With the progress of remote robot technology, laparoscopic surgery using teleoperation has been developed in the field of minimally invasive surgery. Remote surgery, which uses a master interface to control a surgical slave system, provides higher accuracy and convenience than manual laparoscopic surgery. However, due to the high adaptability of various commercial haptic master devices, research on surgical robot systems has mainly focused on the development of slave systems. Therefore, a new haptic master interface applicable to remote laparoscopic surgery is proposed in this dissertation. In order to verify the feasibility of the kinematic structure, proposed in previous studies, a usability test is conducted to perform laparoscopic surgical tasks. The quantitative analysis of the experimental results confirms the positive effects on increased operability and decreased workload. Next, a mechanical gravity compensation mechanism for the structure is proposed. The feasibility of the proposed mechanism is verified through mathematical analysis. The main design variables for the mechanism implementation are determined through design optimization in order to minimize the inertia of the two main rotational movements. Based on the optimization results, a new prototype is developed, and the viability of the proposed gravity compensation mechanism is verified through a performance evaluation test. Finally, a motorized 3-DOF wrist joint is developed, and is integrated to the 3-DOF positioning joints to complete the 6-DOF master interface. The kinematics of the master device is analyzed and its performance as a haptic interface is evaluated. The master interface proposed in this dissertation is applicable to various remote laparoscopic surgical robot platforms and surgical training systems. It is expected to have a positive effect on learning curves and surgical performance.
원격 로봇 기술이 발전함에 따라 최소침습수술 분야에서도 로봇 기술을 활용한 원격 수술이 나날이 발전하고 있다. 마스터 인터페이스를 활용하여 수술 도구인 슬레이브를 제어하는 원격 수술은 최소침습수술에 비해 높은 정확도와 편리함을 제공한다. 그러나 다양한 상용 햅틱 마스터 장치의 높은 활용성으로 인해 수술 로봇 시스템의 연구는 주로 슬레이브의 새로운 구조 개발 및 구동 메커니즘 구현에 주로 집중 되어왔다. 본 학위 논문에서는 원격 복강경 수술에 적용 가능한 새로운 컨셉의 햅틱 마스터 인터페이스를 제안한다. 먼저 선행 연구를 통하여 제안되었던 위치 결정 부 기구학적 구조의 타당성을 검증하기 위하여 복강경 수술 태스크를 수행하는 사용자 실험을 수행하였으며, 실험 결과의 정량적 평가를 통해 제안된 기구학적 구조의 긍정적 활용 가능성을 확인하였다. 다음으로 사용자에게 원활한 햅틱 피드백 제공을 가능케 하는 기계적 방식의 중력 보상 메커니즘의 적용을 목표로 하였으며, 앞서 검증된 기구학적 구조에 맞춘 새로운 중력 보상 메커니즘을 제안하였다. 제안된 메커니즘은 이론적 분석을 통해 구현 타당성이 확인되었으며, 메커니즘 구현을 위한 각 설계 변수는 회전 관성을 목적 함수로 하는 설계 최적화를 통해 높은 조작성을 확보할 수 있도록 결정되었다. 이러한 분석 결과에 기반하여 새로운 프로토타입이 설계 및 제작되었으며, 제작된 프로토타입의 구동 실험을 통해 제안하는 중력 보상 메커니즘의 적용 타당성을 확인하였다. 회전 방위 입력을 위한 3자유도 손목 관절 부의 설계가 이루어 졌으며, 앞서 제작된 중력 보상이 구현된 3자유도 위치 결정 부와 통합되어 총 6자유도의 마스터 인터페이스를 제작하였다. 제작된 마스터의 기구학이 분석되었으며, 햅틱 인터페이스로서의 성능이 평가되었다. 본 학위 논문에서 제안된 마스터 인터페이스는 다양한 원격 복강경 수술 로봇 플랫폼 및 수술 훈련 시스템에 적용 가능하며, 수술 학습 효과 및 성능을 높임에 있어 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다.
