WO2015167191A1 - Robot system for fracture reduction - Google Patents

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WO2015167191A1
WO2015167191A1 PCT/KR2015/004200 KR2015004200W WO2015167191A1 WO 2015167191 A1 WO2015167191 A1 WO 2015167191A1 KR 2015004200 W KR2015004200 W KR 2015004200W WO 2015167191 A1 WO2015167191 A1 WO 2015167191A1
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WO
WIPO (PCT)
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frame
leg
module
variable
fracture reduction
Prior art date
Application number
PCT/KR2015/004200
Other languages
French (fr)
Korean (ko)
Inventor
이춘무
박태곤
박태상
권성인
Original Assignee
(주)트리엔
주식회사 프레스토솔루션
이춘무
박태곤
박태상
권성인
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by (주)트리엔, 주식회사 프레스토솔루션, 이춘무, 박태곤, 박태상, 권성인 filed Critical (주)트리엔
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/56Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor
    • A61B17/58Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor for osteosynthesis, e.g. bone plates, screws, setting implements or the like
    • A61B17/60Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor for osteosynthesis, e.g. bone plates, screws, setting implements or the like for external osteosynthesis, e.g. distractors, contractors
    • A61B17/66Alignment, compression or distraction mechanisms
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means

Definitions

  • the present invention relates to a robotic system used to reduce a patient's arm or leg when fractured, and more particularly, to surround the patient's arm or leg while penetrating the patient's arm or leg for fracture reduction.
  • An operation module including a pair of frames having a shape, a plurality of variable legs whose ends are supported by the pair of frames, respectively, and whose lengths are variable, and a user control module which receives an operation for manipulating the operation module from a user It relates to a fracture reduction robot system configured to include.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a surgical situation for conventional minimally invasive fracture reduction.
  • Minimally invasive fracture reduction surgery is a fracture reduction operation that minimizes the incision to the patient, and in such fracture reduction surgery, a correction is performed to return the missing bone using a real-time X-ray equipment such as C-ARM (10). And fix the corrected bone fragments by inserting an intramedullary nail in the orthodontic state.
  • the bone is connected to a variety of muscles, so a great power is required for the conquest of the fractured bone, accordingly, it is common for several medical staff 20 to operate in cooperation with each other. There is a problem that requires a large number of medical staff in order to proceed with fracture reduction surgery, which will increase the cost of surgery.
  • An object of the present invention is to provide a fracture reduction robot system that can reduce the problem of radiation exposure to medical staff during fracture reduction surgery.
  • Fracture reduction robot system while the arm or leg of the patient penetrates the first frame 110 having a shape surrounding the arm or leg of the patient, while the arm or leg of the patient penetrates A second frame 120 having a shape surrounding the arm or leg of the patient and spaced apart from the first frame, one end of which is supported by the first frame and the other end of which is supported by the second frame
  • An operation module 100 including a plurality of variable legs 130 which are variable;
  • a user steering module 200 which receives an operation for manipulating the operation module from a user.
  • the operation module 100 has fixing means 140 for fixing the bone fragments of the arm or leg of the patient to the first frame 110 and the first frame 120, respectively, the plurality of variable legs ( 130 is provided with an actuator for varying the length of the variable leg 130, respectively, in response to the operation received from the user control module 200, the actuators provided in the plurality of variable legs 130 In parallel operation, the relative position and posture between the first frame 110 and the second frame 120 are variable.
  • variable legs are six and the relative position and posture between the first frame 110 and the second frame 120 has six degrees of freedom.
  • the fixing means 140 the pin 141 extending in the direction of the first frame 110 or the second frame 120 in the state of being embedded in the bone piece of the patient, and the pin 141 And a jig 142 fixed to the first frame 110 or the second frame 120.
  • At least the first frame 110, the second frame 120 and the fixing means 130 is used after the operation of fracture reduction.
  • the user control module 200 has a structure that models the operation module 100.
  • variable legs 130 may be coupled to the first frame 110 and the second frame 120 by using universal joints or ball joints provided at both ends thereof.
  • the user steering module 200 may correspond to the first steering module frame 210 corresponding to the first frame 110 and the first steering module frame 210 corresponding to the second frame.
  • the second control module frame 220 spaced apart from each other, one end of which is supported by the first control module frame 210 and the other end of which is supported by the second control module frame 220, It is characterized in that it comprises a plurality of control module legs 230 is changed in length as the relative position or posture between the first control module frame 210 and the second control module frame 220 is variable.
  • the steering module leg 230 is characterized in that it comprises an encoder for sensing the variable length or displacement of the steering module leg 230.
  • the steering module leg 230 is coupled to the first steering module frame 210 and the second steering module frame 220 by using a universal joint or a ball joint provided at both ends, respectively. .
  • an operation load providing unit for applying a load to the operation of the user characterized in that it comprises a.
  • the operation load applying unit the air cylinder 237 containing a diaphragm or plunger that is moved as the length of the control module leg 230 is changed; And an air flow controller 238 for controlling the flow of air due to the movement of the diaphragm or the plunger.
  • an operation knob 240 used by the user to hold the user steering module 200 and coupled to the first steering module frame 210 and the second steering module frame 220, respectively; It is characterized by including.
  • control module 300 for controlling the operation module 100 according to the input from the user control module 200; characterized in that it further comprises.
  • control module 300 senses the position command, which is a command for designating the length or the displacement of the variable leg 130, and the length or the displacement of the variable leg 130 for each variable leg 130. And a feedback controller 310 for receiving a signal and outputting a driving current for reducing the difference.
  • control module 300 a forward kinematics (320) for calculating an end effector from the length or displacement of the steering module leg 230; And an inverse kinematics 330 that calculates a length or displacement to be specified for each of the variable legs 130 from the end effector.
  • the medical staff since the medical staff does not need to apply a manpower to the leg or arm for direct correction, and the remote control operation module of the present invention using the user control device of the present invention, the radiation exposure to the medical staff There is an effect that can eliminate or reduce the risk of the source.
  • the fracture reduction robot system of the present invention can correct bone fragments more quickly than by conventional manpower or other fracture reduction methods.
  • the correction time of the bone fragments performed while using the real-time X-ray imaging apparatus is very short, thereby reducing the radiation exposure time from the patient's point of view.
  • the fracture reduction robot system since the arm or leg of the patient is not calibrated by manpower, there is an effect that can significantly reduce the number of medical staff required. According to the fracture reduction robot system according to an aspect of the present invention, there is an effect that the accuracy of the correction is greatly improved, and it is possible to fix it in a state that is maintained in the correct state very easily.
  • the fracture reduction robot system according to an aspect of the present invention has an effect that can significantly reduce the time required for fracture reduction.
  • the operation module has 6 degrees of freedom, and can be corrected in any direction and posture, for example, more accurate fracture reduction compared to other fracture reduction devices or apparatuses with low degrees of freedom. There is an effect that becomes possible.
  • the fracture reduction robot system has a structure in which the leg or arm of the patient penetrates the operation module and a plurality of variable legs that is an element for providing external force surrounds the leg or arm. Accordingly, it is possible to reduce the size and weight of the device (operation module) coupled with the patient's leg or arm during fracture reduction surgery, and to freely position the patient's leg or arm during fracture reduction surgery. have. In particular, even after the operation module is mounted on the arm or leg of the patient there is an advantage that the position of the patient and the operation module can be adjusted.
  • a user such as a medical staff has an effect that can operate the operation module in a very intuitive way. Accordingly, the user can more easily learn the manipulation technology of the operation module, and it has the effect of reducing the possibility of erroneous manipulation of the operation module.
  • the control module 200 by configuring the operation load providing unit, the radical displacement of the control module leg 230 by the user's mistake or interference from the outside to suppress the radical operation accordingly There is an effect that can prevent this from being input.
  • the control module may be configured as a very simple structure, and there is no need for forward kinematics and the like, so that signal processing may be simplified and error occurrence probability in the signal processing may be reduced. It can be effective.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a surgical situation for conventional minimally invasive fracture reduction.
  • Figure 2 is a diagram showing a surgical situation using a fracture reduction robot system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing the configuration of the fracture reduction robot system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view showing an operation module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a user control module 200 according to an embodiment of the present invention.
  • 6 is a plan view, front view and side view of the user control module 200.
  • FIG. 7 is a perspective view, front view and side view of a steering module leg 230 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a logical block diagram illustrating a control flow of the control module 300 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a surgical situation using a fracture reduction robot system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a view showing the configuration of a fracture reduction robot system according to an embodiment of the present invention. .
  • the C-ARM 10 is used to obtain a real-time X-ray image of a fracture portion of the arm or leg 1 of the patient, and the obtained real-time X-ray image is displayed on a display screen of the integrated operating device 400 or the like. Can be displayed.
  • the operation module 100 is mounted to the fracture portion of the arm or leg 1, the operation module 100 is coupled to each other and the bone pieces of the arm or leg 1 by the fixing means 140 (see Fig. 4) to be described later .
  • the operation module 100 is used to move the bone piece shifted from the correct position to the corrected position and to maintain the corrected state.
  • the user steering module 200 is a module that receives an operation for manipulating the operation module 100 from a user, for example, a medical team 20, and the operation module 100 is received from the user steering module 200. It operates in response to the operation.
  • the control module 300 performs a function of controlling the operation module 100 according to an input from the user steering module 200 between the user steering module 200 and the operation module 100. Calculation, feedback control and supply of drive current are performed.
  • the integrated operating device 400 is a device for integrated management of the fracture reduction robot system and fracture reduction surgery process.
  • the integrated operating device 400 manages the C-ARM 10, the control module 300, the user control module 200, and the operation module 100 and specifies initial states, operating states, operating states, and acquisition thereof. A function of reporting and displaying information may be performed.
  • the integrated operating apparatus 400 may be used to display a real-time X-ray image obtained by using the C-ARM 10 on the display, and the medical staff 20 may refer to the displayed real-time X-ray image by the user control module 200. ).
  • FIG. 4 is a perspective view showing an operation module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the operation module 100 includes a first frame 110, a second frame 120, a plurality of variable legs 130, and a fixing means 140.
  • the first frame 110 has a shape surrounding the arm or leg of the patient while the arm or leg of the patient penetrates
  • the second frame 120 is also in a position spaced apart from the first frame 110, also The arm or leg of the patient penetrates and has a shape surrounding the arm or leg of the patient.
  • the first frame 110 and the second frame 120 may have a shape of a substantially circular, oval or polygonal shape that surrounds the patient's arm or leg while having sufficient space to penetrate the patient's arm or leg, and the fixing means 140 And a shape that is easy to engage with the variable leg 110.
  • the first frame 110 and the second frame 120 form a skeleton of the operation module 100, the fixing means 140 is mounted and the variable leg 140 is coupled.
  • the first frame 110 and the second frame 120 may be coupled to the first sub-frames 111 and 121 and the second sub-frames 112 and 121, respectively, using bolts and nuts.
  • the first subframe 111 and 121 and the second subframe 112 and 121 are positioned at a fracture portion of the leg or arm without the operation module 100 being inserted from the end of the arm, that is, the foot or the hand. It can be assembled by being combined with each other.
  • variable leg 130 is supported by the first frame 110 and the other end is supported by the second frame 120, and the variable leg 130 and the first frame 110 or the second frame 120 are It may be coupled to each other using a universal joint 131 or a ball joint. Therefore, the angle where the variable leg 130 and the first frame 110 are coupled and the angle where the variable leg 130 and the second frame 120 are coupled may be varied.
  • variable leg 130 may have a variable length, and the variable leg 130 may include an actuator for varying the length of the variable leg 130 and an encoder for sensing the length or displacement of the variable leg 130. It is configured to include.
  • the actuator may be implemented as a motor embedded in the cylindrical column of the variable leg 130, the encoder may be integrally formed with the variable leg 130 or integrally with the motor described above.
  • a plurality of variable legs 130 are provided for each operation module 100, and in particular, it is preferable to implement six. Therefore, the relative position and attitude between the first frame 110 and the second frame 120 may have six degrees of freedom.
  • the first frame 110 may move in the x-axis direction, move in the y-axis direction, move in the z-axis direction, rotate around the x-axis, rotate around the y-axis, and z. It is possible to freely perform rotation about the axis and their combined movement and / or rotation.
  • the actuators provided in the plurality of variable legs 130 may be operated in parallel according to the control of the user control module 200, and the actuators provided in the plurality of variable legs 130 may be operated in parallel with the control of the user control module 200. According to the parallel operation of the move to the desired position and posture, it is moved while having a physical force enough to turn the shifted bones in place.
  • the actuator operates while being controlled according to the driving current provided from the control module 300, and the encoder provides the sensed length or displacement to the control module 300.
  • the fixing means 140 fixes the bone fragments of the arm or leg of the patient to the first frame 110 and the second frame 120, respectively, and the fixing means 140 is embedded in the bone fragments of the patient.
  • a pin 141 extending in the direction of the 110 or the second frame 120 and a jig 142 for fixing the pin 141 to the first frame 110 or the second frame 120.
  • one end of the pin 141 is inserted into the bone piece of the patient by using a screw formed at the tip of the pin 141, and the pin 141 is fixed to the bone piece by using the jig 142.
  • the other end of may be fixed to the first frame 110 or the second frame 120.
  • the posture correction method is maintained.
  • a metal nail or the like it is also possible to use the first frame 110, the second frame 120, and the fixing means 130 that constitute the fracture reduction robot system as it is.
  • the first frame 110, the second frame 120 and the fixing means 130 can be used as it is during the recovery period of the patient. 130 may be fixed instead of the position and the posture of the first frame 110 and the first frame 120 by using a separate variable leg that can be adjusted by the screw type.
  • the operation module 100 has a sufficient free space for X-rays to pass between the variable leg 130 and the variable leg 130, accordingly C- during the course of fracture reduction surgery Using the ARM 10 or the like, the fracture portion can be sufficiently observed.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating a user steering module 200 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a plan view, a front view, and a side view of the user steering module 200.
  • the user steering module 200 is a module that receives an operation for manipulating the operation module 100 from a user.
  • the actuators provided in the variable legs 130 of the operation module 100 operate in parallel, and the first frame of the operation module 100 ( The relative position and posture between the 110 and the second frame 120 are variable.
  • the user control module 200 may use any input device such as a general mouse, keyboard, or joystick, but the user control module 200 according to an embodiment of the present invention may be configured to model the operation module 100. Have a structure.
  • the user steering module 200 includes a first steering module frame 210, a second steering module frame 220, a steering module leg 230, an operating knob 240, and a guide bar 250. It may be configured to include).
  • the first steering module frame 210 corresponds to the first frame 110 of the operation module 100
  • the second steering module frame 220 is the second of the operation module 100.
  • the first steering module frame 210 and the second steering module frame 220 constitute a skeleton of the user steering module 200, and the plurality of steering module legs 230 and the operation knob 240 are coupled to each other.
  • the steering module leg 230 may correspond to the variable leg 130 of the operation module 100, and may be provided in plural and is preferably composed of six, so as to be identical to the operation module 100,
  • the position and attitude between the first steering module frame 210 and the second steering module frame 220 have six degrees of freedom.
  • Each of the steering module legs 230 is supported by the first steering module frame 210 and the other end of the steering module leg 230 is supported by the steering module leg 230 and the first steering module frame 210. ), And the steering module leg 230 and the second steering module frame 220 are coupled using something like a ball joint 234 or a universal joint.
  • a user such as a medical staff may manipulate a relative position and posture between the first control module frame 210 and the second control module frame 210 by hand.
  • a relative position or posture between the first steering module frame 210 and the second steering module frame 220 is changed by a user's manipulation, the length of the steering module leg 230 is changed.
  • the steering module leg 230 will be described later with reference to FIG. 6.
  • the operation knob 240 is used by the user to hold the user control module 200 and is coupled to the first control module frame 210 and the second control module frame 220, respectively.
  • a user's hand may hold the actuation knob 210 or between the actuation knob 210 and the first steering module frame 210 and between another actuation knob 210 and the second steering module frame 220.
  • the user control module 200 may be gripped in a sandwiched state.
  • the guide bar 250 spans between the steering module leg 230 and the neighboring steering module leg 230 so that the pins of the steering module leg 230 inserted into the grooves of the guide bar 250 may flow a certain distance. By doing so, it is possible to suppress the rotation (rotation) of the steering module leg 230 itself without disturbing the change in the length of the steering module leg 230.
  • FIG. 7 is a perspective view, front view and side view of a steering module leg 230 according to an embodiment of the present invention.
  • the steering module leg 230 includes encoders 231 and 232, operating load assignments 237 and 238, ball joint 234, scale plate 233, encoder leader plate 239, LM guide 235 and LM Block 236.
  • the encoders 231 and 232 sense varying lengths or displacements of the steering module leg 230, and the encoder leader plate attached to the scale plate 233 and the encoder scale 232 opposite the encoder scale 232. It can be configured as an encoder reader 231 installed at (239).
  • the steering module leg 230 is coupled to the first steering module frame 210 and the second steering module frame 220 by using a ball joint 234 or a universal joint provided at both ends, and the first steering module.
  • the engagement angle between the frame 210 and the steering module leg 230 or the engagement angle between the second steering module frame 220 and the steering module leg 230 may vary.
  • the operation load providing unit applies a load to a user's operation
  • the operation load providing unit includes an air cylinder 237 having a diaphragm or a plunger which is moved as the length of the steering module leg 230 is changed; And it may include an air flow control unit 238 for controlling the flow of air by the movement of the diaphragm or plunger.
  • the diaphragm or the plunger is used to push air, and the generated air flow is sucked or discharged through the nozzle of the air flow controller 238.
  • the nozzle of the air flow control unit 2308 it is possible to adjust the size of the load applied.
  • the LM guide 235 guides the LM block 236 so that the encoder leader plate 239 coupled to the LM guide 235 and the scale plate 233 coupled to the LM block 23 accurately space each other. You can do relative straight motion while keeping it.
  • the user steering module 200 by configuring the operation load providing unit, the user feels the operation load and the steering module leg 230 due to the user's mistake or interference from the outside. It is possible to suppress the radical displacement of) and thereby prevent the radical operation from being input.
  • FIG. 8 is a logical block diagram illustrating a control flow of the control module 300 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 It is obvious that the components of the block diagram shown in FIG. 8 may be implemented not only by dedicated hardware but also by a processor and a program of a computer.
  • the control module 300 illustrated in FIG. 8 performs a function of controlling the operation module 100 according to an input from the user steering module 200 and a command from the integrated operating device 400.
  • the control module 300 includes a feedback controller 310 corresponding to each variable leg 130, a MUX 340, 350, a forward kinematics 320, and an inverse kinematics 330, and some components thereof. Elements may be omitted, if necessary.
  • the feedback controller 310 receives a position command, which is a command for specifying the length or displacement of the variable leg 130, and a sensing signal sensing the length or displacement of the variable leg 130, for each variable leg 130. Outputs a drive current that reduces.
  • the feedback controller 310 receives a sensing signal that senses the length or the displacement of the variable leg 130 from an encoder provided in each variable leg 130, and is a command for specifying the length or the displacement of the variable leg 130. Receive a command.
  • the feedback controller 310 outputs a driving current for controlling the actuators of the variable legs 130 provided in the operation module 100.
  • the control loop 312 of the feedback control unit 310 implements a control algorithm for PID control or PIV control.
  • the current amplifier 311 receives a signal from the control loop 312 and performs an operation of the operation module 100. Output the drive current for the actuator.
  • the input from the integrated operating apparatus 400 is a command (end effector) relating to a relative position between the first frame 110 and the second frame 120 and passes through the inverse kinematics 330 through the feedback control unit 310.
  • This command may be a command that primarily specifies an initial position.
  • the MUX 340 and the MUX 350 may be controlled by a user input from the control from the integrated operating apparatus 400, the control module 300, or the user control module 200. ) May be selected.
  • the output from the user control module 200 may be configured to be directly input to the feedback controller 310 through the MUX 350 without passing through the forward kinematics 320 and the inverse kinematics 330.
  • the length or displacement of each control module leg 230 of the user steering module 200 is directly used as a position command for each variable leg 130 of the operation module 100.
  • Each variable leg 130 of the operation module 100 corresponds one-to-one with each steering module leg 230 of the user steering module 200, and the displacement of a particular steering module leg 230 is only applicable to the corresponding variable leg 130. Generates a corresponding displacement.
  • control module can be configured as a very simple structure, and there is no need for forward kinematics, so that signal processing can be simplified and the probability of error occurrence in the signal processing can be reduced.
  • the output from the user manipulation module 200 may be configured to be input to the feedback controller 310 via the forward kinematics 320 and the inverse kinematics 330.
  • the forward kinematics 320 receives the length or displacement of the steering module leg 230 from the steering module leg 230 and calculates an end effector from this length or displacement, whereas the inverse kinematics 330 is said end effector. Or a length or displacement to be designated for each of the variable legs 130 from the position command of the integrated operating device 400.
  • the length or displacement of the control module leg 230 may not correspond to the length or displacement of the variable leg 130 in one-to-one correspondence, and may be converted using the forward kinematics 320 and the inverse kinematics 330. You can construct a function.
  • first embodiment and the second embodiment are selectively implemented as one control module 300, the first embodiment or the second embodiment may be implemented exclusively.
  • MUX 340 and forward kinematics 320 may be omitted in a dedicated implementation of the first embodiment, and MXU 350 may be omitted in a dedicated implementation of the second embodiment.
  • the integrated operating apparatus 400 outputs a position command for the operation module 100 to be in an initial state to the control module 300, and accordingly, the control module 300 receives such a position (end effector) command.
  • the feedback loop 310 is input to each feedback control unit 310 corresponding to each variable leg 130 through the MUX 350, and the control loop 312 and the current amplifier 311 of each feedback control unit 310 are commanded positions ( Length or displacement) and an error in the current state, thereby maintaining each variable leg 130 of the operation module 100 as an initial state.
  • the integrated operating device 400 sends a position command to the initial state.
  • the integrated operating device 400 may also be used for executing an automatic operation calculated by the integrated operating device 400.
  • the integrated operating device 400 can be used to predict and execute the amount to be calibrated.
  • the integrated operating apparatus 400 executes Coase calibration, and may use the user control module 200 to execute Fine calibration.
  • the command regarding the initial state is provided by the integrated operating device 400, but the operation module 100 or the control device 300 may execute the command by a user's own judgment or a user's command input.
  • each of the control module legs 230 of the user control module 200 may be in an initial state by a command of the integrated operating device 400, by a user input of the user control module 200, or automatically. .
  • the bone fragment of the patient is fixed to the first frame 110 and the second frame 120 of the operation module 100 using the fixing means 140 of the operation module 100.
  • the pin 141 of the fixing means 140 may be driven into the bone piece using a drill, and then one end of the pin 141 may be fixed to the jig 142.
  • a real-time X-ray image of the fracture portion is obtained by using a real-time X-ray imaging apparatus such as C-ARM to be displayed on the screen of the integrated operating device 400.
  • the medical staff manipulates the user control module 200 while watching the display screen, accordingly, the encoder of each user control module 130 in the user control module 200 outputs a signal indicating the length or displacement, such
  • the length or displacement signal may be input to the feedback controller 310 after signal processing of the forward kinematics 320 and the inverse kinematics 330, or directly.
  • each feedback controller 310 operates to reduce the difference between the commanded position (length or displacement of each variable leg 130) and the current state, Accordingly, each variable leg 130 of the operation module 100 to be a commanded length or displacement.
  • the output from the encoder of each variable leg 130 as a current state is input to the feedback control unit 310 and calculates the difference between the input and the commanded position, and according to the calculated difference control loop 312 and the current amplifier ( 311 operates, and the output of the current amplifier 311 drives the actuator of the variable leg 130.
  • the bone is fixed by inserting a metal tablet into the bone marrow cavity through the thigh and inserting a screw from the side of the bone piece to the metal tablet, and fixing means. 140 and the operation module 100 may be removed.
  • the fracture reduction robot system of the present invention can correct bone fragments more quickly than by conventional manpower or other fracture reduction devices.
  • the correction time of the bone fragments performed while using the real-time X-ray imaging apparatus is very short, thereby reducing the radiation exposure time from the patient's point of view.
  • the conventional fracture reduction surgery has a problem that the accuracy of correction is poor because it proceeds by a method such as using a human attraction, and also has a lot of difficulties in maintaining and fixing the state after correction.
  • the fracture reduction robot system of the present invention there is an effect that the accuracy of the correction is greatly improved, and it is possible to be fixed very easily while maintaining the corrected state.
  • the conventional fracture reduction surgery takes a lot of time, the patient has a burden due to the length of anesthesia time and radiation exposure time, there was a problem such as prolongation of radiation exposure time and increase in cost as a medical staff or hospital.
  • the fracture reduction robot system of the present invention it is possible to significantly reduce the time required for fracture reduction, thereby greatly reducing the above problems.
  • the operation module and the user steering module have 6 degrees of freedom, and can be corrected in any direction and posture, for example, compared to other fracture reduction devices or mechanisms having lower degrees of freedom. Accurate fracture reduction is possible.
  • the fracture reduction robot system has a structure in which a leg or an arm of a patient passes through an operation module and a plurality of variable legs, which are elements for providing external force, surround the leg or arm. Accordingly, it is possible to reduce the size and weight of the device (operation module) coupled with the patient's leg or arm during fracture reduction surgery, and to freely position the patient's leg or arm during fracture reduction surgery. have. In particular, even after the operation module is mounted on the arm or leg of the patient there is an advantage that the position of the patient and the operation module can be adjusted.
  • the user control module 200 may use any input device such as a general mouse, keyboard, or joystick, but it is intuitive to control the operation module 100 of the present invention by using the above input device from the user's point of view. It may not be possible.
  • a user such as a medical staff has an effect that can be operated in a very intuitive manner. Accordingly, the user can more easily learn the manipulation technology of the operation module, and it has the effect of reducing the possibility of erroneous manipulation of the operation module.

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Abstract

A robot system for fracture reduction of the present invention, comprises: an operation module (100) comprising a first frame (100), a second frame (120) spaced apart from the first frame, and a plurality of variable legs (130) each having one end supported by the first frame and the other end supported by the second frame and having a variable length; and a user control module (200) for receiving, from a user, an input of an operation for controlling the operation module, wherein the plurality of variable legs (130) have an actuator for varying the length of each of the variable legs (130), and in response to the operation inputted in the user control module (200), the actuator, equipped in the plurality of variable legs (130), operates in parallel, and thus the relative position and posture between the first frame (110) and the second frame (120) are varied.

Description

골절 정복 로봇 시스템Fracture Conquest Robot System
본 발명은 환자의 팔 또는 다리 등이 골절된 경우 이를 정복(reduction)하는 데 이용하는 로봇 시스템에 관한 것으로서, 특히, 골절 정복을 위하여 환자의 팔 또는 다리가 관통되면서 상기 환자의 팔 또는 다리를 둘러싸는 형상을 가진 한 쌍의 프레임과, 양단이 상기 한 쌍의 프레임에 각각 지지되며 길이가 가변되는 복수의 가변 레그를 포함하는 오퍼레이션 모듈과, 사용자로부터 오퍼레이션 모듈을 조종하기 위한 조작을 입력받는 사용자 조종 모듈을 포함하여 구성되는 골절 정복 로봇 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a robotic system used to reduce a patient's arm or leg when fractured, and more particularly, to surround the patient's arm or leg while penetrating the patient's arm or leg for fracture reduction. An operation module including a pair of frames having a shape, a plurality of variable legs whose ends are supported by the pair of frames, respectively, and whose lengths are variable, and a user control module which receives an operation for manipulating the operation module from a user It relates to a fracture reduction robot system configured to include.
도 1은 종래의 최소 침습 골절 정복을 위한 수술 상황을 모시적으로 도시한 도면이다.1 is a diagram schematically illustrating a surgical situation for conventional minimally invasive fracture reduction.
최소 침습 골절 정복 수술은 환자에 대한 절개 등을 최소화하는 골절 정복 수술로서, 이와 같은 골절 정복 수술에서는 C-ARM(10)과 같은 실시간 엑스선 촬영 장비를 이용하여 어긋한 뼈를 제자리로 돌리는 교정을 수행하고 교정 상태에서 골수강내 금속정을 삽입하는 것 등에 의해 교정된 골편들을 고정한다.Minimally invasive fracture reduction surgery is a fracture reduction operation that minimizes the incision to the patient, and in such fracture reduction surgery, a correction is performed to return the missing bone using a real-time X-ray equipment such as C-ARM (10). And fix the corrected bone fragments by inserting an intramedullary nail in the orthodontic state.
이와 같은 골정 정복 수술 과정에서는 C-ARM(10)의 엑스선 소스와 2차원 센서 사이에 환자의 골절 부분이 위치한 상태로 실시간 엑스선 영상이 획득되며 의사(20)는 이러한 실시간 엑스선 영상을 보면서 골절 정복 수술을 진행한다.In this bone reduction operation, real-time X-ray images are acquired with the fracture part of the patient located between the X-ray source of the C-ARM 10 and the 2D sensor, and the doctor 20 performs the fracture reduction surgery while viewing the real-time X-ray image. Proceed.
특히, 뼈의 골절 부분은 피부로부터 깊숙한 내측에 위치하므로 뼈의 골절 상태, 정복 과정 및 정복에 따른 교합 상태 등을 육안으로 확인하기가 곤란하므로, C-ARM과 같은 실시간 엑스선 영상 장비의 도움을 받아 골절 정복 수술을 진행하는 것이 일반적이다.In particular, since the fractured part of the bone is located deep inside the skin, it is difficult to visually check the fracture status of the bone, the conquest process and the occlusion according to the conquest, and with the help of real-time X-ray imaging equipment such as C-ARM It is common to undergo fracture reduction surgery.
그런데, C-ARM과 같은 엑스선 영상 장비는 실시간 영상을 얻기 위하여 엑스선의 지속적인 조사가 필요하므로, 환자 및 의료진(20) 등에 대한 피폭량이 스틸 영상을 얻는 다른 엑스선 장비에 비하여 현저히 높다. 특히, 골절 정복 수술을 반복적으로 수행하는 의료진으로서는 방사능 피폭의 위험성이 큰 문제가 된다.However, since X-ray imaging equipment such as C-ARM requires continuous irradiation of X-rays to obtain real-time images, the exposure to patients and medical staff 20 is significantly higher than that of other X-ray equipment for obtaining still images. In particular, as a medical staff who repeatedly perform a fracture reduction operation, there is a great risk of radiation exposure.
또한, 뼈에는 각종 근육이 연결되어 있으므로 골절된 뼈의 정복을 위해서는 큰 힘이 필요하고, 이에 따라 여러 명의 의료진(20)이 서로 협력하여 수술을 진행하는 것이 일반적이다. 골절 정복 수술을 진행하기 위해서는 많은 수의 의료진이 필요한 문제가 있으며 이는 수술 비용 등을 상승시키는 요인으로 작용하게 된다.In addition, the bone is connected to a variety of muscles, so a great power is required for the conquest of the fractured bone, accordingly, it is common for several medical staff 20 to operate in cooperation with each other. There is a problem that requires a large number of medical staff in order to proceed with fracture reduction surgery, which will increase the cost of surgery.
또한, 어긋난 뼈의 교정이 의료진의 인력에 의해 수행되고 난 후, 골수강내에 금속정을 삽입하는 등의 방법으로 교정 상태를 고착화하기까지 교정 상태를 정확히 유지하기가 쉽지 않으며, 이러한 이유 등으로 인해 부정확한 골절 정복이 될 가능성이 상존하는 문제점이 있다.In addition, it is difficult to maintain the corrected state until the fixation state is corrected by inserting a metal nail into the bone marrow after the correction of the displaced bone by a medical staff. There is a problem that there is a possibility of inaccurate fracture reduction.
상기한 종래 기술의 문제점 및 과제에 대한 인식은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이 아니므로 이러한 인식을 기반으로 선행기술들과 대비한 본 발명의 진보성을 판단하여서는 아니됨을 밝혀둔다.Recognition of the problems and problems of the prior art described above is not obvious to those of ordinary skill in the art of the present invention and should not judge the progress of the present invention compared to the prior art based on such recognition. Reveal.
본 발명의 목적은 골절 정복 수술시 의료진 등에 대한 방사능 피폭의 문제를 감소시킬 수 있는 골절 정복 로봇 시스템을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide a fracture reduction robot system that can reduce the problem of radiation exposure to medical staff during fracture reduction surgery.
또한 본 발명의 목적은 골절 정복 수술시 많은 수의 의료진이 필요한 문제를 해결할 수 있는 골절 정복 로봇 시스템을 제공하기 위한 것이다.It is also an object of the present invention to provide a fracture reduction robot system that can solve the problem that a large number of medical staff during fracture reduction surgery.
또한 본 발명의 목적은 골절 정복 수술의 정확성을 향상시킬 수 있는 골절 정복 로봇 시스템을 제공하기 위한 것이다.It is also an object of the present invention to provide a fracture reduction robot system that can improve the accuracy of fracture reduction surgery.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned above will be clearly understood by those skilled in the art from the following description. Could be.
본 발명의 일 양상에 따른 골절 정복 로봇 시스템은, 환자의 팔 또는 다리가 관통되면서 상기 환자의 팔 또는 다리를 둘러싸는 형상을 가진 제 1 프레임(110)과, 상기 환자의 팔 또는 다리가 관통되면서 상기 환자의 팔 또는 다리를 둘러싸는 형상을 가지며 상기 제 1 프레임과는 서로 이격되어 있는 제 2 프레임(120)과, 각각 일단이 상기 제 1 프레임에 지지되고 타단이 상기 제 2 프레임에 지지되며 길이가 가변되는 복수의 가변 레그(130)를 포함하여 구성되는 오퍼레이션 모듈(100); 및 사용자로부터 상기 오퍼레이션 모듈을 조종하기 위한 조작을 입력받는 사용자 조종 모듈(200);을 포함하여 구성되며,Fracture reduction robot system according to an aspect of the present invention, while the arm or leg of the patient penetrates the first frame 110 having a shape surrounding the arm or leg of the patient, while the arm or leg of the patient penetrates A second frame 120 having a shape surrounding the arm or leg of the patient and spaced apart from the first frame, one end of which is supported by the first frame and the other end of which is supported by the second frame An operation module 100 including a plurality of variable legs 130 which are variable; And a user steering module 200 which receives an operation for manipulating the operation module from a user.
상기 오퍼레이션 모듈(100)은 상기 환자의 팔 또는 다리의 골편을 상기 제 1 프레임(110) 및 상기 제 1 프레임(120)에 각각 고정하는 고정 수단(140)을 구비하며, 상기 복수의 가변 레그(130)는 각각 상기 가변 레그(130)의 길이를 가변하기 하기 위한 액츄에이터를 구비하며, 상기 사용자 조종 모듈(200)에서 입력받은 조작에 응답해서, 상기 복수의 가변 레그(130)에 구비된 액츄에이터가 병렬 동작하고 상기 제 1 프레임(110) 및 상기 제 2 프레임(120) 사이의 상대적인 위치 및 자세가 가변되는 것을 특징으로 한다.The operation module 100 has fixing means 140 for fixing the bone fragments of the arm or leg of the patient to the first frame 110 and the first frame 120, respectively, the plurality of variable legs ( 130 is provided with an actuator for varying the length of the variable leg 130, respectively, in response to the operation received from the user control module 200, the actuators provided in the plurality of variable legs 130 In parallel operation, the relative position and posture between the first frame 110 and the second frame 120 are variable.
또한, 상기 가변 레그는 6 개이며 상기 제 1 프레임(110) 및 상기 제 2 프레임(120) 사이의 상대적인 위치 및 자세는 6 자유도를 가지는 것을 특징으로 한다.In addition, the variable legs are six and the relative position and posture between the first frame 110 and the second frame 120 has six degrees of freedom.
또한, 상기 고정 수단(140)은, 상기 환자의 골편에 박힌 상태에서 상기 제 1 프레임(110) 또는 상기 제 2 프레임(120)의 방향으로 연장되는 핀(141)과, 상기 핀(141)을 상기 제 1 프레임(110) 또는 상기 제 2 프레임(120)에 고정하는 지그(142)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the fixing means 140, the pin 141 extending in the direction of the first frame 110 or the second frame 120 in the state of being embedded in the bone piece of the patient, and the pin 141 And a jig 142 fixed to the first frame 110 or the second frame 120.
또한, 적어도 상기 제 1 프레임(110), 상기 제 2 프레임(120) 및 상기 고정 수단(130)은 골절 정복의 수술후에도 이용되는 것을 특징으로 한다.In addition, at least the first frame 110, the second frame 120 and the fixing means 130 is used after the operation of fracture reduction.
또한, 상기 사용자 조종 모듈(200)은 상기 오퍼레이션 모듈(100)을 모델링한 구조를 가진 것을 특징으로 한다.In addition, the user control module 200 has a structure that models the operation module 100.
또한, 상기 복수의 가변 레그(130)는, 양단에 구비되는 유니버셜 조인트 또는 볼 조인트를 이용하여 각각 상기 제 1 프레임(110) 및 상기 제 2 프레임(120)과 결합하는 것을 특징으로 한다.The variable legs 130 may be coupled to the first frame 110 and the second frame 120 by using universal joints or ball joints provided at both ends thereof.
또한, 상기 사용자 조종 모듈(200)은, 상기 제 1 프레임(110)에 대응하는 제 1 조종 모듈 프레임(210)과, 상기 제 2 프레임에 대응하며 상기 제 1 조종 모듈 프레임(210)과는 서로 이격되어 있는 제 2 조종 모듈 프레임(220)과, 각각 일단이 상기 제 1 조종 모듈 프레임(210)에 지지되고 타단이 상기 제 2 조종 모듈 프레임(220)에 지지되며, 상기 사용자의 조작에 의해 상기 제 1 조종 모듈 프레임(210)과 상기 제 2 조종 모듈 프레임(220) 사이의 상대적인 위치 또는 자세가 가변됨에 따라 길이가 가변되는 복수의 조종 모듈 레그(230)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the user steering module 200 may correspond to the first steering module frame 210 corresponding to the first frame 110 and the first steering module frame 210 corresponding to the second frame. The second control module frame 220 spaced apart from each other, one end of which is supported by the first control module frame 210 and the other end of which is supported by the second control module frame 220, It is characterized in that it comprises a plurality of control module legs 230 is changed in length as the relative position or posture between the first control module frame 210 and the second control module frame 220 is variable.
또한, 상기 조종 모듈 레그(230)는, 상기 조종 모듈 레그(230)의 가변되는 길이 또는 변위를 센싱하는 엔코더를 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, the steering module leg 230 is characterized in that it comprises an encoder for sensing the variable length or displacement of the steering module leg 230.
또한, 상기 조종 모듈 레그(230)는, 양단에 구비되는 유니버셜 조인트 또는 볼 조인트를 이용하여 각각 상기 제 1 조종 모듈 프레임(210) 및 상기 제 2 조종 모듈 프레임(220)과 결합하는 것을 특징으로 한다.In addition, the steering module leg 230 is coupled to the first steering module frame 210 and the second steering module frame 220 by using a universal joint or a ball joint provided at both ends, respectively. .
또한, 상기 조종 모듈 레그(230)는, 상기 사용자의 조작에 대하여 부하를 부여하는 조작 부하 부여부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, the steering module leg 230, an operation load providing unit for applying a load to the operation of the user; characterized in that it comprises a.
또한, 상기 조작 부하 부여부는, 상기 조종 모듈 레그(230)의 길이가 가변됨에 따라 이동되는 격막 또는 플런저를 내장한 에어 실린더(237); 및 상기 격막 또는 플런저의 이동에 의한 공기의 흐름을 제어하는 에어 플로우 조절부(238);를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the operation load applying unit, the air cylinder 237 containing a diaphragm or plunger that is moved as the length of the control module leg 230 is changed; And an air flow controller 238 for controlling the flow of air due to the movement of the diaphragm or the plunger.
또한, 상기 사용자가 상기 사용자 조종 모듈(200)을 파지하기 위하여 이용되며, 상기 제 1 조종 모듈 프레임(210) 및 상기 제 2 조종 모듈 프레임(220)에 각각 결합되는 작동 노브(240);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, an operation knob 240 used by the user to hold the user steering module 200 and coupled to the first steering module frame 210 and the second steering module frame 220, respectively; It is characterized by including.
또한, 상기 사용자 조종 모듈(200)로부터의 입력에 따라 상기 오퍼레이션 모듈(100)을 제어하는 제어 모듈(300);을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the control module 300 for controlling the operation module 100 according to the input from the user control module 200; characterized in that it further comprises.
또한, 상기 제어 모듈(300)은, 각 가변 레그(130)별로, 상기 가변 레그(130)의 길이 또는 변위를 지정하는 명령인 위치 명령과 상기 가변 레그(130)의 길이 또는 변위를 센싱한 센싱 신호를 입력받고 그 차이를 감소시키는 구동 전류를 출력하는 피드백 제어부(310);를 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, the control module 300 senses the position command, which is a command for designating the length or the displacement of the variable leg 130, and the length or the displacement of the variable leg 130 for each variable leg 130. And a feedback controller 310 for receiving a signal and outputting a driving current for reducing the difference.
또한, 상기 제어 모듈(300)은, 상기 조종 모듈 레그(230)의 길이 또는 변위로부터 엔드 이펙터를 산출하는 포워드 키네마틱스(320); 상기 엔드 인펙터로부터 상기 가변 레그(130)의 각각에 대하여 지정될 길이 또는 변위를 산출하는 인버스 키네마틱스(330);을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the control module 300, a forward kinematics (320) for calculating an end effector from the length or displacement of the steering module leg 230; And an inverse kinematics 330 that calculates a length or displacement to be specified for each of the variable legs 130 from the end effector.
본 발명의 일 양상에 따르면 의료진이 직접 교정을 위하여 다리 또는 팔에 인력을 가할 필요가 없고, 본 발명의 사용자 조종 장치를 이용하여 원격에서 본 발명의 오퍼레이션 모듈을 조종하면 되므로, 의료진에 대한 방사능 피폭의 위험성을 원천적으로 제거하거나 저감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 종래 인력에 의한 것이나 혹은 다른 골절 정복 방법에 비하여 본 발명의 골절 정복 로봇 시스템은 보다 신속하게 골편들은 교정할 수 있다. 특히, 실시간 엑스선 영상 장치를 이용하면서 수행하는 골편의 교정 시간이 매우 짧게 되며, 이에 따라 환자의 입장에서도 방사능 피폭 시간이 대폭 감소되는 효과가 있다.According to an aspect of the present invention, since the medical staff does not need to apply a manpower to the leg or arm for direct correction, and the remote control operation module of the present invention using the user control device of the present invention, the radiation exposure to the medical staff There is an effect that can eliminate or reduce the risk of the source. In addition, the fracture reduction robot system of the present invention can correct bone fragments more quickly than by conventional manpower or other fracture reduction methods. In particular, the correction time of the bone fragments performed while using the real-time X-ray imaging apparatus is very short, thereby reducing the radiation exposure time from the patient's point of view.
또한, 본 발명의 일 양상에 따른 골절 정복 로봇 시스템에 따르면 환자의 팔 또는 다리를 인력으로 교정하지 않으므로, 필요한 의료진의 숫자를 대폭 줄일 수 있는 효과가 있다. 본 발명의 일 양상에 따른 골절 정복 로봇 시스템에 따르면, 교정의 정확성이 대폭 향상되는 효과가 있으며 또한 교정 상태를 그대로 유지한 상태에서 고정하는 것이 매우 손쉽게 가능하게 되는 효과가 있다.In addition, according to the fracture reduction robot system according to an aspect of the present invention, since the arm or leg of the patient is not calibrated by manpower, there is an effect that can significantly reduce the number of medical staff required. According to the fracture reduction robot system according to an aspect of the present invention, there is an effect that the accuracy of the correction is greatly improved, and it is possible to fix it in a state that is maintained in the correct state very easily.
또한, 본 발명의 일 양상에 따른 골절 정복 로봇 시스템은 골절 정복에 소요되는 시간을 대폭 줄일 수 있는 효과가 있다. 그리고 본 발명의 일 양상에 따른 골절 정복 로봇 시스템에서 오퍼레이션 모듈은 6 자유도를 가진 것으로서, 여하한 방향 및 자세로의 교정도 가능하므로 가령 자유도가 낮은 다른 골절 정복용 장치 또는 기구에 비하여 보다 정확한 골절 정복이 가능하게 되는 효과가 있다.In addition, the fracture reduction robot system according to an aspect of the present invention has an effect that can significantly reduce the time required for fracture reduction. And in the fracture reduction robot system according to an aspect of the present invention, the operation module has 6 degrees of freedom, and can be corrected in any direction and posture, for example, more accurate fracture reduction compared to other fracture reduction devices or apparatuses with low degrees of freedom. There is an effect that becomes possible.
또한, 본 발명의 일 양상에 따른 골절 정복 로봇 시스템에서는 환자의 다리 또는 팔이 오퍼레이션 모듈을 관통하고 외력 제공을 위한 요소인 복수의 가변 레그가 다리 또는 팔의 주위를 둘러싸는 구조를 가지고 있다. 이에 따라 골절 정복 수술시 환자의 다리 또는 팔과 결합되는 장치(오퍼레이션 모듈)의 크기 및 무게를 작게 할 수 있으며, 골절 정복 수술시 환자의 다리 또는 팔이 취할 수 있는 포지션을 자유롭게 할 수 있는 효과가 있다. 특히 환자의 팔 또는 다리에 오퍼레이션 모듈을 장착한 이후에도 환자 및 오퍼레이션 모듈의 포지션을 조정할 수 있는 장점이 있다.In addition, the fracture reduction robot system according to an aspect of the present invention has a structure in which the leg or arm of the patient penetrates the operation module and a plurality of variable legs that is an element for providing external force surrounds the leg or arm. Accordingly, it is possible to reduce the size and weight of the device (operation module) coupled with the patient's leg or arm during fracture reduction surgery, and to freely position the patient's leg or arm during fracture reduction surgery. have. In particular, even after the operation module is mounted on the arm or leg of the patient there is an advantage that the position of the patient and the operation module can be adjusted.
또한, 본 발명의 일 양상에 따른 골절 정복 로봇 시스템에서는 환자의 다리 또는 팔을 둘러싸는 복수의 가변 레그가 병렬로 협력하여 동작하는 것이므로, 각 가변 레그가 낼 수 있는 최대의 힘을 초과하여 큰 힘으로 교정할 수 있는 효과가 있다.In addition, in the fracture reduction robot system according to an aspect of the present invention, because a plurality of variable legs surrounding the leg or arm of the patient is operated in parallel, a large force exceeding the maximum force that each variable leg can produce There is an effect that can be corrected.
또한, 본 발명의 일 양상에 따른 사용자 조종 모듈(100)을 이용함으로써, 의료진과 같은 사용자는 매우 직관적인 방법으로 오퍼레이션 모듈을 조종할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 사용자로서는 오퍼레이션 모듈의 조종 기술을 보다 쉽게 습득할 수 있으며, 오페레이션 모듈에 대한 잘못된 조종의 가능성을 저감하는 효과가 있다.In addition, by using the user control module 100 according to an aspect of the present invention, a user such as a medical staff has an effect that can operate the operation module in a very intuitive way. Accordingly, the user can more easily learn the manipulation technology of the operation module, and it has the effect of reducing the possibility of erroneous manipulation of the operation module.
또한, 본 발명의 일 양상에 따른 사용자 조종 모듈(200)에서는 조작 부하 부여부를 구성함으써, 사용자의 실수 또는 외부로부터의 방해에 의해서 조종 모듈 레그(230)의 과격한 변위를 억제하며 이에 따라 과격한 조작이 입력되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. 본 발명의 일 양상에 따른 실시 모드 또는 실시 형태에서는 매우 간단한 구조로서 제어 모듈을 구성할 수 있으며 포워드 키네마틱스 등이 필요 없고 그 만큼 신호 처리가 간단해지며 신호 처리 과정에서의 에러 발생 확률을 저감시킬 수 있는 효과가 있다. 본 발명의 일 양상에 따른 다른 실시 모드 또는 실시 형태에서는 센싱되는 조종 모듈 레그(230)의 길이 또는 변위와 구동할 가변 레그(130)의 길이 또는 변위 사이에 일대일의 선형 변환 및 비선형 변환과 다대다의 선형 변환 및 비선형 변환 등 다양한 변환을 구현할 수 있는 효과가 있다.In addition, in the user control module 200 according to an aspect of the present invention by configuring the operation load providing unit, the radical displacement of the control module leg 230 by the user's mistake or interference from the outside to suppress the radical operation accordingly There is an effect that can prevent this from being input. In the embodiment or the embodiment according to the aspect of the present invention, the control module may be configured as a very simple structure, and there is no need for forward kinematics and the like, so that signal processing may be simplified and error occurrence probability in the signal processing may be reduced. It can be effective. In another embodiment or embodiment in accordance with an aspect of the present invention, there is many to one-to-one linear and nonlinear transformations between the length or displacement of the sensing module leg 230 to be sensed and the length or displacement of the variable leg 130 to drive. It is effective to implement various transformations such as linear transformation and nonlinear transformation of.
도 1은 종래의 최소 침습 골절 정복을 위한 수술 상황을 모시적으로 도시한 도면이다.1 is a diagram schematically illustrating a surgical situation for conventional minimally invasive fracture reduction.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 골절 정복 로봇 시스템을 이용한 수술 상황을 모시적으로 도시한 도면이다.Figure 2 is a diagram showing a surgical situation using a fracture reduction robot system according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 골절 정복 로봇 시스템의 구성을 도시한 도면이다.3 is a view showing the configuration of the fracture reduction robot system according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오퍼레이션 모듈(100)을 도시한 사시도이다.4 is a perspective view showing an operation module 100 according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 조종 모듈(200)을 도시한 사시도이다.5 is a perspective view showing a user control module 200 according to an embodiment of the present invention.
도 6은 상기 사용자 조종 모듈(200)의 평면도, 정면도 및 측면도를 도시한 도면이다.6 is a plan view, front view and side view of the user control module 200.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조종 모듈 레그(230)를 도시한 사시도, 정면도 및 측면도이다.7 is a perspective view, front view and side view of a steering module leg 230 according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모듈(300)의 제어 흐름을 예시적으로 보여주는 논리적인 블럭도이다.8 is a logical block diagram illustrating a control flow of the control module 300 according to an embodiment of the present invention.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 명칭 및 도면 부호를 사용한다.DETAILED DESCRIPTION Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals refer to like parts throughout the specification.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 골절 정복 로봇 시스템을 이용한 수술 상황을 모시적으로 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 골절 정복 로봇 시스템의 구성을 도시한 도면이다.2 is a view showing a surgical situation using a fracture reduction robot system according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a view showing the configuration of a fracture reduction robot system according to an embodiment of the present invention. .
종래와 같이 C-ARM(10) 등은 환자의 팔 또는 다리(1)의 골절 부분에 대한 실시간 엑스선 영상을 얻기 위하여 사용되며, 획득된 실시간 엑스선 영상은 통합 운영 장치(400) 등의 디스플레이 화면에 표시될 수 있다.As conventionally, the C-ARM 10 is used to obtain a real-time X-ray image of a fracture portion of the arm or leg 1 of the patient, and the obtained real-time X-ray image is displayed on a display screen of the integrated operating device 400 or the like. Can be displayed.
오퍼레이션 모듈(100)은 팔 또는 다리(1)의 골절 부분에 장착되되, 후술할 고정 수단(140; 도 4 참조)에 의해서 오퍼레이션 모듈(100)은 팔 또는 다리(1)의 골편과 서로 결합된다. 오퍼레이션 모듈(100)은 정위치에서 어긋난 골편에 힘을 가해서 교정 위치로 이동시키기 위해, 또한 교정 상태를 유지하기 위해서 이용된다.The operation module 100 is mounted to the fracture portion of the arm or leg 1, the operation module 100 is coupled to each other and the bone pieces of the arm or leg 1 by the fixing means 140 (see Fig. 4) to be described later . The operation module 100 is used to move the bone piece shifted from the correct position to the corrected position and to maintain the corrected state.
사용자 조종 모듈(200)은 사용자, 예를 들면 의료진(20)로부터 오퍼레이션 모듈(100)을 조종하기 위한 조작을 입력받는 모듈로서, 상기한 오퍼레이션 모듈(100)은 사용자 조종 모듈(200)에서 입력받은 조작에 응답해서 동작한다.The user steering module 200 is a module that receives an operation for manipulating the operation module 100 from a user, for example, a medical team 20, and the operation module 100 is received from the user steering module 200. It operates in response to the operation.
제어 모듈(300)은 사용자 조종 모듈(200)과 오퍼레이션 모듈(100)의 사이에서, 사용자 조종 모듈(200)로부터의 입력에 따라 오퍼레이션 모듈(100)을 제어하는 기능을 수행하며, 특히 신호 처리, 연산, 피드백 제어 및 구동 전류의 공급 등을 수행한다.The control module 300 performs a function of controlling the operation module 100 according to an input from the user steering module 200 between the user steering module 200 and the operation module 100. Calculation, feedback control and supply of drive current are performed.
통합 운영 장치(400)는 골절 정복 로봇 시스템 및 골절 정복 수술 과정을 통합적으로 관리 운영하기 위한 장치이다. 통합 운영 장치(400)는 C-ARM(10), 제어 모듈(300), 사용자 조종 모듈(200) 및 오퍼레이션 모듈(100)을 관리하고 초기 상태를 지정하며, 이들의 운영 상태, 동작 상태 및 획득 정보 등을 보고받고 표시하는 등의 기능을 수행할 수 있다. 또한, 통합 운영 장치(400)는 C-ARM(10)을 이용하여 획득된 실시간 엑스선 영상을 디스플레이에 표시하는 데 사용될 수 있으며, 표시된 실시간 엑스선 영상을 참조하여 의료진(20)은 사용자 조종 모듈(200)을 조작한다.The integrated operating device 400 is a device for integrated management of the fracture reduction robot system and fracture reduction surgery process. The integrated operating device 400 manages the C-ARM 10, the control module 300, the user control module 200, and the operation module 100 and specifies initial states, operating states, operating states, and acquisition thereof. A function of reporting and displaying information may be performed. In addition, the integrated operating apparatus 400 may be used to display a real-time X-ray image obtained by using the C-ARM 10 on the display, and the medical staff 20 may refer to the displayed real-time X-ray image by the user control module 200. ).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오퍼레이션 모듈(100)을 도시한 사시도이다.4 is a perspective view showing an operation module 100 according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 오퍼레이션 모듈(100)은 제 1 프레임(110), 제 2 프레임(120), 복수의 가변 레그(130) 및 고정 수단(140)을 포함하여 구성된다.The operation module 100 according to an embodiment of the present invention includes a first frame 110, a second frame 120, a plurality of variable legs 130, and a fixing means 140.
제 1 프레임(110)은 환자의 팔 또는 다리가 관통되면서 환자의 팔 또는 다리를 둘러싸는 형상을 가지며, 제 2 프레임(120)은 제 1 프레임(110)과는 서로 이격되어 있는 위치에서, 역시 환자의 팔 또는 다리가 관통되면서 환자의 팔 또는 다리를 둘러싸는 형상을 가진다. 제 1 프레임(110) 및 제 2 프레임(120)은 환자의 팔 또는 다리가 관통될 수 있는 충분한 공간을 가지면서 이를 둘러싸는 대략 원형, 타원형 또는 다각형 등의 형상을 가질 수 있으며, 고정 수단(140) 및 가변 레그(110)와 결합하기 용이한 형상이면 더욱 좋다.The first frame 110 has a shape surrounding the arm or leg of the patient while the arm or leg of the patient penetrates, the second frame 120 is also in a position spaced apart from the first frame 110, also The arm or leg of the patient penetrates and has a shape surrounding the arm or leg of the patient. The first frame 110 and the second frame 120 may have a shape of a substantially circular, oval or polygonal shape that surrounds the patient's arm or leg while having sufficient space to penetrate the patient's arm or leg, and the fixing means 140 And a shape that is easy to engage with the variable leg 110.
제 1 프레임(110) 및 제 2 프레임(120)은 오퍼레이션 모듈(100)의 골격을 이루며, 고정 수단(140)이 탑재되고 가변 레그(140)가 결합된다. 제 1 프레임(110) 및 제 2 프레임(120)은 각각 제 1 서브 프레임(111, 121)과 제 2 서브 프레임(112,121)이 볼트 및 너트 등을 이용하여 결합될 수 있으며, 이에 따라 환자의 다리 또는 팔의 말단, 즉 발 또는 손으로부터 오퍼레이션 모듈(100)을 끼우지 않고 제 1 서브 프레임(111, 121)과 제 2 서브 프레임(112,121)이 서로 분리된 상태에서 다리 또는 팔의 골절 부분에 위치시키고 서로 결합되도록 하여 조립할 수 있게 된다.The first frame 110 and the second frame 120 form a skeleton of the operation module 100, the fixing means 140 is mounted and the variable leg 140 is coupled. The first frame 110 and the second frame 120 may be coupled to the first sub-frames 111 and 121 and the second sub-frames 112 and 121, respectively, using bolts and nuts. Alternatively, the first subframe 111 and 121 and the second subframe 112 and 121 are positioned at a fracture portion of the leg or arm without the operation module 100 being inserted from the end of the arm, that is, the foot or the hand. It can be assembled by being combined with each other.
가변 레그(130)는 일단이 제 1 프레임(110)에 지지되고 타단이 제 2 프레임(120)에 지지되는 것으로서, 가변 레그(130)와 제 1 프레임(110) 또는 제 2 프레임(120)은 유니버셜 조인트(131) 또는 볼 조인트 등을 이용하여 서로 결합될 수 있다. 따라서 가변 레그(130)와 제 1 프레임(110)이 결합하는 각도와 가변 레그(130)와 제 2 프레임(120)이 결합하는 각도는 가변될 수 있다.One end of the variable leg 130 is supported by the first frame 110 and the other end is supported by the second frame 120, and the variable leg 130 and the first frame 110 or the second frame 120 are It may be coupled to each other using a universal joint 131 or a ball joint. Therefore, the angle where the variable leg 130 and the first frame 110 are coupled and the angle where the variable leg 130 and the second frame 120 are coupled may be varied.
가변 레그(130)는 그 길이가 가변될 수 있는 것으로서, 가변 레그(130)는 가변 레그(130)의 길이를 가변하기 하기 위한 액츄에이터와 가변 레그(130)의 길이 또는 변위를 센싱하기 위한 엔코더를 포함하여 구성된다. 예를 들어, 액츄에이터는 가변 레그(130)의 원통형 기둥속에 내장되는 모터로 구현될 수 있으며, 엔코더는 상기한 모터와 일체로 또는 별도로 가변 레그(130)에 일체로 구성될 수 있다.The variable leg 130 may have a variable length, and the variable leg 130 may include an actuator for varying the length of the variable leg 130 and an encoder for sensing the length or displacement of the variable leg 130. It is configured to include. For example, the actuator may be implemented as a motor embedded in the cylindrical column of the variable leg 130, the encoder may be integrally formed with the variable leg 130 or integrally with the motor described above.
가변 레그(130)는 오퍼레이션 모듈(100)마다 복수개 구비되며, 특히 6 개로 구현되는 것이 선호된다. 따라서 제 1 프레임(110) 및 제 2 프레임(120) 사이의 상대적인 위치 및 자세는 6 자유도를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 2 프레임(120)에 대하여 제 1 프레임(110)은 x축 방향의 이동, y축 방향의 이동, z축 방향의 이동, x축 중심의 회전, y축 중심의 회전 및 z축 중심의 회전과 이들의 복합적인 이동 및/또는 회전을 자유롭게 수행하는 것이 가능하다. 사용자 조종 모듈(200)의 조종에 따라 복수의 가변 레그(130)에 구비된 액츄에이터는 병렬로 동작할 수 있으며, 사용자 조종 모듈(200)의 조종에 따라 복수의 가변 레그(130)에 구비된 액츄에이터의 병렬 동작에 따라 원하는 위치 및 자세로 이동되되, 어긋한 골편을 제자리도 돌릴 수 있을 정도의 물리력을 가지면서 이동된다.A plurality of variable legs 130 are provided for each operation module 100, and in particular, it is preferable to implement six. Therefore, the relative position and attitude between the first frame 110 and the second frame 120 may have six degrees of freedom. For example, with respect to the second frame 120, the first frame 110 may move in the x-axis direction, move in the y-axis direction, move in the z-axis direction, rotate around the x-axis, rotate around the y-axis, and z. It is possible to freely perform rotation about the axis and their combined movement and / or rotation. The actuators provided in the plurality of variable legs 130 may be operated in parallel according to the control of the user control module 200, and the actuators provided in the plurality of variable legs 130 may be operated in parallel with the control of the user control module 200. According to the parallel operation of the move to the desired position and posture, it is moved while having a physical force enough to turn the shifted bones in place.
액츄에이터는 제어 모듈(300)로부터 제공되는 구동 전류에 따라 제어되면서 동작하며, 엔코더는 센싱한 길이 또는 변위를 제어 모듈(300)로 제공한다. The actuator operates while being controlled according to the driving current provided from the control module 300, and the encoder provides the sensed length or displacement to the control module 300.
그리고 고정 수단(140)은 환자의 팔 또는 다리의 골편을 제 1 프레임(110) 및 제 2 프레임(120)에 각각 고정하며, 고정 수단(140)은 환자의 골편에 박힌 상태에서 제 1 프레임(110) 또는 제 2 프레임(120)의 방향으로 연장되는 핀(141)과, 상기 핀(141)을 제 1 프레임(110) 또는 제 2 프레임(120)에 고정하는 지그(142)를 구비한다. 예를 들어, 핀(141)의 선단부에 형성된 스크류를 이용하여 환자의 골편에 핀(141)의 일단을 삽입하고, 핀(141)이 골편에 고정된 후 지그(142)를 이용하여 핀(141)의 타단을 제 1 프레임(110) 또는 제 2 프레임(120)에 고정할 수 있다.The fixing means 140 fixes the bone fragments of the arm or leg of the patient to the first frame 110 and the second frame 120, respectively, and the fixing means 140 is embedded in the bone fragments of the patient. A pin 141 extending in the direction of the 110 or the second frame 120 and a jig 142 for fixing the pin 141 to the first frame 110 or the second frame 120. For example, one end of the pin 141 is inserted into the bone piece of the patient by using a screw formed at the tip of the pin 141, and the pin 141 is fixed to the bone piece by using the jig 142. The other end of) may be fixed to the first frame 110 or the second frame 120.
그리고 골절 정복 수술에서는 골편의 위치를 교정한 후 골수강내에 삽입되는 금속정 등을 이용하여 수술후 교정 자세를 유지하는 방법을 취한다. 그러나, 금속정 등을 이용하는 대신 골절 정복 로봇 시스템을 구성하는 제 1 프레임(110), 제 2 프레임(120) 및 고정 수단(130)을 그대로 이용하는 것도 가능하다.And in fracture reduction surgery, after correcting the position of the bone fragments using a metal nail inserted into the bone marrow, etc., the posture correction method is maintained. However, instead of using a metal nail or the like, it is also possible to use the first frame 110, the second frame 120, and the fixing means 130 that constitute the fracture reduction robot system as it is.
즉, 골절 정복 수술이 완료된 후에도 예를 들면 환자의 회복기 동안에 제 1 프레임(110), 제 2 프레임(120) 및 고정 수단(130)을 그대로 이용할 수 있으며, 이 때 액츄에이터 등이 내장된 가변 레그(130) 대신 나사식으로 그 길이를 조정할 수 있는 별도의 가변 레그를 이용하여 제 1 프레임(110)과 제 1 프레임(120)의 상대적인 위치 및 자세를 고정할 수도 있다.That is, even after the completion of the fracture reduction surgery, for example, the first frame 110, the second frame 120 and the fixing means 130 can be used as it is during the recovery period of the patient. 130 may be fixed instead of the position and the posture of the first frame 110 and the first frame 120 by using a separate variable leg that can be adjusted by the screw type.
본 발명의 일 실시예에 따른 오퍼레이션 모듈(100)의 구조에서는 가변 레그(130)와 가변 레그(130) 사이에 엑스선이 통과할 수 있는 충분한 여유 공간을 가지며, 이에 따라 골절 정복 수술 과정 중 C-ARM(10) 등을 이용하여 골절 부분을 충분히 관찰할 수 있다.In the structure of the operation module 100 according to an embodiment of the present invention has a sufficient free space for X-rays to pass between the variable leg 130 and the variable leg 130, accordingly C- during the course of fracture reduction surgery Using the ARM 10 or the like, the fracture portion can be sufficiently observed.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 조종 모듈(200)을 도시한 사시도이며, 도 6은 상기 사용자 조종 모듈(200)의 평면도, 정면도 및 측면도를 도시한 도면이다.5 is a perspective view illustrating a user steering module 200 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a plan view, a front view, and a side view of the user steering module 200.
사용자 조종 모듈(200)은 사용자로부터 오퍼레이션 모듈(100)을 조종하기 위한 조작을 입력받는 모듈이다. 골절 정복 로봇 시스템에서는 사용자 조종 모듈(200)에서 입력받은 조작에 응답해서, 상기한 오퍼레이션 모듈(100)의 가변 레그(130)에 구비된 액츄에이터가 병렬 동작하고 오퍼레이션 모듈(100)의 제 1 프레임(110) 및 제 2 프레임(120) 사이의 상대적인 위치 및 자세가 가변된다.The user steering module 200 is a module that receives an operation for manipulating the operation module 100 from a user. In the fracture reduction robot system, in response to an operation received from the user steering module 200, the actuators provided in the variable legs 130 of the operation module 100 operate in parallel, and the first frame of the operation module 100 ( The relative position and posture between the 110 and the second frame 120 are variable.
원칙적으로 사용자 조종 모듈(200)은 일반적인 마우스, 키보드, 조이스틱 등 여하한 입력장치를 사용해도 가능하나, 특별히 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 조종 모듈(200)은 오퍼레이션 모듈(100)을 모델링한 구조를 가지도록 한다.In principle, the user control module 200 may use any input device such as a general mouse, keyboard, or joystick, but the user control module 200 according to an embodiment of the present invention may be configured to model the operation module 100. Have a structure.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 조종 모듈(200)은 제 1 조종 모듈 프레임(210), 제 2 조종 모듈 프레임(220), 조종 모듈 레그(230), 작동 노브(240) 및 가이드바(250)를 포함하여 구성될 수 있다.The user steering module 200 according to an embodiment of the present invention includes a first steering module frame 210, a second steering module frame 220, a steering module leg 230, an operating knob 240, and a guide bar 250. It may be configured to include).
사용자 조종 모듈(200)에서, 제 1 조종 모듈 프레임(210)은 오퍼레이션 모듈(100)의 제 1 프레임(110)에 대응하며, 제 2 조종 모듈 프레임(220)은 오퍼레이션 모듈(100)의 제 2 프레임(120)에 대응하며 제 1 조종 모듈 프레임(210)과는 서로 이격되어 있다. 제 1 조종 모듈 프레임(210) 및 제 2 조종 모듈 프레임(220)은 사용자 조종 모듈(200)의 골격을 구성하며, 복수의 조종 모듈 레그(230)와 작동 노브(240) 등이 결합된다.In the user steering module 200, the first steering module frame 210 corresponds to the first frame 110 of the operation module 100, and the second steering module frame 220 is the second of the operation module 100. Corresponding to the frame 120 and spaced apart from the first control module frame 210. The first steering module frame 210 and the second steering module frame 220 constitute a skeleton of the user steering module 200, and the plurality of steering module legs 230 and the operation knob 240 are coupled to each other.
조종 모듈 레그(230)는 오퍼레이션 모듈(100)의 가변 레그(130)에 대응될 수 있는 것이며, 복수 개 구비될 수 있고 6 개로 구성되는 것이 선호되며, 이에 따라 오퍼레이션 모듈(100)과 동일하게, 제 1 조종 모듈 프레임(210)과 제 2 조종 모듈 프레임(220) 사이의 위치 및 자세는 6 자유도를 가진다.The steering module leg 230 may correspond to the variable leg 130 of the operation module 100, and may be provided in plural and is preferably composed of six, so as to be identical to the operation module 100, The position and attitude between the first steering module frame 210 and the second steering module frame 220 have six degrees of freedom.
조종 모듈 레그(230)는 각각 일단이 제 1 조종 모듈 프레임(210)에 지지되고 타단이 상기 제 2 조종 모듈 프레임(220)에 지지되며, 조종 모듈 레그(230)와 제 1 조종 모듈 프레임(210)과, 조종 모듈 레그(230)와 제 2 조종 모듈 프레임(220)은 볼 조인트(234) 또는 유니버셜 조인트와 같은 것을 이용하여 결합된다.Each of the steering module legs 230 is supported by the first steering module frame 210 and the other end of the steering module leg 230 is supported by the steering module leg 230 and the first steering module frame 210. ), And the steering module leg 230 and the second steering module frame 220 are coupled using something like a ball joint 234 or a universal joint.
그리고, 의료진과 같은 사용자는 제 1 조종 모듈 프레임(210) 및 제 2 조종 모듈 프레임(210) 사이의 상대적인 위치 및 자세를 손으로 조작할 수 있다. 그리고 사용자의 조작에 의해 제 1 조종 모듈 프레임(210)과 제 2 조종 모듈 프레임(220) 사이의 상대적인 위치 또는 자세가 가변됨에 따라 상기한 조종 모듈 레그(230)의 길이가 가변된다. 조종 모듈 레그(230)에 대해서는 도 6을 이용하여 후술한다.In addition, a user such as a medical staff may manipulate a relative position and posture between the first control module frame 210 and the second control module frame 210 by hand. In addition, as the relative position or posture between the first steering module frame 210 and the second steering module frame 220 is changed by a user's manipulation, the length of the steering module leg 230 is changed. The steering module leg 230 will be described later with reference to FIG. 6.
작동 노브(240)는 사용자가 사용자 조종 모듈(200)을 파지하기 위하여 이용되며, 제 1 조종 모듈 프레임(210) 및 제 2 조종 모듈 프레임(220)에 각각 결합된다. 예를 들어 사용자의 손이 작동 노브(210)를 잡거나 작동 노브(210)와 제 1 조종 모듈 프레임(210)의 사이에, 그리고 또다른 작동 노브(210)와 제 2 조종 모듈 프레임(220)의 사이에 끼워진 상태로 사용자 조종 모듈(200)을 파지할 수 있다.The operation knob 240 is used by the user to hold the user control module 200 and is coupled to the first control module frame 210 and the second control module frame 220, respectively. For example, a user's hand may hold the actuation knob 210 or between the actuation knob 210 and the first steering module frame 210 and between another actuation knob 210 and the second steering module frame 220. The user control module 200 may be gripped in a sandwiched state.
가이드 바(250)는 조종 모듈 레그(230)와 이웃하는 조종 모듈 레그(230)의 사이에 걸쳐지되, 가이드 바(250)의 홈에 삽입된 조종 모듈 레그(230)의 핀이 일정 거리 유동할 수 있도록 함으로써, 조종 모듈 레그(230)의 길이 변화를 방해하지는 않으면서, 조종 모듈 레그(230) 자체의 회전(자전)을 억제하도록 한다.The guide bar 250 spans between the steering module leg 230 and the neighboring steering module leg 230 so that the pins of the steering module leg 230 inserted into the grooves of the guide bar 250 may flow a certain distance. By doing so, it is possible to suppress the rotation (rotation) of the steering module leg 230 itself without disturbing the change in the length of the steering module leg 230.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조종 모듈 레그(230)를 도시한 사시도, 정면도 및 측면도이다.7 is a perspective view, front view and side view of a steering module leg 230 according to an embodiment of the present invention.
조종 모듈 레그(230)는 엔코더(231 및 232), 조작 부하 부여부(237 및 238), 볼 조인트(234), 스케일 플레이트(233), 엔코더 리더 플레이트(239), LM 가이드(235) 및 LM 블록(236)을 포함하여 구성된다.The steering module leg 230 includes encoders 231 and 232, operating load assignments 237 and 238, ball joint 234, scale plate 233, encoder leader plate 239, LM guide 235 and LM Block 236.
엔코더(231 및 232)는 조종 모듈 레그(230)의 가변되는 길이 또는 변위를 센싱하는 것으로서, 스케일 플레이트(233)에 부착된 엔코더 스케일(232)과, 엔코더 스케일(232)에 대향하여 엔코더 리더 플레이트(239)에 설치된 엔코더 리더(231)로써 구성될 수 있다.The encoders 231 and 232 sense varying lengths or displacements of the steering module leg 230, and the encoder leader plate attached to the scale plate 233 and the encoder scale 232 opposite the encoder scale 232. It can be configured as an encoder reader 231 installed at (239).
그리고 조종 모듈 레그(230)는 양단에 구비되는 볼 조인트(234) 또는 유니버셜 조인트 등을 이용하여 각각 제 1 조종 모듈 프레임(210) 및 제 2 조종 모듈 프레임(220)과 결합하며, 제 1 조종 모듈 프레임(210)과 조종 모듈 레그(230) 사이의 결합 각도, 또는 제 2 조종 모듈 프레임(220)과 조종 모듈 레그(230) 사이의 결합 각도는 가변할 수 있다.The steering module leg 230 is coupled to the first steering module frame 210 and the second steering module frame 220 by using a ball joint 234 or a universal joint provided at both ends, and the first steering module. The engagement angle between the frame 210 and the steering module leg 230 or the engagement angle between the second steering module frame 220 and the steering module leg 230 may vary.
조작 부하 부여부는 사용자의 조작에 대하여 부하를 부여하는 것으로서, 조작 부하 부여부는 조종 모듈 레그(230)의 길이가 가변됨에 따라 이동되는 격막 또는 플런저를 내장한 에어 실린더(237); 및 상기한 격막 또는 플런저의 이동에 의한 공기의 흐름을 제어하는 에어 플로우 조절부(238)를 포함할 수 있다.The operation load providing unit applies a load to a user's operation, and the operation load providing unit includes an air cylinder 237 having a diaphragm or a plunger which is moved as the length of the steering module leg 230 is changed; And it may include an air flow control unit 238 for controlling the flow of air by the movement of the diaphragm or plunger.
조종 모듈 레그(230)의 길이가 가변됨에 따라 상기한 격막 또는 플런저가 이용하면서 공기를 밀고 가며, 이에 따라 발생된 공기의 흐름은 에어 플로우 조절부(238)의 노즐을 통하여 흡입 또는 배출될 것인 바, 에어 플로우 조절부(238)의 노즐을 조절함으로써, 부여되는 부하의 크기를 조절할 수 있다.As the length of the steering module leg 230 is changed, the diaphragm or the plunger is used to push air, and the generated air flow is sucked or discharged through the nozzle of the air flow controller 238. Bar, by adjusting the nozzle of the air flow control unit 238, it is possible to adjust the size of the load applied.
그리고, LM 가이드(235)는 LM 블록(236)을 가이드함으로써, LM 가이드(235)에 결합된 엔코더 리더 플레이트(239)와 LM 블록(23)에 결합된 스케일 플레이트(233)는 서로 간격을 정확히 유지하면서 상대적인 직선 운동을 할 수 있다.In addition, the LM guide 235 guides the LM block 236 so that the encoder leader plate 239 coupled to the LM guide 235 and the scale plate 233 coupled to the LM block 23 accurately space each other. You can do relative straight motion while keeping it.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 양상에 따른 사용자 조종 모듈(200)에서는 조작 부하 부여부를 구성함으써, 사용자로 하여금 조작 부하를 느끼게 하고 사용자의 실수 또는 외부로부터의 방해에 의해서 조종 모듈 레그(230)의 과격한 변위를 억제하며 이에 따라 과격한 조작이 입력되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.As described above, in the user steering module 200 according to an aspect of the present invention, by configuring the operation load providing unit, the user feels the operation load and the steering module leg 230 due to the user's mistake or interference from the outside. It is possible to suppress the radical displacement of) and thereby prevent the radical operation from being input.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모듈(300)의 제어 흐름을 예시적으로 보여주는 논리적인 블럭도이다.8 is a logical block diagram illustrating a control flow of the control module 300 according to an embodiment of the present invention.
도 8에 도시된 블럭도의 구성요소들은 전용 하드웨어뿐만 아니라 컴퓨터의 프로세서 및 프로그램 등에 의해서 구현될 수 있음은 당연하다.It is obvious that the components of the block diagram shown in FIG. 8 may be implemented not only by dedicated hardware but also by a processor and a program of a computer.
도 8에 예시된 제어 모듈(300)은 사용자 조종 모듈(200)로부터의 입력, 및 통합 운영 장치(400)로부터의 명령에 따라 오퍼레이션 모듈(100)을 제어하는 기능과 수행한다.The control module 300 illustrated in FIG. 8 performs a function of controlling the operation module 100 according to an input from the user steering module 200 and a command from the integrated operating device 400.
제어 모듈(300)은 각 가변 레그(130)에 대응하는 피드백 제어부(310)와, MUX(340, 350), 포워드 키네마틱스(320) 및 인버스 키네마틱스(330)를 포함하여 구성되며, 일부 구성요소들은 필요에 따라 생략되어 구성될 수도 있다.The control module 300 includes a feedback controller 310 corresponding to each variable leg 130, a MUX 340, 350, a forward kinematics 320, and an inverse kinematics 330, and some components thereof. Elements may be omitted, if necessary.
피드백 제어부(310)는 각 가변 레그(130)별로, 가변 레그(130)의 길이 또는 변위를 지정하는 명령인 위치 명령과 가변 레그(130)의 길이 또는 변위를 센싱한 센싱 신호를 입력받고 그 차이를 감소시키는 구동 전류를 출력한다.The feedback controller 310 receives a position command, which is a command for specifying the length or displacement of the variable leg 130, and a sensing signal sensing the length or displacement of the variable leg 130, for each variable leg 130. Outputs a drive current that reduces.
피드백 제어부(310)는 각 가변 레그(130)에 구비된 엔코더로부터 가변 레그(130)의 길이 또는 변위를 센싱한 센싱 신호를 입력받으며, 가변 레그(130)의 길이 또는 변위를 지정하는 명령인 위치 명령을 입력받는다.The feedback controller 310 receives a sensing signal that senses the length or the displacement of the variable leg 130 from an encoder provided in each variable leg 130, and is a command for specifying the length or the displacement of the variable leg 130. Receive a command.
그리고 MUX(350)의 선택에 따라 사용자 조종 모듈(200)로부터 또는 인버스 키네마틱스(330)로부터 위치 명령을 수신한다. 그리고 피드백 제어부(310)는 오퍼레이션 모듈(100)에 구비된 각 가변 레그(130)의 액츄에이터를 제어하는 구동 전류를 출력한다.And according to the selection of the MUX 350 receives a position command from the user control module 200 or from the inverse kinematics (330). The feedback controller 310 outputs a driving current for controlling the actuators of the variable legs 130 provided in the operation module 100.
피드백 제어부(310)의 제어 루프(312)는 PID 제어 또는 PIV 제어 등을 위한 제어 알고리즘을 구현한 것이며, 전류 앰프(311)는 제어 루프(312)로부터의 신호를 입력받아 오퍼레이션 모듈(100)의 액츄에이터를 위한 구동 전류를 출력한다.The control loop 312 of the feedback control unit 310 implements a control algorithm for PID control or PIV control. The current amplifier 311 receives a signal from the control loop 312 and performs an operation of the operation module 100. Output the drive current for the actuator.
그리고, 통합 운영 장치(400)로부터의 입력은 제 1 프레임(110) 및 제 2 프레임(120) 사이의 상대적인 위치에 관한 명령(엔드 이펙터)으로서 인버스 키네마틱스(330)를 거쳐서 피드백 제어부(310)로 입력되며, 이러한 명령은 주로 초기 위치를 지정하는 명령일 수 있다.In addition, the input from the integrated operating apparatus 400 is a command (end effector) relating to a relative position between the first frame 110 and the second frame 120 and passes through the inverse kinematics 330 through the feedback control unit 310. This command may be a command that primarily specifies an initial position.
도시하지는 않았으나, MUX(340) 및 MUX(350)에서는 통합 운영 장치(400)로부터의 제어, 제어 모듈(300) 또는 사용자 조종 모듈(200)에서 사용자의 입력에 의해서 MUX(340) 및 MUX(350)의 입력 포트가 선택될 수 있다.Although not shown, in the MUX 340 and the MUX 350, the MUX 340 and the MUX 350 may be controlled by a user input from the control from the integrated operating apparatus 400, the control module 300, or the user control module 200. ) May be selected.
제 1 실시 모드로서 사용자 조종 모듈(200)로부터의 출력이 포워드 키네마틱스(320) 및 인버스 키네마틱스(330)을 거치지 않고 직접 MUX(350)을 통하여 피드백 제어부(310)에 입력되도록 구성할 수 있다. 제 1 실시 모드에서는 사용자 조종 모듈(200)의 각 조종 모듈 레그(230)의 길이 또는 변위를 오퍼레이션 모듈(100)의 각 가변 레그(130)를 위한 위치 명령으로 직접 이용한다.As a first embodiment, the output from the user control module 200 may be configured to be directly input to the feedback controller 310 through the MUX 350 without passing through the forward kinematics 320 and the inverse kinematics 330. . In the first embodiment, the length or displacement of each control module leg 230 of the user steering module 200 is directly used as a position command for each variable leg 130 of the operation module 100.
오퍼레이션 모듈(100)의 각 가변 레그(130)는 사용자 조종 모듈(200)의 각 조종 모듈 레그(230)와 일대일 대응하며, 특정한 조종 모듈 레그(230)의 변위는 대응하는 가변 레그(130)에서만 상응하는 변위를 발생시킨다.Each variable leg 130 of the operation module 100 corresponds one-to-one with each steering module leg 230 of the user steering module 200, and the displacement of a particular steering module leg 230 is only applicable to the corresponding variable leg 130. Generates a corresponding displacement.
이에 따라 제 1 실시 모드에서는 매우 간단한 구조로서 제어 모듈을 구성할 수 있으며 포워드 키네마틱스 등이 필요 없고 그 만큼 신호 처리가 간단해지며 신호 처리 과정에서의 에러 발생 확률을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.Accordingly, in the first embodiment, the control module can be configured as a very simple structure, and there is no need for forward kinematics, so that signal processing can be simplified and the probability of error occurrence in the signal processing can be reduced.
그리고, 제 2 실시 모드에서는 사용자 조종 모듈(200)로부터의 출력이 포워드 키네마틱스(320) 및 인버스 키네마틱스(330)을 거쳐서 피드백 제어부(310)로 입력되도록 구성할 수 있다.In the second embodiment, the output from the user manipulation module 200 may be configured to be input to the feedback controller 310 via the forward kinematics 320 and the inverse kinematics 330.
포워드 키네마틱스(320)는 조종 모듈 레그(230)로부터 조종 모듈 레그(230)의 길이 또는 변위를 입력받고 이러한 길이 또는 변위로부터 엔드 이펙터를 산출하며, 반대로 인버스 키네마틱스(330)는 상기 엔드 인펙터 또는 통합 운영 장치(400)의 위치 명령으로부터 가변 레그(130)의 각각에 대하여 지정될 길이 또는 변위를 산출한다.The forward kinematics 320 receives the length or displacement of the steering module leg 230 from the steering module leg 230 and calculates an end effector from this length or displacement, whereas the inverse kinematics 330 is said end effector. Or a length or displacement to be designated for each of the variable legs 130 from the position command of the integrated operating device 400.
제 2 실시 모드에서는 조종 모듈 레그(230)의 길이 또는 변위와 가변 레그(130)의 길이 또는 변위를 일대일 대응시키지 않을 수 있으며, 포워드 키네마틱스(320) 및 인버스 키네마틱스(330)를 이용하여 변환 함수를 구성할 수 있다.In the second embodiment, the length or displacement of the control module leg 230 may not correspond to the length or displacement of the variable leg 130 in one-to-one correspondence, and may be converted using the forward kinematics 320 and the inverse kinematics 330. You can construct a function.
이에 따라 제 2 실시 모드에서는 센싱되는 조종 모듈 레그(230)의 길이 또는 변위와 구동할 가변 레그(130)의 길이 또는 변위 사이에 일대일의 선형 변환 및 비선형 변환과 다대다의 선형 변환 및 비선형 변환 등 다양한 변환을 구현할 수 있는 효과가 있다.Accordingly, in the second embodiment, one-to-one linear transformation and nonlinear transformation and many-to-many linear transformation and nonlinear transformation between the length or displacement of the sensing module leg 230 to be sensed and the length or displacement of the variable leg 130 to be driven. It is effective to implement various transformations.
상기에서는 하나의 제어 모듈(300)로서 제 1 실시 모드 및 제 2 실시 모드를 선택적으로 구현하는 것으로 하였으나, 제 1 실시 모드 또는 제 2 실시 모드를 전용으로 구현하는 것으로 하여도 좋다. 예를 들어 제 1 실시 모드의 전용 구현에서는 MUX(340) 및 포워드 키네마틱스(320)가 생략될 수 있으며, 제 2 실시 모드의 전용 구현에서는 MXU(350)가 생략될 수 있다.Although the first embodiment and the second embodiment are selectively implemented as one control module 300, the first embodiment or the second embodiment may be implemented exclusively. For example, MUX 340 and forward kinematics 320 may be omitted in a dedicated implementation of the first embodiment, and MXU 350 may be omitted in a dedicated implementation of the second embodiment.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 골절 정복 로봇 시스템을 이용하여 골절 정복 수술을 진행하는 과정의 예와 골절 정복 로봇 시스템의 동작을 설명한다.Hereinafter, an example of a process of performing a fracture reduction operation and an operation of the fracture reduction robot system using the fracture reduction robot system according to an embodiment of the present invention will be described.
통합 운영 장치(400)는 오퍼레인션 모듈(100)이 초기 상태가 되도록 하는 위치 명령을 제어 모듈(300)로 출력하며, 이에 따라 제어 모듈(300)에서는 이러한 위치(엔드이펙터) 명령을 입력받아 MUX(340)을 통해 인버스 키네마틱스(330)에 입력되며, 인버스 키네마틱스(330)는 위치(엔드이펙터)를 각 가변 레그(130)의 위치(길이 또는 변위)로 변환한다. 또한, MUX(350)을 통하여 각 가변 레그(130)에 대응하는 각 피드백 제어부(310)에 입력되며, 각 피드백 제어부(310)의 제어 루프(312) 및 전류 앰프(311)는 명령된 위치(길이 또는 변위)와 현재 상태의 오차를 줄이도록 하기 위해 동작하며, 이에 따라 오퍼레이션 모듈(100)의 각 가변 레그(130)를 초기 상태로 하여 유지한다.The integrated operating apparatus 400 outputs a position command for the operation module 100 to be in an initial state to the control module 300, and accordingly, the control module 300 receives such a position (end effector) command. Input to the inverse kinematics 330 through the MUX 340, the inverse kinematics 330 converts the position (end effector) to the position (length or displacement) of each variable leg 130. In addition, the feedback loop 310 is input to each feedback control unit 310 corresponding to each variable leg 130 through the MUX 350, and the control loop 312 and the current amplifier 311 of each feedback control unit 310 are commanded positions ( Length or displacement) and an error in the current state, thereby maintaining each variable leg 130 of the operation module 100 as an initial state.
상기에서는 통합 운영 장치(400)가 초기 상태가 되도록 하는 위치 명령를 보내는 것을 설명하였으나, 통합 운영 장치(400)가 계산한 자동적인 동작의 실행을 위해서도 이용될 수 있다. 예를 들어, 골편의 3차원 이미지를 얻은 다음 통합 운영 장치(400)가 교정되어야 할 양을 예측하고 이를 실행하기 위하여 이용될 수 있다. 이때 통합 운영 장치(400)는 코아스(Coase) 교정을 실행하며, 사용자 조종 모듈(200)을 이용해서는 파인(Fine) 교정을 실행토록 할 수도 있다.In the above description, the integrated operating device 400 sends a position command to the initial state. However, the integrated operating device 400 may also be used for executing an automatic operation calculated by the integrated operating device 400. For example, after obtaining a three-dimensional image of the bone fragments, the integrated operating device 400 can be used to predict and execute the amount to be calibrated. In this case, the integrated operating apparatus 400 executes Coase calibration, and may use the user control module 200 to execute Fine calibration.
한편, 상기에서 이러한 초기 상태에 관한 명령은 통합 운영 장치(400)가 제공하는 것으로 하였으나, 오퍼레이션 모듈(100) 또는 제어 장치(300)가 자체적 판단 또는 사용자의 명령 입력에 의해 실행할 수도 있다.Meanwhile, the command regarding the initial state is provided by the integrated operating device 400, but the operation module 100 or the control device 300 may execute the command by a user's own judgment or a user's command input.
아울러, 통합 운영 장치(400)의 명령에 의해서, 사용자 조종 모듈(200)의 사용자 입력 등에 의해, 또는 자동으로 사용자 조종 모듈(200)의 각 조종 모듈 레그(230)는 초기 상태가 되도록 할 수 있다.In addition, each of the control module legs 230 of the user control module 200 may be in an initial state by a command of the integrated operating device 400, by a user input of the user control module 200, or automatically. .
그리고 오퍼레이션 모듈(100)의 고정 수단(140)을 이용하여 환자의 골편을 오퍼레이션 모듈(100)의 제 1 프레임(110) 및 제 2 프레임(120)에 고정한다. 이때 드릴을 이용하여 고정 수단(140)의 핀(141)을 골편에 박은 후 핀(141)의 일단을 지그(142)에 고정토록 할 수 있다.The bone fragment of the patient is fixed to the first frame 110 and the second frame 120 of the operation module 100 using the fixing means 140 of the operation module 100. At this time, the pin 141 of the fixing means 140 may be driven into the bone piece using a drill, and then one end of the pin 141 may be fixed to the jig 142.
한편, C-ARM과 같은 실시간 엑스선 영상 장비를 이용하여 골절 부분의 실시간 엑스선 영상을 얻어서 통합 운영 장치(400)의 화면에 디스플레이되도록 한다.Meanwhile, a real-time X-ray image of the fracture portion is obtained by using a real-time X-ray imaging apparatus such as C-ARM to be displayed on the screen of the integrated operating device 400.
그리고 의료진은 상기한 디스플레이 화면을 보면서, 사용자 조종 모듈(200)을 조작하며, 이에 따라 사용자 조종 모듈(200)에서 각 사용자 조종 모듈(130)의 엔코더는 길이 또는 변위를 나타내는 신호를 출력하며, 이러한 길이 또는 변위 신호는 포워드 키네마틱스(320) 및 인버스 키네마틱스(330)의 신호처리후, 또는 직접 피드백 제어부(310)에 입력될 수 있다.And the medical staff manipulates the user control module 200 while watching the display screen, accordingly, the encoder of each user control module 130 in the user control module 200 outputs a signal indicating the length or displacement, such The length or displacement signal may be input to the feedback controller 310 after signal processing of the forward kinematics 320 and the inverse kinematics 330, or directly.
그리고, 각 피드백 제어부(310)의 제어 루프(312) 및 전류 앰프(311)는 명령된 위치(각 가변 레그(130)의 길이 또는 변위)와 현재 상태 사이의 차이를 줄이도록 하기 위해 동작하며, 이에 따라 오퍼레이션 모듈(100)의 각 가변 레그(130)를 명령된 길이 또는 변위가 되도록 한다. 이 때 현재 상태로서 각 가변 레그(130)의 엔코더로부터의 출력이 피드백 제어부(310)로 입력되며 이러한 입력과 명령된 위치의 차이를 연산하고 연산된 차이에 따라 제어 루프(312) 및 전류 앰프(311)가 동작하며, 전류 앰프(311)의 출력은 가변 레그(130)의 액츄에이터를 구동한다.In addition, the control loop 312 and the current amplifier 311 of each feedback controller 310 operate to reduce the difference between the commanded position (length or displacement of each variable leg 130) and the current state, Accordingly, each variable leg 130 of the operation module 100 to be a commanded length or displacement. At this time, the output from the encoder of each variable leg 130 as a current state is input to the feedback control unit 310 and calculates the difference between the input and the commanded position, and according to the calculated difference control loop 312 and the current amplifier ( 311 operates, and the output of the current amplifier 311 drives the actuator of the variable leg 130.
그리고, 의료진은 어긋난 골편들의 정렬을 마치면, 예를 들어 골절부분이 다리인 경우 대퇴부를 통하여 골수강내에 금속정을 삽입하고 골편의 측면으로부터 금속정에 이르는 스크류를 삽입함으로써 골편들을 고정하며, 고정 수단(140) 및 오퍼레이션 모듈(100)을 탈거할 수 있다.Then, when the clinician finishes the alignment of the displaced bone pieces, for example, if the fracture part is a leg, the bone is fixed by inserting a metal tablet into the bone marrow cavity through the thigh and inserting a screw from the side of the bone piece to the metal tablet, and fixing means. 140 and the operation module 100 may be removed.
이하, 본 발명의 여러 양상들이 가지는 발명의 효과에 대해서 설명한다.Hereinafter, the effects of the invention having various aspects of the present invention will be described.
종래 골절 정복 수술시에는 의료진 등에 대한 방사능 피폭의 문제점이 상존하였다. 그러나, 본 발명의 일 양상에 따르면 의료진이 직접 교정을 위하여 다리 또는 팔에 인력을 가할 필요가 없고, 본 발명의 사용자 조종 장치를 이용하여 원격에서 본 발명의 오퍼레이션 모듈을 조종하면 되므로, 의료진에 대한 방사능 피폭의 위험성을 원천적으로 제거하거나 저감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 종래 인력에 의한 것이나 혹은 다른 골절 정복 장치에 비하여 본 발명의 골절 정복 로봇 시스템은 보다 신속하게 골편들은 교정할 수 있다. 특히, 실시간 엑스선 영상 장치를 이용하면서 수행하는 골편의 교정 시간이 매우 짧게 되며, 이에 따라 환자의 입장에서도 방사능 피폭 시간이 대폭 감소되는 효과가 있다.In the conventional fracture reduction surgery, there has been a problem of radiation exposure to medical staff. However, according to an aspect of the present invention, since the medical staff does not need to apply a manpower to the leg or arm for direct correction, and the remote control unit of the operation module of the present invention using the user control device of the present invention, There is an effect that can eliminate or reduce the risk of radiation exposure at source. In addition, the fracture reduction robot system of the present invention can correct bone fragments more quickly than by conventional manpower or other fracture reduction devices. In particular, the correction time of the bone fragments performed while using the real-time X-ray imaging apparatus is very short, thereby reducing the radiation exposure time from the patient's point of view.
그리고 종래의 골절 정복 수술에서는 많은 수의 의료진이 필요한 문제점이 있었으나, 본 발명의 골절 정보 로봇 시스템은 환자의 팔 또는 다리를 인력으로 교정하지 않으므로, 필요한 의료진의 숫자를 대폭 줄일 수 있는 효과가 있다.In the conventional fracture reduction surgery, a large number of medical personnel are required, but since the fracture information robot system of the present invention does not calibrate the arm or leg of a patient by manpower, the number of medical staffs required is greatly reduced.
그리고 종래의 골절 정복 수술은 사람의 인력을 이용하는 등의 방법으로 진행되다 보니 교정의 정확성이 떨어지는 문제점이 있고, 또한, 교정후의 상태를 그대로 유지하여 고정하는 것에 많은 어려움이 있었다. 그러나, 본 발명의 골절 정복 로봇 시스템을 이용함으로써, 교정의 정확성이 대폭 향상되는 효과가 있으며 또한 교정 상태를 그대로 유지한 상태에서 고정하는 것이 매우 손쉽게 가능하게 되는 효과가 있다.In addition, the conventional fracture reduction surgery has a problem that the accuracy of correction is poor because it proceeds by a method such as using a human attraction, and also has a lot of difficulties in maintaining and fixing the state after correction. However, by using the fracture reduction robot system of the present invention, there is an effect that the accuracy of the correction is greatly improved, and it is possible to be fixed very easily while maintaining the corrected state.
그리고 종래의 골절 정복 수술에서는 많은 시간이 소요됨으로써 환자로서는 마취 시간 및 방사능 노출 시간의 장기화로 인한 부담이 있으며, 의료진 또는 병원으로서는 방사능 노출 시간의 장기화 및 소요 비용 상승 등의 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명의 골절 정복 로봇 시스템을 이용함으로써 골절 정복에 소요되는 시간을 대폭 줄일 수 있으며 이에 따라 상기한 문제점을 대폭 저감하게 된다.In addition, the conventional fracture reduction surgery takes a lot of time, the patient has a burden due to the length of anesthesia time and radiation exposure time, there was a problem such as prolongation of radiation exposure time and increase in cost as a medical staff or hospital. However, by using the fracture reduction robot system of the present invention it is possible to significantly reduce the time required for fracture reduction, thereby greatly reducing the above problems.
그리고 본 발명의 일 양상에 따른 골절 정복 로봇 시스템에서 오퍼레이션 모듈 및 사용자 조종 모듈은 6 자유도를 가진 것으로서, 여하한 방향 및 자세로의 교정도 가능하므로 가령 자유도가 낮은 다른 골절 정복용 장치 또는 기구에 비하여 보다 정확한 골절 정복이 가능하게 되는 효과가 있다.In the fracture reduction robot system according to an aspect of the present invention, the operation module and the user steering module have 6 degrees of freedom, and can be corrected in any direction and posture, for example, compared to other fracture reduction devices or mechanisms having lower degrees of freedom. Accurate fracture reduction is possible.
그리고 본 발명의 일 양상에 따른 골절 정복 로봇 시스템에서는 환자의 다리 또는 팔이 오퍼레이션 모듈을 관통하고 외력 제공을 위한 요소인 복수의 가변 레그가 다리 또는 팔의 주위를 둘러싸는 구조를 가지고 있다. 이에 따라 골절 정복 수술시 환자의 다리 또는 팔과 결합되는 장치(오퍼레이션 모듈)의 크기 및 무게를 작게 할 수 있으며, 골절 정복 수술시 환자의 다리 또는 팔이 취할 수 있는 포지션을 자유롭게 할 수 있는 효과가 있다. 특히 환자의 팔 또는 다리에 오퍼레이션 모듈을 장착한 이후에도 환자 및 오퍼레이션 모듈의 포지션을 조정할 수 있는 장점이 있다.The fracture reduction robot system according to an aspect of the present invention has a structure in which a leg or an arm of a patient passes through an operation module and a plurality of variable legs, which are elements for providing external force, surround the leg or arm. Accordingly, it is possible to reduce the size and weight of the device (operation module) coupled with the patient's leg or arm during fracture reduction surgery, and to freely position the patient's leg or arm during fracture reduction surgery. have. In particular, even after the operation module is mounted on the arm or leg of the patient there is an advantage that the position of the patient and the operation module can be adjusted.
또한, 본 발명의 일 양상에 따른 골절 정복 로봇 시스템에서는 환자의 다리 또는 팔을 둘러싸는 복수의 가변 레그가 병렬로 협력하여 동작하는 것이므로, 각 가변 레그가 낼 수 있는 최대의 힘을 초과하여 큰 힘으로 교정할 수 있는 효과가 있다.In addition, in the fracture reduction robot system according to an aspect of the present invention, because a plurality of variable legs surrounding the leg or arm of the patient is operated in parallel, a large force exceeding the maximum force that each variable leg can produce There is an effect that can be corrected.
한편, 원칙적으로 사용자 조종 모듈(200)은 일반적인 마우스, 키보드, 조이스틱 등 여하한 입력장치를 사용해도 가능하나 사용자 입장에서 상기한 입력장치를 이용하여 본 발명의 오퍼레이션 모듈(100)을 조종하는 것은 직관적이지 못할 수도 있다. 그런데, 본 발명의 일 양상에 따른 사용자 조종 모듈(100)을 이용함으로써, 의료진과 같은 사용자는 매우 직관적인 방법으로 오퍼레이션 모듈을 조종할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 사용자로서는 오퍼레이션 모듈의 조종 기술을 보다 쉽게 습득할 수 있으며, 오페레이션 모듈에 대한 잘못된 조종의 가능성을 저감하는 효과가 있다.On the other hand, in principle, the user control module 200 may use any input device such as a general mouse, keyboard, or joystick, but it is intuitive to control the operation module 100 of the present invention by using the above input device from the user's point of view. It may not be possible. However, by using the user control module 100 according to an aspect of the present invention, a user such as a medical staff has an effect that can be operated in a very intuitive manner. Accordingly, the user can more easily learn the manipulation technology of the operation module, and it has the effect of reducing the possibility of erroneous manipulation of the operation module.

Claims (15)

  1. 환자의 팔 또는 다리가 관통되면서 상기 환자의 팔 또는 다리를 둘러싸는 형상을 가진 제 1 프레임(110)과, 상기 환자의 팔 또는 다리가 관통되면서 상기 환자의 팔 또는 다리를 둘러싸는 형상을 가지며 상기 제 1 프레임과는 서로 이격되어 있는 제 2 프레임(120)과, 각각 일단이 상기 제 1 프레임에 지지되고 타단이 상기 제 2 프레임에 지지되며 길이가 가변되는 복수의 가변 레그(130)를 포함하여 구성되는 오퍼레이션 모듈(100); 및A first frame 110 having a shape surrounding the arm or leg of the patient while penetrating the arm or leg of the patient, and having a shape surrounding the arm or leg of the patient while the arm or leg of the patient penetrates A second frame 120 spaced apart from the first frame, and a plurality of variable legs 130, one end of which is supported by the first frame and the other end of which is supported by the second frame, of which the length is variable. An operation module 100 configured; And
    사용자로부터 상기 오퍼레이션 모듈을 조종하기 위한 조작을 입력받는 사용자 조종 모듈(200);을 포함하여 구성되며,And a user steering module 200 which receives an operation for manipulating the operation module from a user.
    상기 오퍼레이션 모듈(100)은 상기 환자의 팔 또는 다리의 골편을 상기 제 1 프레임(110) 및 상기 제 1 프레임(120)에 각각 고정하는 고정 수단(140)을 구비하며,The operation module 100 has a fixing means 140 for fixing the bone fragments of the arm or leg of the patient to the first frame 110 and the first frame 120, respectively,
    상기 복수의 가변 레그(130)는 각각 상기 가변 레그(130)의 길이를 가변하기 하기 위한 액츄에이터를 구비하며,The plurality of variable legs 130 are each provided with an actuator for varying the length of the variable leg 130,
    상기 사용자 조종 모듈(200)에서 입력받은 조작에 응답해서, 상기 복수의 가변 레그(130)에 구비된 액츄에이터가 병렬 동작하고 상기 제 1 프레임(110) 및 상기 제 2 프레임(120) 사이의 상대적인 위치 및 자세가 가변되는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.In response to an operation received by the user steering module 200, actuators provided in the plurality of variable legs 130 operate in parallel and are positioned relative to the first frame 110 and the second frame 120. And fracture posture robot system, characterized in that the posture is variable.
  2. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 가변 레그는 6 개이며 상기 제 1 프레임(110) 및 상기 제 2 프레임(120) 사이의 상대적인 위치 및 자세는 6 자유도를 가지는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.The variable leg is six and the fracture reduction robot system, characterized in that the relative position and posture between the first frame (110) and the second frame (120) has six degrees of freedom.
  3. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 고정 수단(140)은,The fixing means 140,
    상기 환자의 골편에 박힌 상태에서 상기 제 1 프레임(110) 또는 상기 제 2 프레임(120)의 방향으로 연장되는 핀(141)과, 상기 핀(141)을 상기 제 1 프레임(110) 또는 상기 제 2 프레임(120)에 고정하는 지그(142)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.The pin 141 extending in the direction of the first frame 110 or the second frame 120 in the state of being embedded in the bone fragments of the patient, and the pin 141 to the first frame 110 or the first Fracture reduction robot system, characterized in that it comprises a jig (142) fixed to the two frames (120).
  4. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    적어도 상기 제 1 프레임(110), 상기 제 2 프레임(120) 및 상기 고정 수단(130)은 골절 정복의 수술후에도 이용되는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.At least the first frame (110), the second frame (120) and the fixing means (130) is a fracture reduction robot system, characterized in that it is also used after the operation of fracture reduction.
  5. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 사용자 조종 모듈(200)은 상기 오퍼레이션 모듈(100)을 모델링한 구조를 가진 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.The user control module 200 is a fracture reduction robot system, characterized in that having a structure modeling the operation module (100).
  6. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 복수의 가변 레그(130)는,The plurality of variable legs 130,
    양단에 구비되는 유니버셜 조인트 또는 볼 조인트를 이용하여 각각 상기 제 1 프레임(110) 및 상기 제 2 프레임(120)과 결합하는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.Fracture reduction robot system, characterized in that coupled to the first frame 110 and the second frame 120, respectively, using a universal joint or a ball joint provided at both ends.
  7. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 사용자 조종 모듈(200)은,The user control module 200,
    상기 제 1 프레임(110)에 대응하는 제 1 조종 모듈 프레임(210)과,A first steering module frame 210 corresponding to the first frame 110,
    상기 제 2 프레임에 대응하며 상기 제 1 조종 모듈 프레임(210)과는 서로 이격되어 있는 제 2 조종 모듈 프레임(220)과,A second control module frame 220 corresponding to the second frame and spaced apart from the first control module frame 210;
    각각 일단이 상기 제 1 조종 모듈 프레임(210)에 지지되고 타단이 상기 제 2 조종 모듈 프레임(220)에 지지되며, 상기 사용자의 조작에 의해 상기 제 1 조종 모듈 프레임(210)과 상기 제 2 조종 모듈 프레임(220) 사이의 상대적인 위치 또는 자세가 가변됨에 따라 길이가 가변되는 복수의 조종 모듈 레그(230)를 포함하여 구성되는,One end is supported by the first steering module frame 210 and the other end is supported by the second steering module frame 220, and the first steering module frame 210 and the second steering are operated by the user. It is configured to include a plurality of control module legs 230, the length is variable as the relative position or posture between the module frame 220 is changed,
    것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.Fracture reduction robot system, characterized in that.
  8. 청구항 7에 있어서,The method according to claim 7,
    상기 조종 모듈 레그(230)는,The control module leg 230,
    상기 조종 모듈 레그(230)의 가변되는 길이 또는 변위를 센싱하는 엔코더를 구비하는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.Fracture reduction robot system characterized in that it comprises an encoder for sensing the variable length or displacement of the steering module leg (230).
  9. 청구항 7에 있어서,The method according to claim 7,
    상기 조종 모듈 레그(230)는,The control module leg 230,
    양단에 구비되는 유니버셜 조인트 또는 볼 조인트를 이용하여 각각 상기 제 1 조종 모듈 프레임(210) 및 상기 제 2 조종 모듈 프레임(220)과 결합하는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.Fracture reduction robot system, characterized in that coupled to the first control module frame 210 and the second control module frame 220 by using a universal joint or a ball joint provided at both ends.
    것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.Fracture reduction robot system, characterized in that.
  10. 청구항 7에 있어서,The method according to claim 7,
    상기 조종 모듈 레그(230)는,The control module leg 230,
    상기 사용자의 조작에 대하여 부하를 부여하는 조작 부하 부여부;An operation load assigning unit for applying a load to the operation of the user;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.Fracture reduction robot system comprising a.
  11. 청구항 10에 있어서,The method according to claim 10,
    상기 조작 부하 부여부는,The operation load applying unit,
    상기 조종 모듈 레그(230)의 길이가 가변됨에 따라 이동되는 격막 또는 플런저를 내장한 에어 실린더(237); 및An air cylinder 237 having a diaphragm or plunger that is moved as the length of the steering module leg 230 is changed; And
    상기 격막 또는 플런저의 이동에 의한 공기의 흐름을 제어하는 에어 플로우 조절부(238);An air flow control unit 238 for controlling the flow of air due to the movement of the diaphragm or plunger;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.Fracture reduction robot system comprising a.
  12. 청구항 7에 있어서,The method according to claim 7,
    상기 사용자가 상기 사용자 조종 모듈(200)을 파지하기 위하여 이용되며, 상기 제 1 조종 모듈 프레임(210) 및 상기 제 2 조종 모듈 프레임(220)에 각각 결합되는 작동 노브(240);An operation knob 240 used by the user to hold the user steering module 200 and coupled to the first steering module frame 210 and the second steering module frame 220, respectively;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.Fracture reduction robot system further comprising.
  13. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 사용자 조종 모듈(200)로부터의 입력에 따라 상기 오퍼레이션 모듈(100)을 제어하는 제어 모듈(300);A control module 300 for controlling the operation module 100 according to an input from the user steering module 200;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.Fracture reduction robot system further comprising.
  14. 청구항 13에 있어서,The method according to claim 13,
    상기 제어 모듈(300)은,The control module 300,
    각 가변 레그(130)별로, 상기 가변 레그(130)의 길이 또는 변위를 지정하는 명령인 위치 명령과 상기 가변 레그(130)의 길이 또는 변위를 센싱한 센싱 신호를 입력받고 그 차이를 감소시키는 구동 전류를 출력하는 피드백 제어부(310);For each variable leg 130, a drive for receiving a position command which is a command for designating the length or displacement of the variable leg 130 and a sensing signal sensing the length or displacement of the variable leg 130 and reducing the difference thereof. A feedback controller 310 for outputting a current;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.Fracture reduction robot system comprising a.
  15. 청구항 13에 있어서,The method according to claim 13,
    상기 제어 모듈(300)은,The control module 300,
    상기 조종 모듈 레그(230)의 길이 또는 변위로부터 엔드 이펙터를 산출하는 포워드 키네마틱스(320);A forward kinematics (320) for calculating an end effector from the length or displacement of the steering module leg (230);
    상기 엔드 인펙터로부터 상기 가변 레그(130)의 각각에 대하여 지정될 길이 또는 변위를 산출하는 인버스 키네마틱스(330);An inverse kinematics (330) for calculating a length or displacement to be specified for each of the variable legs (130) from the end effector;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.Fracture reduction robot system comprising a.
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