KR20220055305A - 의료용 다자유도 로봇 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 의료용다자유도 로봇은 제1전단부와 제1 후단부를 갖는 제1링크 암; 제1 전단부에 설치되어 제1전단부를 제1회전축을 중심으로 회동시키는 제1액츄에이터; 제2 전단부와 제2후단부를 갖는 제2링크 암; 제1 후단부에 설치되어 제2전단부를 제2회전축을 중심으로 회동시키는 제2 액츄에이터; 및 제2 후단부에 연결되는 자극 유닛을 포함하고, 자극 유닛은, 제2 후단부에 연결되는 선형 이동 장치; 선형 이동 장치에 연결되어 2개 이상의 자유도를 제공하는 자세 조절 장치;및 자세 조절 장치에 연결되는 자성 자극기를 포함할 수 있다

Description

의료용 다자유도 로봇 {MEDICAL MULTI-DOF ROBOT}
본 발명은 자성 자극기에 6자유도 움직임을 제공할 수 있는 의료용 다자유도 로봇에 관한 것이다.
뇌는 머리의 내부에 위치하는 기관으로 신경계의 최고 중추기관이다. 뇌는 대뇌(cerebrum), 소뇌(cerebellum), 중간뇌(midbrain, mesencephalon), 다리뇌(pons) 및 연수(medulla)로 나뉘어지며, 뇌파(brainwave)를 발생한다. 뇌파는 뇌전도(electroencephalography, EEG)라고도 하며, 신경계에서 뇌신경 사이에 신호가 전달될때 생기는 전기의 흐름을 말한다. 뇌파는 두뇌가 다양한 정보를 처리할 때 다르게 나타나며 뇌의 활동 상황을 측정하는 가장 중요한 지표이다.
뇌에 전기적인 자극을 가하면 손떨림과 같은 신경증상을 치료하거나 완화시킬 수 있다. 뇌에 전기적인 자극을가하는 방법에는 침습형 뇌 전기 자극 방법과 비침습형 뇌 전기 자극 방법이 있다. 침습형 뇌 전기 자극 방법은 수술을 통해 뇌에 전극을 삽입하고, 전극에 전기 신호를 가하는 방법이다. 이에 비하여 비침습형 뇌 전기 자극방법은 두피에 전극을 접착시킨 다음, 전극에 전기 신호를 가하는 방법이다. 비침습형 뇌 전기 자극 방법은 침습형 뇌 전기 자극 방법에 비하여 비용과 위험이 적다는 장점이 있다. 이에 따라 비침습적인 방법으로 뇌에 전기 자극을 가할 수 있는 전기 자극 장치에 대한 연구 및 개발이 이루어지고 있다.
비침습적 방식의 뇌자극은 다양한 신경/정신 의학적 질환의 치료 측면에서 크게 각광받고 있으며, 대표적 기술로 TMS (transcranial magnetic stimulation), tDCS (transcranial direct current stimulation), TUS (transcranial ultrasound stimulation) 등을 들 수 있다. 실제로 환자 뇌의 특정부위를 자극하여 치매, 간질, 우울증 등 치료 사례가 보고되고 있다.
비침습형 자극 뇌 자극 방법은 대부분 사람의 손으로 자극 위치 및 각도 등을 조절하는 방법을 사용하여 원하는 위치에 정확하게 자극을 가하기 어려웠으며, 이로 인해 자극 효과의 재현성이 떨어지는 단점이 있었다. 따라서, 높은 기대성능에도 불구하고 아직까지 널리 이용되지 못하고 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해 최근 로봇을 이용하여 뇌자극의 정확도를 높이려는 노력들이 있었다. 예를 들어 ①기존의 6자유도 직렬형 로봇암, ②직렬형 구형 메커니즘, ③6자유도 병렬형 메커니즘 등을 이용한 연구에서는, 정밀한 자극을 통해 뇌 자극 성능을 많이 향상시킬 수 있었다. 그러나, 직렬형 형태의 로봇은 안전성이 낮으며 제어에 실패하는 경우 사람의 머리에 큰 충격을 가할 수 있다는 문제점이 있고, 기존의 구형(spherical) 메커니즘과 병렬형 구조의 로봇의 경우 안전성의 확보가 가능할 수는 있으나, 장비의 크기가 커지고 고가의 제작비를 필요로 한다는 점에서 문제점이 있다.
따라서, 높은 안전성을 확보하는 동시에 정확도가 높은(즉, 환자의 운동 보상도 원활하게 수행할 수 있는) 뇌 자극 장치의 개발이 요구되며, 저가이면서 간단한 설치와 조작만으로도 정확하고 반복적인 자극을 할 수 있는 장비의 개발이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇은 제1전단부와 제1 후단부를 갖는 제1링크 암; 제1 전단부에 설치되어 제1전단부를 제1회전축을 중심으로 회동시키는 제1액츄에이터; 제2 전단부와 제2후단부를 갖는 제2링크 암; 제1 후단부에 설치되어 제2전단부를 제2회전축을 중심으로 회동시키는 제2 액츄에이터; 및 제2 후단부에 연결되는 자극 유닛을 포함하고, 자극 유닛은, 제2 후단부에 연결되는 선형 이동 장치; 선형 이동 장치에 연결되어 2개 이상의 자유도를 제공하는 자세 조절 장치; 및 자세 조절 장치에 연결되는 자성 자극기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 자세 조절 장치는, 선형 이동 장치에 설치되고, 제3 전단부와 제3 후단부를 갖는 제3 링크 암; 제4 전단부와 제4 후단부를 갖는 제4 링크 암; 제3 후단부에 설치되어 제4 전단부를 제3 회전축을 중심으로 회동시키는 제3 액츄에이터; 제5전단부와 제5후단부를 갖는 제5링크 암; 제4 후단부에 설치되어 제5전단부를 제3 회전축에 수직한 제4 회전축을 중심으로 회동시키는 제4 액츄에이터; 제6 전단부와 제6후단부를 갖는 제6링크 암; 및 제5후단부에 설치되어 제6 전단부를 제3 및 제4 회전축에 수직한 제5회전축으로 회동시키는 제5액츄에이터를 포함하고, 자성 자극기는 제6 후단부에 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1액츄에이터와 제1전단부 사이, 및 제2액츄에이터와 제2전단부 사이 각각에는 토션 스프링이 설치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 지면에 설치되는 스탠드; 및 스탠드의 상부에 설치되고 제1액츄에이터가 연결되는 높이 조절 유닛을 더 포함하고, 높이 조절 유닛은 제1및 제2 회전축의 교차점이 피자극자의 머리 중심과 일치하도록 제1액츄에이터의 높이를 조절할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 자극 유닛은, 제6 후단부에 설치되는 토크 센서; 및 토크 센서에 연결되는 무빙 플랫폼을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1액츄에이터는 제1 모터와 제1감속기를 포함하고, 제2액츄에이터는 제2모터와 제2감속기를 포함하고, 제1및 제2감속기는 각각 하모닉 드라이브로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1액츄에이터는 제1링크 암의 자유 회동을 방지하는 제1브레이크를 더 포함하고, 제2액츄에이터는 제2링크 암의 자유 회동을 방지하는 제2브레이크를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1링크 암과 피자극자의 머리 중심 사이의 거리는 제2링크 암과 머리 중심 사이의 거리보다 길 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제3 내지 제5회전축의 연장선은 하나의 교차점에서 교차하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 교차점은 제3 링크 암의 이동시 선형 이동 장치의 선형 축을 따라 이동하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 링크 암은 피자극자의 머리를 감싸도록 각각 구형(spherical) 프레임으로 구성되고, 자성 자극기는 비침습적 뇌자극기일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 자세 조절 장치는 자성 자극기의 롤, 피치, 요우 각도를 조절하여자성 자극기의 자세를 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇의 제어 방법에 있어서, 피자극자에 대한 자극 초점의 위치와 방향을 설정하는 단계; 역기구학(inverse kinematic) 분석을 수행하여 제1 내지 제5 액츄에이터 및 선형 이동 장치의 입력값을 계산하는 단계; 입력값에 따라 제1및 제2링크 암을 이동시키는 단계; 입력값에 따라 제4내지 제6링크 암을 이동시켜서 자성 자극기의 자세를 고정하는 단계; 및 입력값에 따라 제3 링크 부재를 이동시켜서 자극 초점을 고정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제3 링크 부재를 이동시켜서 자극 초점 및 접촉힘을 조정(calibration)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 자극 초점을 변경하는 단계를 더 포함하고, 자극 초점을 변경하는 단계는,다른 자극 초점의 위치와 방향으로 재설정하는 단계; 재설정된 자극 초점에 따라 역기구학(inverse kinematic) 분석을 수행하여 제1 내지 제5 액츄에이터 및 선형 이동 장치의 2차 입력값을 계산하는 단계; 제1 내지 제6 링크 암을 초기 위치로 이동시키는 단계; 2차 입력값에 따라 제1및 제2링크 암을 이동시키는 단계; 2차 입력값에 따라 제4내지 제6링크 암을 이동시켜서 자성 자극기의 자세를 고정하는 단계; 및 2차 입력값에 따라 제3 링크 부재를 이동시켜서 자극 초점을 고정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예 따른 의료용 다자유도 로봇은 두 개의 구형 암(arm)을 가지므로, 사람 머리 주변에 해당하는 특정한 유효 작업 영역을 기준으로 기존의 장치보다 넓은 작업영역을 확보할 수 있으며, 사람 머리와 로봇 간의 충돌 가능 부분이 최소화되어 피자극자의 안전성을 극대화할 수 있다.
또한, 의료용 다자유도 로봇은 원하는 위치 및 각도로 뇌를 자극하는 것이 가능하게 되므로 안전하고 정밀한 뇌 자극을 가능하게 할 수 있다. 또한, 저비용으로 장비 제작이 가능하므로 장비의 보급률을 높일 수 있고, 자가 치료가 가능하도록 장치를 설계하여 뇌 자극 치료의 효과를 극대화할 수 있으며, 관련 연구의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇의 구동 부분을 나타낸 사시도이다.
도 3a는 도 2에서 자극 유닛을 나타낸 사시도이다.
도 3b는 도 2에 도시된 자극 유닛을 도 2와 다른 방향에서 바라본 모습을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 제1 회전 조인트의 회동 가동 범위를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 제2 회전 조인트의 회동 가동 범위를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 선형 조인트의 선형 가동 범위를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 자극 유닛에 토크 센서를 설치한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시된 선형 이동 장치의 작동 모습을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 2에 도시된 자세 조절 장치의 작동 모습을 나타낸 도면이다.
도 10은 도 2에 도시된 링크 암에 'T'자 형상을 적용한 모습을 나타낸 도면이다.
도 11은 도 2에 도시된 제1회전 조인트의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 2에 도시된 제2회전 조인트의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 2에 도시된 자극 유닛의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 의료용 다자유도 로봇의 가동 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 16은 도 15에 도시된 자극 초점을 변경하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 17은 역기구학 분석을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 의료용 다자유도 로봇의 제어 및 보상과정을 설명하기 위한 블록도이다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 설명하기 위하여 예시적으로 제시된다. 본 발명에 따른 권리 범위는 이하의 실시예들이나 이들 실시예들에 대한 구체적 설명으로 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇(1)을 나타낸 사시도이다.
의료용 다자유도 로봇(1)은 구형 프레임을 가지는 주요 링크부에 선형 조인트와 2자유도 이상의 회전 조인트를 추가적으로 부착한 직렬형 메커니즘 구조로, 전체적인 크기를 최소화할 수 있다.
의료용 다자유도 로봇(1)은 총 6자유도로 구동되며, 하나의 2자유도 구형 프레임과 그에 연결된 선형 엑츄에이터와 2자유도 이상의 방향 변환(orientation mechanism) 모듈로 구성될 수 있다. 2자유도 이상의 방향 변환 모듈은 각각 직각으로 연결되어 끝 단의 방향변화만 유도하면서 무빙 플랫폼과 연결될 수 있다. 무빙 플랫폼에는 뇌자극을 위한 자극기가 부착될 수 있다.
의료용 다자유도 로봇(1)은 스탠드(10), 제1 회전 조인트(100), 제2 회전 조인트(200), 자극 유닛(300)을 포함할 수 있다. 제1 회전 조인트(100)는 제1 링크 암(120)과 제1 회전축(110)을 중심으로 제1 링크 암(120)을 회동시키는 제1 액츄에이터(130)를 포함할 수 있다. 제2 회전 조인트(200)는 제1 링크 암(220)과 제2 회전축(210)을 중심으로 제2 링크 암(220)을 회동시키는 제2 액츄에이터(230)를 포함할 수 있다. 자극 유닛(300)은 선형 이동 축(315)를 갖는 선형 조인트와 제3 내지 제5 회전 조인트를 포함할 수 있으며, 상세한 내용은 후술한다.
제1 회전축(110)의 연장선과 제2 회전축(120)의 연장선이 이루는 각도는 대략 50°가 될 수 있다. 또한, 제2 회전축(120)의 연장선과 선형 이동 축(315)의 연장선이 이루는 각도는 대략 65°가 될 수 있다.
스탠드(10)는 지면 상에 설치될 수 있고, 하부(11)과 상부(12)로 구성될 수 있다. 상부(12)에는 높이 조절 유닛(13)이 설치될 수 있다. 상부(12)에는 레일(14)이 형성될 수 있고, 레일(14)의 상단에는 액츄에이터(15)가 설치될 수 있다. 프레임(16)은 레일(14)에 설치되어 액츄에이터(15)에 의하여 레일(14)을 따라 상하로 이동될 수 있다. 제1 액츄에이터(130)는 프레임(16)에 설치될 수 있다.
높이 조절 유닛(13)은 제1 액츄에이터(130)를 이동시켜서, 제1 및 제2 회전축(110, 210)의 교차점(P1)이 자극 유닛(300)에 의해 자극을 받는 피자극자의 머리 중심과 일치하도록 제1 회전 조인트(100)의 높이를 조절할 수 있다.
이와 같이, 높이 조절 유닛(13)은 지면과 장치 사이에 1자유도를 제공함으로써, 피자극자의 머리 중심에 포시져닝 장치의 회전 중심이 위치하는 것이 가능하도록 해줄 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇(1)의 구동 부분을 나타낸 사시도이다.
제1 회전 조인트(100)에서, 제1 링크 암(120)은 제1 전단부(121)와 제1 후단부(122)를 가질 수 있다. 제1 액츄에이터(130)는 제1 전단부(121)에 설치되어 제1 전단부(121)를 제1 회전축(110)을 중심으로 회동시킬 수 있다.
제2 회전 조인트(200)에서, 제2 링크 암(220)은 제2 전단부(221)와 제2 후단부(222)를 가질 수 있다. 제2 액츄에이터(230)는 제1 후단부(122)에 설치되어 제2 전단부(221)를 제2 회전축(210)을 중심으로 회동시킬 수 있다. 제2 후단부(222)에는 자극 유닛(300)이 연결될 수 있다.
자극 유닛(300)은 제2 후단부(222)에 연결되는 선형 이동 장치(310), 선형 이동 장치(310)에 연결되어 2개 이상의 자유도를 제공하는 자세 조절 장치(400), 및 자세 조절 장치(400)에 연결되는 자성 자극기(500)를 포함할 수 있다.
선형 이동 장치(310)는 자극기 초점의 깊이 조절을 위하여 볼 스크류와 연결되어 구동되고, 2자유도 이상의 회전 변환 모듈 엑츄에이터, 감속기 그리고 구동 모듈의 위치 피드백을 위한 센서로 구성될 수 있다.
선형 이동 장치(310)는 선형 프레임(311), 액츄에이터(312), 및 제3 링크 암(313)을 포함할 수 있다. 제3 링크 암(313)은 선형 프레임(311)에 설치되고, 액츄에이터(312)에 의하여 선형 프레임(311)의 길이 방향을 따라 이동될 수 있다.
선형 조인트(301)는 선형 이동 장치(310)와 제3 링크 암(313)을 포함할 수 있다. 제3 회전 조인트(401)는 제3 액츄에이터(420)와 제4 링크 암(410)을 포함할 수 있다. 제4 회전 조인트(402)는 제4 액츄에이터(440)와 제5 링크 암(430)을 포함할 수 있다. 제5 회전 조인트(403)는 제5 액츄에이터(460)와 제6 링크 암(450)을 포함할 수 있다.
선형 이동 장치(310)는 레일(311), 액츄에이터(312), 제3 링크 암(313)을 포함할 수 있다. 제3 링크 암(313)은 액츄에이터(312)에 의하여 레일(311)을 따라 선형 이동할 수 있다.
제1 액츄에이터(130)과 제1 링크 암(120)의 제1 전단부(121) 사이에는 제1 토션 스프링(140)이 설치되고, 제2 액츄에이터(230)와 제2 링크 암(220)의 제2 전단부(211) 사이에는 제2 토션 스프링(240)이 설치될 수 있다. 이와 같이 제1 및 제2 토션 스프링(140, 240)이 제공되므로, 만일 자성 자극기(500)가 피자극자에게 충돌하더라도, 토션 스프링이 이러한 충격을 흡수할 수 있게 되어서 피자극자에게 가해지는 충격을 최소화할 수 있다.
이와 같이, 각 구동 조인트와 프레임 사이에는 높은 강성을 가지는 토션 스프링을 부착함으로써, 피실험자의 머리와 로봇팔 충돌 시 피실험자에게 가해지는 물리적 데미지를 최소화시킬 수 있다.
제1 액츄에이터(130)는 제1 모터(131)와 제1감속기(133)를 포함하고, 제2 액츄에이터(230)는 제2 모터(231)와 제2 감속기(233)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 감속기(133, 233)는 각각 하모닉 드라이브(harmonic drive)로 구성될 수 있다. 하모닉 드라이브의 감속비는 100:1 정도를 가지게 되어서, 최종적으로 고토크를 링크 암에 전달할 수 있다.
제1 액츄에이터(130)는 제1 모터(131)와 제1감속기(133)에 배치되고 제1 링크 암(120)의 자유 회동을 방지하는 제1 브레이크(132)를 더 포함하고, 제2 액츄에이터(230)는 제2 모터(231)와 제2 감속기(233) 사이에 배치되고 제2 링크 암(220)의 자유 회동을 방지하는 제2 브레이크(232)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 전원이 OFF 된 상태에서도 로봇의 자세가 변하지지 않고 유지될 수 있다.
제1 및 제2 링크 암(120, 220)은 피자극자의 머리를 감싸도록 각각 구형(spherical) 프레임으로 구성되고, 자성 자극기(500)는 비침습적 뇌자극기일 수 있다. 이와 같이 구형 프레임을 사용하여 자극기가 피자극자의 머리 주위를 이동시, 피자극자의 머리 부분은 유효한 작동 범위에서 제외되기 때문에 높은 안전성을 가지며, 넓은 유효 작동 범위를 가질 수 있다.
제1 링크 암(120)과 피자극자의 머리 중심 사이의 거리는 제2 링크 암(220)과 머리 중심 사이의 거리보다 길 수 있다. 제2 링크 암(220)에는 자극 유닛(300)이 설치되고 자극 유닛(300) 자체에서 보다 세밀한 조작이 가능하므로, 제1 링크 암(120)이 제2 링크 암(220) 보다 큰 범위의 움직임을 제공할 수 있다.
자세 조절 장치(400)는 자성 자극기(500)의 롤(roll), 피치(pitch), 요우(yaw) 각도를 조절하여 자성 자극기(500)의 자세를 제어하도록 구성될 수 있다.
의료용 다자유도 로봇(1)는 자극기와 구형 프레임 사이에 선형 조인트와 2자유도 이상의 방향 변환 조인트가 추가됨으로써, 자극기 초점의 깊이 및 방향을 세부적으로 컨트롤 할 수 있어, 높은 정확도를 가질 수 있다.
도 3a는 도 2에서 자극 유닛(300)을 나타낸 사시도이다. 도 3b는 도 2에 도시된 자극 유닛(300)을 도 2와 다른 방향에서 바라본 모습을 나타낸 사시도이다.
제3 링크 암(313)은 레일(311)에 설치되는 제3 전단부(314)와 제3 액츄에이터(420)가 설치되는 제3 후단부(315)를 가질 수 있다. 제4 링크 암(410)은 제4 전단부(411)와 제4 후단부(412)를 가질 수 있고, 제3 액츄에이터 (420)는 제3 후단부(315)에 설치되어 제4 전단부(411)를 제3 회전축(425)을 중심으로 회동시킬 수 있다.
제5 링크 암(430)는 제5전단부(431)와 제5 후단부(432)를 가질 수 있고, 제4 액츄에이터(440)는 제4 후단부(412)에 설치되어 제5전단부(431)를 제3 회전축(425)에 수직한 제4 회전축(445)을 중심으로 회동시킬 수 있다. 제6 링크 암(450)은 제6 전단부(451)와 제6후단부(452)를 가질 수 있고, 제5 액츄에이터(460)는 제5 후단부(432)에 설치되어 제6 전단부(451)를 제3 및 제4 회전축(425, 445)에 수직한 제5회전축(465)으로 회동시킬 수 있다. 자성 자극기(500)는 제6 후단부(452)에 연결될 수 있다.
제3 내지 제5회전축(425, 445, 465)의 연장선은 하나의 교차점(P2)에서 교차하도록 구성될 수 있다. 이러한, 교차점(P2)은 제3 링크 암(313)의 이동시 선형 이동 장치(310)의 선형 축(315)을 따라 이동하도록 구성될 수 있다.
제1 및 제2 회전 조인트(100, 200)와 선형 조인트(310)의 조합은 구형 링크부재의 이용으로 피자극자의 머리주변의 구형 표면을 효율적으로 이동 가능하여 높은 정확도와 구동 속도를 확보할 수 있다. 또한, 피자극자의 머리 상반구 전영역에 대한 작업이 가능하다. 한편, 직렬형 로봇과 비교하여 제어 실패 시에도 로봇의 작업단(end-effector)의 작업영역에 피자극자의 머리부분을 통과하는 영역이 없으므로 안전성 확보가 가능하다. 한편, 1 자유도 선형 유닛의 동작으로 자극기의 초점 및 접촉 힘 제어가 용이해질 수 있다.
자세 조절 장치(400)와 관련하여, 제4 내지 제6 링크 암(410, 430, 450)의 복합 구동을 통해 자극기의 초점 깊이 및 각도를 제어하기 용이해질 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 제1 회전 조인트(100)의 회동 가동 범위를 나타낸 도면이다. 도 5는 도 2에 도시된 제2 회전 조인트(200)의 회동 가동 범위를 나타낸 도면이다. 도 6은 도 2에 도시된 선형 조인트(300)의 선형 가동 범위를 나타낸 도면이다.
의료용 다자유도 로봇(1)의 기준 위치는 도 1에 도시된 형상과 같이 자극 유닛(300)이 지면으로부터 가장 높은 위치에 있도록 제1 및 제2 링크 암(120, 220)이 정렬된 상태를 의미한다.
의료용 다자유도 로봇(1)의 각 조인트는 목표 작업 영역(target workspace)인 피자극자의 머리 상반구 전영역만을 이동하도록, 그 구동 범위가 제한될 수 있다.
일 실시예로, 도 5에 도시된 것과 같이 제1 회전 조인트(100)에서, 제1 액츄에이터(130)는 제1 링크 암(120)을 기준 위치로부터 +100°~ -100°사이에서 회동하도록 구동되고, 제2 회전 조인트(200)에서, 제2 액츄에이터(230)는 제2 링크 암(220)을 기준 위치로부터 +100°~ -100°사이에서 회동하도록 구동될 수 있다.
다른 실시예로, 제1 회전 조인트는 +180°~ -180°사이에서 회동하고, 제2 회전 조인트는 0°~ 180°범위에서 회동하도록 구동이 제한될 수 있다.
선형 조인트(301)에서, 액츄에이터(312)는 제3 프레임(313)을 0mm ~ 15mm 사이에서 선형 이동하도록 구동시킬 수 있다.
한편, 제3 회전 조인트(401)에서, 제3 액츄에이터(420)는 제4 링크 암(410)을 기준 위치로부터 +90°~ -90°사이에서 회동하도록 구동시킬 수 있다. 제4 회전 조인트(402)에서, 제4 액츄에이터(440)는 제5 링크 암(430)을 기준 위치로부터 +90°~ -90°사이에서 회동하도록 구동시킬 수 있다. 제5 회전 조인트(403)에서, 제5 액츄에이터(460)는 제6 링크 암(450)을 기준 위치로부터 +90°~ -90°사이에서 회동하도록 구동시킬 수 있다.
도 7은 도 2에 도시된 자극 유닛(300)에 토크 센서를 설치한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
자극 유닛(300)은 제6 링크 암(450)의 제6 후단부(452)에 설치되는 토크 센서(530)를 포함할 수 있다. 토크 센서(530)에는 자성 자극기(500)가 연결될 수 있다. 자성 자극기(500)는 토크 센서(530)에 직접 연결되는 무빙 플랫폼(510) 및 자기장 발생기(520)를 포함할 수 있다. 무빙 플랫폼(510)은 자기장 발생기(520)를 에워싸는 형상을 가질 수 있다.
토크 센서(530)는 6축 토크 발생을 감지할 수 있으며, 자성 자극기(500)가 피자극자의 머리에 접촉하는 경우 접촉 힘을 감지할 수 있다. 또한, 토크 센서(530)가 기준 힘 이상의 접촉 힘을 감지하는 경우에는 선형 이동 장치(310)을 작동시켜서 자성 자극기(500)를 피자극자의 머리로부터 즉각 멀어지도록 이동시킬 수 있다.
이와 같이, 토크 센서(530)를 사용하면 피자극자의 안전성을 높일 뿐 아니라, 접촉 힘 감지를 가능하게 하여 대상체 자극시 적절한 크기의 힘으로 자극이 가능할 수 있다.
도 8은 도 2에 도시된 선형 이동 장치(310)의 작동 모습을 나타낸 도면이다. 도 9는 도 2에 도시된 자세 조절 장치(400)의 작동 모습을 나타낸 도면이다.
도 8(a)는 선형 이동 장치(310)가 작동하는 모습을 나타내고, 도 8(b), 8(c)는 제5 회전 조인트(403)이 작동하는 모습을 나타낸다. 도 9(a), (b), (c), (d)는 제3 내지 제5 회전 조인트(401, 402, 403)이 작동하면서, 자성 자극기(500)가 이동하는 모습을 나타낸다. 이와 같이 자성 자극기(500)의 자세를 조절하여 자극 초점의 깊이와 방향을 조절할 수 있다.
도 10은 도 2에 도시된 링크 암에 'T'자 형상을 적용한 모습을 나타낸 도면이다.
제1 및 제2 링크 암(120, 220)은 각각 자극 유닛(300)의 고하중을 견뎌야 하기 때문에, 'T'자 형상의 단면을 가진 암으로 구성될 수 있다. 암이 'T'자 형상의 단면을 가지게 되면 일반적인 사각형 형상의 단면을 갖는 암보다 관성 모멘트가 증가하게 되어서 고하중에 대한 변형 발생 가능성을 낮출 수 있다.
도 11은 도 2에 도시된 제1 회전 조인트(100)의 작동을 설명하기 위한 도면이다. 도 12는 도 2에 도시된 제2 회전 조인트(200)의 작동을 설명하기 위한 도면이다. 도 13은 도 2에 도시된 자극 유닛(300)의 작동을 설명하기 위한 도면이다. 도 14는 의료용 다자유도 로봇(1)의 가동 범위를 설명하기 위한 도면이다. 설명의 편의를 위하여 도 1 내지 3에 도시된 도면을 간략하게 표현하였다.
도 11을 참조하면, 제1 회전 조인트(100)의 작동으로 피자극자의 머리에서 어느 영역까지 커버할 수 있는지 확인할 수 있다. 도 12를 참조하면, 제2 회전 조인트(200)의 작동으로 제1 회전 조인트(100)의 가동 범위를 넘어서서 피자극자의 머리에서 어느 영역까지 커버할 수 있는지 확인할 수 있다. 도 13을 참조하면, 선형 조인트(301) 및 제3 내지 제5 회전 조인트(401, 402, 403)의 작동을 통해 자성 자극기(500)의 자세를 조절하는 과정을 확인할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 의료용 다자유도 로봇(1)는 자성 자극기(500)에 5 자유도에서 6 자유도의 움직임을 제공할 수 있으며, 목표 작업 영역(target workspace)인 피자극자의 머리 상반구 전영역을 커버할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 다자유도 로봇(1)의 제어 방법(S1000)을 나타낸 순서도이다.
의료용 다자유도 로봇(1)은 아래와 같은 순서로 작동할 수 있다.
(1) 준비단계
- 장치의 조립 및 사용을 위한 베이스 고정
- 베이스 단에 추가적으로 부착된 선형 엑츄에이터를 이용하여 피실험자의 머리 중심과 구형 프레임의 구 중심부의 거리값을 0으로 만들어준다.
(2) 자극 부위 입력 단계
전문가를 통해 처방된 피자극자의 자극 부위 정보를 장치에 입력시킨다.
(3) 자극 시간, 자극 세기 등 입력 단계
원하는 자극 세기와 시간 등을 지정한다.
(4) 자극 단계
- 큰 운동을 담당하는 저속, 고출력의 구형 프레임을 구동하여, 자극기를 작업영역 근처로 이동시킨다.
- 역기구학 해석을 통해 얻어진 자세를 5개 이상의 엑츄에이터를 동시 구동하여, 원하는 뇌 자극 위치 및 각도로 자극기를 이동시킨다.
- 자극기가 작동되어 지정한 자극량만큼 뇌자극이 수행된다.
다음으로, 도 15를 참조하여, 설명한다.
의료용 다자유도 로봇의 제어 방법(S1000)은, 피자극자에 대한 자극 초점의 위치와 방향을 설정하는 단계(S1100), 역기구학(inverse kinematic) 분석을 수행하여 제1 내지 제5 액츄에이터 및 선형 이동 장치의 입력값을 계산하는 단계(S1200), 입력값에 따라 제1 및 제2 링크 암을 이동시키는 단계(S1300); 입력값에 따라 제4내지 제6링크 암을 이동시켜서 자성 자극기의 자세를 고정하는 단계(S1400), 및 입력값에 따라 제3 링크 부재를 이동시켜서 자극 초점을 고정하는 단계(S1500)를 포함할 수 있다. 또한, 제어 방법(S1000)은 제3 링크 부재를 이동시켜서 자극 초점 및 접촉힘을 조정(calibration)하는 단계(S1600)을 더 포함할 수 있다. 또한, 제어 방법(S1000)은 자극 초점을 변경하는 단계(S1700)을 더 포함할 수 있다.
단계 S1100에서, 구체적으로, 위치(x, y, z 값), 방향(Roll, Pitch, Yaw 값)의 총 6자유도를 설정할 수 있다.
도 16은 도 15에 도시된 자극 초점을 변경하는 단계(S1700)를 나타낸 순서도이다.
자극 초점을 변경하는 단계(S1700)는, 다른 자극 초점의 위치와 방향으로 재설정하는 단계(S1710), 재설정된 자극 초점에 따라 역기구학(inverse kinematic) 분석을 수행하여 제1 내지 제5 액츄에이터 및 선형 이동 장치의 2차 입력값을 계산하는 단계(S1720), 제1 내지 제6 링크 암을 초기 위치로 이동시키는 단계(S1730), 2차 입력값에 따라 제1 및 제2 링크 암을 이동시키는 단계(S1740), 2차 입력값에 따라 제4 내지 제6 링크 암을 이동시켜서 자성 자극기의 자세를 고정하는 단계(S1750), 및 2차 입력값에 따라 제3 링크 부재를 이동시켜서 자극 초점을 고정하는 단계(S1760)를 포함할 수 있다. 한편, 변경하는 단계(S1700)는 제3 링크 부재를 이동시켜서 자극 초점 및 접촉힘을 조정(calibration)하는 단계(S1770)을 더 포함할 수 있다.
이후에, 자극 초점을 추가로 변경하고자 한다면, 또 다른 초점의 위치와 방향을 기준으로 자극 초점을 변경하는 단계(S1700)를 다시 수행할 수 있다.
도 17은 역기구학 분석을 설명하기 위한 도면이다.
도 17에 도시된 바와 같이, 기본 좌표와 이동 좌표 O (x, y, z) 및 P (u, v, w)는 각각 지면과 자성 자극기(500)에 할당된다. 역기구학 분석을 위하여, 운동학에서는 두 개의 벡터 루프가 사용된다. 점 O, P, Q를 통과하는 첫 번째 벡터 루프는 원하는 자세와 관련된 정보를 포함하는 변환(T1)이다. 두 번째 벡터 루프는 액추에이터를 통해 원점 (O)에서 점 Q 로의 변환(T2)이다. 자극기의 위치 벡터 (P=[PxPYPz]T) 및 회전 행렬 Rp가 주어지면, 변환 행렬 T1은 다음과 같이 얻어진다.
수식 (1):
Figure pat00001
여기서 DP은 원점에서 P 점까지의 변환 행렬이고 D(축, 값)은 특정 축을 따라 변환하는 변환 행렬이다. 그러면 회전 관절의 입력 값(θi)와 선형 액추에이터의 입력 값(d)으로 구성된 변환 행렬 변환(T2)은 다음과 같이 표현할 수 있다.
수식 (2):
Figure pat00002
여기서 R(축, 값)은 특정 축을 따라 회전하는 변환 행렬이다. 수식 (1)과 (2)에서, rd와 rs는 각각 점 O와 선형 조인트(Prismatic joint)의 초기 위치 사이, 그리고 점 Q와 자극 초점 (P) 사이의 거리이고, α 및 β은 구형 프레임(즉, 제1 및 제2 링크 암)의 디자인 각도이다. T1과 T2의 각 구성 요소가 같아야 하므로 각 조인트의 원하는 값 (θi, d)은 다음과 같이 도출된다.
수식 (3):
Figure pat00003
여기서, c는 cos이고 s는 sin이라고 하면,
Figure pat00004
Figure pat00005
파생된 입력 값을 사용하여 장치의 작업단(end-effector, 즉, 자성 자극기(500))가 대상 위치 및 방향으로 위치될 수 있다. 이때, 제2 회전 조인트(Revolute joint)는 -100°<θ2<100° 범위에서 구동될 수 있으며, 제1 회전 조인트(Revolute joint)도 -100°<θ1<100°로 구동 범위가 설정될 수 있다.
다만, 특이점을 방지하기 위해 제2 회전 조인트(Revolute joint)는 0°<θ2<180° 범위에서 구동될 수 있으며, 제1 회전 조인트(Revolute joint)도 -180° <θ1<180°로 구동 범위가 설정될 수 있다.
도 18은 의료용 다자유도 로봇의 제어 및 보상과정을 설명하기 위한 블록도이다.
이하에서는 예상치 못한 인간의 움직임을 보상하기 위해 PBVS (position-based visual servoing) 방법을 사용하여 로봇을 제어할 수 있다. PBVS 기법은 3D 포즈 추정 과정이 필요하지만 기존의 데카르트 좌표계에서 사용하던 제어 방법을 그대로 사용할 수 있다.
피드백 제어에 사용되는 위치 및 방향 오류는 다음과 같이 정의될 수 있다. 유클리드 기하학에서 원하는 위치 (pd)와 현재의 작업단 위치 (pe)의 차이를 이용하여 위치 오차 (ep)를 정의한다.
수식 (4):
Figure pat00006
회전 행렬 R는 수식 (5)에서와 같이 임의 벡터 z의 길이를 유지하면서 방향을 회전하는 행렬이며, 특별한 직교 그룹에 속한다.
수식 (5):
Figure pat00007
회전 행렬은 오일러 각도와 달리 특이점이 없다는 장점이 있지만 게인(gain) 조정이 어렵다. 아래에서는 컨트롤러의 방향 오류를 나타내는 회전 행렬을 사용한다.
삼각 함수의 작은 각도 근사값을 사용하여 새로운 방향 오류 (e0) 표현을 정의한다. 삼각 함수의 입력 각이 매우 작으면 sinθ=θ와 cosθ=1 과 같이 사인 함수와 코사인 함수를 근사하여 표현할 수 있다.
각각 14도 및 8도이며 근사치로 인한 오류율은 대략 1%이다. 따라서 이 근사치는 피사체의 약간의 움직임을 보정하기 위한 것이기 때문에 사용할 수 있다. 원하는 방향이 주어 졌을 때 (Rd), 작업단의 회전 (Re)이 측정 시스템에 의해 결정되면 방향 오류는 다음과 같다.
수식 (6):
Figure pat00008
수식 (6)에서 ZYX 오일러 각도를 사용하여 회전 행렬에 작은 각도 근사를 적용했다. 작은 각도가 가정되기 때문에 2 차 및 3 차 항도 무시할 수 있을 만큼 작다고 가정할 수 있다.
이를 통해 행렬의 구성 요소 값을 그대로 사용하여 회전 오류를 추정 할 수 있다. 추정된 오차에 게인을 곱한 후, 식 (7)과 같이 회전 행렬의 곱을 사용하여 최종 오차(
Figure pat00009
)를 구합니다. 이러한 추정을 통해 어느 지점에서도 특이점이 없는 회전 행렬의 장점이며, 방향 오차에 대한 게인을 조정하여 원하는 성능을 얻을 수 있다.
수식 (7):
Figure pat00010
게인 값에 따라 보상되는 속도가 빠를수록 실험의 위험성이 높아지기 때문에 실험의 안전성과 성능을 고려하여 게인을 설정할 수 있다.
이상 본 발명의 기술적 사상이 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 이루어질 수 있다. 또한, 그러한 치환, 변형 및 변경은 첨부된 청구범위 내에 속한다.
1: 지주 받침 기구
10: 스탠드
100, 200, 401, 402, 403: 회전 조인트
120, 220: 링크 암
300: 자극 유닛
310: 선형 이동 장치
400: 방향 조절 장치
500: 자성 자극기

Claims (15)

  1. 제1 전단부와 제1 후단부를 갖는 제1링크 암;
    상기 제1 전단부에 설치되어 상기 제1 전단부를 제1 회전축을 중심으로 회동시키는 제1 액츄에이터;
    제2 전단부와 제2 후단부를 갖는 제2링크 암;
    상기 제1 후단부에 설치되어 상기 제2 전단부를 제2 회전축을 중심으로 회동시키는 제2 액츄에이터; 및
    상기 제2 후단부에 연결되는 자극 유닛을 포함하고,
    상기 자극 유닛은,
    상기 제2 후단부에 연결되는 선형 이동 장치;
    상기 선형 이동 장치에 연결되어 2개 이상의 자유도를 제공하는 자세 조절 장치; 및
    상기 자세 조절 장치에 연결되는 자성 자극기를 포함하는,
    의료용 다자유도 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자세 조절 장치는,
    상기 선형 이동 장치에 설치되고, 제3 전단부와 제3 후단부를 갖는 제3 링크 암;
    제4 전단부와 제4 후단부를 갖는 제4 링크 암;
    상기 제3 후단부에 설치되어 상기 제4 전단부를 제3 회전축을 중심으로 회동시키는 제3 액츄에이터;
    제5 전단부와 제5 후단부를 갖는 제5링크 암;
    상기 제4 후단부에 설치되어 상기 제5전단부를 상기 제3 회전축에 수직한 제4 회전축을 중심으로 회동시키는 제4 액츄에이터;
    제6 전단부와 제6 후단부를 갖는 제6 링크 암;및
    상기 제5 후단부에 설치되어 상기 제6 전단부를 상기 제3 및 제4 회전축에 수직한 제5 회전축으로 회동시키는 제5 액츄에이터를 포함하고,
    상기 자성 자극기는 제6 후단부에 연결되는,
    의료용 다자유도 로봇.
  3. 제1항에있어서,
    상기 제1 액츄에이터와 상기 제1 전단부 사이, 및 상기 제2 액츄에이터와 상기 제2 전단부 사이 각각에는 토션 스프링이 설치되는,
    지주 받침 기구.
  4. 제1항에 있어서,
    지면에 설치되는 스탠드; 및
    상기 스탠드의 상부에 설치되고 상기 제1액츄에이터가 연결되는 높이 조절 유닛을 더 포함하고,
    상기 높이 조절 유닛은 상기 제1 및 제2 회전축의 교차점이 피자극자의 머리 중심과 일치하도록 상기 제1 액츄에이터의 높이를 조절하는,
    의료용 다자유도 로봇.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 자극 유닛은,
    상기 제6 후단부에 설치되는 토크 센서; 및
    상기 토크 센서에 연결되는 무빙 플랫폼을 더 포함하는,
    의료용 다자유도 로봇.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 액츄에이터는 제1 모터와 제 1감속기를 포함하고,
    상기 제2 액츄에이터는 제 2모터와 제 2감속기를 포함하고,
    상기 제1 및 제2감속기는 각각 하모닉 드라이브로 구성되는,
    의료용 다자유도 로봇.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1액츄에이터는 상기 제1 링크 암의 자유 회동을 방지하는 제1브레이크를 더 포함하고,
    상기 제2액츄에이터는 상기 제2 링크 암의 자유 회동을 방지하는 제2브레이크를 더 포함하는,
    의료용 다자유도 로봇.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 링크 암과 피자극자의 머리 중심 사이의 거리는 상기 제2링크 암과 상기 머리 중심 사이의 거리보다 긴,
    의료용 다자유도 로봇.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제3 내지 제5 회전축의 연장선은 하나의 교차점에서 교차하도록 구성된,
    의료용 다자유도 로봇.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 교차점은 상기 제3 링크 암의 이동시 상기 선형 이동 장치의 선형 축을 따라 이동하도록 구성된,
    의료용 다자유도 로봇.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2링크 암은 피자극자의 머리를 감싸도록 각각 구형(spherical) 프레임으로 구성되고,
    상기 자성 자극기는 비침습적 뇌자극기인,
    의료용 다자유도 로봇.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 자세 조절 장치는 상기 자성 자극기의 롤, 피치, 요우 각도를 조절하여 상기 자성 자극기의 자세를 제어하도록 구성된,
    의료용 다자유도 로봇.
  13. 제1항 내지 제12항에 따른 의료용 다자유도 로봇의 제어 방법에 있어서,
    피자극자에 대한 자극 초점의 위치와 방향을 설정하는 단계;
    역기구학(inverse kinematic) 분석을 수행하여 제1내지 제5 액츄에이터 및 선형 이동 장치의 입력값을 계산하는 단계;
    상기 입력값에 따라 상기 제1및 제2링크 암을 이동시키는 단계;
    상기 입력값에 따라 상기 제4내지 제6링크 암을 이동시켜서 자성 자극기의 자세를 고정하는 단계; 및
    상기 입력값에 따라 상기 제3 링크 부재를 이동시켜서 상기 자극 초점을 고정하는 단계를 포함하는,
    제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제3 링크 부재를 이동시켜서 자극 초점 및 접촉힘을 조정(calibration)하는 단계를 더 포함하는,
    제어 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    자극 초점을 변경하는 단계를 더 포함하고,
    상기 자극 초점을 변경하는 단계는,
    다른 자극 초점의 위치와 방향으로 재설정하는 단계;
    재설정된 자극 초점에 따라 역기구학(inverse kinematic) 분석을 수행하여 제1 내지 제5 액츄에이터 및 선형 이동 장치의 2차 입력값을 계산하는 단계;
    상기 제1내지 제6 링크 암을 초기 위치로 이동시키는 단계;
    상기 2차 입력값에 따라 상기 제1및 제2링크 암을 이동시키는 단계;
    상기 2차 입력값에 따라 상기 제4내지 제6링크 암을 이동시켜서 자성 자극기의 자세를 고정하는 단계; 및
    상기 2차 입력값에 따라 상기 제3 링크 부재를 이동시켜서 상기 자극 초점을 고정하는 단계를 포함하는,
    제어 방법.
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