KR20190134731A - Magnetic coupling and testing of robotic systems - Google Patents

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KR20190134731A
KR20190134731A KR1020197032532A KR20197032532A KR20190134731A KR 20190134731 A KR20190134731 A KR 20190134731A KR 1020197032532 A KR1020197032532 A KR 1020197032532A KR 20197032532 A KR20197032532 A KR 20197032532A KR 20190134731 A KR20190134731 A KR 20190134731A
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arm
mechanical digitizer
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캄란 샤메이 가하파로키
페이모 쉔
배리 부어히스
무함마드 아프난
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씽크 써지컬, 인크.
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Abstract

로봇의 엔드 이펙터를 가지는 로봇 아암의 검정 장치는 몸체와, 수용 면과, 장착 부재와, 및 자기 부를 가지는 자기 커플러를 포함한다. 장착 부재는 로봇 아암의 엔드 이펙터에 고정 연결되도록 구성된다. 볼과 핸들을 가지는 기계식 디지타이저 프루브가 구비되는데, 볼은 핸들의 원격단에 고정 부착되고 볼은 수용 면 상의 자기 부를 통해 자기 커플러에 분리 가능하게 결합되어 회전 가능한 볼 및 소켓 연결을 형성하며, 핸들의 근접단은 로봇에 연계된 기계식 디지타이저에 부착되도록 구성된다. 로봇의 로봇 아암의 검정 방법 역시 설명된다.The calibration device of the robot arm with the end effector of the robot includes a body, a receiving surface, a mounting member, and a magnetic coupler having a magnetic portion. The mounting member is configured to be fixedly connected to the end effector of the robot arm. A mechanical digitizer probe with a ball and handle is provided, the ball being fixedly attached to the remote end of the handle and the ball detachably coupled to the magnetic coupler via a magnetic portion on the receiving surface to form a rotatable ball and socket connection, The proximal end is configured to be attached to a mechanical digitizer associated with the robot. The test method of the robot arm of the robot is also described.

Description

자기 결합과 로봇 시스템의 검정 방법Magnetic coupling and testing of robotic systems

관련출원들Related Applications

본원은 2018년 3월 7일자로 출원된 미국특허 가출원 제62/639,703호와; 2017년 4월 24일자로 출원된 미국특허 가출원 제62/489,070호에 대한 우선권을 주장하는 바; 그 내용들은 이 명세서에 참고로 포함되어 있다.This application is directed to US Provisional Application No. 62 / 639,703, filed March 7, 2018; Claiming priority to U.S. Provisional Application No. 62 / 489,070, filed April 24, 2017; The contents of which are incorporated herein by reference.

발명의 분야Field of invention

본 발명은 일반적으로 컴퓨터 지원(computer-assisted) 정형외과 수술(orthopedic surgery) 분야에 관한 것으로, 더 구체적으로는 시스템과 로봇 시스템의 하나 이상의 구성요소들을 검정 및 진단하는 방법에 관련된다.FIELD OF THE INVENTION The present invention generally relates to the field of computer-assisted orthopedic surgery, and more particularly to methods of testing and diagnosing one or more components of a system and a robotic system.

자율적(autonomous) 컴퓨터 지원(computer-aided) 수술 시스템(surgical system)은 일반적으로 베이스(base)에 부착된 로봇 아암(robotic arm)을 포함한다. 로봇 아암은 특정한 의료 절차(medical procedure)를 수행하는 데 사용자를 지원(aid)하기 위해 수술전(pre-operatively) 또는 수술중(intra-operatively) 생성되는 지시(instruction)들의 세트(set)를 수행한다. 이런 시스템 중의 하나가 전체 고관절 치환술(total hip arthroplasty; THA)에서 임플란트(implant)를 수용할 대퇴골의 캐비티(cavity)를 정밀하게 밀링(milling) 가공하는 데 사용자를 지원하는 ROBODOC™ 수술 시스템(ROBODOC™Surgical System) (THINK Surgical, Fremont, CA)이다. 종래기술의 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, ROBODOC™ 수술 시스템(100)은 대략 로봇 베이스(140)와, 여러 가지 링크(link)들과 관절(joint)들을 가지는 로봇 아암(150)과, 엔드 이펙터(end-effector) 플랜지(170)와, 기계식 디지타이저(digitizer)(120)와, 및 로봇 연산 시스템(160)을 포함한다. 엔드 이펙터 플랜지(170)는 로봇 아암(150)의 원격(distal) 링크 상에 위치하여 하나 이상의 다른 엔드 이펙터(180)들을 로봇 아암(150)에 부착시키도록 구성된다. 시스템(100)은 또한 시스템(100)의 양측에 위치하고 뼈에 연결되어 수술 동안 뼈 움직임을 감시하는 두 뼈 움직임 감시기(bone motion monitor)(145a, 145b)(BMM)들을 더 포함한다. 기계식 디지타이저(120)는 베이스(140) 상에 분리 가능하게 장착되어, 디지타이저(120)가 미국특허 제 6,033,415호에 기재된 바와 같이 뼈의 위치 및 방향(position and orientation; POSE)과 좌표변환들과 수술 계획과, 및 로봇 아암(150)을 수술중 등록하기 위해 뼈 상의 점들을 수집(collect)하도록 로봇 아암(150)에 대해 검정된다(calibrated).Autonomous computer-aided surgical systems generally include a robotic arm attached to a base. The robot arm performs a set of instructions that are generated pre-operatively or intra-operatively to aid the user in performing a particular medical procedure. do. One such system is the ROBODOC ™ surgical system (ROBODOC ™), which assists the user in the precise milling of the cavity of the femur to accommodate the implant in total hip arthroplasty (THA). Surgical System) (THINK Surgical, Fremont, CA). As shown in FIGS. 1A and 1B of the prior art, ROBODOC ™ surgical system 100 comprises approximately a robotic base 140, a robotic arm 150 having various links and joints, An end effector flange 170, a mechanical digitizer 120, and a robotic computing system 160. The end effector flange 170 is configured to be located on a remote link of the robot arm 150 to attach one or more other end effectors 180 to the robot arm 150. The system 100 further includes two bone motion monitors 145a and 145b (BMMs) located at both sides of the system 100 and connected to the bone to monitor bone movement during surgery. The mechanical digitizer 120 is detachably mounted on the base 140 such that the digitizer 120 is positioned and oriented (POSE), coordinate transformations and surgery as described in US Pat. No. 6,033,415. The plan is calibrated against the robot arm 150 to collect points on the bone and to register the robot arm 150 during surgery.

뼈의 캐비티가 정확하게 생성되었는지 확인하기 위해서는, 로봇 아암(150)과, 기계식 디지타이저(120)와 툴(tool)들 모두가 엄격한(tight) 작동 파라미터들 이내에 있어야 한다. 일반적으로, 로봇 아암(150)과 기계식 디지타이저(120)는 고객 현장에 처음 설치될 때 제조자에 의해 검정된다. (예를 들어 데나비 하텐버그(Denavit-Hartenberg; DH) 파라미터 또는 수정(modified) DH 파라미터 등의) 운동학적(kinematic) 파라미터들은 관절 높이(joint level) 오류, 운동학적 모델링 오류, 및 비기하적(non-geometric) 오류들을 포함하는 어떤 오류들을 처리하도록 갱신된다. 이어서, 각 의료적 절차 이전에, 시스템이 규정된 정확도 공차 내에서 작동하는지 보장하도록 검정(calibration)이 검증된다(verify). (즉 진단이 수행된다).In order to verify that the cavity of the bone has been created correctly, both the robot arm 150, the mechanical digitizer 120 and the tools must be within tight operating parameters. In general, robot arm 150 and mechanical digitizer 120 are calibrated by the manufacturer when first installed at a customer site. Kinematic parameters (such as, for example, Denavit-Hartenberg (DH) parameters or modified DH parameters) include joint level errors, kinematic modeling errors, and non-geometric is updated to handle certain errors, including (non-geometric) errors. Then, before each medical procedure, the calibration is verified to ensure that the system operates within the specified accuracy tolerances. (Ie diagnosis is carried out).

도 2에 도시된 바와 같이, 검정 방법은 일반적으로 로봇 운동학적 파라미터들의 모델링(200)과, 측정(202)과, 식별(identification)(204)과, 및 적용(implementation)의 통합된 과정이다. 각 로봇 검정 단계의 더 상세한 설명은 무어링 등(Mooring et al.)의 "조작기 검정의 기초(Fundamentals of manipulator calibration)," 1991과, 엘라타 등(Elatta et al.)의 "로봇 검정의 개관(An Overview of Robot Calibration)," 정보기술지(Information Technology Journal) 3 (1): 74-78, 2004에서 찾아볼 수 있다.As shown in FIG. 2, the assay method is generally an integrated process of modeling 200, measurement 202, identification 204, and implementation of robot kinematic parameters. A more detailed description of each robot calibration step can be found in Mooring et al., "Fundamentals of manipulator calibration," 1991, and Elatta et al., "Overview of robotic tests." (An Overview of Robot Calibration), "Information Technology Journal 3 (1): 74-78, 2004.

기준 부품(reference part)들에의 툴 팁의 접촉, 레이저 삼각측량(laser triangulation), 및 캘리퍼스(calipers)를 포함한 많은 다른 외부 측정 장치와 방법들이 로봇 아암(150)의 검정을 검정 또는 검증하는 데 사용된다. 이 기법들 중 많은 것이 산업용 로봇에 채택되어 있으므로, 컴퓨터 지원 외과 수술에서의 이들의 사용은 외과적 설정과 엄격한 법규상 요건들에 의해 제한된다. 예를 들어 ROBODOC™ 수술 시스템(100)은 기준 판(reference plate)을 사용한다. 기준 판은 매우 엄격한 공차를 가지고 공지의 거리로 이격된 복수의 기준점들을 가진다. 로봇 아암(150)은 기준점들의 각각의 중심으로 안내된다. 이 각 점들에서의 로봇 아암(150)의 위치가 제조자의 운동학적 파라미터들과 로봇의 관절 엔코더 값(encoder value)들에 기반하여 기록된다. 이 점들의 각각 간의 기록된 위치들과 각 점들 간의 공지의 거리가 새로운 운동학적 파라미터들을 식별하는 데 사용된다. 그러나 이 절차 단계들은 대개 시간 소모적이고 추가적 하드웨어(즉 기준 부품들, 검정 프루브(probe), 광학 추적 시스템)를 요구한다. 또한, 특히 ROBODOC™ 시스템(100)에서, 로봇 아암(150)이 기준 판 상의 충분한 기준점들에 도달 및 기록하기에 충분한 작업공간을 제공하도록 베이스(140)에 부착된 기계식 디지타이저(120)가 제거되어야 한다. 로봇 아암(150)의 검정에 이어 기계식 디지타이저(120)가 베이스(140)에 재조립되고, 뼈가 로봇 아암(150)의 좌표계에 정확히 등록되도록 기계식 디지타이저(120)의 좌표계와 로봇 아암(150)의 좌표계 간의 좌표 변환이 연산된다. 현재, 디지타이저(120)와 로봇 아암(150) 간의 좌표 변환의 연산은 동일한 기준 판을 사용하여 결정되는데, 여기서 디지타이저는 복수의 기준점들에 수동으로 안내된다. 대체로, 디지타이저(120)의 제거와, 로봇 아암(150)의 검정과, 디지타이저(120)의 재조립과, 이에 이은 디지타이저(120)와 로봇 아암(150) 간의 좌표 변환의 결정은 수 시간 정도로 시간 소모적이다.Many other external measurement devices and methods, including contact of the tool tip to reference parts, laser triangulation, and calipers, are used to verify or verify the calibration of the robot arm 150. Used. Since many of these techniques are employed in industrial robots, their use in computer-assisted surgical operations is limited by surgical settings and strict legal requirements. For example, the ROBODOC ™ surgical system 100 uses a reference plate. The reference plate has a very tight tolerance and a plurality of reference points spaced at known distances. The robot arm 150 is guided to the center of each of the reference points. The position of the robot arm 150 at each of these points is recorded based on the manufacturer's kinematic parameters and the robot's joint encoder values. The recorded positions between each of these points and the known distance between each point are used to identify new kinematic parameters. However, these procedural steps are usually time consuming and require additional hardware (ie reference parts, calibration probes, optical tracking system). In addition, particularly in the ROBODOC ™ system 100, the mechanical digitizer 120 attached to the base 140 must be removed so that the robot arm 150 provides sufficient workspace to reach and record sufficient reference points on the reference plate. do. Following the calibration of the robot arm 150, the mechanical digitizer 120 is reassembled to the base 140, and the coordinate system of the mechanical digitizer 120 and the robot arm 150 so that the bone is correctly registered in the coordinate system of the robot arm 150. The coordinate transformation between the coordinate systems of is computed. Currently, the calculation of the coordinate transformation between digitizer 120 and robotic arm 150 is determined using the same reference plate, where the digitizer is manually guided to a plurality of reference points. In general, the removal of the digitizer 120, the calibration of the robot arm 150, the reassembly of the digitizer 120, and subsequent determination of coordinate transformation between the digitizer 120 and the robot arm 150 may take several hours. Exhaustive

이에 따라 로봇 시스템의 하나 이상의 구성요소들을 검정 및 진단하는 유효하고 효율적인 방법에 대한 수요가 존재한다.Accordingly, there is a need for an effective and efficient method of testing and diagnosing one or more components of a robotic system.

로봇의 엔드 이펙터(end effector)를 가지는 로봇 아암(robot arm)을 검정하는 장치는 몸체(body)와, 수용 면(receiving face)과, 장착 부재와, 및 자기 부(magnetic portion)를 가지는 자기 커플러(magnetic coupler)를 포함한다. 장착 부재는 로봇 아암의 엔드 이펙터에 고정 연결(fixedly connect)되도록 구성된다. 볼(ball)과 핸들을 가지는 기계식 디지타이저 프루브가 제공되는데, 볼은 핸들의 원격단(distal end)에 고정 부착되고, 볼은 수용 면 상의 자기 부를 통해 자기 커플러에 분리 가능하게(removably) 결합되어 회전 가능한 볼 및 소켓 연결(ball and socket connection)을 형성하며, 핸들의 근접단(proximal end)은 로봇에 연계된 기계식 디지타이저에 부착되도록 구성된다.An apparatus for calibrating a robot arm having an end effector of a robot includes a magnetic coupler having a body, a receiving face, a mounting member, and a magnetic portion. (magnetic coupler). The mounting member is configured to be fixedly connected to the end effector of the robot arm. A mechanical digitizer probe having a ball and a handle is provided, wherein the ball is fixedly attached to the distal end of the handle, and the ball is removably coupled and rotated to the magnetic coupler through a magnetic portion on the receiving surface. Form a possible ball and socket connection, the proximal end of the handle being configured to attach to a mechanical digitizer associated with the robot.

로봇의 로봇 아암을 검정하는 방법은 전술한 장치로 기계식 디지타이저 아암을 로봇 아암의 엔드 이펙터에 자기적으로 결합하는 단계를 포함한다. 로봇 아암은 복수의 검정 위치(calibration location)들로 조작되어 각 검정 위치에서 일시정지(pause)한다. 각 검정 위치에서의 관절 값(joint value)들의 세트(set)가 기록된다. 각 검정 위치에서의 엔드 이펙터의 공간 위치(spatial position)들이 기계식 디지타이저로 측정된다. 로봇 아암의 운동학적 파라미터들의 세트가, 각 검정 위치에서 기록 및 측정된 관절 값들의 세트와 공간 위치를 사용하는 검정 알고리즘으로 측정된다. 로봇 운동학적 파라미터들의 세트가 적용(implement)되어 로봇 아암의 검정을 완료한다.The method of calibrating a robot arm of a robot includes magnetically coupling a mechanical digitizer arm to an end effector of the robot arm with the device described above. The robot arm is manipulated into a plurality of calibration locations to pause at each calibration location. A set of joint values at each test position is recorded. The spatial positions of the end effectors at each assay position are measured with a mechanical digitizer. The set of kinematic parameters of the robot arm is measured with a test algorithm that uses the spatial position and the set of joint values recorded and measured at each test position. A set of robot kinematic parameters is implemented to complete the calibration of the robot arm.

본 발명의 어떤 국면(aspect)들을 보이고자 의도되었지만 본 발명의 구현에 대한 제한으로 해석되어서는 안 되는 이하의 도면들을 참조하여 본 발명이 더 상세히 설명될 것이다.
도 1a 및 1b는 각각 종래기술 로봇 시스템의 정면도 및 측면도;
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 하부 단계들의 발명적 실시예들을 가지는 로봇 검정의 일반적 방법을 보이는 흐름도;
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 로봇 검정 방법을 보이는 흐름도;
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 로봇 검정 절차의 기능적 블록도;
도 5a 및 5b는 본 발명의 실시예들에 따른 검정 장치를 통해 기계식 디지타이저에 결합된 로봇 아암(150)을 도시하는데, 도 5a는 그 측면도이고 도 5b는 검정 장치의 상세도;
도 6a는 본 발명의 실시예들에 따른 검정 장치를 보이는 도면;
도 6b-6d는 본 발명의 실시예들에 따른 도 6a의 검정 장치의 자기 커플러를 도시하는데, 도 6b는 정면도, 도 6c는 측면도, 도 6d는 배면도;
도 7a는 본 발명의 실시예들에 따른 검정 장치를 보이는 도면;
도 7b 및 7c는 본 발명의 실시예들에 따른 도 7a의 검정 장치의 자기 커플러를 도시하는데, 도 7b는 정면도, 도 7c는 배면도;
도 8a는 본 발명의 실시예들에 따른 검정 장치를 보이는 도면;
도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 도 8a의 검정 장치의 자기 커플러의 정면도;
도 8c는 본 발명의 실시예들에 따른 도 8a의 검정 장치의 자기 커플러의 분해도;
도 9a는 본 발명의 실시예들에 따라 뼈 움직임 감시기 상에 진단을 수행하는 진단 검정 장치를 통해 엔드 이펙터에 자기적으로 결합되는 뼈 움직임 감시기를 보이는 도면; 그리고
도 9b 및 9c는 본 발명의 실시예들에 따른 도 9a의 진단 검정 장치를 보이는 도면으로, 도 9b는 그 사시도이고 도 9c는 그 종단면도이다.
The invention will be described in more detail with reference to the following drawings, which are intended to show certain aspects of the invention but are not to be construed as a limitation on the implementation of the invention.
1A and 1B are front and side views, respectively, of a prior art robotic system;
2 is a flow chart showing a general method of a robotic assay with inventive embodiments of substeps in accordance with embodiments of the present invention;
3 is a flow chart showing a robot assay method in accordance with embodiments of the present invention;
4 is a functional block diagram of a robotic assay procedure in accordance with embodiments of the present invention.
5A and 5B show a robot arm 150 coupled to a mechanical digitizer via an assay device in accordance with embodiments of the invention, where FIG. 5A is a side view thereof and FIG. 5B is a detail view of the assay device;
6A shows an assay device in accordance with embodiments of the present invention;
6B-6D illustrate the magnetic coupler of the assay device of FIG. 6A in accordance with embodiments of the present invention, FIG. 6B is a front view, FIG. 6C is a side view, and FIG. 6D is a rear view;
7A shows an assay device in accordance with embodiments of the present invention;
7B and 7C illustrate the magnetic coupler of the assay device of FIG. 7A in accordance with embodiments of the present invention, where FIG. 7B is a front view and FIG. 7C is a rear view;
8A shows an assay device according to embodiments of the present invention;
8B is a front view of the magnetic coupler of the assay device of FIG. 8A in accordance with embodiments of the present invention.
8C is an exploded view of the magnetic coupler of the assay device of FIG. 8A in accordance with embodiments of the present invention.
9A shows a bone motion monitor magnetically coupled to an end effector via a diagnostic assay device that performs diagnostics on a bone motion monitor in accordance with embodiments of the present invention; And
9B and 9C show the diagnostic assay device of FIG. 9A in accordance with embodiments of the present invention, FIG. 9B is a perspective view thereof and FIG. 9C is a longitudinal sectional view thereof.

본 발명은 로봇 아암을 검정하는 시스템 및 방법으로 유용성을 가진다. 이 시스템 및 방법은 검정 시간을 감축하고 기계식 디지타이저와 로봇 아암 간의 좌표 변환을 동시 결정하여 특히 유용하다. 이 명세서에서 이 방법 및 시스템의 적용이 ROBODOC® 시스템을 참조하고 있지만, 의료용이건 산업용이건 어떤 자율적, 반 자율적 또는 수동적(passive) 로봇 시스템도 이 명세서에 개시된 장치 및 방법들을 이용할 수 있다.The present invention has utility as a system and method for testing robotic arms. This system and method is particularly useful by reducing test time and simultaneously determining coordinate transformations between mechanical digitizers and robotic arms. In this specification the application of the method and system with reference to ROBODOC ® system. However, this is the medical industry it may use any autonomous, semi-autonomous, or passively (passive) apparatus and method disclosed herein also robotic systems.

본 발명의 여러 가지 실시예들에 대한 이하의 설명은 본 발명을 이 특정한 실시예들에 한정하고자 의도한 것이 아니라, 당업계에 통상의 기술을 가진 자가 그 예시적 국면들을 통해 본 발명을 구성 및 사용할 수 있도록 하기 위한 것이다.The following description of various embodiments of the present invention is not intended to limit the present invention to these specific embodiments, but one of ordinary skill in the art will form and interpret the present invention through exemplary aspects thereof. It is intended to be used.

이 명세서에 언급된 모든 간행물, 특허출원, 특허 및 다른 참증들은 그 전체로서 (이 명세서에) 참고로 포함된다.All publications, patent applications, patents, and other references mentioned herein are incorporated by reference in their entirety.

명시적 또는 문맥에 의해 달리 지적되지 않는 한 다음 용어들은 아래에 규정된 바와 같이 사용된다.The following terms are used as defined below unless explicitly indicated otherwise by context or context.

발명의 상세한 설명과 첨부된 청구항들에 사용된 바와 같은 단수형 "a," "an" 및 "the"는 문맥이 명확히 달리 지시하지 않는 한 복수형도 포함하고자 의도한 것이다.As used in the description of the invention and the appended claims, the singular forms “a,” “an,” and “the” are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise.

또한 이 명세서에 사용된 바와 같은 " 및/또는(and/or)"는 연계되어 열거된 항목들 중의 하나 이상의 가능한 모든 조합들과 함께, 대체("또는(or)")로 해석될 때는 조합들의 결여(lack)를 지칭 및 포괄한다.Also, as used herein, "and / or" is used in conjunction with all possible combinations of one or more of the listed items in association, when interpreted as a substitute ("or (or)") of the combinations. Refers to and encompasses the lack.

이 명세서에 사용된 바와 같은 "검정(calibration)"이라는 용어는 로봇 아암의 더 정확한 운동학적 파라미터들을 식별하는 과정을 지칭한다(예를 들어 로봇 아암의 링크와 관절들의 상대적 위치 및 방향 등).The term "calibration" as used herein refers to the process of identifying more accurate kinematic parameters of the robot arm (eg, relative position and orientation of the links and joints of the robot arm).

이 명세서에 사용된 바와 같은 "기계식 디지타이저(mechanical digitizer)"라는 용어는 3차원 공간에서 물리적 좌표를 측정할 수 있는 측정 장치를 지칭한다. "기계식 디지타이저"는 미국특허 제6,033,415호에 기재된 고해상도 전기-기계식 센서 등과 같이 수동적(passive) 링크 및 관절들로 구성되는 기계식 디지타이저를 지칭한다.The term "mechanical digitizer" as used herein refers to a measuring device capable of measuring physical coordinates in three-dimensional space. "Mechanical digitizer" refers to a mechanical digitizer consisting of passive links and joints, such as the high resolution electro-mechanical sensors described in US Pat. No. 6,033,415.

도 1a에 도시 및 전술한 바와 같이, "엔드 이펙터(end-effector)"(180)는 엔드 이펙터 플랜지(170)에 부착되는 툴(tool)로 도시되어 있다. 그러나 이하에서는 "엔드 이펙터"는 광의로 로봇 아암의 원격 링크의 원격단(distal end)을 지칭한다. 이러한 정의 하에서 "엔드 이펙터"는 이제: a) 엔드 이펙터 플랜지; b) 엔드 이펙터 플랜지에 부착되는 툴; 및/또는 c) 거기에 부착되는 툴이 있건 없건 엔드 이펙터에 부착되는 기기/기구/커플러(coupler)를 지칭한다.As shown in FIG. 1A and described above, the "end-effector" 180 is shown as a tool attached to the end effector flange 170. However, hereinafter "end effector" broadly refers to the remote end of the remote link of the robot arm. Under this definition, an "end effector" is now: a) an end effector flange; b) a tool attached to the end effector flange; And / or c) a device / apparatus / coupler attached to the end effector with or without a tool attached thereto.

이제 본 발명의 특정한 실시예가 도시된 도면들을 참조하면, 도 3에서, 로봇 아암(150)을 검정하는 방법은 일반적으로: (a) 로봇 아암(150)의 엔드 이펙터(180)에 기계식 디지타이저 아암을 자기적으로 결합하는 단계(블록 S110)와; (b) 로봇 아암(150)을 복수의 검정 위치들로 조작하는 단계(블록 S120)와; 각 검정 위치에서 로봇 아암(150)의 관절 값(joint value)들을 기록하는 단계(블록 S130)와; (d) 기계식 디지타이저(120)로 각 검정 위치에서의 공간 위치를 측정하는 단계(블록 S140)와; (e) 각 검정 위치에서 기록 및 측정된 관절 값들의 세트와 공간 위치를 사용하는 검정 알고리즘(calibration algorithm)으로 로봇 아암(150)의 운동학적 파라미터들의 세트를 식별하는 단계(블록 S150)와; 그리고 (f) 로봇 운동학적 파라미터들의 세트를 적용(implement)하여 로봇 아암(150)의 검정을 완료하는 단계(블록 S160)들을 포함한다. 시스템 및 방법들의 구체적인 실시예들은 이하에 더 설명될 것이다.Referring now to the drawings in which a particular embodiment of the present invention is shown, in FIG. 3, a method of calibrating robot arm 150 generally comprises: (a) applying a mechanical digitizer arm to an end effector 180 of robot arm 150. Magnetically coupling (block S110); (b) manipulating the robot arm 150 into a plurality of assay positions (block S120); Recording joint values of the robot arm 150 at each assay position (block S130); (d) measuring the spatial position at each calibration position with a mechanical digitizer 120 (block S140); (e) identifying a set of kinematic parameters of the robot arm 150 with a calibration algorithm using a spatial position and a set of joint values recorded and measured at each test position (block S150); And (f) implementing the set of robot kinematic parameters to complete the verification of the robot arm 150 (block S160). Specific embodiments of the system and methods will be described further below.

한 특정한 실시예에서, 도 5a-8c에 도시되고 이하에 상세히 설명될 검정 장치(calibration apparatus; 405, 405', 405")는 기계식 디지타이저(120)를 로봇 아암(150)의 엔드 이펙터 플랜지(170)에 자기적으로 결합한다. 이 검정 장치(405, 405', 405")는 로봇 아암(150)이 각 검정 위치로 조작되는 동안 디지타이저(120)와 로봇 아암(150)의 연결이 단절(break)되지 않고 디지타이저(120)가 3 자유도(three-degrees-of-freedom)로 회전하도록 보장한다. 검정 장치(405, 405', 405")는 또한 검정 과정의 측정 및/또는 기록 단계 동안 로봇 아암(150)과 디지타이저(120) 양자의 측정의 공유점(shared point)을 제공하는 구성요소들을 더 포함한다.In one particular embodiment, a calibration apparatus 405, 405 ′, 405 ″ shown in FIGS. 5A-8C and described in detail below includes a mechanical digitizer 120 for end effector flange 170 of robot arm 150. Magnetically. The assay device 405, 405 ', 405 "breaks the connection between the digitizer 120 and the robot arm 150 while the robot arm 150 is operated in each assay position. And digitizer 120 rotates in three-degrees-of-freedom. The calibration apparatus 405, 405 ′, 405 ″ also further provides components that provide a shared point of measurement of both the robot arm 150 and the digitizer 120 during the measurement and / or recording phase of the calibration process. Include.

도 4에서, 경로 방정식(path equation; 300)은 단계 S120에 따라 로봇 아암(150)에 대한 각 검정 위치를 산출한다. 더 구체적으로, 경로 방정식(300)은 엔드 이펙터 플랜지(170)에 대한 복수의 검정 위치들을 규정하는 관절 명령(joint command)들의 복수의 세트들을 결정한다(도 5a-5b). 예를 들어, 이 방정식은 엔드 이펙터가 특정 검정 위치에 위치 설정되도록 제1 관절이 15도 회전하도록 명령하고 제2 관절이 80도 회전하도록 명령하며, 및 제3 관절이 20cm 병진(translate)하도록 명령하는 관절 명령들의 제1 세트를 산출할 수 있다. 도 4는 직교좌표(Cartesian coordinate)를 기준하고 있지만, 위치들은 구 또는 원통좌표로도 쉽게 결정될 수 있음을 이해해야 할 것이다. 관절 명령들의 각 세트는 한 검정 위치를 규정하는데, 여기서 로봇 아암(150)은 측정이 기록되는 동안 일시정지(pause)할 것이다. 한 특정한 실시예에서, 경로 방정식(300)은 로봇 아암(150)을 기계식 디지타이저(120)로부터 분리하지 않은 상태로 관절 값들의 가장 넓은 범위에 걸치는 관절 명령들의 세트들을 산출한다. 한 특정한 실시예에서, 로봇(100)의 검정에 50개 이상의 검정 위치들이 산출된다. 그러나 50개보다 적은 검정 위치들이 산출되어 원하는 검정 정확도를 얻을 수도 있음을 이해해야 할 것이다. 물리적 공간에서 검정 위치들의 어느 것으로의 이동은 완전 자동이지만, 반자동 또는 수동 이동 역시 이 방법의 적용에 기반하여 사용될 수 있음을 이해해야 할 것이다.In FIG. 4, the path equation 300 calculates each test position for the robot arm 150 in accordance with step S120. More specifically, path equation 300 determines a plurality of sets of joint commands that define a plurality of test locations for the end effector flange 170 (FIGS. 5A-5B). For example, this equation commands the first joint to rotate 15 degrees, the second joint to rotate 80 degrees, and the third joint to translate 20 cm so that the end effector is positioned at a particular test position. Produce a first set of joint instructions. Although FIG. 4 is based on Cartesian coordinates, it will be appreciated that the positions can be easily determined in spherical or cylindrical coordinates. Each set of articulation commands defines one test position, where the robot arm 150 will pause while the measurement is being recorded. In one particular embodiment, path equation 300 yields sets of joint instructions that span the widest range of joint values without separating robot arm 150 from mechanical digitizer 120. In one particular embodiment, more than 50 assay positions are calculated for the assay of the robot 100. However, it will be appreciated that fewer than 50 test locations may be calculated to achieve the desired test accuracy. It will be appreciated that the movement of any of the test positions in the physical space is fully automatic, but semi-automatic or manual movement can also be used based on the application of this method.

한 특정한 실시예에서, 기계식 디지타이저(120)는 각 검정 위치에서의 엔드 이펙터(180)의 공간 좌표 위치(예를 들어 x, y, z)를 측정 및 기록한다. 더 구체적인 실시예에서, 기계식 디지타이저(120)는 기계식 디지타이저(120) 좌표계에 대한 각 검정 위치에서의 엔드 이펙터(180)와 기계식 디지타이저(120) 간의 공유점의 공간 좌표 위치(예를 들어 x, y, z)를 측정 및 기록한다. 공유점의 위치에 대해서는 검정 장치(405, 405', 405")의 특정한 구조를 참조하여 이하에 더 설명될 것이다. 기계식 디지타이저(120)가 공간 좌표 위치를 측정 및 기록함과 거의 동시에, 연산 시스템(computing system; 160)은 각 관절 엔코더(joint encoder)를 통해 로봇 아암(150) 좌표계에 대한 각 로봇 관절(150)의 관절 값(joint value)들을 기록한다. 기록된 공간 위치와 해당 관절 값들은 각 검정 위치에 대해 저장된다. 각 검정 위치에서 기록 및 측정된 관절 값들의 세트와 공간 위치는 데이터베이스 또는 다른 로그 파일(log file)에 저장되어 모든 검정 위치들에서 기록 및 측정된 공간 위치와 해당 관절 값들의 모든 세트들이 정리된다(consolidate). 한 특정한 실시예에서, 기록된 관절 값들 및 공간 위치들은 로봇 검정 관리자 소프트웨어 모듈(robot calibration manager software module; 310)에 전송 및 저장된다.In one particular embodiment, the mechanical digitizer 120 measures and records the spatial coordinate positions (eg, x, y, z) of the end effector 180 at each calibration position. In a more specific embodiment, the mechanical digitizer 120 is a spatial coordinate position (eg, x, y) of the shared point between the end effector 180 and the mechanical digitizer 120 at each test position relative to the mechanical digitizer 120 coordinate system. , z) are measured and recorded. The location of the shared point will be further described below with reference to the specific structure of the calibration device 405, 405 ', 405 ". Almost simultaneously with the mechanical digitizer 120 measuring and recording the spatial coordinate position, computing system 160 records the joint values of each robotic joint 150 relative to the robot arm 150 coordinate system via each joint encoder. The set of spatial values and the joint positions recorded and measured at each test position are stored in a database or other log file to record and measure the spatial position and corresponding joint values at all test positions. All the sets of parts are consolidated In one particular embodiment, the recorded joint values and spatial positions are robot calibration manager software module; 10) are sent and stored.

연산 시스템(160)에 의해 기록된 관절 값들의 세트와 디지타이저(120)에 의해 측정된 공간 위치들은 이어서 (예를 들어 데이터베이스 또는 로그 파일의 적어도 일부를 전송하는 등) 알고리즘(320)으로 전송되어 로봇 아암(150)에 대한 새로운 운동학적 파라미터들이 결정된다. 이 알고리즘(320)은 또한 디지타이저(120)의 좌표계와 로봇 아암(150)의 좌표계 간의 좌표 변환을 결정할 수 있다. 알고리즘(320)은 선형 최소자승법(linear least-square) 파라미터 추산, 최적화(optimization), 또는 칼만 여과기법(Kalman Filtering)에 기반할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 좌표 변환은 디지타이저(120)를 로봇 아암(150)의 운동학적 연쇄(kinematic chain)(즉 복수의 링크(link)들) 내의 추가적 링크(extra link)로 모델링함으로써 결정될 수 있다. 이어서 새로운 운동학적 파라미터들 및/또는 좌표 변환이 로봇 컴퓨터(150)로 전송되어 로봇 아암(150)의 검정을 완료한다(도 3의 블록 S160). 디지타이저(120)의 좌표계와 로봇 아암(150)의 좌표계 간의 좌표 변환은 디지타이저가 수술중(intra-operatively) 뼈 위의 점들을 수집하여 뼈와 뼈의 화상과 및/또는 수술 계획을 로봇 아암(150)에 정확히 등록할 수 있게 해준다. 일단 등록되면, 로봇 아암은 뼈에 수술 절차를 정확히 수행할 수 있다.The set of joint values recorded by the computing system 160 and the spatial locations measured by the digitizer 120 are then sent to the algorithm 320 (eg, to transmit at least a portion of a database or log file, etc.) to the robot. New kinematic parameters for arm 150 are determined. The algorithm 320 may also determine coordinate transformation between the coordinate system of the digitizer 120 and the coordinate system of the robot arm 150. Algorithm 320 may be based on, but is not limited to, linear least-square parameter estimation, optimization, or Kalman Filtering. The coordinate transformation can be determined by modeling the digitizer 120 as an extra link in the kinematic chain (ie, a plurality of links) of the robotic arm 150. New kinematic parameters and / or coordinate transformations are then sent to the robotic computer 150 to complete the testing of the robotic arm 150 (block S160 in FIG. 3). Coordinate transformation between the coordinate system of the digitizer 120 and the coordinate system of the robot arm 150 allows the digitizer to collect points on the bone intra-operatively to produce bone and bone images and / or surgical plans for the robot arm 150. To register correctly. Once registered, the robot arm can correctly perform the surgical procedure on the bone.

검정 장치(calibration Apparatus)Calibration Apparatus

도 5a 및 5b에는, 검정 장치(405)로 검정되는 로봇 시스템(100)의 예가 도시되어 있는데, 유사한 참조 번호들은 거기에 해당하는 전술한 의미들을 가진다. 검정 과정 동안 검정 장치(405)는 기계식 디지타이저(120)를 엔드 이펙터(180)에 결합하여 검정 과정의 측정 단계를 촉진한다.5A and 5B, an example of a robotic system 100 that is calibrated with an assay device 405 is shown, wherein like reference numerals have the foregoing meanings corresponding thereto. During the assay process, the assay device 405 couples the mechanical digitizer 120 to the end effector 180 to facilitate the measurement step of the assay process.

도 6a에는 검정 장치(405)의 상세도가 도시되어 있다. 이 검정 장치(405)는 자기 커플러(magnetic coupler; 500)와 기계식 디지타이저 프루브(probe)(510)를 포함한다. 기계식 디지타이저 프루브(510)는 볼(ball; 520)과 핸들(530)을 포함한다. 볼(520)은 자기 커플러(500)에 분리 가능하게(removably) 결합되어 회전 가능한 볼 및 소켓 연결(ball and socket connection)을 형성하도록 구성된다. 볼(520)은 강철, 철, 또는 알루미늄과 함께 당업계에 알려진 다른 재질 등의 강자성(ferromagnetic) 또는 상자성(paramagnetic) 특성의 재질로 구성될 수 있다. 핸들(530)은 기계식 디지타이저(120)의 원격(distal) 링크에 부착되도록 구성된다. 한 구체적인 실시예에서, 핸들(530)은 핸들(530)을 기계식 디지타이저(120)의 원격 링크에 부착하는 체결 부재(fastening element)를 가지는 원격단(proximal end; P)을 포함한다. 체결 부재는 나사산(screw thread), 클램프(clamp), 바인더(binder), 클래스프(clasp), 걸쇠(latch), 커플링(coupling), 또는 고리(hook)를 포함할 수 있다. 한 특정한 실시예에서 핸들(530)과 볼(520)이 공지의 제조 기법을 통해 단일한 한 덩어리의(monolithic) 구조로 제공되는 반면, 다른 실시예들에서는 핸들(530)과 볼(520)이 나사결합, 납땜, 클램핑, 결속(binding), 또는 고리걸기(hooking) 등 하나 이상의 체결 부재에 의해 분리 가능하게 조립되는 둘 이상의 분리된 부품들로 구성된다.6A shows a detailed view of the assay device 405. This calibration device 405 includes a magnetic coupler 500 and a mechanical digitizer probe 510. The mechanical digitizer probe 510 includes a ball 520 and a handle 530. The ball 520 is configured to be removably coupled to the magnetic coupler 500 to form a rotatable ball and socket connection. The ball 520 may be made of a ferromagnetic or paramagnetic material such as steel, iron, or aluminum together with other materials known in the art. Handle 530 is configured to attach to a remote link of mechanical digitizer 120. In one specific embodiment, the handle 530 includes a proximal end P having a fastening element that attaches the handle 530 to a remote link of the mechanical digitizer 120. The fastening member may comprise a screw thread, a clamp, a binder, a clasp, a latch, a coupling, or a hook. In one particular embodiment, the handles 530 and balls 520 are provided in a single monolithic structure through known manufacturing techniques, while in other embodiments the handles 530 and balls 520 are provided. It consists of two or more separate parts that are detachably assembled by one or more fastening members such as screwing, soldering, clamping, binding, or hooking.

도 6b-6d에는 자기 커플러(500)가 더 상세히 도시되어 있다. 한 특정한 실시예에서, 자기 커플러(500)는 몸체(540)와, 자기 부(magnetic portion; 570)를 가지는 수용 면(receiving face; 550)과, 및 장착 부재(560)를 포함한다. 자기 부(570)는 볼(520)의 일부를 수용 면(550)으로 끌어당기도록 구성된다. 한 구체적인 실시예에서, 자기 부(570)는 자석의 적어도 일부가 수용 면(550) 상에 노출되도록 몸체(540)의 내부 부분에 위치하는 자석으로 구성된다. 볼(520)과 자기 부(570) 간의 자력은 기계식 디지타이저 프루브(510)가 자기 커플러(500)에 결합된 채로 (예를 들어 피치(pitch), 롤(roll), 및 요우(yaw) 등의) 3 자유도 회전으로 운동하도록 해준다. 자기 커플러(500)의 사용은 기계식 디지타이저(120)를 로봇 아암(150)에서 분리할 필요 없이 기계식 디지타이저(120)와 로봇 아암(150)이 동시에 작동할 수 있게 해주므로 특히 유용하다. 또한, 기계식 디지타이저(120)와 로봇 아암(150)의 동시 운동은 기계식 디지타이저(120)의 좌표계와 로봇 아암(150)의 좌표계 간의 좌표 변환이 검정이 진행되는 동안 결정될 수 있게 해준다.6B-6D show magnetic coupler 500 in more detail. In one particular embodiment, magnetic coupler 500 includes a body 540, a receiving face 550 having a magnetic portion 570, and a mounting member 560. The magnetic portion 570 is configured to attract a portion of the ball 520 to the receiving surface 550. In one specific embodiment, the magnetic portion 570 is comprised of a magnet located in an interior portion of the body 540 such that at least a portion of the magnet is exposed on the receiving surface 550. The magnetic force between the ball 520 and the magnetic portion 570 is such that the mechanical digitizer probe 510 is coupled to the magnetic coupler 500 (e.g., pitch, roll, yaw, etc.). ) Allows movement with 3 degrees of freedom rotation The use of the magnetic coupler 500 is particularly useful because it allows the mechanical digitizer 120 and the robot arm 150 to operate simultaneously without having to remove the mechanical digitizer 120 from the robot arm 150. In addition, the simultaneous movement of the mechanical digitizer 120 and the robot arm 150 allows the coordinate transformation between the coordinate system of the mechanical digitizer 120 and the coordinate system of the robot arm 150 to be determined during the test.

장착 부재(560)는 자기 커플러(500)를 로봇 아암(150)에 연결한다. 한 특정한 실시예에서, 장착 부재(560)는 로봇 아암(150)의 엔드 이펙터(180)에 부착된다. 장착 부재(560)는 장착 부재(56)를 로봇 아암(150)에 부착하여 이와 견고한 관계를 유지하는 나사산을 가지는 축(shaft)과, 클램핑 기구, 또는 그 등가물을 가질 수 있다. 도 6c에 도시된 한 구체적인 실시예에서, 장착 부재(560)는 엔드 이펙터(180)의 복수의 돌기(projection)들을 수용하여 자기 커플러(500)를 엔드 이펙터(180) 상의 특정한 방향으로 정렬시키도록 구성된 복수의 인입홈(intrusion; 580)들을 더 구비할 수 있다.The mounting member 560 connects the magnetic coupler 500 to the robot arm 150. In one particular embodiment, the mounting member 560 is attached to the end effector 180 of the robot arm 150. The mounting member 560 may have a shaft with a thread that attaches the mounting member 56 to the robot arm 150 and maintains a rigid relationship therewith, a clamping mechanism, or an equivalent thereof. In one specific embodiment shown in FIG. 6C, the mounting member 560 receives a plurality of projections of the end effector 180 to align the magnetic coupler 500 in a particular direction on the end effector 180. It may further include a plurality of intrusion groove (580) configured.

도 7a-7c에는, 자기 커플러(500')의 다른 실시예가 도시되어 있다. 자기 커플러(500')는 수용 면(550)으로부터 연장되는 복수의 지지 부재(600)들을 포함한다. 한 특정한 실시예에서, 세 지지 부재(600a, 600b, 600c)들이 수용 면(550)으로부터 원 형태로 돌출하여 그 중심에 자기 부(570)가 위치하는 수용 포켓(receiving pocket)을 형성한다. 세 지지 부재(600)들은 볼(520)이 자기 부(570) 둘레로 회전할 때 정확히 세 점들이 구형의 볼(520)을 포착하여 안정시키므로 유용하다. 지지 부재(600)들은 원하는 응용 분야에 대한 어떤 형상 및 크기를 가질 수 있다. 지지 부재(600a, 600b, 600c)들은 또한 볼(520)을 포착하도록 내부의 각진(angled) 면을 더 포함할 수 있다. 한 특정한 실시예에서, 지지 부재(600a, 600b, 600c)들의 형상은 도 7b에 도시된 바와 같은데, 이 특정한 형상은 자기 부(570)의 중심으로부터 최소 양의 편이로 볼(520)이 회전할 수 있게 해준다.7A-7C, another embodiment of a magnetic coupler 500 'is shown. The magnetic coupler 500 'includes a plurality of support members 600 extending from the receiving surface 550. In one particular embodiment, the three support members 600a, 600b, 600c protrude in a circle from the receiving surface 550 to form a receiving pocket in which the magnetic portion 570 is located at the center thereof. The three support members 600 are useful because exactly three points capture and stabilize the spherical ball 520 when the ball 520 rotates around the magnetic portion 570. The support members 600 can have any shape and size for the desired application. The support members 600a, 600b, 600c may also include an angled surface therein to capture the ball 520. In one particular embodiment, the shape of the support members 600a, 600b, 600c is as shown in FIG. 7B, in which the ball 520 will rotate with a minimum amount of deviation from the center of the magnetic portion 570. To make it possible.

도 8a-8c에는, 자기 커플러(500")의 다른 실시예가 도시되어 있다. 자기 커플러(500")는 수용 면(550)으로부터 돌출되는 복수의 지지 부재(700)들과 몸체(540) 내에 위치한 적어도 하나의 회전 베어링(710)을 포함한다. 도 8c는 자기 커플러(500")를 분해도로 도시하는데, 여기서 회전 베어링(710)은 자기 커플러(500")의 중심축(A) 둘레의 수용 면(550)의 회전을 허용하도록 구성된다. 한 특정한 실시예에서, 각 지지 부재(700)는 베어링/휠(bearing/wheel; 720)에 대한 프레임으로 작용하는 한 쌍의 레그(leg; L)들을 포함한다. 베어링/휠(720)은 이 한 쌍의 레그(L)들 사이에 위치하여 핀/축(pin/axel; 730)을 통해 거기에 조립된다. 베어링/휠(720)은 베어링/휠(720)이 볼(520)과 수용 면(550) 간의 마찰을 감소시키고 이에 따라 검정 장치(405")의 수명(longevity)을 증가시키므로 특히 유용하다.8A-8C, another embodiment of a magnetic coupler 500 ″ is shown. The magnetic coupler 500 ″ is located within the body 540 and the plurality of support members 700 protruding from the receiving surface 550. At least one rotary bearing 710. 8C shows an exploded view of the magnetic coupler 500 ″, where the rotary bearing 710 is configured to allow rotation of the receiving surface 550 around the central axis A of the magnetic coupler 500 ″. In one particular embodiment, each support member 700 includes a pair of legs L that act as a frame for a bearing / wheel 720. The bearing / wheel 720 is located between these pairs of legs L and assembled there through a pin / axel 730. The bearing / wheel 720 is particularly useful because the bearing / wheel 720 reduces the friction between the ball 520 and the receiving surface 550 and thus increases the longevity of the assay device 405 ".

검정 장치(405, 405', 405")는 기계식 디지타이저(120)를 로봇 아암(150)에 결합하여 검정 과정의 측정 및 기록 단계(202, S130, S140) 동안 사용된다. 한 특정한 실시예에서, 측정 단계 동안 디지타이저(120)가 엔드 이펙터(180)의 공간 위치를 볼(520)의 중심으로 측정하는데, 이는 전술한 로봇 아암(150)과 디지타이저(120) 간의 공유점(shared point)으로 간주된다. 공유점은 기계식 디지타이저(120)와 로봇 아암(150)이 각 검정 위치의 공간 상의 동일한 점을 기준으로 측정 및 기록되도록 보장한다.Assay devices 405, 405 ′, and 405 ″ are used during the measurement and recording steps 202, S130, and S140 of the calibration process by coupling a mechanical digitizer 120 to the robot arm 150. In one particular embodiment, During the measurement phase, the digitizer 120 measures the spatial position of the end effector 180 with the center of the ball 520, which is considered a shared point between the robot arm 150 and the digitizer 120 described above. The common point ensures that the mechanical digitizer 120 and the robot arm 150 are measured and recorded based on the same point in space of each calibration position.

본 발명 검정 장치(405, 405', 405")의 사용에 의해, 로봇 시스템은 5분 미만의 시간에, 특정한 경우들에 로봇 아암의 운동 속도와 원하는 정확도에 필요한 데이터 점(즉 검정 위치들)의 수에 따라 30초 내지 10분의 시간 내에 0.1 ± 0.1 mm의 공차로 용이하게 검정된다. 이는 본 발명 검정 장치(405, 405', 405")가 없는 도 1a 및 1b의 시스템에서 동일한 공차로의 검정에 약 4시간 소요되던 것과 대조된다. 검정의 더 큰 속도의 결과, 연이은(consecutive) 수술 절차들 사이와 수술 중의 완전한 재검정(recalibration)이 이제 가능해짐으로써 더 높은 정도의 수술 정확도가 보장된다. 수술 정확도는 더 빠른 수술 회복과 더 긴 임플란트 수명에 관련되는 것으로 알려져 있으므로, 의료 시스템의 순 절감(net saving)과 더 양호한 환자 결과들이 본 발명의 사용에 의해 달성된다.By the use of the inventive calibration apparatus 405, 405 ', 405 ", the robotic system can, in less than 5 minutes, in certain cases the data points required for the movement speed of the robot arm and the desired accuracy (i.e., calibration positions). It is easily calibrated with a tolerance of 0.1 ± 0.1 mm within a time of 30 seconds to 10 minutes depending on the number of. This is the same tolerance in the system of FIGS. Contrast that took about 4 hours to test. As a result of the greater speed of the assay, complete recalibration between successive surgical procedures and during surgery is now possible to ensure a higher degree of surgical accuracy. Since surgical accuracy is known to be related to faster surgical recovery and longer implant life, net savings in medical systems and better patient results are achieved by the use of the present invention.

뼈 움직임 감시기 진단(Bone Motion Monitor Diagnostics)Bone Motion Monitor Diagnostics

도 9a-9c에서, 진단 검정 장치(600)가 도시되어 뼈 움직임 감시기(145)에 대한 진단을 수행한다. 뼈 움직임 감시기(145)(bone motion monitor; (BMM)는 3 이상의 자유도를 포함하여 수술 과정 동안 거기에 부착된 뼈의 움직임을 감시 및 검출한다. BMM(145)은 일반적으로 뼈의 회전 운동을 검출하는 회전 관절(revolute joint), 엔코더, 및 다른 전기 구성요소들을 내부에 가지는 하우징(147)과, 및 뼈에 부착되어 선형 운동을 검출하는 원격단을 가지는 각주(prismatic) 관절/링크(149)를 포함한다. BMM(145)은 수술 동안 뼈가 움직이면 이 운동이 뼈 절단부들을 이동(shift)시킬 것이므로 시스템에 매우 중요한 구성요소이다. 이에 따라 BMM(145)은 등록 이후의 어떤 움직임을 검출하여 뼈가 움직인 경우에 절단을 '정지(freeze)'시키고 수술 팀에게 등록을 복구(recover)하도록 경고한다.9A-9C, diagnostic assay device 600 is shown to perform diagnostics on bone motion monitor 145. A bone motion monitor (BMM) monitors and detects the movement of bone attached thereto during the surgical procedure, including at least three degrees of freedom BMM 145 generally detects rotational movement of the bone A prismatic joint / link 149 having a housing 147 therein with a revolute joint, encoder, and other electrical components, and a remote end attached to the bone to detect linear motion. The BMM 145 is a very important component of the system because this movement will shift the bone cuts if the bone moves during surgery, so that the BMM 145 detects any movement after registration to allow the bone to move. If moved, 'freeze' the cut and warn the surgical team to recover registration.

BMM(145)가 정확히 작동하고 지정된 파라미터들 이내가 되도록, BMM(145)에 대해 진단이 수행된다. 종래에 BMM(145)에 대한 진단은 기준 판(reference plate)과 유사한 방법을 사용하여 이루어졌다. BMM(145)에 부착된 프루브가 '기준 판' 상의 특정한 점(divot)들 상으로 안내되는데, 이 점들은 알려진 거리와 방향으로 이격되어 있다. BMM은 이 특정한 점(point)들의 각각에서의 프루브의 위치를 기록하는데, 기록된 점들 간의 거리와 방향이 '기준 판' 상의 점들 간의 실제 거리와 방향에 소정의 정확도 이내로 부합되어야 한다. 이는 매우 시간 소모적인 과정이다.Diagnostics are performed on the BMM 145 so that the BMM 145 operates correctly and is within specified parameters. The diagnosis for the BMM 145 has conventionally been made using a method similar to a reference plate. Probes attached to the BMM 145 are guided onto specific dots on the 'reference plate', which are spaced apart by known distances and directions. The BMM records the position of the probe at each of these specific points, where the distance and direction between the recorded points must match within a certain accuracy to the actual distance and direction between the points on the 'reference plate'. This is a very time consuming process.

BMM(145) 진단을 개선하기 위해, 진단 검정 장치(600)가 사용된다. 이 진단 검정 장치(600)는 BMM(145)의 원격단, 더 구체적으로는 링크(149)의 원격단에 대한 부착물인데, 자기 커플러(500, 500', 500")에 대한 BMM의 자기 부착을 보조(facilitate)한다. 진단 검정 장치(600)는 철계(ferrous) 금속으로 구성되어 자기 커플러(500, 500', 500")에 자기적으로 결합된다. 일반적으로, 진단 검정 장치(600)는 제1 부분(602)과 제2 부분(604)을 포함한다. 제1 부분(602)은 (예를 들어 링크(149)의 원격단 등의) BMM(145)의 원격단에 조립되고 제2 부분(604)은 자기 커플러(500, 500', 500")에 자기적으로 결합된다. 일부 실시예들에서, 제1 부분(602)은 이를 관통하는 사각형 구멍(606)을 가지는 원통형의 형태인데, 이 사각형 구멍(606)은 BMM(145)의 원격단에 연결되는 숫(male) 사각형 부재와 맞물린다. 제2 부분(604)은 이를 관통하는 원통형 구멍(608)을 가지는 돔(dome)의 형태이다. 사각형 구멍(606)과 원통형 구멍(608)은 BMM 프루브(도시 안 됨)가 이들을 관통하여 BMM(145)에 조립되도록 허용한다. 이 BMM 프루브는 BMM(145)가 뼈의 움직임을 감수할 수 있도록 뼈 상에 직접 고정된 장치이다. 이에 따라 진단 검정 장치(600)는 진단 이후에 분리될 필요가 없다.To improve the BMM 145 diagnosis, a diagnostic assay device 600 is used. This diagnostic assay device 600 is an attachment to the remote end of the BMM 145, more specifically to the remote end of the link 149, which provides for the magnetic attachment of the BMM to the magnetic couplers 500, 500 ′, 500 ″. Facilitate The diagnostic assay device 600 is made of ferrous metal and magnetically coupled to the magnetic couplers 500, 500 ′, 500 ″. In general, diagnostic assay device 600 includes a first portion 602 and a second portion 604. The first portion 602 is assembled at the remote end of the BMM 145 (eg, at the remote end of the link 149) and the second portion 604 is connected to the magnetic coupler 500, 500 ′, 500 ″. Magnetically coupled In some embodiments, the first portion 602 is in the form of a cylinder having a rectangular hole 606 penetrating it, which square hole 606 connects to the remote end of the BMM 145. The second portion 604 is in the form of a dome having a cylindrical hole 608 therethrough, the rectangular hole 606 and the cylindrical hole 608 is a BMM probe. Allow (not shown) to pass through them and assemble to the BMM 145. This BMM probe is a device fixed directly on the bone so that the BMM 145 can withstand the movement of the bone. 600 does not need to be separated after diagnosis.

실제 진단 과정은 다음과 같다. 먼저, 진단 검정 장치(600)를 BMM(145)의 원격단에 조립한다(BMM 프루브가 장치(600)를 통해 여전히 BMM(145)에 부착될 수 있으므로 장치(600)는 영구적인 고정물이 될 수도 있다). 다음, 거기에 장착된 자기 커플러(500, 500', 500")를 가지는 엔드 이펙터(180)가 BMM 근처의 알려진 위치 및 방향으로 자동으로 이동된다. 그러면 사용자는 알려진 높이 및 각도로 BMM(145)이 이동하도록 지시한다(이 높이는 베이스(147)를 로봇 베이스(140)에 조립된 선형 레일 가이드(linear rail guide)를 따라 수동으로 미끄럼 이동(sliding)시킨 뒤 그 위치에 체결함으로써 조정될 수 있다). 그 다음, 사용자는 검정 장치(600)를 자기 커플러(500, 500', 500")에 자기적으로 결합하도록 지시한다. 그러면 로봇 아암(150)이 BMM(145)을 복수의 다른 위치 및 방향들로 자동으로 이동시킨다. 한 특정한 실시예에서, BMM은 6개 이상의 위치 및 방향들로 이동된다. 각 위치 및 방향에서의 점들이 수집되어 기댓값(expected value)들과 비교된다. 진단이 통과되면, 사용자는 BMM(145)을 자기 커플러(500, 500', 500")로부터 분리하도록 지시하고 수술(procedure)이 계속된다. 이 진단 과정(procedure)은 최소의 하드웨어가 요구되고 진단이 1 내지 5분 사이에 완료될 수 있어 특히 유용하다.The actual diagnosis process is as follows. First, the diagnostic assay device 600 is assembled at the remote end of the BMM 145 (the device 600 may be a permanent fixture since the BMM probe may still be attached to the BMM 145 via the device 600). have). Next, the end effector 180 with the magnetic couplers 500, 500 ', 500 "mounted thereon is automatically moved to a known position and direction near the BMM. The user then moves the BMM 145 at a known height and angle. It is instructed to move (this height can be adjusted by manually sliding the base 147 along a linear rail guide assembled to the robot base 140 and then engaging it in position). The user then instructs the assay device 600 to magnetically couple to the magnetic couplers 500, 500 ′, 500 ″. The robot arm 150 then automatically moves the BMM 145 to a plurality of different positions and directions. In one particular embodiment, the BMM is moved in six or more positions and directions. Points at each position and direction are collected and compared with the expected values. If the diagnosis passes, the user instructs the BMM 145 to be disconnected from the magnetic coupler 500, 500 ', 500 "and the procedure continues. This procedure requires minimal hardware and diagnostics. This can be done in 1 to 5 minutes, which is particularly useful.

다른 실시예들(Other Embodiments)Other embodiments

이상의 상세한 설명에서 적어도 하나의 예시적 실시예가 제공되었지만, 아주 많은 변형예들이 존재함을 이해해야 할 것이다. 또한 이 예시적 실시예 또는 예시적 실시예들은 단지 예들이며, 설명된 실시예들의 범위, 적용 가능성, 또는 구성을 어떤 방식으로건 한정하고자 의도한 것이 아님도 이해해야 할 것이다. 오히려 전술한 상세한 설명은 당업계에 통상의 기술을 가진 자에게 예시적 실시예 또는 예시적 실시예들을 구현할 편리한 지침을 제공할 것이다. 첨부된 청구항들과 그 법적 등가물들의 범위를 벗어나지 않고도 요소들의 기능과 구조들에 다양한 변경들이 이뤄질 수 있음을 이해해야 할 것이다.While at least one exemplary embodiment has been provided in the foregoing detailed description, it will be appreciated that a vast number of variations exist. It is also to be understood that these or embodiments are merely examples and are not intended to limit the scope, applicability, or configuration of the described embodiments in any way. Rather, the foregoing detailed description will provide those skilled in the art with convenient instructions for implementing the exemplary embodiment or exemplary embodiments. It should be understood that various changes may be made in the function and structure of elements without departing from the scope of the appended claims and their legal equivalents.

Claims (25)

로봇의 엔드 이펙터를 가지는 로봇 아암의 검정 장치로:
몸체와, 수용 면과, 장착 부재와, 및 자기 부를 가지는 자기 커플러로; 상기 장착 부재가 상기 로봇 아암의 상기 엔드 이펙터에 고정 연결되도록 구성되는 자기 커플러와; 그리고
볼과 핸들을 가지는 기계식 디지타이저 프루브로, 상기 볼이 상기 핸들의 원격단에 고정 부착되고 상기 볼이 상기 수용 면 상의 상기 자기 부를 통해 상기 자기 커플러에 분리 가능하게 부착되어 회전 가능한 볼 및 소켓 연결을 형성하며, 상기 핸들의 근접단이 상기 로봇에 연계된 기계식 디지타이저에 부착되도록 구성되는 기계식 디지타이저 프루브를 구비하는
로봇 아암의 검정 장치.
With the black arm of the robot arm with the end effector of the robot:
A magnetic coupler having a body, a receiving surface, a mounting member, and a magnetic portion; A magnetic coupler configured to fix the mounting member to the end effector of the robot arm; And
A mechanical digitizer probe having a ball and handle, wherein the ball is fixedly attached to the remote end of the handle and the ball is removably attached to the magnetic coupler through the magnetic portion on the receiving surface to form a rotatable ball and socket connection. And a mechanical digitizer probe configured to attach a proximal end of the handle to a mechanical digitizer associated with the robot.
Black device of the robot arm.
청구항 1에서,
상기 볼이 강자성 또는 상자성 특성을 가지는 재질로 구성되는 로봇 아암의 검정 장치.
In claim 1,
A device for testing the robot arm, wherein the ball is made of a material having ferromagnetic or paramagnetic characteristics.
청구항 2에서,
상기 재질이 강철, 철, 알루미늄, 및 이들의 어떤 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 로봇 아암의 검정 장치.
In claim 2,
The apparatus of claim 1, wherein the material is selected from the group consisting of steel, iron, aluminum, and any combination thereof.
청구항 1에서,
상기 핸들의 상기 근접단이 상기 기계식 디지타이저의 원격 링크 상에 부착되도록 구성된 나사 구멍, 외부 나사, 클램프, 결속, 고리 중의 적어도 하나를 더 구비하는 로봇 아암의 검정 장치.
In claim 1,
And at least one of a screw hole, an external screw, a clamp, a tie, and a hook configured to attach the proximal end of the handle to a remote link of the mechanical digitizer.
청구항 1 내지 4 중의 어느 한 항에서,
상기 기계식 디지타이저 프루브가 단일한 한 덩어리의 재질로 구성되는 로봇 아암의 검정 장치.
The method according to any one of claims 1 to 4,
And the mechanical digitizer probe consists of a single mass of material.
청구항 1 내지 4 중의 어느 한 항에서,
상기 기계식 디지타이저 프루브가 둘 이상의 별도의 부품으로 구성되어 나사결합, 클램핑, 결속, 및 고리걸기로 구성되는 그룹에서 선택된 공정으로 작동되는 체결 시스템에 의해 분리 가능하게 조립되는 로봇 아암의 검정 장치.
The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein said mechanical digitizer probe is comprised of two or more separate parts and detachably assembled by a fastening system operated in a process selected from the group consisting of screwing, clamping, engaging, and hooking.
청구항 1 내지 4 중의 어느 한 항에서,
상기 자기 부가 상기 몸체의 내부 부분에 위치하는 자석을 구비하고, 상기 자석의 적어도 일부가 상기 수용 면 상으로 노출되는 로봇 아암의 검정 장치.
The method according to any one of claims 1 to 4,
And a magnetic portion having a magnet located in an inner portion of the body, wherein at least a portion of the magnet is exposed on the receiving surface.
청구항 1 내지 4 중의 어느 한 항에서,
상기 볼과 상기 자기 부 간의 자력이, 상기 기계식 디지타이저 프루브가 상기 자기 커플러에 결합된 채 3 회전 자유도로 운동하는 것을 허용하는 로봇 아암의 검정 장치.
The method according to any one of claims 1 to 4,
The magnetic force between the ball and the magnetic portion permits the mechanical digitizer probe to move in three rotational degrees of freedom coupled to the magnetic coupler.
청구항 1 내지 4 중의 어느 한 항에서,
상기 장착 부재가 상기 엔드 이펙터 상의 특정한 방향으로 상기 자기 커플러를 정렬시키는 복수의 인입홈들을 구비하는 로봇 아암의 검정 장치.
The method according to any one of claims 1 to 4,
And the mounting member has a plurality of inlet grooves to align the magnetic coupler in a particular direction on the end effector.
청구항 1에서,
상기 자기 커플러가 상기 수용 면으로부터 연장되는 복수의 지지 부재들을 더 구비하는 로봇 아암의 검정 장치.
In claim 1,
And the magnetic coupler further comprises a plurality of support members extending from the receiving surface.
청구항 10에서,
상기 복수의 지지 부재들이 세 지지 부재들인 로봇 아암의 검정 장치.
In claim 10,
And the plurality of support members are three support members.
청구항 1에서,
상기 자기 커플러가 상기 수용 면으로부터 연장되는 복수의 지지 부재들과 상기 몸체 내에 위치하는 적어도 하나의 회전 베어링을 더 구비하고, 상기 적어도 하나의 회전 베어링이 상기 몸체에 대한 상기 자기 커플러의 중심축 둘레의 수용 면의 회전을 촉진하는 로봇 아암의 검정 장치.
In claim 1,
The magnetic coupler further comprises a plurality of support members extending from the receiving surface and at least one rotary bearing located within the body, the at least one rotary bearing being about a central axis of the magnetic coupler relative to the body. Assay device for robotic arms to promote rotation of the receiving surface.
청구항 12에서,
상기 복수의 지지 부재들 중의 적어도 하나의 지지 부재가 한 쌍의 레그들 사이에 위치하는 베어링에 대한 프레임으로 작용하는 상기 한 쌍의 레그들을 더 구비하고, 상기 각 베어링이 볼과 접촉하는 로봇 아암의 검정 장치.
In claim 12,
At least one support member of the plurality of support members further comprises the pair of legs acting as a frame for a bearing positioned between the pair of legs, each bearing of the robot arm in contact with the ball. Black device.
로봇의 로봇 아암의 검정 방법으로:
기계식 디지타이저 아암을 청구항 1의 장치로 로봇 아암의 엔드 이펙터에 자기적으로 결합하는 단계와;
상기 로봇 아암을 복수의 검정 위치로 조작하는 단계와;
상기 로봇 아암을 상기 각 검정 위치에서 일시 정지시키는 단계와;
상기 각 검정 위치에서의 상기 로봇 아암에 대한 관절 값들의 세트를 기록하는 단계와;
상기 기계식 디지타이저로 상기 각 검정 위치에서의 엔드 이펙터의 공간 위치를 측정하는 단계와;
상기 각 검정 위치에서 기록 및 측정된 관절 값들의 세트와 공간 위치를 사용하는 검정 알고리즘으로 상기 로봇 아암의 운동학적 파라미터들의 세트를 식별하는 단계와; 그리고
상기 운동학적 파라미터들의 세트를 적용하여 상기 로봇 아암의 검정을 완료하는 단계를
구비하는 로봇 아암의 검정 방법.
As the black method of the robot arm of the robot:
Magnetically coupling a mechanical digitizer arm to the end effector of the robotic arm with the apparatus of claim 1;
Manipulating the robot arm to a plurality of assay positions;
Pausing the robot arm at each assay position;
Recording a set of joint values for the robot arm at each assay position;
Measuring the spatial position of the end effector at each assay position with the mechanical digitizer;
Identifying a set of kinematic parameters of the robotic arm with a calibration algorithm using the spatial position and the set of joint values recorded and measured at each calibration position; And
Applying the set of kinematic parameters to complete the assay of the robotic arm.
The assay method of the robot arm provided.
청구항 14에서,
경로 방정식을 사용하여 상기 로봇 아암이 조작될 복수의 검정 위치들을 산출하는 단계를 더 구비하고, 상기 경로 방정식이 관절 명령들의 복수의 세트들을 결정하며, 상기 관절 명령들의 각 세트가 상기 엔드 이펙터에 대한 검정 위치를 규정하는 로봇 아암의 검정 방법.
In claim 14,
Calculating a plurality of test positions at which the robot arm is to be manipulated using a path equation, wherein the path equation determines a plurality of sets of joint instructions, each set of joint instructions for the end effector. Test method of the robot arm defining the test position.
청구항 15에서,
상기 경로 방정식이 상기 로봇 아암을 상기 기계식 디지타이저로부터 분리하지 않은 상태로 관절 값들의 세트의 가장 넓은 범위에 걸치는 관절 명령의 세트들을 산출하는 로봇 아암의 검정 방법.
In claim 15,
And the path equation yields sets of articulation commands that span the widest range of a set of joint values without separating the robot arm from the mechanical digitizer.
청구항 15에서,
상기 복수의 검정 위치들 중의 어느 것으로의 상기 로봇 아암의 이동이 완전 자동, 반자동, 또는 수동 이동인 로봇 아암의 검정 방법.
In claim 15,
And the robotic arm movement to any of the plurality of assay positions is fully automatic, semi-automatic, or manual movement.
청구항 15에서,
상기 기계식 디지타이저가 각 검정 위치에서의 상기 로봇 아암과 상기 기계식 디지타이저 간의 공유점의 공간 위치를 상기 기계식 디지타이저의 좌표계에 대해 측정 및 기록하는 반면, 연산 시스템이 그 각 관절 엔코더들을 통해 각 로봇 관절의 관절 값들의 세트를 상기 로봇 아암의 좌표계로 기록하며; 그리고
기록된 상기 공간 위치와 해당 관절 값들이 상기 각 검정 위치에 대해 저장되는 로봇 아암의 검정 방법.
In claim 15,
The mechanical digitizer measures and records the spatial position of the shared point between the robot arm and the mechanical digitizer at each calibration position in relation to the coordinate system of the mechanical digitizer, while the arithmetic system uses the respective joint encoders to joint each robot joint Record the set of values in the coordinate system of the robot arm; And
The recorded robot position and the corresponding joint values are stored for each test position.
청구항 18에서,
상기 기계식 디지타이저와 상기 로봇 아암 간의 공유점이 상기 디지타이저 프루브의 상기 볼의 중심인 로봇 아암의 검정 방법.
In claim 18,
And a common point between the mechanical digitizer and the robot arm is the center of the ball of the digitizer probe.
청구항 18에서,
기록된 상기 공간 위치와 해당 관절 값들이 알고리즘의 전송되어 상기 로봇 아암에 대한 새로운 운동학적 파라미터들의 세트와 상기 기계식 디지타이저와 상기 로봇 아암 간의 좌표 변환이 결정되고; 그리고
이어서 상기 새로운 운동학적 파라미터들의 세트가 상기 연산 시스템으로 전송되어 상기 로봇 아암의 검정이 완료되는 로봇 아암의 검정 방법.
In claim 18,
The recorded spatial position and corresponding joint values are transmitted of an algorithm to determine a new set of kinematic parameters for the robot arm and coordinate transformation between the mechanical digitizer and the robot arm; And
And then the new set of kinematic parameters is sent to the computing system to complete the calibration of the robotic arm.
청구항 20에서,
상기 알고리즘이 선형 최소자승 파라미터 추산, 비선형 최소자승 추산, 최적화, 또는 칼만 여과기법 중 적어도 하나에 기반하는 로봇 아암의 검정 방법.
In claim 20,
And the algorithm is based on at least one of linear least squares parameter estimation, nonlinear least squares estimation, optimization, or Kalman filtering technique.
청구항 20에서,
상기 좌표 변환이 상기 기계식 디지타이저를 상기 로봇 아암의 추가적 링크로 모델링함으로써 결정되고, 이어서 상기 좌표 변환이 연산 시스템으로 전송되어 상기 기계식 디지타이저가 뼈, 뼈의 화상, 또는 수술 계획을 상기 로봇 아암에 등록하도록 허용하는 로봇 아암의 검정 방법.
In claim 20,
The coordinate transformation is determined by modeling the mechanical digitizer as an additional link of the robotic arm, and the coordinate transformation is then sent to a computing system for the mechanical digitizer to register a bone, bone image, or surgical plan to the robotic arm. Black method of allowing robotic arms.
청구항 14 내지 22 중의 어느 한 항에서,
상기 자기적 결합 단계와, 상기 로봇 아암의 조작 단계와, 상기 각 검정 위치에서의 상기 로봇 아암의 일시 정지 단계와, 상기 관절 값들의 세트의 기록 단계와, 상기 기계식 디지타이저로의 측정 단계와, 상기 운동학적 파라미터들의 세트의 식별 단계와, 그리고 상기 로봇 운동학적 파라미터들의 세트의 적용 단계가, 모두 30초 내지 10분의 전체 시간 내에 이뤄지는 로봇 아암의 검정 방법.
The method according to any one of claims 14 to 22,
The magnetic coupling step, the operation of the robot arm, the pause of the robot arm at each calibration position, the recording of the set of joint values, the measurement with the mechanical digitizer, the The identification method of the set of kinematic parameters and the application of the set of robot kinematic parameters are all performed within a total time of 30 seconds to 10 minutes.
청구항 14 내지 22 중의 어느 한 항에서,
수술 과정을 수행하는 단계를 더 구비하는 로봇 아암의 검정 방법.
The method according to any one of claims 14 to 22,
A method of assaying a robotic arm further comprising performing a surgical procedure.
청구항 14 내지 22 중의 어느 한 항에서,
상기 로봇 아암의 검정이 0.1 ± 0.1 mm의 해상도(resolution)를 가지는 로봇 아암의 검정 방법.
The method according to any one of claims 14 to 22,
And the robotic arm has a resolution of 0.1 ± 0.1 mm.
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