)에 감긴 와이어(30)가 파손되지 않는 범위 내에서 최대한의 인장력, 즉 탄성한도에 해당하는 인장력이 가해질 수 있으며, 이러한 탄성 한도값은 와이어(30)에 대한 파단 인장 실험을 통해 확인할 수 있다.A maximum tensile force, that is, a tensile force corresponding to an elastic limit can be applied within a range in which the
즉, 와이어(30)에 대한 인장 실험을 통해 인장 하중별 변위량 그래프(stress-strain curve)를 도출할 수 있으며, 실험 결과에서 직선 구간의 최대값을 탄성 한도값으로 확인할 수 있다.That is, a strain-strain curve can be derived from the tensile test of the
예를 들어, 텅스텐 소재의 와이어(30)를 사용할 경우 탄성 한도는 5.4kgf일 수 있다. 나아가, 본 실시예에 따른 컨트롤 암 구조에서는 안전율을 감안하여 탄성 한도에 안전율을 곱한 값을 설계시 탄성 한도값으로서 사용할 수도 있다.For example, when using
예를 들어, 안전율을 80%로 설정했을 때 텅스텐 와이어(30)의 설계 탄성 한도는 4.32(= 5.4 x 80%)kgf일 수 있다.For example, when the safety factor is set to 80%, the design elastic limit of the
암부(40)는 캡스턴 디스크(20)로부터 연장된 암(arm) 형태의 구조물로서, 하나의 부재로 이루어질 수도 있고, 여러 개의 부재가 결합되어 본 실시예에 따른 암부(40)를 구성할 수도 있다. 예를 들어 여러 개의 부재가 SCARA(selective compliance assembly robot arm) 구조로 결합되어 본 실시예에 따른 암부(40)를 구성함으로써 후술하는 짐벌(42)이 3차원 공간 상에서 임의의 위치로 이동하도록 할 수 있다. 본 실시예에 따른 암부(40)는 캡스턴 디스크(20)의 중심으로부터 소정 거리(Da)만큼까지 연장될 수 있으며, 소정의 중량(ma)을 가질 수 있다.The
짐벌(42)은 암부(40)의 말단에 결합되며 사용자(의사)가 손으로 잡고 움직이는 일종의 '핸들(handle)'에 해당하는 구성요소로서, 전술한 것처럼 암부(40)에 의해 지지된 상태로 3차원 공간 상에서 임의의 위치로 이동될 수 있다.The
의사가 짐벌(42)을 잡고 움직일 때 짐벌(42)의 자중을 느끼지 않도록 하기 위해, 본 실시예에 따른 컨트롤 암에는 전술한 것처럼 중력 보상 기술이 적용될 수 있다. 또한, 짐벌(42)의 움직임에 햅틱 및/또는 포스 피드백 기술이 구현될 수도 있으며, 이를 위해 본 실시예에 따른 컨트롤 암에는 '모터 풀리(12)-캡스턴 디스크(20)' 구조가 적용될 수 있다.In order to prevent the physician from feeling the weight of the
이처럼, 본 실시예에 따른 컨트롤 암 구조에는 와이어(30)에 의해 서로 연결된 '모터 풀리(12)-캡스턴 디스크(20)' 구조가 적용될 수 있는데, 본 실시예는 작동 과정에서 와이어(30)의 슬립이 발생하지 않도록 컨트롤 암 구조를 설계한 것을 특징으로 한다.As described above, the control arm structure according to the present embodiment can be applied to the structure of the 'motor pulley 12-capstan disk 20' connected to each other by the
즉, 다음 식 (1)을 만족하도록 컨트롤 암을 설계함으로써 와이어(30)의 슬립을 방지할 수 있다.That is, by designing the control arm so as to satisfy the following equation (1), it is possible to prevent the
Tp > Tm (1)Tp > Tm (1)
여기서, Tp는 짐벌(42)에 대한 사용자 조작에 의해 모터 풀리(12)에 작용하는 토크이고, Tm은 모터(10)의 작동에 의해 모터 풀리(12)에 작용하는 토크이다. 즉, 사용자가 짐벌(42)을 조작함에 따라 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값이 (중력 보상 등을 위해) 모터(10)가 작동함에 따라 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값보다 크게 되도록 컨트롤 암을 설계함으로써, 와이어(30)의 슬립을 방지할 수 있다.Where Tp is a torque acting on the
전술한 것처럼 토크값을 조절하여 컨트롤 암을 설계하기 위해서는, 사용자가 짐벌(42)을 조작함에 따라 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값(Tp)에 영향을 미치는 설계 변수들을 도출한 후, 각 변수들을 조정하는 과정을 거치게 된다.In order to design the control arm by adjusting the torque value as described above, the design parameters affecting the torque value Tp acting on the
이러한 설계 변수에는, 모터 풀리(12)의 직경(Dp), 캡스턴 디스크(20)의 직경(Dc), 와이어(30)의 마찰 계수(μ), 와이어(30)의 탄성 한도(Ft), 와이어(30)가 상기 모터 풀리(12)에 감긴 횟수(n), 암부(40)의 연장 거리(Da), 및 암부(40)와 짐벌(42)의 중량(ma, mg) 등을 들 수 있다.These design parameters include the diameter Dp of the
한편, 모터(10)가 작동함에 따라 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값(Tm)은 모터(10)의 출력값과 관련되며, 이는 선정된 모터(10)의 사양(specification)으로부터 도출될 수 있다.On the other hand, the torque value Tm acting on the
즉, Tm은 모터(10)가 작동될 때 모터(10)에 인가되는 전류를 측정하여, 다음 식 (2)로부터 도출될 수 있다.That is, Tm can be derived from the following equation (2) by measuring the current applied to the
Tm = Tn x Im / In (2)Tm = Tn x Im / In (2)
여기서, Tn은 모터(10)의 정격 토크(nominal torque)이고 In은 모터(10)의 정격 전류(nominal current)이다. 즉, 선정된 모터(10)의 스펙 정보로부터 정격 토크(Tn)값과 정격 전류(In)값을 도출하고, 측정된 전류값(Im)을 입력하여 식 (2)로부터 Tm 값을 산출할 수 있다.Where Tn is the nominal torque of the
예를 들어, 정격 토크값이 0.420Nm이고 정격 전류값이 4.58A인 모터(10)를 선정하여 컨트롤 암을 제작하고, 모터(10)에 최대 부하가 작용할 때(암부(40)가 캡스턴 디스크(20)의 중심으로부터 최대로 연장된 상태에서 짐벌(42)이 조작될 때) 모터(10)에 인가되는 전류값이 2.29A로 측정됐다고 할 때,For example, a control arm is manufactured by selecting a
Tm = 0.42 x 2.29 / 4.58 = 0.21NmTm = 0.42 x 2.29 / 4.58 = 0.21 Nm
와 같이 산출될 수 있다.As shown in FIG.
이 경우, 모터(10)에 인가하는 전류가 2.29A만 흐르도록 세팅함으로써, 모터(10)에 작용하는 토크값이 최대 0.21(Nm)를 넘지 않도록 할 수 있다.In this case, by setting the current to be applied to the
선정된 모터(10)를 기준으로 컨트롤 암의 실제 작동 상태에서 실험적으로 얻어낸 토크값은, 선정된 모터(10)의 정격 토크(0.42Nm) 대비 약 50%인 0.21Nm로 산출되었음을 알 수 있다.It can be seen that the torque value obtained experimentally in the actual operating state of the control arm based on the selected
한편, 사용자가 짐벌(42)을 조작함에 따라 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값(Tp)은 컨트롤 암의 설계 사양과 관련되며, 다음 식 (3)으로부터 도출될 수 있다.On the other hand, the torque value Tp acting on the
Tp = Ft x Rp (3)Tp = Ft x Rp (3)
여기서, Ft는 와이어(30)의 탄성 한도값이고 Rp는 모터 풀리(12)의 반경(=Dp/2)이다.Where Ft is the elastic limit value of the
즉, Tp는 Ft 값으로 와이어(30)를 당길 때 모터 풀리(12)에 발생하는 토크에 해당하며, 전술한 사례의 경우에 대하여 계산을 해보면,That is, Tp corresponds to the torque generated in the
Tp = 4.32(kgf) x 5.72(mm) = 24.71(kgfmm) = 0.246(Nm)Tp = 4.32 (kgf) x 5.72 (mm) = 24.71 (kgfmm) = 0.246 (Nm)
앞서 계산한 모터(10)에서 나오는 토크값(Tm)과 와이어(30)를 Ft의 힘으로 당길 때 발생하는 토크값(Tp)을 대비해 보면 다음과 같다.The torque value Tp generated when the
Tp : Tm = 0.246(Nm) : 0.21(Nm)Tp: Tm = 0.246 (Nm): 0.21 (Nm)
결과적으로, 모터(10)에서 나오는 토크값(Tm)인 0.21Nm보다, 짐벌(42)의 조작으로 인하여 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값(Tp)인 0.246Nm가 크므로, 와이어(30)에 슬립이 발생하는 것을 방지할 수 있다.As a result, since the torque value Tp acting on the
한편, 위와 같은 결과는 짐벌(42)에 대한 사용자 조작으로 인하여 와이어(30)가 Ft의 인장력으로 당겨지는 상태가 유지되는 것을 전제로 한 것으로, 이를 위해서는 별도의 텐셔너(22)를 장착하여 와이어(30)를 캡스턴 디스크(20)에 고정시켜야 한다.The above result is based on the premise that the
텐셔너(22)는 소정의 토크를 가하여 조임으로써 캡스턴 디스크(20)에 장착될 수 있는데, 와이어(30)에 인장력 Ft가 유지되도록 텐셔너(22)에 가해야 하는 조임 토크는 다음 식 (4)로부터 도출될 수 있다.The tightening torque to be applied to the
Tt = Ft x r (4)Tt = Ft x r (4)
여기서, Tt는 텐셔너(22)의 조임 토크이고, r은 텐셔너(22)의 반경이다. Here, Tt is the tightening torque of the
예를 들어, 외경 12.7 파이용 텐셔너(22)를 사용하여 와이어(30)를 고정시킨다고 할 때, 텐셔너(22)의 조임 토크는,For example, when the
Tt = 4.32 x 6.35 = 27.432 kgfmmTt = 4.32 x 6.35 = 27.432 kgfmm
와 같이 계산될 수 있다. 즉, 27.432 kgfmm 의 조임 토크로 텐셔너(22)를 체결함으로써 와이어(30)에 인장력 Ft가 유지되도록 할 수 있다.Can be calculated as follows. That is, the tensile force Ft can be maintained on the
결론적으로, 캡스턴 디스크(20)를 사용하는 수술용 로봇의 컨트롤 암 구조에서, 모터 풀리(12)와 캡스턴 디스크(20) 간의 와이어(30)의 슬립을 방지하기 위해서는, 먼저, 사용자가 짐벌(42)을 조작함에 따라 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값(Tp)을 산출하고(S100), 모터(10)가 작동함에 따라 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값(Tm)을 도출한다(S200).In conclusion, in order to prevent the slip of the
Tp 값과 Tm 값의 산출 단계는 순차적으로 또는 병행하여 수행될 수 있으며, 반드시 어느 단계가 다른 단계에 선행하거나 후행되어야 하는 것은 아니다.The steps of calculating the Tp value and the Tm value may be performed sequentially or in parallel, and it is not necessary that one step precedes or follows another step.
다음으로, Tp 값이 Tm 값보다 커지도록 기구적 설계 변수(parameter) 값을 적절히 조정하여 컨트롤 암을 설계하면 된다(S300).Next, the control arm may be designed by appropriately adjusting the mechanical design parameter value so that the Tp value is larger than the Tm value (S300).
또한, 와이어(30)의 텐션이 일정하게 유지되도록 하기 위해 텐셔너(22)에 최적화되도록 계산 토크(Tt)값을 적용하여 텐셔너(22)를 조립하면 된다.The
한편, 모터 풀리(12)에 감긴 와이어(30)가 모터 풀리(12)에 가하는 총 힘(Fw)은 다음 식 (5)와 같이 계산될 수 있다.On the other hand, the total force Fw applied to the
Fw = μ x Ft x n (5)Fw = 占 x Ft 占 n (5)
여기서, μ는 사용되는 와이어(30)의 고유 마찰계수(상수)이고, n은 모터 풀리(12)에 와이어(30)가 감긴 횟수이다.Here, μ is the inherent friction coefficient (constant) of the
와이어(30)의 감김 횟수는, 캡스턴 디스크(20)의 폭 안에 장착될 수 있는 모터 풀리(12)의 폭을 결정하고, 캡스턴 디스크(20)가 회전 구동하는 구간을 감안하여 와이어(30)의 감김 피치(pitch)와 감김 횟수가 정해질 수 있다.The number of windings of the
전술한 사례의 경우, Fw는 다음과 같이 계산될 수 있다.In the case of the above example, Fw can be calculated as follows.
Fw = μ x 4.32 x 7 = 30.24μ kgfFw = mu x 4.32 x 7 = 30.24 mu kgf
즉, 모터 풀리(12)에 와이어(30)가 감긴 횟수에 따라 모터 풀리(12)에 최종적으로 가해지는 힘을 확인할 수 있다.
That is, the force finally applied to the
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be understood that the invention may be varied and varied without departing from the scope of the invention.
10 : 모터 12 : 모터 풀리
20 : 캡스턴 디스크 22 : 텐셔너
30 : 와이어 40 : 암부
42 : 짐벌10: motor 12: motor pulley
20: capstan disk 22: tensioner
30: wire 40:
42: Gimbal
Claims (6)
상기 모터 풀리에 인접하여 위치하는 캡스턴 디스크(capstan disk)와;
상기 모터 풀리와 상기 캡스턴 디스크에 각각 풀리 결합되어, 상기 모터 풀리와 상기 캡스턴 디스크를 기구적으로 연결하는 와이어(wire)와;
상기 캡스턴 디스크에 결합되며, 상기 캡스턴 디스크의 중심으로부터 소정 거리만큼 연장되는 암(arm)부와;
상기 암부의 말단에 결합되는 짐벌(gimbal)을 포함하되,
상기 와이어의 슬립(slip)을 방지하기 위해, 하기 수학식 (1)을 만족하도록 설계된 것을 특징으로 하는 컨트롤 암 구조.
Tp > Tm (1)
여기서, 상기 Tp는 상기 짐벌에 대한 사용자 조작에 의해 상기 모터 풀리에 작용하는 토크이고, 상기 Tm은 상기 모터의 작동에 의해 상기 모터 풀리에 작용하는 토크임.
A motor pulley operatively connected to the motor;
A capstan disk positioned adjacent to the motor pulley;
A wire pulley coupled to the motor pulley and the capstan disk, respectively, for mechanically connecting the motor pulley and the capstan disk;
An arm portion coupled to the capstan disk and extending a predetermined distance from a center of the capstan disk;
And a gimbal coupled to an end of the arm portion,
Wherein the control arm structure is designed to satisfy the following equation (1) to prevent slippage of the wire.
Tp > Tm (1)
Here, Tp is a torque acting on the motor pulley by a user operation on the gimbal, and Tm is a torque acting on the motor pulley by operation of the motor.
상기 수학식 (1)을 만족하도록, 상기 모터의 출력, 상기 모터 풀리의 직경, 상기 캡스턴 디스크의 직경, 상기 와이어의 마찰 계수, 상기 와이어의 탄성 한도, 상기 와이어가 상기 모터 풀리에 감긴 횟수, 상기 암부의 연장 거리, 및 상기 암부와 상기 짐벌의 중량으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 설계 변수가 조정되는 것을 특징으로 하는 컨트롤 암 구조.
The method according to claim 1,
Wherein the output of the motor, the diameter of the motor pulley, the diameter of the capstan disk, the friction coefficient of the wire, the elastic limit of the wire, the number of times the wire is wound on the motor pulley, An extension distance of the arm portion, and a weight of the arm portion and the gimbals is adjusted.
상기 Tm은 상기 모터가 작동될 때 상기 모터에 인가되는 전류를 측정하여, 하기 수학식 (2)로부터 도출되는 것을 특징으로 컨트롤 암 구조.
Tm = Tn x Im / In (2)
여기서, 상기 Tn은 상기 모터의 정격 토크(nominal torque), 상기 In은 상기 모터의 정격 전류(nominal current), 상기 Im은 상기 모터에 인가되는 전류의 측정값임.
The method according to claim 1,
Wherein Tm is derived from the following equation (2) by measuring a current applied to the motor when the motor is operated.
Tm = Tn x Im / In (2)
Here, Tn is a nominal torque of the motor, In is a nominal current of the motor, and Im is a measured value of a current applied to the motor.
상기 Tp는 하기 수학식 (3)으로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 컨트롤 암 구조.
Tp = Ft x Rp (3)
여기서, 상기 Ft는 상기 와이어의 탄성 한도, 상기 Rp는 상기 모터 풀리의 반경임.
The method according to claim 1,
Wherein Tp is derived from the following equation (3).
Tp = Ft x Rp (3)
Here, Ft is an elastic limit of the wire, and Rp is a radius of the motor pulley.
상기 짐벌에 대한 사용자 조작에 의해 상기 와이어가 상기 Ft의 힘으로 인장되도록 하기 위해, 상기 와이어는 텐셔너(tensioner)에 의해 상기 캡스턴 디스크에 고정되되, 상기 텐셔너의 조임 토크는 하기 수학식 (4) 으로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 컨트롤 암 구조.
Tt = Ft x r (4)
여기서, Tt는 상기 텐셔너의 조임 토크, 상기 r은 상기 텐셔너의 반경임.
5. The method of claim 4,
The wire is fixed to the capstan disk by a tensioner so that the wire is pulled by the force of the Ft by a user operation on the gimbal, wherein the tightening torque of the tensioner is expressed by the following equation (4) Wherein the control arm structure is formed of a metal plate.
Tt = Ft xr (4)
Here, Tt is a tightening torque of the tensioner, and r is a radius of the tensioner.
(a) 상기 짐벌에 대한 사용자 조작에 의해 상기 모터 풀리에 작용하는 토크를 도출하는 단계;
(b) 상기 모터의 작동에 의해 상기 모터 풀리에 작용하는 토크를 도출하는 단계; 및
(c) 하기 수학식 (1)을 만족하도록, 상기 모터의 출력, 상기 모터 풀리의 직경, 상기 캡스턴 디스크의 직경, 상기 와이어의 마찰 계수, 상기 와이어의 탄성 한도, 상기 와이어가 상기 모터 풀리에 감긴 횟수, 상기 암부의 연장 거리, 및 상기 암부와 상기 짐벌의 중량으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 설계 변수를 조정하는 단계를 포함하는 컨트롤 암 설계방법.
Tp > Tm (1)
여기서, 상기 Tp는 상기 짐벌에 대한 사용자 조작에 의해 상기 모터 풀리에 작용하는 토크이고, 상기 Tm은 상기 모터의 작동에 의해 상기 모터 풀리에 작용하는 토크임.A capstan disk disposed adjacent to the motor pulley; a wire pulley-connected to the motor pulley and the capstan disk; a wire coupled to the capstan disk; 1. A method of designing a control arm including an arm extending a predetermined distance and a gimbal coupled to an end of the arm,
(a) deriving a torque acting on the motor pulley by a user operation on the gimbal;
(b) deriving a torque acting on the motor pulley by operation of the motor; And
(c) the output of the motor, the diameter of the motor pulley, the diameter of the capstan disk, the coefficient of friction of the wire, the elastic limit of the wire, the wire wound on the motor pulley Adjusting the at least one design parameter selected from the group consisting of a number of times, an extension distance of the arm portion, and a weight of the arm portion and the gimbals.
Tp > Tm (1)
Here, Tp is a torque acting on the motor pulley by a user operation on the gimbal, and Tm is a torque acting on the motor pulley by operation of the motor.
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Legal Events
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E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |