KR101576798B1 - Bobot System For Fracture Reduction - Google Patents
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Abstract
Translated fromKoreanDescription
Translated fromKorean본 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 robot system used for reducing a fracture of an arm or a leg of a patient. More particularly, the present invention relates to a robot system for reducing a fracture of an arm or a leg of a patient, An operation module including a plurality of variable legs whose lengths are variable and which are supported on the pair of frames at both ends thereof, and a user control module which receives an operation for controlling the operation module from a user, The present invention relates to a fracture reduction robot system including a fracture reduction robot system.
도 1은 종래의 최소 침습 골절 정복을 위한 수술 상황을 모시적으로 도시한 도면이다.1 is a diagram schematically showing a conventional surgical situation for 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 minimally invasive procedure to minimize incisions in patients. In such a fracture reduction surgery, a real-time X-ray equipment such as the C-ARM (10) And fixation of 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 procedure, a real-time x-ray image is obtained with the patient's fractured portion between the X-ray source and the 2-dimensional sensor of the C-ARM 10, and the
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.Particularly, since the fractured portion of the bone is deeply inward from the skin, it is difficult to visually confirm the fracture state of the bone, the reduction process and the occlusal state due to the reduction. Therefore, with the help of the real-time X- It is common to perform 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 apparatuses such as C-ARM require continuous investigation of X-rays to acquire real-time images, exposure dose to patients and
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, since various muscles are connected to the bones, a large force is required for concealing the fractured bones. Therefore, it is common that several
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 not easy to accurately maintain the calibration state until the calibration state is fixed by inserting a metal ball into the bone marrow after correction of the shifted bone is performed by the staff of the medical staff. For this reason, There is a possibility 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.The recognition of the problems and problems of the prior art is not obvious to a person having ordinary skill in the art, so that the inventive step of the present invention should not be judged based on the recognition based on such recognition I will reveal.
본 발명의 목적은 골절 정복 수술시 의료진 등에 대한 방사능 피폭의 문제를 감소시킬 수 있는 골절 정복 로봇 시스템을 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fracture reduction robot system capable of reducing the problem of radiation exposure to medical personnel during a fracture reduction operation.
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 capable of solving a problem in which a large number of medical personnel are required in a fracture reduction operation.
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 capable of improving 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.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not restrictive of the invention, unless further departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be possible.
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,A fracture reduction robot system according to one aspect of the present invention includes a first frame (110) having a shape that surrounds an arm or leg of a patient while an arm or a leg of the patient passes through the first frame (110) A second frame (120) having a shape that surrounds the patient's arms or legs and spaced apart from the first frame, and a second frame (120) having one end supported by the first frame and the other end supported by the second frame An
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
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 number of the variable legs is six, and the relative position and posture between the
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.The fixing means 140 includes a
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
또한, 상기 사용자 조종 모듈(200)은 상기 오퍼레이션 모듈(100)을 모델링한 구조를 가진 것을 특징으로 한다.Also, the
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 plurality of
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.The
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
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.The
또한, 상기 조종 모듈 레그(230)는, 상기 사용자의 조작에 대하여 부하를 부여하는 조작 부하 부여부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, the
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.The operation load applying unit may include an
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.Further, an
또한, 상기 사용자 조종 모듈(200)로부터의 입력에 따라 상기 오퍼레이션 모듈(100)을 제어하는 제어 모듈(300);을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The
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.The
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.The
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, a medical staff does not need to apply a force to a leg or an arm for direct calibration, and the operation module of the present invention can be operated remotely by using the user control apparatus of the present invention. Therefore, It is possible to eliminate or reduce the risk of the present invention. In addition, the fracture reduction robot system of the present invention can calibrate the bone fragments more quickly than the conventional artifacts or other fracture reduction methods. Particularly, the correction time of the bone fragments performed using the real-time X-ray imaging apparatus is very short, and thus the radiation exposure time is significantly reduced even in the case of the patient.
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.Further, according to the fracture reduction robot system according to one aspect of the present invention, since the arm or the leg of the patient is not calibrated by the force, the number of necessary medical staff can be greatly reduced. According to the fracture reduction robot system according to one aspect of the present invention, the accuracy of calibration is greatly improved, and it is very easy to fix the robot while maintaining the calibration state as it is.
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 one aspect of the present invention has an effect of drastically reducing the time required for fracture reduction. In addition, the operation module of the fracture reduction robot system according to an aspect of the present invention has six degrees of freedom and is capable of performing correction in any direction and posture, so that a more accurate fracture reduction can be achieved, There is an effect that is 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 a fracture reduction robot system according to an aspect of the present invention, a leg or arm of a patient passes through an operation module and a plurality of variable legs, which are elements for providing an external force, surround the legs or arms. Therefore, it is possible to reduce the size and the weight of the device (operation module) that is coupled with the leg or arm of the patient during the fracture reduction operation and to freely position the leg or arm of the patient during the fracture reduction operation have. The position of the patient and the operation module can be adjusted even after the operation module is mounted on the patient's arm or leg.
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.Further, in the fracture reduction robot system according to one aspect of the present invention, since the plurality of variable legs surrounding the legs or the arms of the patient cooperatively operate in parallel, the force As shown in FIG.
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.Further, by using the
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
도 1은 종래의 최소 침습 골절 정복을 위한 수술 상황을 모시적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 골절 정복 로봇 시스템을 이용한 수술 상황을 모시적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 골절 정복 로봇 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오퍼레이션 모듈(100)을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 조종 모듈(200)을 도시한 사시도이다.
도 6은 상기 사용자 조종 모듈(200)의 평면도, 정면도 및 측면도를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조종 모듈 레그(230)를 도시한 사시도, 정면도 및 측면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모듈(300)의 제어 흐름을 예시적으로 보여주는 논리적인 블럭도이다.1 is a diagram schematically showing a conventional surgical situation for minimally invasive fracture reduction.
FIG. 2 is a diagram illustrating a surgical situation using a fracture reduction robot system according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram of a fracture reduction robot system according to an embodiment of the present invention.
4 is a perspective view illustrating an
5 is a perspective view illustrating a
FIG. 6 is a top view, a front view, and a side view of the
7 is a perspective view, a front view, and a side view showing the
FIG. 8 is a logical block diagram illustrating an exemplary control flow of the
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.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other features and advantages of the present invention will become more apparent by describing in detail exemplary embodiments thereof with reference to the attached drawings in which: FIG. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention in the drawings, parts not related to the description are omitted, and similar names and reference numerals are used for similar 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.FIG. 2 is a schematic view illustrating a surgical situation using a fracture reduction robot system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a view illustrating a 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.The C-
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
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
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
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
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오퍼레이션 모듈(100)을 도시한 사시도이다.4 is a perspective view illustrating an
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
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
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
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.The
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
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
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
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 fragments of the patient's arms or legs to the
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.In fracture reduction surgery, the posture of the bone is corrected and the posterior posture is maintained by using a metal nail inserted into the bone marrow. However, instead of using metal tablets or the like, the
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, the
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.
The
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.FIG. 5 is a perspective view illustrating a
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
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
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
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
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 manipulating
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.One end of the
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.A user such as a medical staff can manually manipulate the relative position and posture between the first
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
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
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조종 모듈 레그(230)를 도시한 사시도, 정면도 및 측면도이다.7 is a perspective view, a front view, and a side view showing the
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
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
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
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 imparting unit includes an
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
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.The
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
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모듈(300)의 제어 흐름을 예시적으로 보여주는 논리적인 블럭도이다.FIG. 8 is a logical block diagram illustrating an exemplary control flow of the
도 8에 도시된 블럭도의 구성요소들은 전용 하드웨어뿐만 아니라 컴퓨터의 프로세서 및 프로그램 등에 의해서 구현될 수 있음은 당연하다.It is to be understood that the components of the block diagram shown in FIG. 8 may be implemented by dedicated hardware, as well as 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
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
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
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
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 receives position commands from the
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
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.The input from the integrated
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, the
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.The first embodiment may be configured such that the output from the
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
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, and the signal processing is simplified by that, and the error occurrence probability in the signal processing process 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
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
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 mode, the length or displacement of the
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, there is a one-to-one linear transformation and non-linear transformation between the length or displacement of the
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
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 using a fracture reduction robot system according to an embodiment of the present invention and an operation of a fracture reduction robot system 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
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, it is explained that the
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.In the meantime, although the
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, by the command of the
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 fragments of the patient are fixed to the
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 a fracture portion is obtained using a real-time x-ray imaging apparatus such as a C-ARM, and displayed on the screen of the
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.Then, the medical staff operates the
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.The
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.
When the alignment of the shifted fragments is completed, the medical staff inserts the metal tablets into the bone marrow through the thighs and inserts the screws from the side of the fragments into the metal tabs to fix the fragments. (140) and the operation module (100).
이하, 본 발명의 여러 양상들이 가지는 발명의 효과에 대해서 설명한다.Hereinafter, effects of the invention of 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.There was a problem of radioactivity exposure for medical personnel during conventional fracture reduction surgery. However, according to one aspect of the present invention, a medical staff does not need to apply a force to a leg or an arm for direct calibration, and the operation module of the present invention can be controlled remotely using the user control device of the present invention. There is an effect that the risk of radiation exposure can be fundamentally eliminated or reduced. In addition, the fracture reduction robot system of the present invention can calibrate the bone fragments more quickly than the conventional artificial fracture reduction apparatus or other fracture reduction apparatuses. Particularly, the correction time of the bone fragments performed using the real-time X-ray imaging apparatus is very short, and thus the radiation exposure time is significantly reduced even in the case of the patient.
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.The conventional fracture reduction surgery has a problem that a large number of medical personnel are required. However, since the fracture information robot system of the present invention does not correct the arm or leg of the patient by the human force, the number of necessary medical personnel can be 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.Conventional fracture reduction surgery is performed by using a human force or the like. Therefore, there is a problem that the accuracy of the correction is inferior. Further, there is a great difficulty in keeping the condition after the correction as it is. However, by using the fracture reduction robot system of the present invention, the accuracy of calibration is greatly improved, and it is very easy to fix the robot while maintaining the calibration state as it is.
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 the conventional fracture reduction surgery, it takes a long time, resulting in a burden due to prolonged anesthesia time and radioactivity exposure time for the patients, and prolonged radiation exposure time and cost increase in medical staff or hospitals. However, by using the fracture reduction robot system of the present invention, it is possible to greatly reduce the time required for fracture reduction, thereby significantly 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, since the operation module and the user handling module have six degrees of freedom and can be corrected in any direction and posture, It is possible to achieve accurate fracture reduction.
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.In a fracture reduction robot system according to an aspect of the present invention, a leg or an arm of a patient passes through an operation module and a plurality of variable legs, which are elements for providing an external force, surround the legs or arms. Therefore, it is possible to reduce the size and the weight of the device (operation module) that is coupled with the leg or arm of the patient during the fracture reduction operation and to freely position the leg or arm of the patient during the fracture reduction operation have. The position of the patient and the operation module can be adjusted even after the operation module is mounted on the patient's arm or leg.
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.Further, in the fracture reduction robot system according to one aspect of the present invention, since the plurality of variable legs surrounding the legs or the arms of the patient cooperatively operate in parallel, the force As shown in FIG.
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.In principle, the
100 : 오퍼레이션 모듈110 : 제 1 프레임
120 : 제 2 프레임130 : 가변 레그
140 : 고정 수단141 : 핀
142 : 지그200 : 사용자 조종 모듈
210 : 제 1 조종 모듈 프레임220 : 제 2 조종 모듈 프레임
230 : 조종 모듈 레그240 : 작동 노브
300 : 제어 모듈400 : 통합 운영 장치100: Operation module 110: First frame
120: second frame 130: variable leg
140: fixing means 141: pin
142: jig 200: user control module
210: first control module frame 220: second control module frame
230: Steering module leg 240: Operation knob
300: control module 400: integrated operating device
Claims (15)
Translated fromKorean사용자로부터 상기 오퍼레이션 모듈을 조종하기 위한 조작을 입력받는 사용자 조종 모듈(200);을 포함하여 구성되며,
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 하는 골절 정복 로봇 시스템.A first frame (110) having a shape that surrounds an arm or leg of a patient when the patient's arm or leg is pierced, and a second frame (110) having a shape that surrounds the patient's arm or leg 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, An operation module 100 configured; And
And a user control module (200) for receiving an operation for controlling the operation module from a user,
The operation module 100 includes fixing means 140 for fixing a skeleton of an arm or a leg of the patient to the first frame 110 and the first frame 120,
Each of the plurality of variable legs 130 includes an actuator for varying the length of the variable legs 130,
In response to the operation input from the user manipulation module 200, the actuators provided in the plurality of variable legs 130 operate in parallel, and the relative positions between the first frame 110 and the second frame 120 And the posture is variable.
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 method according to claim 1,
Wherein the variable legs are six, and a relative position and posture between the first frame (110) and the second frame (120) has six degrees of freedom.
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 하는 골절 정복 로봇 시스템.The method according to claim 1,
The fixing means (140)
A pin 141 extending in a direction of the first frame 110 or the second frame 120 in a state of being embedded in a bone fragment of the patient and a pin 141 extending in the direction of the first frame 110 or the second frame 120, And a jig (142) fixed to the second frame (120).
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.The method according to claim 1,
Wherein at least the first frame (110), the second frame (120), and the fixation means (130) are also used after surgery for fracture reduction.
상기 사용자 조종 모듈(200)은 상기 오퍼레이션 모듈(100)을 모델링한 구조를 가진 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the user manipulation module (200) has a structure modeling the operation module (100).
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 하는 골절 정복 로봇 시스템.The method according to claim 1,
The plurality of variable legs (130)
Wherein the first frame (110) and the second frame (120) are coupled to each other using a universal joint or a ball joint provided at both ends.
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 하는 골절 정복 로봇 시스템.The method according to claim 1,
The user steering module (200)
A first steering module frame 210 corresponding to the first frame 110,
A second steering module frame 220 corresponding to the second frame and spaced apart from the first steering module frame 210,
One end of the first steering module frame 210 is supported by the first steering module frame 210 and the other end thereof is supported by the second steering module frame 220, And a plurality of steering module legs (230) whose lengths are variable as the relative position or attitude between the module frames (220) varies.
Wherein the fracture reduction robot system comprises:
상기 조종 모듈 레그(230)는,
상기 조종 모듈 레그(230)의 가변되는 길이 또는 변위를 센싱하는 엔코더를 구비하는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.The method of claim 7,
The steering module leg 230 may include,
And an encoder for sensing a variable length or displacement of the steering module leg (230).
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 하는 골절 정복 로봇 시스템.
것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.The method of claim 7,
The steering module leg 230 may include,
Wherein the first control module frame (210) and the second control module frame (220) are coupled to each other using a universal joint or a ball joint provided at both ends thereof.
Wherein the fracture reduction robot system comprises:
상기 조종 모듈 레그(230)는,
상기 사용자의 조작에 대하여 부하를 부여하는 조작 부하 부여부;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.The method of claim 7,
The steering module leg 230 may include,
An operation load unit for giving a load to the operation of the user;
And a control unit for controlling the operation of the fracture reduction robot system.
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 하는 골절 정복 로봇 시스템.The method of claim 10,
The operation load imparting unit includes:
An air cylinder 237 incorporating a diaphragm or plunger that is moved as the length of the steering module leg 230 is varied; And
An air flow regulator (238) for controlling the flow of air by movement of the diaphragm or the plunger;
Wherein the robot is a robot.
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 하는 골절 정복 로봇 시스템.The method of claim 7,
An operation knob 240 used by the user to grip the user manipulation module 200 and coupled to the first manipulation module frame 210 and the second manipulation module frame 220, respectively;
Further comprising: a bending unit configured to bend and fold the bending unit;
상기 사용자 조종 모듈(200)로부터의 입력에 따라 상기 오퍼레이션 모듈(100)을 제어하는 제어 모듈(300);
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 골절 정복 로봇 시스템.The method according to claim 1,
A control module (300) for controlling the operation module (100) according to an input from the user control module (200);
Further comprising a plurality of fracture reduction robots.
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 하는 골절 정복 로봇 시스템.14. The method of claim 13,
The control module (300)
A position command for designating a length or a displacement of the variable leg 130 and a sensing signal for sensing a length or a displacement of the variable leg 130 for each variable leg 130, A feedback control unit 310 for outputting a current;
And a control unit for controlling the operation of the fracture reduction robot system.
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 하는 골절 정복 로봇 시스템.14. The method of claim 13,
The control module (300)
A forward kinematics 320 for calculating the end effector from the length or displacement of the steering module leg 230;
An inverse kinematics (330) for calculating the length or displacement to be designated for each of said variable legs (130) from said end effector;
And a control unit for controlling the operation of the fracture reduction robot system.
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