KR20190013930A - 환자의 포지셔닝을 위한 로봇 및 로봇 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 예를 들어 환자의 포지셔닝을 위한 로봇에 관한 것으로, 복수의 로봇 요소들을 구비한 로봇암을 포함하고, 이들은 샤프트 유닛들에 의해 서로 연결된다. 샤프트 유닛들은 각각 로봇 암의 적어도 하나의 운동축을 정의한다. 로봇 암은 로봇이 주변 영역에 배치되는 것을 가능하게 하는 제1 단부 영역 및 엔드 이펙터가 배치되는 제2 영역을 포함한다. 제1 단부 영역 이후에 배치되는 제1 샤프트 유닛은 로봇 암의 제1 회전축을 정의한다. 로봇 암은 제1 회전축이 주변 영역에 대해 비스듬한 각도로 연장되도록 제1 단부 영역에 의해 주변 영역에 배치된다.

Description

환자의 포지셔닝을 위한 로봇 및 로봇 어셈블리

본 발명은 로봇 및 로봇 어셈블리뿐만 아니라 환자의 포지셔닝(positioning)을 위한 로봇 작업 셀에 관한 것이다.

예를 들어, 방사선 촬영, 컴퓨터 단층 촬영 또는 핵 자기 공명과 같은 영상 의학 검사와 의학 방사선 요법에서, 환자와 관련 의료 기기들은 서로에 대해 원하는 방식으로 상대적으로 위치가 설정 및/또는 이동되어야 한다. 예를 들어, 방사선 치료에서 병든 조직만이 조사되어야 하고, 건강한 조직은 조사되지 않아야 한다. 특히, 노인이나 장애인 환자의 경우, 정확한 위치 설정을 위해 많은 노력이 요구되며, 편차가 최소화된 최대 정밀도/위치 설정을 달성할 없게 되어, 종종 광범위한 영역에 조사가 진행되고, 심지어, 예를 들어, 건강한 조직도 영향을 받게 된다.

반면, 예를 들어 선형적으로 이동 가능한 환자 테이블의 형태의, 환자의 포지셔닝을 위한 운동학적 시스템은 환자에게 제한된 이동 기회만을 제공한다.

따라서 의료 기기들에 대한 환자의 개선된 포지셔닝 및/또는 이동을 가능하게 하는 시스템에 대한 요구가 존재한다.

이를 위해, 예를 들어, 환자 포지셔닝을 위한 로봇이 제공된다.

로봇은 샤프트 유닛들에 의해 서로 연결된 복수의 로봇 요소들을 구비한 로봇 암을 포함한다. 샤프트 유닛들은 각각 로봇 암의 적어도 하나의 운동축(movement axis)을 정의한다. 로봇 암은 로봇이 주변 영역에 배치되는 것을 가능하게 하는 제1 단부 영역 및 엔드 이펙터가 배치될 수 있는 제2 단부 영역을 포함한다. 제1 단부 영역 이후에 배치되는 제1 샤프트 유닛은 로봇 암의 제1 회전축을 정의한다. 로봇 암은 제1 회전축이 주변 영역에 대해 비스듬한 각도로 연장되도록 제1 단부 영역에 의해 주변 영역에 배치된다. 다른 방법으로 설명하면, 로봇 암은 제1 회전축이 주변 영역에 대해 기울어진 각도로 작동되는 방식으로 주변 영역 내의 제1 단부 영역에 의해 배치 가능하거나 / 배치될 수 있다. 주변 영역에 대한 기울기는 예를 들어, 0 ^o 내지 90 ^o 사이에서 선택된 임의의 기울기로 이해될 수 있다.

다시 말해, 본 발명자들은 새로운 운동학적 구조를 갖는 로봇을 개발했으며, 이는 앞서 언급된 유형의 의료 기기에 대해 적은 노력으로 매우 정확하게 환자들의 포지셔닝을 가능하게 한다. 아래에 설명된 바와 같이, 이 운동학적 구조는, 예를 들어, 주변과의 충돌을 회피할 수 있으므로, 높은 강건성(robustness), 간결성(compactness) 및 신뢰성(reliability)에서 특히 두각을 나타낸다. 또한, 이는 엔드 이펙터를 특히 바닥에 근접하여 배치하는 것과 그에 따라 확장된 작업 영역을 가능하게 한다.

샤프트 유닛은, 공지된 바와 같이, 선형축 및/또는 회전축을 정의하는 모터 구동식 관절 유닛들일 수 있다. 이들은 각각 샤프트 유닛들에 연결된 로봇 요소들이 따라 움직이는 운동축들을 형성할 수 있다. 적어도 제1 회전축은 대체로 피동 회전 링크(driven rotational link)에 의해 형성될 수 있으며, 이를 위해 모터, 예를 들어 서보 모터를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 로봇 암은 전용 회전축들을 갖고, 후술하는 바와 같이, 주변 영역을 형성하는 선형 샤프트 상에 전체로서 부가적으로 배치될 수 있다.

로봇 요소는 공지된 방식으로 강성 부분(rigid section)들을 형성할 수 있으며, 이는 대응하는 샤프트 유닛들에 연결되고 로봇 암의 개별적 운동학 요소(kinematic element)들을 형성한다. 예를 들어, 로봇 암은 대체로 열린 운동형상학적 사슬(open kinematic chain)을 구비할 수 있고, 로봇 요소들은 이 사슬의 개별적 운동학 요소들을 형성한다. 여기서 운동형상학적 사슬은, 예를 들어 주변 영역에 단단히 연결된, 제1 단부 영역으로부터 공간(room) 내로 연장될 수 있고 그것의 운동축들에 의해 로봇 암의 제2 단부 영역과 공간(room) 내에 원하는 방식으로 연결된 엔드 이펙터를 위치시킬 수 있다. 제1 단부 영역으로부터 시작하여, 샤프트 유닛들과 이들에 의해 결정되는 운동축들에는 오름차순으로 번호가 부여될 수 있습니다. 열린 운동형상학적 사슬의 경우, 각 경우에서 다음 수의 샤프트 유닛(next-higher shaft unit)은 앞선 수의 샤프트 유닛(preceding shaft unit)의 바로 뒤에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제3 회전축은 제1 회전축의 다음 차례에 배치된 제2 회전축의 뒤를 따르고, 각각의 회전축들은 개별 로봇 요소들에 의해 서로 연결된다.

로봇 요소들 및/또는 샤프트 유닛들은 케이블들, 라인들 또는 이들과 유사한 것들을 유도하기 위해 중공 영역들을 더 포함할 수 있다. 이는 로봇의 간섭 윤곽(interference contour)을 확장하거나 주위에 걸릴 수 있는 케이블들이 전혀 없거나 오직 몇 개의 케이블만이 로봇 암의 외측을 따라 유도되는 것을 가능하게 한다.

엔드 이펙터는, 예를 들어 핸들링 유닛 및/또는 특히 환자 테이블이며, 환자를 위한 테이블 면을 구비할 수 있다. 여기서, 환자 테이블과 로봇 암의 제2 단부 영역의 연결 영역은 테이블 면의 중앙 영역의 외측, 특히 테이블 면의 기하학적 중심(geometrical center)의 외측에 배치될 수 있다. 다시 말해, 로봇 암은 테이블 표면에 대해 편심된 영역에서 환자 테이블과 연결될 수 있다. 비유적으로 말하자면, 환자 테이블은 로봇 암을 자유롭게 덮거나 로봇 암으로부터 자유롭게 돌출될 수 있다. 로봇 암은 환자 테이블의 하부면 상에 연결되어 일반적으로 바닥으로부터 환자 테이블을 들어올리거나 지지한다.

주변 영역 내의 배치를 위해, 제1 단부 영역은 공지된 방식으로 연결 영역 및/또는 적합한 커플링 요소들, 예를 들어 제1 단부 영역의 구멍들에 삽입될 수 있는 볼트들을 더 포함할 수 있다. 또한 연결 영역은 로봇 암이 공간(room) 내에서 추가적으로 움직일 수 있도록 후술하는 선형 샤프트 유닛에 대한 연결을 용이하게 할 수 있다. 또한 그 배치는 주변과 특히 그에 대한 부착물과의 기계적 연결을 포함할 수 있다.

제1 회전축에 대한 전술한 각도의 선택으로 인해, 이는 대체로 경사지게 배치되거나 수평 및 수직 공간 평면 사이에 배치될 수 있다. 주변 영역은 추가적으로 평면인 층(level)을 정의할 수 있고, 회전축은 이에 대응하여 기울어진다. 즉, 로봇 암은 주변 영역에 대해, 말하자면, 경사에서 연장되거나, 비스듬히 연장될 수 있다.

전체적으로 로봇의 컴팩트한 디자인은 이와, 특히 환자의 포지셔닝에 사용될 때에, 특히 적절한 기동성(mobility) 및 바람직한 힘/토크 전달 거동에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명자들은 경사면에서 작동하는 제1 회전축은 소위 백래쉬 결함을 감소시키고, 컴팩트한 형상으로 편심 또는 지브(jib)형의 하중 전달 영역들을 특히 신뢰성 있게 처리할 수 있다는 것을 인식하였다. 따라서, 개별 샤프트 유닛들의 구동 유닛들(예를 들어, 서보 모터와 같은 모터 형태) 조차도 더욱 컴팩트하고 덜 강력하게 형성될 수 있거나 동일하거나 보다 컴팩트한 설계로 더 높은 하중을 이동시킬 수 있다.

특히, 본 발명자들은 본 운동학이 하부면 상에 가해지는 힘에 의한 하중의 지지 및 리프팅(하부면에서 하중을 지지하거나 들어올리는 것을 비유적으로 표현함)에 유리하다는 것을 인식했다. 이 하중 케이스(load case)는 특히 로봇 암에 작용하는 높은 압력 및 구부리는 힘(bending forces)을 수반한다.

이 경우, 제1 회전축은 주변 영역에 대해 약 10도 내지 약 80도 사이의 각도, 예를 들어, 약 20도 내지 70도, 예를 들어, 약 45도의 각도에서 작동하는 것이 더 제공될 수 있다. 제1 회전축이 주변 영역에 대해 약 30도 내지 약 40도 또는 약 40도 내지 약 50도의 각도에서 작동하는 것 역시 제공될 수 있다.

주변 영역과 평행하게 연장될 수 있다. 다른 표현으로, 제1 샤프트 유닛 또는 적어도 그의 제1 회전축은 로봇의 구조 내에서, 특히 제1 단부 영역의 연결 평면에 대해 경사지게 제공될 수 있다. 여기서 연결 평면은 상술한 제1 단부 영역의 연결 영역을 포함하거나 형성할 수 있다. 특히, 연결 평면은 판형 부재를 구비할 수 있고, 판형 부재는 그의 상측에서 제1 샤프트 유닛과 연결될 수 있고, 하측이 주변 영역과 마주할 수 있다. 하측 및 상측은, 예를 들어, 실질적으로 서로 평행하게 연장된다.

주변 영역이 실질적으로 수평의 공간 평면과 예를 들어 바닥면을 포함하는 것이 추가적으로 제공될 수 있다. 로봇은 제1 단부 영역에 의해 로봇 암이 수평면과 특히 바닥면에 고정될 수 있도록 형성될 수 있다. 수평의 공간 평면은 또한 로봇이 공간(room) 내에서 움직일 수 있게 하는 후술하는 선형 샤프트 유닛에 의해 형성될 수 있다.

다른 관점에 따르면, 연결 평면은 적어도 2개의 커필링 요소들에 의해 주변 영역에 연결되고 제1 로봇 요소와 제1 샤프트 유닛의 연결 영역은 실질적으로 커플링 요소들의 사이에 위치된다. 이미 언급한 바와 같이, 커플링 요소들은 볼트들 및/또는 로봇이 그 위에 배치되는 다른 선형 샤프트 유닛에 연결하기 위한, 예를 들어, 베어링 또는 안내 요소들(guiding elements) 및/또는 구동 유닛들(예를 들어 리니어 모터들) 또는 이에 결합될 수 있는 유닛들과 같은 요소들일 수 있다.

커플링 요소들 사이에 연결 영역이 위치함으로써, 주변 영역으로의 힘 전달 및 주변 영역에서의 로봇의 지지가 향상된다. 특히, 안정성을 저해하는 레버 암(lever arms)이 감소될 수 있다. "사이"라는 용어는 두 커필링 요소 사이의 모든 중간 공간에서의 배치를 의미할 수 있다. 특히, 연결 영역과 연결 요소들은 서로 다른 높이에 위치하고 / 서로 다른 높이를 가질 수 있다. 공통 평면으로의 투영과 가상의 선에 의한 커플링 요소들의 연결에 의해 연결 영역은 그 선을 따라(그러나 이 선 상이 직접적으로 위치할 필요는 없음) 커플링 요소들 사이에서 임의의 위치에 놓여 있음을 이해할 수 있다.

제1 로봇 요소에 대한 연결 지점이 주변 영역에 대해 감소된 수직 거리에 위치하고, 제1 회전축의 경사진 위치로 인해, 안정성을 저해하는 레버 암(lever arms) 또한 감소될 수 있다. 이는 특히 직립형의 수직한 제1 회전축을 갖는 공지된 로봇 운동학과 비교하여 적용된다.

이와 관련하여, 연결 평면이 적어도 4개의 연결 요소를 포함하는 것이 더 제공될 수 있으며, 연결 요소들은 연결 평면의 서로 다른 코너에 위치하고 대체로 직사각형의 영역에 걸쳐 위치한다. 여기서 연결 평면은 특히 대응하는 코너 영역을 갖는 판형 부재를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 샤프트 유닛은 실질적으로 직사각형 영역의 대각선의 교차점의 영역에 위치할 수 있다. 그리고 연결 영역이 적어도 2개의 커플링 요소들 사이의 실질적인 중심에 배치되는 것이 제공될 수 있다.

추가적인 개량은 로봇 암이 제1 샤프트 유닛의 이후에 배치된 제2 샤프트 유닛을 더 포함하는 것을 제공하며, 제2 샤프트 유닛은 로봇 암의 제2 회전축을 정의한다. 설명한 바와 같이, 이는 특히 로봇 암의 운동형상적 사슬(kinematic chain) 내에서 바로 이후에 배치된 샤프트 유닛일 수 있으며, 샤프트 유닛들은 예를 들어 공통의 로봇 요소에 의해 서로 연결된다.

이와 관련하여, 로봇 암은 제2 샤프트 유닛이 주변 영역에 근접하여 위치하도록 형성될 수 있으며, 예를 들어, 주변 영역에 바로 마주하여 위치하는 방식이 될 수 있다. 제1 샤프트 유닛의 회전 범위는 그 단부에 따라 선택될 수 있고/있거나 제1 및 제2 샤프트 유닛을 연결하는 로봇 요소는 그에 따라 설계될 수 있다. 예를 들어, 로봇 요소는 대체로 직선형(및/ 또는 원통형)이다. 로봇 암의 샤프트 유닛들을 통해 제2 샤프트 유닛을 특별히 로봇이 연결된 바닥면에 인접하여 위치시키고 대체로 로봇의 제1 단부 영역에 인접하여 위치시키는 방식으로 로봇 암을 적절히 지향시키는 것이 제공될 수 있다. 이 경우, 주변 영역에 대한 거리가 약 2 cm 내지 약 50 cm, 예를 들어, 약 5 cm 내지 약 20 cm 또는 약 2 cm 내지 10 cm로 제공될 수 있다.

로봇 암의 제1 및 제2 회전축이 서로에 대해 약 90도로 비틀어져 연결되는 것과 양 회전축에 대체로 수직인 직선에 의해 일반적으로 연결되는 것이 더 제공될 수 있다. 연결 직선은 이 경우 대응하는 샤프트 유닛들을 연결하는 로봇 요소를 따라 연장될 수 있다. 다른 표현으로, 제1 및 제2 회전축(적어도 공통으로 투영된)은 서로에 대해 실질적으로 수직하게 작동할 수 있다. 결과적으로, 제2 회전축은 또한 주변 영역에 대해 기울어질 수 있거나 주변 영역에 대응하는 방향으로 배치될 수 있다.

기울어진 상태로 작동하는 제1 회전축과 이에 대해 대체로 수직한 제2 회전축의 운동학적 시퀀스로 인해, 특히, 수평의 주변 영역 상에 로봇을 배치할 때와 의료 기기에 대해 환자를 위치시킬 때에, 좁은 공간 내에서 특별히 큰 기동성(mobility)이 획득된다. 후술된 바와 같이, 로봇은 바닥에 보다 특별하게 가깝게 형성되고 작동 가능하며, 이는 인접한 기기들과의 충돌 위험을 감소시킨다. 로봇 암에 환자 테이블이 장착된 경우, 바닥으로부터 짧은 거리에 위치하므로, 이는 또한 환자 테이블에 대한 단순하고 편리한 접근을 용이하게 한다.

로봇은, 제1 및 제2 샤프트 유닛 이후에 배치되고 로봇 암의 제3 회전축을 정의하는 제3 샤프트 유닛을 더 포함하고, 선택적으로, 제3 샤프트 유닛 이후에 배치되고 로봇 암의 제4 및 제5 회전축을 정의하는 제4 및 제5 샤프트 유닛을 더 포함한다. 상술한 경우, 각 샤프트 유닛들은 운동형상적 사슬(kinematic chain) 내에서 서로 곧바로 뒤따를 수 있고/있거나 공통의 로봇 요소들에 의해 서로 연결될 수 있다. 전체적으로 로봇 암이 그에 따라 5개 이상의 회전축을 포함하지 않는 것이 제공될 수 있으며, 이들 회전축은 예를 들어 로봇 암 내부에 유일한 운동축들을 형성할 수 있다. 본 발명자들은 특히 전술한 경사진 기본 운동학과 상호 작용하는 위와 같은 로봇 축의 개수가 환자의 포지셔닝을 위한 신뢰할만하고 적합한 기동성(mobility)을 가능하게 하며, 동시에 로봇의 컴팩트한 설계가 유지될 수 있음을 인식했다.

제1 및 제2 샤프트 유닛은 터렛 세그먼트(turret segment)에 의해 서로 연결될 수 있다.

제3, 제4 및 제5 샤프트 유닛은 널리 알려진 손목 유닛을 형성할 수 있다. 예를 들어, 이들(제3 내지 제5) 샤프트 유닛들의 회전축들은 적어도 직전의 회전축에 직교하도록 더 정렬된다. 이러한 샤프트 유닛들의 모든 회전축들은 서로에 대해 수직하게 동작하거나 적어도 로봇의 정상 작동(환자 테이블을 바닥으로부터 들어올리고 지지하는) 중에 가향적(orientable)이다.

이와 관련하여, 제3 회전축이 대략 제2 회전축에 수직하게 동작하는 것을 더 제공할 수 있다.

또 다른 관점에 따르면, 제2 및 제3 샤프트 유닛은 서로 약 30cm 내지 2m 사이에서, 예를 들어 약 60cm 내지 약 1.5m 사이에서 이격되어 위치한다. 약 60cm 내지 약 1.2m의 간격이 제공될 수도 있다. 이 변형예에 따르면, 로봇의 손목 유닛을 함께 형성하는 제3 샤프트 유닛과 이에 적용 가능한 다른 샤프트 유닛들은, 예를 들어, 제1 및 제2 샤프트 유닛과 소정의 최소 거리에 배치될 수 있다. 거리는 제2 및 제3 샤프트 유닛과 연결되는 로봇 요소에 의해 결정 및/또는 측정될 수 있다.

결과적으로, 제1 및 제2 샤프트 유닛을 로봇 암의 제2 단부 영역으로부터 일정 거리에 배치할 수 있으면, 충돌 회피의 관점에서 유리할 수 있다. 이는, 예를 들어, 로봇의 제2 단부 영역이 비교적 큰 제1 및 제2(기본) 샤프트 유닛들로부터 일정 거리에 배치될 수 있고 이에 따라 비교적 큰 양의 자유 공간이 그 부근에서 이용 가능해지는 것에 의해, 용이해질 수 있다. 다른 표현으로, 로봇은 비교적 작은 크기를 가질 수 있고 이에 따라 제2 단부 영역에 가까운 간섭 윤곽(interference contour)이 감소된다. 따라서 이 단부 영역은 비교적 좁은 작업 영역, 예를 들어 의료 기기에 가깝거나 의료 기기의 내부에도 위치될 수 있다.

본 발명은 또한 로봇 어셈블리에 관한 것으로, 앞의 관점들 중 어느 하나에 따른 로봇을 포함하고, 주변 영역(선형 샤프트 유닛에 의해 형성되고/형성되거나)은 선형 샤프트 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하며, 로봇 암은 그의 제1 단부 영역에 의해 선형 샤프트 유닛에 배치될 수 있다. 이에 의해 로봇의 전체 작업 공간은 커질 수 있고, 작업 공간은 특히 대체로 원통형으로 가정될 수 있다.

선형 샤프트 유닛은 공지된 방식으로 로봇에 연결될 수 있고, 로봇을 공간(room) 내에서 선형적으로 움직일 수 있다. 이미 언급한 바와 같이, 이는 로봇 암의 제1 단부 영역의 연결 평면 및/또는 연결 영역에 의해 이루어질 수 있다. 또한, 이를 위해 예를 들어 가이드 또는 베어링 요소 또는 구동 유닛들과 같은 커플링 요소들이 사용될 수 있으며, 이는 예를 들어, 로봇을 선형 샤프트 유닛의 가이드 레일을 따라 이동시키기 위해 그에 연결된 리니어 모터들 또는 유닛들의 형태가 될 수 있다.

관련하여, 선형 샤프트 유닛은 선형 운동축을 정의할 수 있고, 이는 주변 영역으로서 로봇의 제1 회전축과 동일한 각도를 형성할 수 있다. 다른 표현으로, 로봇이 움직일 수 있는 선형 운동축은 예를 들어, 수평의 주위 영역 및/또는 로봇 암의 제1 단부 영역의 연결 평면에 평행하게 연장될 수 있다. 따라서 대체로 로봇 암의 제1 회전축은 선형 운동축에 대해 비스듬한 상태로 작동할 수 있다. 선형 운동축은 공지된 방식으로 평면 내에서 로봇의 이동을 용이하게 할 수 있지만, 만곡되거나 구부러진 이동 경로로 정의될 수 있다.

선형 샤프트 유닛이 바닥 영역 상에 배치 가능한 것 또한 제공될 수 있다. 이 경우, 로봇이 바닥에 특히 근접하여 작동 가능하고 그에 따른 감소된 간섭 윤곽(interference contour)과 제1 회전축의 기울어진 상태로 작동함에 따른 개선된 기동성(mobility)이 보장될 수 있다.

다른 관점에 따르면, 로봇(및 특히 그것의 로봇암)의 운동학 및/또는 탄성 특성의 공지된 캘리브레이션은 선형축의, 예를 들어, 선형축을 따라 일정한 간격의, 여러 지점에서 수행될 수 있다. 캘리브레이션 데이터는 선형축의 각 위치에 대한 내삽(interpolations) 방식 또는 유사한 방식으로 획득되고 저장될 수 있으며, 이 데이터는 로봇을 제어하는 동안 참고될 수 있다. 로봇과 선형축 사이의 국소적 상호 작용(local interaction)이 고려될 수 있으므로, 선형축 전체에 대한 높은 포지셔닝 정확성이 보장될 수 있다.

선형 샤프트 유닛은 선형축의 연장을 자유롭게 조절할 수 있도록 모듈식으로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 개별 모듈은 약 1m 길이로 형성될 수 있다.

마지막으로, 본 발명은 바닥 영역과 앞선 관점들 중 하나의 로봇 어셈블리를 포함하는 로봇 작업셀에 관한 것이기도 하며, 선형 샤프트 유닛은 바닥 영역 상에 위치한다. 로봇 작업셀이 영상 의료 기기 및/또는 의료용 방사선 치료 기기를 포함하는 것이 더 제공될 수 있으며, 로봇 어셈블리는 환자를 의료 기기의 작업 영역 내에 위치시키기 위해 형성될 수 있다.

이는 로봇 조립체 및 특히 로봇 조립체의 선형 샤프트 유닛을 로봇 작업셀 내에 위치시킬 뿐만 아니라 로봇 조립체의 작업 영역과 의료 기기가 원하는 방식으로 중첩되는 방식의 모든 의료 기기에 대해 위치시키기 위해 제공될 수 있다. 특히, 이 경우 로봇 조립체가 상술한 방식으로 환자 테이블에 연결되고 환자 테이블을 기기에 대해 원하는 방식으로 위치시키도록 형성되는 것이 제공될 수 있다.

일례는, 로봇에 의해 지향된 환자가 선형 샤프트의 구동에 의해 의료 기기의 작업 영역 내로 슬라이드 되도록 하는 방식으로 영상 의료 기기가 선형 샤프트 유닛에 대해 배치되는 것을 제공한다. 이는 예를 들어 환자가 적어도 부분적으로 슬라이드 되어야 하는 공지된 컴퓨터 단층 촬영 스캐너에 적용될 수 있다. 의료 기기는 이를 위한 선형 샤프트의 (축 방향)단부 영역에 배치되거나 그 근처에 배치될 수 있다.

또 다른 변형예에 따르면, 로봇 작업셀이 복수의 그러한 의료 기기들을 포함하고 특히 선형 샤프트 유닛의 적절한 연장에 의해 로봇 어셈블리는 모든 의료 기기에 대해 원하는 방식으로 환자를 위치시킬 수 있도록 형성되는 것이 제공될 수 있다. 이는, 환자가 영상 기기(예를 들어, 컴퓨터 단층 촬영 스캐너)와 방사선 치료 기기 사이에서 거의 노력을 들이지 않고 바람직한 위치를 유지하며 이동할 수 있으므로, 치료실 내에서의 향상된 유연성을 가능하게 한다. 이를 위해 기기들은 대체로 선형 샤프트를 따라 그리고/또는 코너를 가로질러 같은 측 또는 대향 측에 배치될 수 있다(하나의 기기는 선형 샤프트의 축 방향의 단부에 위치하고 다른 하나의 기기는 선형 샤프트를 따라 측방에 위치).선형 샤프트 유닛의 대응 단부 영역 상에 또는 인접하게 이러한 기기들이 대향 배치되는 것 또한 고려될 수 있다.

의료 기기들에 대한 환자의 개선된 포지셔닝 및/또는 이동을 가능하게 한다.

본 발명은 도면들을 참고하여 더 설명된다. 도면들은 다음을 개략적으로 도시한다.
도 1 내지 3은 일 실시예에 따른 환자 포지셔닝을 위한 로봇의 사시도이다.
도 3a는 도 1 내지 3에 따른 로봇의 로봇암의 분해도이다.
도 3b는 도 1 내지 3의 로봇의 손못 유닛의 상세도이다.
도 4는 도 1 내지 도 3의 일 실시예에 따른 로봇 및 선형 샤프트 유닛을 포함하는 로봇 어셈블리의 사시도이다.
도 5a 내지 c는 도 4에 따른 로봇 어셈블리를 포함하는 로봇 작업셀의 서로 다른 작동 상태의 평면도이다.
도 6a 내지 c는 도 5a 내지 c와 유사한 로봇 작업 셀의 사시도이다.
도 7a 내지 b는 로봇이 바닥에 근접하게 위치한 상태의 이전 도면들에 따른 로봇 작업셀의 사시도이다.
도 8a 내지 b는 복수의 의료 기기들을 포함하는 이전 도면들과 유사한 로봇 작업 셀의 평면도이다.

이하에서는, 이들에 한정되지 않고, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 구체적인 내용이 설명된다. 그러나, 당업자가 본 발명의 개시 내용을 이하에서 설명된 구체적인 내용들로부터 벗어난 다른 예시적인 실시예에 사용할 수 있음은 명백하다.

도 1은 제1 실시예에 따른 로봇(10)을 도시한다. 로봇은 제1 단부 영역(14)이 구비된 로봇 암(12)을 포함하며, 제1 단부 영역(14)에 의해 로봇(10)은 주변 영역에 배치될 수 있으며, 별도로 도시되지는 않았지만, 로봇(10)은 주변 영역에 기계적으로 연결될 수 있다. 제1 단부 영역(14)은 판형 부재(16)를 더 포함하고, 이는 연결 평면과 수평의 공간 평면(horizontal spatial plane)에 대한 연결 영역을 후술하는 방식으로 형성한다.

판형 부재(16)로부터 시작하여, 로봇 암(12)은 열린 운동형상적 사슬(open kinematic chain)의 방식으로 공간(room) 내부로 연장되고, 이 사슬은 환자 테이블(18) 형태의 엔드 이펙터를 구비한 제2 단부 영역(15)을 갖는다. 이는 공지된 방식으로 로봇 암(12)의 제2 단부 영역에 연결된다.

이하에서는 로봇 암(12)의 운동학적 구조가 설명된다. 판형 부재(16)로부터 사직하여, 로봇 암(12)은 제1 회전 샤프트 유닛(A1)을 포함하고, 이는 로봇 암(12)의 제1 회전축(R1)을 정의한다. 제1 회전 샤프트 유닛(A1)은, 이하에서 설명하는 다른 회전 샤프트 유닛(A2-A5)와 마찬가지로, 모터(예를 들어 서보 모터)에 의해 구동되는 널리 알려진 구성에 따른 회전 조인트를 포함한다. 예를 들어 금속으로 형성되어, 대체로 단단하게 형성된, 제1 로봇 요소(G1)는 제1 샤프트 유닛(A1)으로부터 시작되어 연장된다.

제1 로봇 요소(G1)는 제2 회전축(R2)을 결정하는 제2 회전 샤프트 유닛(A2)을 향해 연장된다. 제2 회전축(R2)과 제1 회전축(R1)은 제1 로봇 요소(G1)에 의해 상호 이격되어 있지만, 서로에 대해 수직하게 연장되어 있음을 확인할 수 있다. 다시 말해, 회전축(R1, R2)는 적어도 서로에 대해 투영된 상태에서, 서로 직각을 형성한다. 동일한 의미로, 이들 축은 양 회전축(R1, R2)에 수직인 가상의 직선(미도시)에 의해 연결될 수 있다.

제2 회전축(R2)으로부터 시작하여, 제2 로봇 요소(G2)는 제3 회전 샤프트 유닛(A3)을 향해 연장되고, 이번에는 제3 회전축(R3)을 정의한다. 이는 제2 회전축(R2)을 향해 직교하도록 연장된다. 제2 및 제3 회전 샤프트 유닛(A2, A3)의 연결은 터렛 세그먼트(turret segment)를 통해 이루어진다.

제3 회전 샤프트 유닛(A3)은 로봇 암(12)의 손목 유닛(20)의 일부이고, 로봇 암(12)은 공지된 방식으로 2개의 회전축(R4, R5)과 연관된 2개(제4 및 제5)의 회전 샤프트 유닛(A4, A5)을 포함하며, 이들은 제3 및 제4 로봇 요소(G3, G4)(도 1에서 부분적으로 보이지 않음)에 의해 상호 연결된다. 손목 유닛(20)의 회전축들(R3-R5)은 또한 각각의 경우 및 정상 작동(예를 들어, 아래로부터 환자 테이블(18)을 들어올리고 지지하는 것)에서 앞의 회전축에 대해 알려진 방식으로 수직하며 그들이 손목 유닛(20)의 다른 모든 축에 대해 실질적으로 수직하게 향하도록 정렬된다.

도 2에서, 제1 회전축(R1)이 판형 부재(16)와 이에 의해 한정된 주변의 연결 평면에 대해 경사지게 연장되는 것은 본 운동학의 주요 특징으로 확인된다. 보다 정확하게, 회전축(R1)은 판형 부재(16)에 대해, 예를 들어, 45도의 각도(W)로 작동한다.

도 2 및 도 3은 도 1의 로봇(10)에 대한 다른 각도의 사시도이며, 로봇 암(12)은 각각의 경우에 서로 다른 작동 위치에 있을 수 있다.

특히, 도 2에서 로봇 암(12)은 에지 영역과 가깝고 기하학적 중심(geometrical center, M)에서 편심된 제2 연결 영역(15)에서 환자 테이블(8)과 연결되는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 로봇(10)은 환자 테이블(18)을 아래로부터 들어올리고 아래로부터 지지하여, 그 상부측(O)이 환자(P)를 위한 테이블 면으로 온전하게 사용될 수 있도록 한다. 하중 전달은, 도 2에 도시된 압력 하중(pressure loading, D)으로 지시된 바와 같이, 상당히 편심된 방식으로 로봇 암(12)을 통해 이루어진다. 다른 한편으로, 환자(P) 주위에는 더 큰 여유 공간이 생기므로, 의료 기기에 근접하거나 의료 기기 내부에서 환자 테이블(18)의 충돌 없는 배치를 가능하게 한다.

도 3에서 확인할 수 있듯이, 제2 로봇 요소(G2)는 제2 회전 샤프트 유닛(A2)과 제3 회전 샤프트 유닛(A3) 사이의 거리를 결정하고, 본 실시예에서 그 거리는 1m와 일치한다. 결과적으로, 로봇 암(12)의 손목 유닛(20)은 또한 앞의 회전 샤프트 유닛들(A1, A2)에 대해 대응하는 거리(A)에 배치된다.

이는 손목 유닛(20)이 기본적 샤프트들로 동작하는 회전 샤프트 유닛들(A1, A2)로부터 이격 배치되는 것을 가능케 하고, 이들은 상대적으로 크게 형성되어, 손목 유닛(20)의 근처에서 간섭 윤곽(interference contour)이 감소되도록 한다. 이는 또한 주변과의 충돌을 방지하는데 기여한다.

도 2로 돌아가서, 제1 회전 샤프트 유닛(A1)과 제1 로봇 요소(G1)의 연결 영역(V)은 연결 평면의 영역의 상부 또는 연결 평면의 영역 내에 배치됨을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로, 연결 영역(V)은 대략 판형 부재(16)의 기하학적 중심(M2)의 상부에 위치한다. 후자는 대략 사각형으로 형성되고 각 코너 영역(E)에 커플링 요소들을 포함하며, 이는, 후술할, 선형 샤프트 유닛(L)에 기구적으로 연결되기 위한 것이다(도 2에는 모든 코너 영역(E)이 도시되지는 않음). 연결 영역(V)은 실질적으로 코너 영역들(E)의 대각 교차점의 상부에 위치하고, 모든 커플링 요소들 사이 특히, 서로 2개의 마주하는 커플링 요소들 사이에 위치한다. 이는 유효 레버 암(effective lever arms)을 감소시키고 판형 부재(16) 및 그에 결합된 주변 영역으로의 신뢰성 있는 지지 및 힘 전달을 가능하게 한다.

도 3a에서, 로봇(10)의 로봇 암(12)은 분해된 상태로 도시되어 있다. 로봇 요소들(G1-G4)의 연장뿐만 아니라 개별 샤프트 유닛들(A1-A5)의 위치를 확인할 수 있다. 특히 제1 및 제2 샤프트 유닛을 연결하는 로봇 요소(G1)는 터렛 세그먼트의 형태로 구성되고, 회전축들(R1, R2)은 서로에 대해 90도로 비틀어져 있음을 확인할 수 있다.

최종적으로, 도 3b에는 공지된 방식으로 3개의 샤프트 유닛들(A3-A5)이 구비된 손목 유닛(20)의 구체적 형상이 도시되어 있다. 도시된 위치에서, 제3 및 제5 회전축(R3-R5)은 일치하고, 제3 및 제5 회전축(R3-R5)은 제4 회전축(R4)에 대해 각각 수직하다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 정상 작동(바닥으로부터 환자 테이블(18)을 들어올리고 지지하는)에서 회전축(R3-R5)은 서로에 대해 대략 수직하게 동작하는 방식으로 배열된다.

도 4에는 도 1-3을 참고하여 상술한 로봇(10)과 선형 샤프트 유닛(L)을 포함하는 로봇 조립체가 도시되어 있다. 선형 샤프트 유닛(L)은 상호 평행한 2개의 가이드 레일(30)을 포함하고, 전체적으로 공간(room) 내의 가로로 수평한 바닥면(B) 상에 배열된다. 따라서 선형 샤프트 유닛(L)은 수평의 공간 평면의 형태로 로봇(10)이 배치된 주변 영역을 형성한다. 또한, 이는 수평한 바닥면(B)에 평행하게 연장되어 로봇(10)이 공간(room) 내에서 따라 이동할 수 있는 선형적(또는 병진적) 운동축(L1)을 정의한다. 이를 위해, 로봇 암(12)은, 판형 부재(16)와 그 위에 배치된 상술한 커플링 요소들을 통해, 운동축(L1)을 따른 이동을 용이하게 하는 선형 샤프트 유닛(L)의 구동 유닛들에 연결된다. 구동 유닛들은, 로봇(10)을 연결하기 위해, 예를 들어 선형 모터들과, 스크류 볼트, 점착 점들(adhesive points) 또는 다른 부착 부재들을 포함하는 커플링 요소들을 포함할 수 있다.

도 4에서 로봇 암(12)의 제1 회전축(R1)의 경사는 판형 부재(16) 또는 제1 단부 영역(14)의 연결 평면에 대해 각도(W)로 표시되어 있다. 회전축(R1)은 선형 샤프트 유닛(L) 및 선형축(L1), 그리고 이에 대해 평행한 수평한 바닥면(B)에 대해 동일한 각도(W)를 형성하는 것을 확인할 수 있다.

도 5a-c는 도 4에 따른 로봇 조립체 및 의료용 방사선 치료 기기(32)를 포함하는 로봇 작업셀의 서로 다른 작동 상태의 평면도를 보여준다. 로봇(10)은 특히 그에 장착된 환자 테이블(18) 및 공간(room) 내에서 로봇(10)을 이동시키는 선형 샤프트 유닛(L)과 함께 다시 확인된다. 도 5a 내지 c는 로봇 암(12)의 개별 축(R1-R5) 및 로봇 요소들(G1-G4)의 서로 다른 위치들의 예를 도시하고 있으며, 이를 통해 환자(P)(그리고 환자의 머리 영역)는 의료 기기(32)의 조사 작업 영역(irradiation working area)에 위치될 수 있다. 심지어 도 5a-c에 도시된 개별적인 로봇 샤프트 유닛들(A1-A5)과 선형 샤프트 유닛(L)의 조율된 작동에 의한 위치들 사이에 연속적인 움직임이 발생할 수 있다. 특히 도 5b에 도시된 바와 같이, 콤팩트한 설계로 인해, 로봇(10)은 충분한 강성의 작은 간섭 윤곽(interference contour)을 가지므로, 충돌없이 의료 기기(32)에 근접하고, 의료 기기(32)를 따라 이동할 수 있다.

도 6a-c는 환자(P)가 방사선 치료 기기(32)에 대해 로봇(20)에 의해 의도된 방식으로 위치되고 이동되는, 도 5a-c로부터 유추된 서로 다른 작동 상태들에 따른 로봇 작업셀의 사시도를 도시한다.

도 7a-b는 로봇(10)이 특히 바닥에 근접한 위치를 취하는 이전의 도면들에 따른 로봇 작업셀의 사시도를 도시한다. 보다 정확하게, 제1 로봇 요소(G1)가 제1 회전축(R1)에 의해 선형 샤프트 유닛(L)의 방향으로 회전되어, 제2 회전 샤프트 유닛(A2)이 판형 부재(16)의 바로 위에 위치하는 것을 확인할 수 있다. 여기서부터 시작하여, 제2 로봇 요소(G2)는 대체로 선형적으로 연장되어, 로봇 암(12)의 손목 유닛(20)이 바닥 영역에 대해 낮은 높이(또는 작은 수직 거리)에 위치할 수 있다.

도 8a-b는 복수의 의료 기기(32, 34)를 포함하며, 이전 도면들과 유사한 로봇 작업셀의 평면도를 최종적으로 도시한다. 특히 로봇 작업셀들은 각각 방사선 치료 기기(32)와 이미징 컴퓨터 단층 촬영 스캐너(an imaging computed tomography scanner, 34)를 포함한다. 도 8a에 도시된 예에서, 두 의료 기기(32, 34)는 공통의 선형축(L1)을 따라 배치된다. 선형 샤프트 유닛(L)은 로봇(10)이 환자를 기기(32, 34) 중 어느 하나의 작업 영역으로 선택적으로 위치시킬 수 있도록 배치된다.

도 8b의 경우, 컴퓨터 단층 촬영 스캐너(34)는 선형 샤프트 유닛(L)의 일축의 단부(Z)에 위치하여, 환자(P)가 로봇(10)을 통해 적절한(특히, 선형축(L1)에 평행한) 방향으로, 선형 샤프트 유닛(L)에 의해 컴퓨터 단층 촬영 스캐너(34)의 내부로 슬라이드 되도록 할 수 있다. 그러나 동시에, 방사선 치료 기기(32)의 작업 영역 내의 환자 배치 역시 가능하다. 이를 위해 환자(P)는 도 5 및 6에 도시된 작동 위치들로부터 유추된 로봇 어셈블리에 의해 방향이 정해질 수 있다.

10: 로봇 12: 로봇 암
14: 제1 단부 영역 15: 제2 단부 영역
16: 판형 부재 18: 환자 테이블
20: 손목 유닛 30: 가이드 레일
32: 방사선 치료 기기 34: 컴퓨터 단층 촬영 스캐너
A1: 제1 회전 샤프트 유닛 A2: 제2 회전 샤프트 유닛
A3: 제3 회전 샤프트 유닛 A4: 제4 회전 샤프트 유닛
A5: 제5 회전 샤프트 유닛 E: 코너 영역
G1: 제1 로봇 요소 G2: 제2 로봇 요소
G3: 제3 로봇 요소 G4: 제4 로봇 요소
L: 선형 샤프트 유닛 L1: 선형 운동축
P: 환자 R1: 제1 회전축
R2: 제2 회전축 R3: 제3 회전축
R4: 제4 회전축 R5: 제5 회전축
V: 연결 영역

Claims (15)

1. 샤프트 유닛들에 의해 서로 연결되고, 복수의 로봇 요소들을 구비한 로봇 암을 포함하고,
   상기 샤프트 유닛들은 각각 상기 로봇 암의 적어도 하나의 운동축(movement axis)을 정의하고,
   상기 로봇 암은 상기 로봇이 주변 영역에 배치되는 것을 가능하게 하는 제1 단부 영역 및 엔드 이펙터가 배치 가능한 제2 단부 영역을 포함하고,
   상기 제1 단부 영역 이후에 배치되는 제1 샤프트 유닛은 상기 로봇 암의 제1 회전축을 정의하고,
   상기 로봇 암은 상기 제1 회전축이 상기 주변 영역에 대해 비스듬한 각도로 연장되도록 상기 제1 단부 영역에 의해 상기 주변 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는, 바람직하게는 환자의 포지셔닝을 위한, 로봇.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 회전축은 상기 주변 영역에 대해 약 10도 내지 약 80도 사이의 각도, 예를 들어, 약 20도 내지 70도, 예를 들어, 약 45도의 각도에서 작동하는 것을 특징으로 하는, 로봇.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 단부 영역은 상기 주변 영역처럼 상기 제1 회전축과 실질적으로 동일한 각도를 형성하는 연결 평면은 포함하는 것을 특징으로 하는, 로봇.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 주변 영역은 실질적으로 수평의 공간 평면과 예를 들어 바닥면을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 연결 평면은 적어도 2개의 커플링 요소들에 의해 상기 주변 영역과 연결되고, 제1 샤프트 유닛과 제1 로봇 요소의 연결 영역은 실질적으로 상기 커플링 요소들 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는, 로봇.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 로봇 암은 상기 제1 샤프트 유닛 이후에 배치되고 상기 로봇 암의 제2 회전축을 정의하는 제2 샤프트 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 로봇.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 로봇 암은 상기 제2 샤프트 유닛이 상기 주변 영역에 인접하여 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 로봇.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 로봇 암은 상기 제1 및 제2 샤프트 유닛 이후에 배치되고, 상기 로봇 암의 제3 회전축을 정의하는 제3 샤프트 유닛을 포함하고, 선택적으로 상기 제3
   샤프트 유닛 이후에 배치되고 상기 로봇 암의 제4 및 제5 회전축을 정의하는 제4 및 제5 샤프트 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는, 로봇.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제3 회전축은 실질적으로 상기 제2 회전축에 수직하게 연장되는 것을 특징으로 하는, 로봇.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 샤프트 유닛(A2, A3)은 서로 약 30cm 내지 약 2m 사이에서, 예를 들어, 약 60cm 내지 약 1.5m 사이에서 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 로봇.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 로봇을 포함하며,
    상기 주변 영역은 선형 샤프트 유닛을 포함하고, 상기 로봇 암은 상기 제1 단부 영역에 의해 상기 선형 샤프트 유닛 상에 위치하는, 로봇 어셈블리.
12. 제11항에 있어서,
    상기 선형 샤프트 유닛은 상기 주변 영역처럼 상기 로봇의 제1 회전축과 동일한 각도를 형성하는 선형 운동축을 정의하는 것을 특징으로 하는, 로봇.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 선형 샤프트 유닛은 바닥면에 위치 가능한 것을 특징으로 하는, 로봇 어셈블리.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 로봇 어셈블리와 바닥 영역을 포함하고,
    상기 선형 샤프트 유닛은 상기 바닥 영역 상에 위치하는, 로봇 작업셀.
15. 제14항에 있어서,
    영상 의학 검사 기기 및 의료용 방사선 치료 기기 중 적어도 하나를 더 포함하고, 상기 로봇 어셈블리는 환자를 상기 기기의 작동 영역 내에 위치시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 로봇 작업셀.

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