Microsurgery is a sophisticated operation using a microscope and requires very high precision. It is a difficult operation because the operator must perform it in a fixed position to minimize hand tremors. Robotic technology is suitable for overcoming these limitations of microsurgery through controllable anti-shake, scaling functions, or ergonomic master devices. Therefore, research on microsurgery using robots is steadily being conducted, and their interest is in precise movements and the detection of microscopic forces for force feedback.
In this dissertation, the tendon twist phenomenon that occurs when robotic surgical instruments rotate in the axial direction is analyzed, and the anti-twist mechanism is developed to prevent tendon twisting effects. The proposed structure has the characteristic of maintaining the tendon's behavior constant regardless of axial rotation. This feature enables indirect measurement of the joint forces of the instrument by estimating the tension of the tendon through the motor current of the actuation pack. In addition, the external force of the surgical instrument is measured by applying the force sensor to the robot arm of the 'easyMicro' system.
Through the results of this study, the precision of not only microsurgical instruments but also rigid surgical instruments can be improved, and the microscopic force of surgical instruments is detected. By adding a force feedback function using force measurement technology, it is expected to increase the operator's convenience and reach the area of microsurgery that humans could not reach.
미세수술은 현미경을 사용하는 정교한 수술로 매우 높은 정밀도를 요구하며, 시술자는 손 떨림을 최소로 하며 고정된 자세로 수행하는 등 난이도가 높은 수술이다. 로봇 기술은 제어를 통한 떨림 방지, 스케일링 기능이나 인체공학적인 마스터 장치를 통해 이런 미세수술을 한계들을 극복하기에 적합하다. 따라서 로봇을 이용한 미세수술 연구가 꾸준히 이루어지고 있으며 이들의 관심사는 정밀한 움직임과 미세한 힘의 감지를 통한 힘 피드백에 있다.
본 학위논문에서는 로봇용 수술도구가 축 방향 회전 시에 발생하는 텐던 꼬임 현상을 분석하고, 이를 방지할 수 있는 꼬임 방지 구조를 개발한다. 제안하는 구조는 축 방향 회전과 관계없이 텐던의 거동을 일정하게 유지하는 특징이 있다. 이런 특징은 동력부의 모터 전류를 통해 텐던의 장력을 추정하여 이를 통한 도구의 관절 자유도에 해당하는 힘을 간접적으로 측정 가능하다. 또한 보편적으로 사용되는 힘 센서를 개발 중인 'easyMicro' 시스템에 적용하여 수술도구의 외력을 측정한다. 실험을 통해 꼬임 방지 구조를 통한 움직임 정밀성 향상을 확인하고, 두 가지 힘 측정 방법의 정확성을 확인한다.
본 연구의 결과를 통하여 미세수술도구 뿐만 아니라 경성 수술도구의 정밀성을 향상시키고, 수술도구의 미세한 힘을 감지함으로써 이를 활용한 힘 피드백 기능이 시술자의 편의성을 증대하고 인간이 도달할 수 없던 미세수술의 영역에 이르기를 기대한다.
