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dc.contributor.advisor 홍재성 - Seongbo Shim - 2020-06-22T16:01:35Z - 2020-06-22T16:01:35Z - 2020 -
dc.identifier.uri en_US
dc.identifier.uri -
dc.description 뼈 천공, 영상 기반 네비게이션, 원격 중심 움직임 메커니즘, 천공 메커니즘 -
dc.description.abstract One of the most important and difficult tasks during the bone drilling is to guide the orientation of the drill-ing axis for the target and to maintain the orientation against the reaction force of drilling during the procedure. To assist the drilling task, a remote center of motion (RCM) mechanism is proper for aligning the orientation without changing the entry point. However, existing RCM mechanisms do not provide sufficient resolution and rigidity to deal with hard tissues. We proposed a new type of RCM mechanism which uses two pairs of lin-ear actuators and gearless-arc guide. For the drilling motion, we designed a single motor-based 2-axis control mechanism based on the rolling friction. In addition, a release mechanism for instant stopping of the drilling motion as requested was added. For the automatic control of guiding and drilling, a CT based navigation sys-tem with an optical tracking system was incorporated. The effectiveness of the integrated robotic system was demonstrated in a series of experiments and ex-vivo drilling test on swine femurs. The proposed robotic system withstood an external force of up to 51 N to maintain the joint angle, and an average targeting error was less than 1.2 mm. -
dc.description.statementofresponsibility open -
dc.description.tableofcontents I. INTRODUCTION 1
1.1 Introduction of Bone Drilling 1
1.2 Reported Bone Drilling Robotic Systems 2
1.3 Challenges of the Reported Robotic Systems 4
1.4 Contribution and Research Contents 6
2.1 Introduction of Drilling Mechanism 7
2.2 Mechanisms of Robotic System 10
2.2.1 Rolling Friction Based Drilling Mechanism 10
2.2.2 Release Mechanism 14
2.2.3 Orientation Mechanism 15
2.3 Navigation System 20
2.3.1 Robot and Drill Calibration 21
2.3.2 Frame Matching between the Robot and CT Image 21
2.3.3 Navigation Algorithm 22
2.4 Experiments and Results 24
2.4.1 Drilling Mechanism 24
2.4.2 Orientation Mechanism 27
2.4.3 Ex Vivo Drilling Test 30
2.5 Discussion 35
2.6 Conclusion 38
3.1 Introduction of Guiding Mechanism 39
3.2 Design of the Proposed RCM Mechanisms 41
3.2.1 Design Consideration 41
3.2.2 Structure and Workspace of the RCM Mechanism 42
3.3 Navigation System 47
3.3.1 System Configuration 47
3.3.2 Frame Matching between the Robot and CT Image 48
3.3.3 Tracking Algorithm 49
3.4 Experiments and Results 51
3.4.1 Existence of an RCM 51
3.4.2 Rigidity Test about Tilting Motion 53
3.4.3 Targeting Test 55
3.5 Discussion 59
3.6 Conclusion 61
4.1 Dual Trigonometric Ratio based RCM Mechanism 62
4.1.1 Design Consideration 62
4.1.2 Structure and Workspace of the DT-RCM 63
4.1.3 Static Analysis of Resolution and Force 65
4.2 Single Moter based Drilling Mechanism 68
4.2.1 Design of the Proposed Drilling Mechanism 68
4.2.2 Release Mechanism 70
4.3 Navigation System 72
4.3.1 System Sonfiguration 72
4.3.2 Registration between the Robot and CT Image Frame 73
4.3.3 Tracking Algorithm 74
5.1 Accuracy Test for RCM 76
5.2 Rigidity Test for Yaw and Pitch Axes 78
5.3 Targeting Accuracy and Resolution 80
5.4 Ex Vivo Drilling Test on Swine Femurs 82
dc.format.extent 108 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.source /home/dspace/dspace53/upload/200000285815.pdf -
dc.title Compact Bone Drilling Robotic System with High Rigidity -
dc.title.alternative 높은 강성을 갖는 소형 뼈 천공 로봇 시스템 -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/Theses.200000285815 -
dc.description.alternativeAbstract 본 연구에서 뼈 천공 수술을 위한 천공 메커니즘, 가이드 메커니즘, 그리고 네비게이션 시스템을 개발하였다. 이전에 제안되었던 직선과 회전 모터를 따로 사용하는 천공 메커니즘들과 달리 회전모터만을 사용하는 마찰력 기반의 천공 메커니즘을 제안하였다. 이로써 직선 가이드 없이도 천공 운동을 구현 할 수 있기 때문에 로봇의 크기를 줄 일 수 있었으며, 로봇과 드릴의 기계적인 채결이 필요 없기 때문에 위급상황 시에 간단하게 드릴의 움직임을 중단하고 제거할 수 있게 되었다. 또한, 볼 나사 기반의 직선 엑추에이터 기반의 RCM (Remote Center of Motion) 메커니즘을 개발하였다. 뼈 천공 수술에서 가장 중요하고 어려운 작업 중 하나는 목표 지점까지 드릴의 방향을 가이드해주고 천공 중에 발생할 수 있는 반력에 삽입 방향을 유지하는 것이다. 천공의 방향을 가이드해주기 위해 초기 삽입 지점을 유지하면서 방향을 목표 지점에 정렬해 줄 수 있는 RCM 메커니즘이 적합하다. 그러나 기존의 RCM 메커니즘은 단단한 조직을 다루기에 충분한 정밀도나 강성을 제공하지 않는다. 우리는 직선 엑추에이터 만을 사용하는 새로운 형태의 RCM 메커니즘을 개발하여 높은 정밀도와 강성을 달성하였다. 목표 위치로의 천공 및 방향 가이드를 위해 CT 영상 기반의 네비게이션 시스템을 개발 및 통합하였다. 팬텀을 통한 일련의 기초 실험과 돼지 대퇴골을 통한 생검 실험을 통해 통합 로봇 시스템의 효과가 입증되었다. 제안된 로봇 시스템은 실제 천공에 필요한 강성의 3배인 51 N까지의 외력을 버티며 삽입 각도를 유지하였고, 생검 실험의 평균 천공 오차는 1.2 mm 미만이었다. - Doctor -
dc.contributor.department Robotics Engineering -
dc.contributor.coadvisor Sanghyun Joung - 2020-02 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.citation XT.RD 심54 202002 - 2020-01-20 -
dc.contributor.alternativeDepartment 로봇공학전공 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Hong, Jaesung -
dc.contributor.affiliatedAuthor Joung, Sanghyun -
dc.contributor.affiliatedAuthor Shim, Seongbo -
dc.contributor.alternativeName Jaesung Hong -
dc.contributor.alternativeName 정상현 -
dc.contributor.alternativeName 심성보 -
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Department of Robotics and Mechatronics Engineering Theses Ph.D.


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