KR20160148283A - The surgical robot arm singular point cognitive apparatus and method - Google Patents

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Abstract

A device for cognizing singular point occurrence of an orthopedic surgical robot arm according to the present invention comprises: a tool driving sensing unit for providing a driving position and direction information of a tool disposed in the end of a 6-axis robot arm in a manual mode during an orthopedic surgery; a cognition control unit connected with the tool driving sensing unit, and controlling singular point occurrence cognition of a surgical robot arm; a reverse kinematics calculating unit connected with the cognition control unit, and calculating first joint to sixth joint angle values from the driving position and the direction information of the tool; and a singular point determining unit for determining singular point occurrence on the basis of a fifth joint angle value or manipulability from information calculated by the reverse kinematics calculating unit.

Description

정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치 및 그 방법{The surgical robot arm singular point cognitive apparatus and method}[0001] The present invention relates to a cingular point generation apparatus and method for an orthopedic surgical robot arm,

본 발명은 정형외과 수술 로봇암에 관한 기술로, 더 상세하게는 정형외과 수술자가 수동모드로 6축으로 구성된 로봇암을 구동하는 경우, 중앙에서 단부로 연결된 제4조인트와 제6조인트가 일직선 상에 위치하는 싱귤러 포인트가 발생하는 상황을 인지하여 즉각적으로 대응할 수 있는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치 및 그 방법에 관한 기술이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to an orthopedic surgical robot arm, and more particularly, to an orthopedic surgical operation in which, when a robot arm composed of six axes is driven in a passive mode, a fourth joint and a sixth joint, The present invention relates to an apparatus and method for recognizing the occurrence of a Cingular Point in an orthopedic surgical robot arm capable of recognizing and responding to a situation in which a Cingular Point located in a Cingular Point is located.

최근 의학 기술의 발달로 로봇과 컴퓨터 시스템을 이용한 네비게이션 수술이 활발히 도입되고 있으며, 인공 관절 수술 분야에서도 이러한 수술이 적용되고 있다. With the recent advances in medical technology, navigation systems using robots and computer systems are actively being introduced, and such operations are also being applied in artificial joint surgery.

무릎 관절의 경우, 외상이나 여러 가지 감염, 질환에 의한 통증 및 행동 장애가 오면 정형외과적 수술을 통해 관절 전체나 부분에 치환술을 사용하여 치료를 하며, 이중 약 10~30%의 환자들은 무릎 내측 조인트의 마모가 오게 되어 무릎관절 부분치환수술을 시행한다. In the case of knee joints, trauma, various infections, pain and behavioral problems caused by the disease, orthopedic surgery is used to treat all or part of the joints, and about 10 to 30% of patients are treated with knee joint And wear of the knee joint is performed.

이러한 정형외과 수술 로봇은 대한민국 등록특허 공보 제10-1413920호(2014. 06. 24)에 기재된 바와 같이, 일측이 로봇 베이스에 장착되고, 타측 방향으로 관절과 링크가 순차적으로 연결된 로봇암으로 형성되고, 말단장치(end effector)에 수술 툴이 형성된다. 이러한 로봇암이 주어진 작업을 수행하기 위해서는 수술 툴의 위치를 알아야 하는 동시에 수술 툴을 원하는 곳으로 위치시킬 수 있어야 한다. Such an orthopedic surgical robot is formed of a robot arm, one side of which is mounted on a robot base and the other side of which is linked with a joint in a sequential manner, as described in Korean Patent Registration No. 10-1413920 (Apr. , A surgical tool is formed on an end effector. In order to perform the given task, the robot arm needs to know the position of the surgical tool and to position the surgical tool at a desired position.

종래 정형외과 수술 로봇암은 일측부터 타측까지 총 6개의 축(제1조인트 내지 제6조인트)으로 연결되며, 각 축은 링크 연결되어 각 링크 연결부위를 기점으로 회전운동을 하게 되며, 수동모드 시에는 사용자가 로봇암을 파지한 후, 말단에 위치한 수술 툴을 이동시켜 수술 동작을 수행하고, 수술 툴의 위치에 따라 로봇암의 관절 각도는 가변된다.Conventionally, the orthopedic surgical robot arm is connected to six axes (first joint to sixth joint) from one side to the other side, and each axis is linked and rotational motion starts from each link connection part. In the manual mode, After the user grasps the robot arm, the operator moves the surgical tool located at the distal end to perform a surgical operation, and the angle of the joint of the robot arm varies depending on the position of the surgical tool.

이러한 수동모드에 따른 로봇암 구동 시, 제4조인트 및 제6조인트가 일직선에 놓일 경우, 제4조인트 및 제6조인트가 무한 회전하여, 수술 작업이 불가능해지는 문제가 발생한다.When the robot arm is driven in this manual mode, when the fourth joint and the sixth joint are placed in a straight line, the fourth joint and the sixth joint rotate infinitely, and a problem arises that the operation becomes impossible.

대한민국 등록특허 공보 10-1413920B, 2014. 06. 24, 8쪽 내지 10쪽.Korean Registered Patent No. 10-1413920B, Apr. 2014, pp. 24, 8-10.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치 및 방법의 목적은 로봇암의 싱귤러 포인트가 발생하는 상황을 사전에 인지할 수 있도록 하는데 있다. It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for recognizing the occurrence of a Cingular Point in an orthopedic surgical robot arm according to the present invention. To be able to do.

본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치는 정형외과 수술 시, 수동모드에서 6축 로봇암의 말단에 위치한 툴의 구동 위치 및 방향 정보를 제공하는 툴 구동 감지부, 상기 툴 구동 감지부와 연결되어, 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 작업을 제어하는 인지제어부, 상기 인지제어부와 연결되어, 상기 툴의 구동 위치 및 방향 정보로부터 제1조인트 내지 제6조인트 각도값를 산출하는 역기구학 산출부 및 상기 역기구학 산출부에서 산출된 정보에서 제5조인트의 각도값 또는 매니퓰러빌러티(Manipulability)를 기준으로 싱귤러 포인트 발생 여부를 판단하는 싱귤러 포인트 판단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The Cingular point generation recognition apparatus of the orthopedic surgical robot arm according to the present invention includes a tool drive sensing unit for providing driving position and direction information of a tool located at a distal end of a six-axis robot arm in an orthopedic surgical operation, A cognitive control unit connected to the sensing unit for controlling the operation of recognizing the occurrence of a Cingular point of the surgical robot arm, an inverse kinematics unit for calculating a first joint to a sixth joint angle value from the driving position and orientation information of the tool, And a Cingular point determiner for determining whether to generate a Cingular point based on the angle value or the manipulability of the fifth joint in the information calculated by the calculation unit and the inverse kinematic calculation unit.

본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 방법은 (a) 툴 구동 감지부를 이용하여 툴 위치 및 방향을 감지하는 단계, (b) 역기구학 산출부를 이용하여, 제1조인트 내지 제6조인트 각도 값을 산출하는 단계 및 (c) 싱귤러 포인트 판단부를 이용하여, 제5조인트의 각도값 또는 매니퓰러빌러티(Manipulability)를 기준으로 싱귤러 포인트 발생 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for recognizing the occurrence of a Cingular point in an orthopedic surgical robot arm according to the present invention includes the steps of (a) sensing a tool position and direction using a tool drive sensing unit, (b) using an inverse kinematic calculation unit, (C) determining whether a Cingular point is generated based on the angle value or the manipulability of the fifth joint using the Cingular point determining unit .

본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치 및 그 방법은 로봇암의 싱귤러 포인트가 발생하는 상황을 인지하여 싱귤러 포인트 발생을 회피하는 구동 동작을 유도할 수 있으며, 싱귤러 포인트 상황 인지 시, 로봇암의 구동을 제한하여 싱귤러 포인트 발생에 즉각적으로 대응할 수 있는 효과가 있다.The Cingular Point Generation Cognition Apparatus and Method of Orthopedic Surgery Robot Arm According to the Present Invention can recognize a situation where a Cingular point of a robot arm occurs and can induce a driving operation to avoid the occurrence of a Cingular point. , It is possible to limit the driving of the robot arm and instantaneously cope with the occurrence of the Cingular point.

도 1은 본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 일실시예를 나타내는 사시도.
도 2 및 도 3는 본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 제1조인트 내지 제6조인트의 회전 방향 및 좌표계를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치의 전체 구성을 나타내는 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치에 있어서, 역기구학 산출부의 상세 구성을 나타내는 구성도.
도 6는 본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 개념을 설명하는 개념도.
도 7은 본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 방법의 제1전체 흐름을 나타내는 흐름도.
도 8은 본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 방법에 있어서, S20 단계의 상세 흐름도.
도 9는 본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 방법의 제2전체 흐름을 나타내는 흐름도.1 is a perspective view showing an embodiment of an orthopedic surgical robot arm according to the present invention.
FIG. 2 and FIG. 3 are views showing a rotation direction and a coordinate system of the first to sixth joints of the orthopedic surgical robot arm according to the present invention. FIG.
4 is a block diagram showing the entire configuration of a Cingular point occurrence recognition apparatus of an orthopedic surgical robot arm according to the present invention.
5 is a block diagram showing a detailed configuration of an inverse kinematics calculation unit in a Cingular point occurrence recognition apparatus of an orthopedic surgical robot arm according to the present invention.
6 is a conceptual diagram illustrating the concept of Cingular point generation of an orthopedic surgical robot arm according to the present invention.
7 is a flowchart showing a first overall flow of a method of recognizing a Cingular point occurrence of an orthopedic surgical robot arm according to the present invention;
8 is a detailed flowchart of step S20 in the method for recognizing occurrence of a Cingular point in an orthopedic surgical robot arm according to the present invention.
9 is a flow chart illustrating a second overall flow of the method of recognizing a Cingular point occurrence in an orthopedic surgical robot arm according to the present invention.

이하, 본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치 및 그 방법을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the Cingular point occurrence recognition apparatus and method of the orthopedic surgery robot arm according to the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 일실시예를 나타내는 사시도로, 로봇 베이스에서 말단부까지 총 6개의 조인트로 회전축을 형성하며, 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 로봇암의 제1조인트(J1) 내지 제6조인트(J6)의 회전 방향 및 좌표계를 나타내는 도면이며, 본 발명에 있어서, 제5조인트(J5)는 제4조인트(J4) 내지 제6조인트(J6)의 회전축이 일치하는 지점으로 손목지점(wrist)이라 한다.FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an orthopedic surgical robot arm according to the present invention, in which a rotational axis is formed by a total of six joints from a robot base to a distal end. FIGS. 2 and 3 are cross- 1 to J6 and the fifth joint J5 in the present invention has the rotation axis of the fourth joint J4 to the sixth joint J6 A matching point is called a wrist.

도 4는 본 발명에 따른 싱귤러 포인트 발생 인지 장치(10)의 상세 구성을 나타내는 구성도로, 툴 구동 감지부(11), 인지제어부(12), 역기구학 산출부(13), 싱귤러 포인트 판단부(14), 로봇암 구동 제한부(15), 경보발생부(16) 및 디스플레이부(17)를 포함한다.4 is a block diagram showing a detailed configuration of the Cingular point occurrence recognition apparatus 10 according to the present invention. The tool driving detection unit 11, the cognitive control unit 12, the inverse kinematics calculation unit 13, the Cingular point determination unit 14, a robot arm drive limiting section 15, an alarm generating section 16, and a display section 17.

상기 툴 구동 감지부(11)는 정형외과 수술 시, 수동모드에서 6축 로봇암의 말단에 위치한 툴의 구동 위치 및 방향 정보를 제공하며, 본 발명에 따른 실시예에서 상기 툴의 구동 위치 및 방향 정보는 X, Y, Z, Rx, Ry, Rz로 제공된다. The tool drive sensing unit 11 provides the driving position and direction information of the tool located at the end of the six-axis robot arm in the manual mode at the time of orthopedic surgery. In the embodiment of the present invention, The information is provided as X, Y, Z, R x , R y , R z .

상기 인지제어부(12)는 상기 툴 구동 감지부(11)와 연결되어, 툴의 구동 위치 및 방향 정보를 전달받아, 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 작업을 제어한다.The cognitive control unit 12 is connected to the tool drive sensing unit 11 and receives the driving position and direction information of the tool to control the operation of recognizing the occurrence of a Cingular point of the surgical robot arm.

상기 역기구학 산출부(13)는 상기 인지제어부(12)와 연결되어, 상기 툴의 구동 위치 및 방향 정보로부터 제1조인트 내지 제6조인트 각도값를 산출하며, 본 발명에 따른 상기 역기구학 산출부(13)는 도 5에 도시된 바와 같이, 손목위치 산출부(131), 전단각도 산출부(132), 말단각도 산출부(133) 및 싱귤러 포인트 판단부(134)를 포함한다.The inverse kinematics calculation unit 13 is connected to the cognition control unit 12 to calculate a first joint to a sixth joint angle value from the driving position and direction information of the tool, 13 includes a wrist position calculating unit 131, a shear angle calculating unit 132, a terminal angle calculating unit 133, and a Cingular point determining unit 134, as shown in FIG.

본 발명에 따른 역기구학(IK-Inverse Kinematics)는 관절에 의해 연결된 링크들의 조합으로 구성된 로봇암 말단의 툴 장치의 직교좌표상의 위치와 방향이 주어졌을 때 관절각을 구하는 방식을 말하며, 일련의 관절각이 주어졌을 때 말단 툴 장치의 위치와 자세를 구하는 정기구학(FK-Forward Kinematic)과 반대되는 개념이다.Inverse kinematics (IK-Inverse Kinematics) according to the present invention refers to a method of obtaining a joint angle when a position and a direction on a rectangular coordinate system of a tool device at a robot arm end composed of a combination of links connected by joints is obtained, (FK-Forward Kinematic) which obtains the position and posture of the end tool device when the angle is given.

또한, 본 발명에 따른 역기구학 산출은 툴의 위치 및 방향 정보(X, Y, Z, Rx, Ry, Rz)에서 제1조인트(J1) 내지 제6조인트(J6)의 관절각을 산출하는 것으로 다음과 같은 변환행렬식을 적용한다.In addition, the inverse kinematics calculation in accordance with the present invention comprises a first joint in the position of the tool, and orientation information (X, Y, Z, R x, R y, R z) (J 1) to the sixth joint joints (J 6) The following transformation matrix is applied by calculating the angle.

[수학식 1][Equation 1]

Tool To = Tool T6· 6T5 (θ6) · 5T4 (θ5)· 4T3 (θ4) · 3T2 (θ3)·2T1 (θ2)· 1T0 (θ1) Tool T o = Tool T 6 · 6 T 5 (θ 6) · 5 T 4 (θ 5) · 4 T 3 (θ 4) · 3 T 2 (θ 3) · 2 T 1 (θ 2) · 1 T 0 (? 1 )

여기서, i+1 Ti는 변환행렬(Transformation Matrix)이며, i번 좌표계와 i+1 번 좌표계의 관계식을 나타내며, Tool To는 툴 위치 및 방향에서 계산하는 값이며, Tool T6는 툴 설계값에서 계산할 수 있다. Here, i + 1 T i is a transformation matrix and represents a relational expression between coordinate system i and coordinate system i + 1. Tool T o is a value calculated from the tool position and direction. Tool T 6 is a tool design It can be calculated from the value.

상기 손목위치 산출부(131)는 로봇암 툴의 위치 및 방향 정보(X, Y, Z, Rx, Ry, Rz)에서 손목위치인 제5조인트 위치 정보(Xwrist, Ywrist, Zwrist)를 산출하며, 상기 전단각도 산출부(132)는 상기 손목위치 산출부(131)에서 산출된 손목 위치에서 다음 수학식 2로 제1조인트 내지 제3조인트 각도값(θ1, θ2, θ3)을 산출한다.The wrist position calculating section 131's position in the fifth joint position information from the position and orientation information (X, Y, Z, R x, R y, R z) of the robot arm tool (X wrist, Y wrist, Z wrist), the calculation, and the shear angle calculating unit 132 is the out of the palm position in the following equation (2) the first joint to the third joint angle value calculated in the calculating the wrist location unit (131), (θ 1, θ 2, &thetas; 3 ).

[수학식 2]&Quot; (2) "

3T2 2T1 1T0=

Figure pat00001
3 T 2 2 T 1 1 T 0 =
Figure pat00001

말단각도 산출부(133)은 상기 제1조인트 내지 제3조인트 각도값(θ1, θ2, θ3)을 적용하여, 다음 수학식 3으로 제4조인트 내지 제6조인트 각도값(θ4, θ5, θ6)을 산출한다. The end angle calculating unit 133 calculates the end angle calculating unit 133 using the first joint to the third joint angle values? 1 ,? 2 ,? 3 and calculates the fourth joint to sixth joint angle values? 4 , ? 5 ,? 6 ).

[수학식 3]&Quot; (3) "

(3T2 2T1 1T0)-1 Tool To (Tool T6)-1=6T5 5T4 4T3 ( 3 T 2 2 T 1 1 T 0 ) -1 Tool T o ( Tool T 6 ) -1 = 6 T 5 5 T 4 4 T 3

상기 싱귤러 포인트 판단부(14)는 상기 역기구학 산출부(13)에서 산출된 정보에서 제5조인트의 각도값(θ5)을 또는 매니퓰러빌러티(Manipulability)를 기준으로 싱귤러 포인트 발생 여부를 판단하며, 본 발명에 따른 상기 싱귤러 포인트 판단부(14)는 도 6에 도시된 바와 같이, 제4조인트(J4)와 제6조인트(J6)가 일직선 상에 위치하는 상태를 싱귤러 포인트로 인지한다.The Cingular point determining unit 14 determines whether or not a Cingular point is generated based on the angle value? 5 of the fifth joint or Manipulability in the information calculated by the inverse kinematic calculator 13 and, if a state in which the Cingular point determination unit 14 is a location on a straight line, the fourth joint (J 4) and the sixth joint (J 6), as shown in Figure 6 according to the invention as Cingular point do.

본 발명에 따른 상기 싱귤러 포인트 판단부(14)는 제5조인트(J5)의 각도값에 관하여, 제1임계치를 설정하며, 상기 제5조인트(J5)의 각도값이 제1임계치 이하일 경우, 싱귤러 포인트 발생으로 판단한다.The Cingular point determination unit 14 according to the present invention when the fifth joint (J 5), the angle values with respect to the angular value, sets the first threshold value, and the fifth joint (J 5), the first threshold value is less than the , And a Cingular point occurs.

또한 본 발명에 따른 상기 싱귤러 포인트 판단부(14)는 추가적으로 상기 제1임계치 보다 큰 각도의 범위인 제2임계치를 설정하여, 상기 제1임계치를 싱귤러 포인트 발생 각도로 판단하고, 상기 제2임계치를 싱귤러 포인트 위험 각도로 판단하는 것이 바람직하다.Further, the Cingular point determining unit 14 according to the present invention may further determine a first threshold value as a Cingular point generating angle by setting a second threshold value, which is a range of angles greater than the first threshold value, It is preferable to judge the Cingular point danger angle.

또한, 본 발명에 따른 상기 싱귤러 포인트 판단부(14)는 매니퓰러빌러티를 산출하여, 싱귤러 포인트의 발생 여부를 인지할 수 있다.In addition, the Cingular point determining unit 14 according to the present invention may calculate the manipulability and recognize whether or not the Cingular Point is generated.

즉, 로봇이 싱귤러 포인트에 가까울수록 매니퓰러빌러티 값이 작아지고 싱귤러 포인트에서 매니퓰러빌러티 값이 0이 되므로 현재 로봇의 위치에서 매니퓰러빌러티를 계산하여 싱귤러 포인트 발생 여부를 인지할 수 있는 것이다.That is, as the robot is closer to the Cingular point, the manipulability value becomes smaller and the manipulability value becomes 0 at the Cingular point. Therefore, it is possible to recognize the occurrence of the Cingular point by calculating the manipulability at the current robot position will be.

본 발명에 따른 상기 매니퓰러빌러티(w)는 다음 수학식 4로 산출된다.The manipulability (w) according to the present invention is calculated by the following equation (4).

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure pat00002
Figure pat00002

이때 자코비언(Jacobian) J는 다음 수학식 5로 계산되며, X, Y, Z, α, β, γ는 툴의 위치 및 방향을 나타낸다.At this time, Jacobian J is calculated by the following equation (5), and X, Y, Z,?,?, And?

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure pat00003
Figure pat00003

본 발명에 있어서, 싱귤러 포인트 판단부(14)는 산출된 상기 매니퓰러빌러티 값이 제1임계치 이하일 경우, 싱귤러 포인트 발생으로 판단하며, 상기 제1임계치 보다 큰 값의 제2임계치를 설정하여, 상기 제2임계치를 싱귤러 포인트가 발생할 위험 매니퓰러빌러티 값으로 판단한다.In the present invention, when the calculated manipulability value is equal to or less than the first threshold value, the Cingular point determining unit 14 determines that a Cingular point has occurred, sets a second threshold value greater than the first threshold value, The second threshold value is determined as a risk man- ualability value at which the Cingular point is generated.

상기 로봇암 구동 제한부(15)는 상기 인지제어부(12)와 연결되어, 상기 싱귤러 포인트 판단부(14)의 판단 결과에 따라 로봇암 구동을 중지시키며, 본 발명에 따른 상기 상기 로봇암 구동 제한부(15)는 상기 싱귤러 포인트 판단부(14)의 판단 결과에 따라 로봇암의 제5조인트(J5)의 이동을 제한하거나 로봇암의 제1조인트(J1) 내지 제6조인트(J6)의 이동을 제한하도록 한다.The robot arm drive restriction unit 15 is connected to the cognitive control unit 12 to stop the robot arm drive according to the determination result of the Cingular point determination unit 14, portion 15 has a first joint (J 1) to the sixth joint (J 6 for restricting the movement, or a robot arm of the fifth joint (J 5) of the robot arm in accordance with the determination result of the Cingular point determination unit 14 ) To be limited.

상기 경보발생부(16)는 상기 인지제어부(12)와 연결되어, 상기 싱귤러 포인트 판단부(14)에서 싱귤러 포인트 발생 상황으로 판단한 경우, 상기 디스플레이부(17) 상에 싱귤러 포인트 발생 경고 메시지를 표시하거나 또는 경보음을 발생시킨다. The alarm generating unit 16 is connected to the cognitive control unit 12 and displays a Cingular Point occurrence warning message on the display unit 17 when the Cingular point determining unit 14 determines that the Cingular point occurs Or generates an audible alarm.

이러한 본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치를 이용한 싱귤러 포인트 발생 인지 방법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of recognizing the Cingular point occurrence using the Cingular point occurrence recognition apparatus of the orthopedic surgical robot arm according to the present invention will be described.

도 7은 본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 방법에 관한 제1전체 흐름도로, 상기 툴 구동 감지부(11)를 이용하여 툴 위치 및 방향을 감지하는 단계(S10)를 수행하고, 상기 역기구학 산출부(13)를 이용하여, 제1조인트(J1) 내지 제6조인트(J6) 각도 값을 산출하는 단계(S20)를 수행한다.FIG. 7 is a first overall flowchart of a method for recognizing the occurrence of a Cingular point in an orthopedic surgical robot arm according to the present invention. The step S10 of sensing the tool position and direction using the tool drive sensing unit 11 is performed and performs the step (S20) for using the inverse kinematics calculation unit 13 calculates a first joint (J 1) to the sixth joint (J 6), the angle value.

본 발명에 있어서, 상기 S20 단계는 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 손목위치 산출부(131)를 이용하여, 로봇암 툴의 위치 및 방향 정보에서 제5조인트 위치 정보를 산출하는 단계(S21), 상기 전단각도 산출부(132)를 이용하여, 산출된 손목 위치에서 제1조인트 내지 제3조인트 각도값을 산출하는 단계(S23) 및 상기 말단각도 산출부(133)를 이용하여, 제1조인트 내지 제3조인트 각도값을 적용하여, 제4조인트 내지 제6조인트 각도값을 산출하는 단계(S25)를 포함한다.8, in operation S20, the fifth joint position information is calculated from the position and orientation information of the robot arm tool using the wrist position calculation unit 131, as shown in FIG. 8 (S21) (S23) of calculating a first joint to a third joint angle value at the calculated wrist position by using the shear angle calculating unit 132, and using the distal angle calculating unit 133, And applying a third joint angle value to calculate a fourth joint to sixth joint angle value (S25).

다음으로, 상기 싱귤러 포인트 판단부(14)를 이용하여, 제5조인트(J5)의 각도값(θ5)을 기준으로 싱귤러 포인트 발생 여부를 판단하는 단계(S30)를 수행한다.Next, the steps (S30) to determine whether Cingular points generated based on the angle value (θ 5) of using the Cingular point determination unit 14, the fifth joint (J 5).

본 발명에 따른 상기 S30 단계는 상기 싱귤러 포인트 판단부(14)를 이용하여, 제5조인트(J5)의 각도값(θ5)이 제2임계치 이하인지 확인하는 단계(S31)를 수행하고, 상기 S31 단계에서 제5조인트(J5)의 각도값(θ5)이 제2임계치 이하인 경우, 경보발생부(16)를 이용하여, 싱귤러 포인트 발생 상황의 경고 메시지, 경보음 중 적어도 어느 하나를 제공하는 단계(S32)를 수행한다.The step S30 according to the present invention performs the step S31 of checking whether the angle value? 5 of the fifth joint J 5 is equal to or less than the second threshold value by using the Cingular point determination unit 14, If the angle value? 5 of the fifth joint J 5 is equal to or less than the second threshold value in step S31, the alarm generating unit 16 is used to calculate at least one of a warning message of a Cingular point occurrence situation and an alarm sound (Step S32).

또한, 상기 싱귤러 포인트 판단부(14)를 이용하여, 제5조인트(J5)의 각도값(θ5)이 제1임계치 이하인지 확인하는 단계(S33)를 수행하고, 상기 S35 단계에서 제5조인트(J5)의 각도값(θ5)이 제1임계치 이하인 경우, 상기 로봇암 구동 제한부(15)를 로봇암의 제5조인트(J5) 또는 전체 조인트의 이동을 제한하는 단계(S34)를 수행한다.The step (S33) of confirming whether the angle value? 5 of the fifth joint J 5 is equal to or less than the first threshold value is performed using the Cingular point determining unit 14, and in the step S35, When the angle value? 5 of the joint J 5 is equal to or less than the first threshold value, the robot arm drive limiting section 15 restricts the movement of the fifth joint J 5 or the entire joint of the robot arm S 34 ).

본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 방법에 있어서, 상기 S30 단계는 도 9에 도시된 바와 같이, 매니퓰러빌러티를 산출하여 싱귤러 포인트 발생에 대응할 수도 있다.In the Cingular point occurrence recognition method of the orthopedic surgery robot arm according to the present invention, the step S30 may correspond to the occurrence of the Cingular point by calculating the manipulability as shown in FIG.

즉, 상기 싱귤러 포인트 판단부(14)를 이용하여, 매니퓰러빌러티(w)를 산출하는 단계(S35)를 수행하고, 산출된 매니퓰러빌러티(w) 값이 제2임계치 이하인지 확인하는 단계(S36)를 수행하고, 상기 S36 단계에서 매니퓰러빌러티(w) 값이 제2임계치 이하인 경우, 경보발생부(16)를 이용하여, 싱귤러 포인트 발생 상황의 경고 메시지, 경보음 중 적어도 어느 하나를 제공하는 단계(S37)를 수행한다.That is, a step S35 of calculating the manipulability (w) using the Cingular point determining unit 14 and checking whether the calculated manipulability (w) is less than or equal to a second threshold A warning message of a Cingular point occurrence situation and a warning sound of at least one of an alarm sound are generated using the alarm generating unit 16 when the maneuverability value w is equal to or less than the second threshold value in step S36 And performs step S37 of providing one.

또한, 상기 싱귤러 포인트 판단부(14)를 이용하여, 매니퓰러빌러티(w) 값이 제1임계치 이하인지 확인하는 단계(S38)를 수행하고, 상기 S38 단계에서 매니퓰러빌러티(w) 값이 제1임계치 이하인 경우, 상기 로봇암 구동 제한부(15)를 로봇암의 제5조인트(J5) 또는 전체 조인트의 이동을 제한하는 단계(S39)를 수행한다.In step S38, it is determined whether the manipulability value w is equal to or less than the first threshold value by using the Cingular point determination unit 14. In step S38, the manipulability value w if the capacity is less than the first threshold value, and performs the step (S39) for limiting the fifth joint (J 5), or move the entire joint of the robot arm to the robot arm drive restriction unit (15).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치 및 그 방법을 적용 시, 로봇암의 싱귤러 포인트가 발생하는 상황을 인지함으로써, 사용자로 하여금 싱귤러 포인트 발생을 회피하는 구동 동작을 유도할 수 있으며, 싱귤러 포인트 상황 인지 시, 로봇암의 구동을 제한하여 싱귤러 포인트 발생에 즉각적으로 대응할 수 있는 효과를 누릴 수 있는 것이다.As described above, when the Cingular point generation recognition apparatus and method of the orthopedic surgery robot arm according to the present invention is applied, by recognizing the occurrence of the Cingular point of the robot arm, the user can avoid the occurrence of the Cingular point The driving operation can be induced. In the case of the Cingular point situation, the driving of the robot arm can be restricted and the effect of instantaneously responding to the occurrence of the Cingular point can be enjoyed.

이상 본 발명의 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 본 발명에 따른 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치 및 그 방법으로 구현할 수 있다. 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 inventions. And the method can be implemented.

1 : 로봇암 T : 툴
J1 : 제1조인트 J2 : 제2조인트
J3 : 제3조인트 J4 : 제4조인트
J5 : 제5조인트 J6 : 제6조인트
10 : 싱귤러 포인트 발생 인지 장치
11 : 툴 구동 감지부 12 : 인지제어부
13 : 역기구학 산출부 14 : 싱귤러 포인트 판단부
15 : 로봇암 구동 제한부 16 : 경보발생부
17 : 디스플레이부 131 : 손목위치 산출부
132 : 전단각도 산출부 133 : 말단각도 산출부1: Robot arm T: Tool
J 1 : first joint J 2 : second joint
J 3 : third joint J 4 : fourth joint
J 5 : Fifth joint J 6 : Fifth joint
10: Cingular point occurrence recognition device
11: tool driving detection unit 12:
13: Inverse kinematics calculation unit 14: Cingular point judgment unit
15: Robot arm drive limitation section 16: Alarm generating section
17: display unit 131: wrist position calculating unit
132: Shear angle calculating section 133:

Claims (15)

정형외과 수술 시, 수동모드에서 6축 로봇암의 말단에 위치한 툴의 구동 위치 및 방향 정보를 제공하는 툴 구동 감지부;
상기 툴 구동 감지부와 연결되어, 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 작업을 제어하는 인지제어부;
상기 인지제어부와 연결되어, 상기 툴의 구동 위치 및 방향 정보로부터 제1조인트 내지 제6조인트 각도값를 산출하는 역기구학 산출부 및
상기 역기구학 산출부에서 산출된 정보에서 제5조인트의 각도값 또는 매니퓰러빌러티(Manipulability)를 기준으로 싱귤러 포인트 발생 여부를 판단하는 싱귤러 포인트 판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치.A tool drive sensing unit for providing driving position and direction information of a tool located at a distal end of the six-axis robot arm in the manual mode during orthopedic surgery;
A cognitive control unit connected to the tool drive sensing unit for controlling the operation of recognizing the occurrence of a Cingular point of the surgical robot arm;
An inverse kinematic calculation unit connected to the cognitive control unit and calculating a first joint to a sixth joint angle value from the driving position and direction information of the tool,
And a Cingular point determiner for determining whether a Cingular point is generated based on an angle value or a Manipulability of the fifth joint in the information calculated by the inverse kinematic calculator. Cingular point occurrence recognition device. 제1항에 있어서,
상기 역기구학 산출부는,
로봇암 툴의 위치 및 방향 정보에서 제5조인트 위치 정보를 산출하는 손목위치 산출부;
상기 손목위치 산출부에서 산출된 손목 위치에서 제1조인트 내지 제3조인트 각도값을 산출하는 전단각도 산출부 및
제1조인트 내지 제3조인트 각도값을 적용하여, 제4조인트 내지 제6조인트 각도값을 산출하는 말단각도 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치.The method according to claim 1,
The inverse kinematic calculation unit calculates,
A wrist position calculating unit for calculating fifth joint position information from the position and orientation information of the robot arm tool;
A shear angle calculating unit for calculating a first joint to a third joint angle value at the wrist position calculated by the wrist position calculating unit,
And a distal angle calculating section for calculating a fourth joint to sixth joint angle value by applying the first joint to the third joint angle value. The apparatus for recognizing the occurrence of a Cingular Point in an orthopedic surgical robot arm. 제1항에 있어서,
상기 싱귤러 포인트 판단부는
제4조인트와 제6조인트가 일직선 상에 위치하는 상태를 싱귤러 포인트로 인지하고, 제5조인트의 각도값의 제1임계치 이하일 경우, 싱귤러 포인트 발생으로 판단하는 것을 특징으로 하는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치.The method according to claim 1,
The Cingular point determining unit
Wherein when a state in which the fourth joint and the sixth joint are located on a straight line is recognized as a Cingular point and a difference between the fourth and sixth joints is less than a first threshold value of the fifth joint angle is determined to be a Cingular point, Cingular point occurrence recognition device. 제3항에 있어서,
상기 싱귤러 포인트 판단부는,
상기 제1임계치 보다 큰 각도의 범위인 제2임계치를 설정하여, 상기 제1임계치를 싱귤러 포인트 발생 각도로 판단하고, 상기 제2임계치를 싱귤러 포인트 위험 각도로 판단하는 것을 특징으로 하는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치.The method of claim 3,
The Cingular point judging unit,
Wherein the first threshold value is determined as a Cingular point occurrence angle and the second threshold value is determined as a Cingular point danger angle. Cingular point occurrence of cancer detection device. 제1항에 있어서,
상기 싱귤러 포인트 판단부는
산출된 제1조인트 내지 제6조인트 각도값으로 매니퓰러빌러티 값을 산출하며, 상기 매니퓰러빌러티 값이 제1임계치 이하일 경우, 싱귤러 포인트 발생으로 판단하는 것을 특징으로 하는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치.The method according to claim 1,
The Cingular point judging unit
Calculating a manipulability value using the calculated first to sixth joint angle values, and when the manipulability value is less than or equal to a first threshold value, determining that a Cingular point is generated, Cingular point occurrence recognition device. 제5항에 있어서,
상기 싱귤러 포인트 판단부는,
상기 제1임계치 보다 큰 값의 제2임계치를 설정하여, 상기 제1임계치를 싱귤러 포인트가 발생하는 매니퓰러빌러티 값으로 판단하고, 상기 제2임계치를 싱귤러 포인트가 발생할 위험 매니퓰러빌러티 값으로 판단하는 것을 특징으로 하는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치.6. The method of claim 5,
The Cingular point judging unit,
Setting a second threshold value greater than the first threshold value to determine the first threshold value as a manipulability value at which a Cingular point occurs and setting the second threshold value as a dangerous manipulability value at which a Cingular point is generated Wherein the cingular point generation recognition unit of the orthopedic surgical robotic arm is characterized in that it comprises: 제1항에 있어서,
상기 인지제어부와 연결되어, 상기 싱귤러 포인트 판단부의 판단 결과에 따라 로봇암 구동을 중지시키는 로봇암 구동 제한부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치.The method according to claim 1,
Further comprising a robot arm drive restricting unit connected to the cognitive control unit and stopping the robot arm drive according to the determination result of the Cingular point determination unit. 제7항에 있어서,
상기 로봇암 구동 제한부는,
상기 싱귤러 포인트 판단부의 판단 결과에 따라 로봇암의 제5조인트의 이동을 제한하거나 로봇암의 제1조인트 내지 제6조인트의 이동을 제한하는 것을 특징으로 하는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치.8. The method of claim 7,
The robot arm drive control apparatus according to claim 1,
Wherein the controller controls the movement of the fifth joint of the robot arm or restricts movement of the first joint to the sixth joint of the robot arm according to the determination result of the Cingular point judging unit. . 제1항에 있어서,
상기 인지제어부와 연결되어, 상기 싱귤러 포인트 판단부에서 싱귤러 포인트 발생 상황으로 판단한 경우, 외부에 싱귤러 포인트 발생 경고 메시지를 표시하거나 또는 경보음을 발생시키는 경보발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 장치.The method according to claim 1,
Further comprising an alarm generating unit connected to the cognitive control unit and displaying a Cingular point generation warning message or generating an alarm sound when the Cingular point determination unit determines that the Cingular point generation condition is present, Cingular point occurrence recognition device of robot arm. (a) 툴 구동 감지부를 이용하여 툴 위치 및 방향을 감지하는 단계;
(b) 역기구학 산출부를 이용하여, 제1조인트 내지 제6조인트 각도 값을 산출하는 단계;
(c) 싱귤러 포인트 판단부를 이용하여, 제5조인트의 각도값 또는 각도값 매니퓰러빌러티(Manipulability)를 기준으로 싱귤러 포인트 발생 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 방법.(a) sensing a tool position and a direction using a tool drive sensing unit;
(b) calculating a first joint to a sixth joint angle value using an inverse kinematic calculator;
(c) determining whether a Cingular point is generated based on an angle value or an angle value manipulability of the fifth joint using the Cingular point determination unit, Cingular point occurrence recognition method. 제10항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(b-1) 손목위치 산출부를 이용하여, 로봇암 툴의 위치 및 방향 정보에서 제5조인트 위치 정보를 산출하는 단계;
(b-2) 전단각도 산출부를 이용하여, 산출된 손목 위치에서 제1조인트 내지 제3조인트 각도값을 산출하는 단계 및
(b-3) 말단각도 산출부를 이용하여, 제1조인트 내지 제3조인트 각도값을 적용하여, 제4조인트 내지 제6조인트 각도값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 방법.11. The method of claim 10,
The step (b)
(b-1) calculating fifth joint position information from the position and orientation information of the robot arm tool using the wrist position calculating unit;
(b-2) calculating a first joint to a third joint angle value at the calculated wrist position using the shear angle calculating unit, and
(b-3) calculating a fourth joint to sixth joint angle value by applying a first joint to a third joint angle value using a tip angle calculating unit. Of the Cingular point occurrence. 제10항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
(c-1) 싱귤러 포인트 판단부를 이용하여, 제5조인트 각도 값이 제1임계치 이하인지 확인하는 단계 및
(c-2) 상기 (c-1) 단계에서 제5조인트 각도 값이 제1임계치 이하인 경우, 로봇암 구동 제한부를 로봇암의 제5조인트 또는 전체 조인트의 이동을 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 방법.11. The method of claim 10,
The step (c)
(c-1) confirming whether the fifth joint angle value is less than or equal to the first threshold value using the Cingular point judging unit, and
(c-2) restricting movement of the fifth joint or the entire joint of the robot arm by the robot arm drive restricting unit when the fifth joint angle value is less than or equal to the first threshold value in the step (c-1) Of Cingular Point Generation in Orthopedic Surgical Robotic Cancer. 제12항에 있어서,
상기 (c-1) 단계 이전에,
(c-3) 싱귤러 포인트 판단부를 이용하여, 제5조인트 각도 값이 제2임계치 이하인지 확인하는 단계 및
(c-4) 상기 (c-3) 단계에서 제5조인트 각도 값이 제2임계치 이하인 경우, 경보발생부를 이용하여, 싱귤러 포인트 발생 상황의 경고 메시지, 경보음 중 적어도 어느 하나를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 방법.13. The method of claim 12,
Prior to the step (c-1)
(c-3) checking whether the fifth joint angle value is less than or equal to the second threshold value by using the Cingular point determining unit, and
(c-4) providing at least one of a warning message of a Cingular point occurrence situation and an alarm sound using the alarm generating unit when the fifth joint angle value is lower than a second threshold value in the step (c-3) Wherein the method further comprises the step of detecting a Cingular point occurrence of the orthopedic surgical robot arm. 제10항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
(c-5) 싱귤러 포인트 판단부를 이용하여, 매니퓰러빌러티 값을 산출하는 단계;
(c-6) 산출된 매니퓰러빌러티 값이 제1임계치 이하인지 확인하는 단계 및
(c-7) 상기 (c-6) 단계에서 산출된 매니퓰러빌러티 값이 제1임계치 이하인 경우, 로봇암 구동 제한부를 로봇암의 제5조인트 또는 전체 조인트의 이동을 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 방법.11. The method of claim 10,
The step (c)
(c-5) calculating a manipulability value using a Cingular point determining unit;
(c-6) checking whether the calculated manipulability value is equal to or less than a first threshold value, and
(c-7) restricting movement of the fifth joint or the entire joint of the robot arm by the robot arm drive restricting unit when the manipulability value calculated in the step (c-6) is equal to or less than the first threshold value Wherein the Cingular Point Generation method of the orthopedic surgical robot arm is characterized in that: 제14항에 있어서,
상기 (c-6) 단계 이전에,
(c-8) 싱귤러 포인트 판단부를 이용하여, 매니퓰러빌러티 값이 제2임계치 이하인지 확인하는 단계를 수행하고,
(c-9) 상기 (c-8) 단계에서 매니퓰러빌러티 값이 제2임계치 이하인 경우, 경보발생부를 이용하여, 싱귤러 포인트 발생 상황의 경고 메시지, 경보음 중 적어도 어느 하나를 제공하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 정형외과 수술 로봇암의 싱귤러 포인트 발생 인지 방법.
15. The method of claim 14,
Prior to the step (c-6)
(c-8) checking whether the manipulability value is equal to or less than a second threshold value using the Cingular point determining unit,
(c-9) providing at least one of a warning message of a Cingular point occurrence situation and an alarm sound using the alert generator when the manipulability value is equal to or less than a second threshold in the step (c-8) Wherein the method comprises the steps of:
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