The development of surgical robots has brought various advantages over conventional surgical methods. Due to the teleoperation system using the master-slave, the surgeon can maintain a comfortable posture and perform surgery while sitting on the console. In addition, through the application of the motion scale, precise movements beyond the limits of the human body could be performed, and the tremor problem could be solved due to robot technology. However, many surgeons still take physical discomfort as a problem when the master of the surgical robot uses it for a long time and shows high cognitive load due to the occurrence of visual-perceptual mismatch due to the use of the clutch function. In particular, the more novice surgeons, the higher this level of fatigue was.
We would like to propose a new RLS master that can solve these problems. In the RLS master design, important design elements are identified, functional requirements are defined, and design directions are presented accordingly. Not only the master function as an input device but also the user's convenience through ergonomic design. By comparing the newly proposed master system with the existing masters and kinematic performance, the strengths and weaknesses are clearly presented. As a motion-scaled teleoperation system requiring a clutch function, the RLS master must have a large workspace and high isotropy characteristics. In addition, in order to reduce the fatigue applied to the surgeon, a design considering ergonomics is required, and it must be designed considering inertia, back-drivability, and friction kinematically. In order to satisfy these characteristics, a hybrid structure different from the existing serial and parallel mechanism and a structure using spherical joints were proposed. A spherical parallel mechanism with 3 degrees of freedom consisting of 2 revolute joints and 1 prismatic joint is responsible for the positioning part. The wrist part is made up of two spherical shells, with a 3-degree of freedom structure and a gripper with 1 degree of freedom. An optimization design was performed considering the reachable workspace of the master manipulator, the workspace of interest in the target operation, and kinematic isotropy characteristics. As a result, the proposed structure showed higher isotropy performance than general serial and parallel structures.
We intend to conduct a usability verification experiment on the proposed surgical robot master. First, we define the workspace where the user can comfortably work while sitting on the console as the Ergonomic Comfort Workspace (ECW), and try to find it through user experiments. The workspace required by the master of motion-scaled teleoperation system, not general teleoperation, was found through peg-transfer user experiments. In the surgical robot, it is important for the surgeon to maintain a comfortable posture while sitting on the console. At this time, the workspace mainly used by the user is defined as the Ergonomic Comfort Workspace (ECW), and the ellipsoidal workspace with three axes of 188mm, 192mm, and 245mm respectively am. ECW is proposed as the minimum required workspace in the RLS master design.
Second, we investigate how to change the motion scaling factor between master-slave during surgery to improve task performance and reduce user fatigue. In order to increase user convenience, we investigated which method showed the highest performance and the least user fatigue through user experiments under the condition of changing according to various methods, not a constant scaling factor between master-slave. In order to perform a precise technique, ECW applied a scaling factor of a constant value and then increased the scaling factor in proportion to the logistic function according to the distance, which showed the highest performance and required the lowest user cognitive load.
Through these results, the design direction of the RLS master could be presented. In addition, the master optimization method from the user's point of view was considered. An adaptive scaling factor strategy for high usability was also presented through comparative experiments. This method is considered suitable for application to RLS as a methodology considering ECW.
수술로봇의 개발로 인해서 기존의 전통적인 수술방식에 비해서 다양한 장점을 가져왔다. 마스터-슬레이브를 이용한 텔레오퍼레이션 시스템의 개발로 인해서 외과의들은 편안한 자세를 유지하며 마스터콘솔에 앉은채로 수술을 진행할 수 있게되었다. 또한 마스터-슬레이브 간의 모션스케일의 적용을 통해서 인체적인 한계 이상의 정밀한 동작을 수행할 수 있게되었으며, 로봇기술로 인해 슬레이브의 진동 문제를 해결할 수 있었다. 하지만 여전히 많은 외과의들이 수술로봇의 마스터의 긴 시간 사용시 육체적 불편 증상을 문제로 삼고 있으며, 클러치 기능의 사용으로 인한 시각-지각 불일치의 발생으로 인해 높은 인지 부하를 보이고 있다. 특히 경험이 적은 외과의 일수록 이러한 피로도가 높게 나타났다.
이러한 문제들을 해결할 수 있는 새로운 복강경 수술로봇 마스터를 제안하고자 한다. 복강경 수술로봇 마스터 설계에 있어서 중요한 설계 요소들을 확인하고 기능적 요구사항을 정의하고, 이에 따른 설계 방향을 제시하였다. 입력장치로서의 마스터의 기능뿐만 아니라 인체공학적 설계로 사용자의 편의성을 고려하였으며, 새롭게 제안한 마스터 시스템과 기존의 마스터들과 기구학적 성능 비교를 통하여 장단점을 명확히 제시하였다. 복강경 수술로봇 마스터는 설계 방향성을 살펴보면 그 특징으로 클러치 기능을 필요로 하는 모션스케일 원격조종 시스템이다. 이로인해 넓은 작업공간과 높은 등방성 특성을 가져야 하며 동시에 시술자에게 가해지는 피로를 줄이기 위해서는 인체공학을 고려한 설계가 필요하다. 그 외로 운동학적으로 관성, 역주행성, 마찰력 등을 고려하여 설계되어야 한다. 이러한 특성을 만족시키기 위해 기존의 직렬 및 병렬 메커니즘과 다른 하이브리드 구조와 구형 조인트를 이용한 구조가 제안하였다. 2개의 회전 관절과 1개의 각기둥 관절로 구성된 3자유도의 구형 병렬 메커니즘이 위치 결정 부분을 담당하며, 손목 부분은 3자유도 구조와 1자유도의 그리퍼가 있는 두 개의 구형 쉘로 구성되어있다. 기구학적 구조 설계 후, 마스터 매니퓰레이터의 도달 가능한 작업 공간, 대상 작업에서 관심 작업 공간 및 운동학적 등방성 특성을 고려하여 최적화 설계를 수행하였다. 그 결과 제안된 구조가 일반적인 직렬 및 병렬 구조보다 높은 등방성 성능을 보였다.
그 후 제안한 수술로봇 마스터의 사용성 검증 실험을 수행하였다. 첫번째로 마스터콘솔에 앉은 자세에서 사용자가 편안하게 작업을 수행할 수 있는 작업영역을 Ergonomic Comfort Workspace (ECW)로 정의하고, 사용자 실험을 통해서 결과를 얻었다. 일반적인 원격 조작이 아닌 모션 스케일 원격 조작 시스템의 마스터가 필요로 하는 작업 공간은 페그-트랜스퍼 사용자 실험을 통해 얻었다. 수술로봇에서는 외과의가 콘솔에 앉아 편안한 자세를 유지하는 것이 중요하며 이때 사용자가 주로 사용하는 작업공간을 ECW로 정의하고, 각각 188mm, 192mm, 245mm의 3축을 가진 타원형 작업공간을 가지는 것으로 확인하였다. 본 연구에서는 ECW는 복강경 수술로봇 마스터 설계에서 필요한 최소 작업 공간으로 제안하였다. 두번째로는 수술 중 마스터-슬레이브 간의 모션스케일을 어떻게 변화시키면 술기 작업성능이 올라가고, 사용자의 피로도를 줄일 수 있는지 알아보았다. 사용자 편의성을 높이기 위해 마스터-슬레이브 간의 일정한 스케일링 계수가 아닌 다양한 방식에 따라 변화하는 조건에서 사용자 실험을 통해 어떤 방식이 가장 성능이 좋고 사용자 피로도가 가장 낮은지 조사하였다. 정확한 기술을 수행하기 위해 ECW는 일정한 값의 스케일링 계수를 적용한 다음 거리에 따른 logistic 함수에 비례하여 스케일링 계수를 증가시켜 가장 높은 성능을 보였고 사용자의 인지 부하가 가장 낮았다.
이러한 결과를 통해서 복강경 수술로봇 마스터의 설계방향성에 대해서 제시할 수 있었다. 또한 사용자 측면에서의 마스터 최적화 설계 방법을 고려하였다. 높은 사용성을 위한 거리에 따른 모션스케일 변화 전략도 비교실험을 통해서 제시하였다. 이러한 방법은 ECW를 고려한 방법론으로써 복강경 수술로봇에 적용하기에 적합하다고 생각된다.
