여유 자유도를 가진 복강경 수술 로봇을 위한 조종기의 설계

Abstract

이 논문은 복강경 수술 로봇 중에서 수술 로봇 조종기의 설계안 도출 및 설계 검증에 대해서 논의한다. 그러기 위해 사람 팔과 같은 관절을 지닌 복강경 수술 로봇을 가정하고 이를 구동하기 위한 조종기를 설계한다. 복강경 수술 로봇이 직관적이고 쓰기 쉬운 움직임을 내기 위해서 복강경 수술 로봇 조종기는 의사의 팔의 움직임을 구현하는 것을 목적으로 하였다. 손으로 행해지던 복강경 수술 작업은 침습점에서의 자유도 제한과 복강 내 봉합작업이 어렵기 때문에 복강경 수술 로봇 시스템이 제안되었다. 대표적인 복강경 수술 로봇 시스템은 zeus, da vinci system이다. 초기 zeus master system은 손으로 행해지던 복강경 수술과 같은 4자유도를 지녔으며 da vinci master system은 7자유도를 지녀 손목회전제한 문제를 해결한 것이 특징이다. 본 논문에서는 이보다 추가적인 자유도를 지니는 복강경 수술 로봇을 가정한다. 이 때 복강경 수술 로봇을 직관적이고 쓰기 쉽게 구동하기 위해서 의사의 팔의 움직임을 구현하는 것을 목적으로 한다. 개념 설계 과정 중 의사의 팔의 움직임을 구현하기 위해서 6자유도의 핸들부와 3자유도의 팔꿈치 받침대를 이용하기로 결정하였다. 이러한 시스템은 의사가 수술 작업시 탈부착의 번거로움이 없으며 정확한 손 끝단의 위치를 알 수 있을 뿐만 아니라 의사의 팔꿈치 위치를 알 수 있는 것이 특징이다. 6자유도 핸들부를 통해서 의사의 손 끝의 위치와 방향을 알 수 있고 팔꿈치 받침대를 통하여 팔꿈치의 위치를 파악한다. 또한 복강경 수술 작업 중 어깨의 위치가 고정되어 있다고 가정할 경우 의사의 팔의 움직임을 구현할 수 있다. 사람 팔의 자유도 제한이 있을 경우 본 논문에서 제안된 9자유도 시스템은 7자유도 출력을 내게 된다. 9자유도 시스템으로부터 7자유도의 관절회전각도가 출력 될 수 있음을 closed-form과 numerical form을 이용하여 구하였다. 또한 본 논문에서 제안된 복강경 수술 로봇 조종기의 manipulability를 조사하였다. 제안된 복강경 수술 로봇 조종기와 zeus ,da vinci system과 비교해 봤을 때 사람 팔의 manipulability와 비슷하게 나옴을 알 수 있었다. 이는 사람 팔의 회전각도변화량만큼 복강경 수술 로봇 조종기의 회전각도가 변할 때 사람 손의 속도와 비슷하게 핸들에서의 속도가 나온다는 것을 의미한다. 따라서 손의 위치가 변하는 만큼의 팔의 회전각도변화량이나 복강경 수술 로봇 조종기의 회전각도변화량이 비슷하여 사람 팔의 움직임을 비슷하게 복강경 수술 로봇에 전달해 줄 수 있다.