Fig. 4-4는 다물체 동역학 해석을 위한 2차 모델의 기구부의 개략도이다. 1차 모델의 기구부에서 요(yaw) 운동을 담당하는 모터의 위치와 드릴링 깊이조절을 위한 모터의 위치 그리고 FT 센서 장착 여부에 대해서 변경이 되었다. 2차 모델의 구동되는 구조적 메커니즘은 1차 모델과 동일하다. motor 1과 motor 2에서 발생하는 롤(roll)과 요(yaw) 운동을 1차 모델과 동일하게 구현하였다. 드릴링 깊이조절을 위한 운동의 설정은 motor 3의 부품을 이송라인 기준으로 상부와 하부의 부품별로 구분하여 구속하고 이송라인과 하부부품을 병진 조인트로 설정하여 드릴링 깊이 조절부의 움직임을 구현하였다.
기구부의 구동범위를 파악하기 위한 요 운동을 시뮬레이션을 수행하고 드릴의 각 변화에 따른 RCM 고정점의 위치 변화도 추적하였다. 2차 모델 기구부의 해석을 위한 입력조건을 Table 4-5에 정리하였다.
부품간의 간섭이 없는 상태인 ± 29.4615° 의 요 운동을 설정하고 핸드피스 드릴의 각 변화를 측정하여 Fig. 4-5에 나타내었다. 드릴은 초기 위치를 기준으로 –22.655°
~ 36.268°의 운동범위를 가졌다. 요 운동에 대한 RCM 고정점의 위치 변화를 Fig. 4-6에 나타내었다. X축, Y축, Z축의 변위는 모두 0 mm로 RCM 고정점은 위치변화를 보이지 않았다. 설계한 인공치근 이식 시술 보조 로봇은 RCM 고정점을 유지하고 58.923°의 구동범위를 갖는 것으로 확인하였다.
Fig. 4-4 Schematic diagram of second model for multibody dynamic analysis
Table 4-5 Input condition of second model for multi-body dynamic analysis
Simulation time 4 sec
Input
roll motion : fix yaw motion : ± 29.4615
depth motion : fix
Motor 1 part revolute joint
Motor 2 part revolute joint
Motor 3 part translational joint
Fig. 4-5 Angle of handpiece and drill by yaw motion
(a) Displacement of X-axis direction
(b) Displacement of Y-axis direction
(c) Displacement of Z-axis direction
제 5 장 시술 보조 로봇의 성능평가 제1절 1차 모델 드릴링 실험
인공치근 이식 시술 보조 로봇의 1차 모델에 대한 드릴링 성능 실험을 위하여 턱뼈 인공모사 물질을 이용한 드릴링 실험을 하였다.
실험에 사용한 턱뼈 인공모사 물질에 대하여 Tabel 5-1에 정리하였다. 턱뼈 인공모 사 물질은 D1은 참나무와 같은 치밀한 피질골을 모사하였고 D2의 인공모사 물질은 치조능의 두껍고 치밀하거나 다공성의 피질골과 내부의 거친 골소주를 모사하였다. Fig.
5-1은 실험에 사용한 턱뼈 인공모사 물질이다.
Table 5-1 Artificial material similar to jaw bone
Grade Cortical layer Sponge layer
Density
(g/cc) Thickness
(mm) Density
(g/cc) Thickness (mm)
D1 0.80 3.0 0.48 27.0
D2 0.80 2.0 0.32 28.0
1차 모델 드릴링 성능 실험은 100×100×30 mm 크기의 모사물질을 9등분하여 진행 하였다. 각 시편에 1가지의 직경으로 1개의 구멍을 뚫었다. 핸드피스의 드릴 속도를 1500 rpm으로 고정하였다. 1차 모델의 드릴링 깊이 조절부는 스텝모터가 연결되어 있으 며 step당 0.002 mm의 이송이 가능하다. 10 mm의 깊이로 실험을 진행하여야 하므로 5000 step을 조건으로 부여하였다. Table 5-2에 1차 모델 드릴링 성능 실험 조건을 정리 하였다. Fig. 5-2는 1차 모델로 턱뼈 인공모사 물질에 드릴링 실험을 진행한 사진이다.
Table 5-2 Conditions of drilling performance experiment using the first model Model
name Size of specimen
(mm) Speed of drill
(rpm) Depth
(mm) Note
D1 / D2 32.3×32.3×30 1500 10.0 5000 step
턱뼈 인공모사 물질을 이용한 1차 모델 드릴링 성능 실험 시편을 micro CT를 통해 촬영하고 분석하였다. micro CT의 모델명은 SMX-225 CT이고 측정 Spec을 Table 5-3 에 정리하였다. CT 촬영을 통해 구해진 시편의 이미지 자료를 이용하여 표면의 구멍 크기와 끝점의 구멍 크기를 분석하였다. 구멍의 크기는 드릴의 진동에 의한 흔들림으로 반경이 일정치 않을 수 있기 때문에 가장 크게 뚫린 반경을 기준으로 하였다. Fig. 5-3는 시편의 CT 촬영에 관한 이미지이다. Fig. 5-3 (a)에 CT 촬영의 기준 위치를 나타내었다.
Fig. 5-3(b)는 1차 모델의 드릴링 시편 촬영 이미지이다. 획득한 이미지를 분석하여 구해 진 데이터를 Table 5-4에 정리하였다.
Table 5-3 Specification of micro CT Model
name Focus size(㎛.)
Image intensifier
(inch)
CCD camera
(Pixel) Sample stage
Shimadzu
SMX-225 CT Min. 4 9 / 7.5 / 6 / 4.5 1 M 300mm(Φ) ×
300mm(H).9kg
Table 5-4 First model drilling performance experimental data Drill
size(Φ)
Specimen grade
Top of the (mm)hole
Bottom of the hole
(mm)
Depth (mm)
Deviation of (mm)hole
2.5 D1 2.3303 2.3746 8.8530 0.0442
D2 2.8215 2.6255 8.7113 0.1960
2.8 D1 3.0636 2.8357 8.8291 0.2279
D2 3.1138 2.8777 9.1200 0.2361
3.2 D1 3.7009 3.2083 8.2441 0.4925
D2 3.2838 3.2930 8.7594 0.0091
3.7 D1 4.2052 3.6968 - 0.5083
D2 4.0877 3.7842 - 0.3034
4.3 D1 4.3202 4.3113 - 0.0089
D2 4.6852 4.3236 - 0.3616
(a) Baseline of tomography