The objective of this dissertation is to design and analyze the kinematic features of a 6-dof parallel manipulator with a wrist structure suitable for micro-positioning surgical tasks and to develop the proposed manipulator. There is one other thing that is important for this dissertation. It is to propose a generalized formulation methodology for the forward kinematics of the 6-dof parallel manipulators.
Recently, in order to surmount surgical environmental and physical problems during performing surgical operations, surgery robots among advanced medical robots have been developed to achieve the better surgical performance in various fields of conventional surgery. A surgery robot is an integration of a surgeon's expertise and skill with advanced robotic technology. Because the micro-positioning surgical tasks should be carefully performed by a surgical specialist with miniaturized precision tools, development of a surgical manipulator with high precise positioning capability can provide significant advantages in overcoming their operational difficulties. Five advanced micro-positioning surgical tasks employed robotic technologies have been analyzed based on their current technological background and expertise. From the analysis results and the conceptual modeling of the surgeon' hand motion, requirements of a surgical manipulator for the micro-positioning surgical tasks are defined. A new 6-dof parallel manipulator with the wrist structure are proposed under considering the requirements.
The proposed manipulator has six linear actuating links, a conical moving platform and a flat base platform. Three linear actuating links among six, called external actuating links, are connected at three spherical joints on the moving platform and the other three, called internal actuating links, are connected at a specially designed spherical joint on the vertex of the conical moving platform. The manipulator can generate 3-dof pure orientations by driving only the three external actuating links when the three internal actuating links are fixed. The 3-dof pure orientations give the manipulator capability of imitating dexterous motions of the human wrist.
The kinematic features of a newly designed 6-dof parallel manipulator with the wrist structure have been deeply analyzed with respect to kinematics, workspace, the Jacobian, dynamics, singularity and optimal design and correctness of their derivations has been verified through a series of simulation studies. Several researches studied in this dissertation are associated with not only analysis of the proposed manipulator, but also one of general 6-dof parallel manipulators. Especially, singularity and optimal design of the proposed manipulator have been investigated with respect to performance indices and then an optimal structure of the proposed manipulator with a non-singular configuration has been proposed. The kinematic performance of an optimized manipulator has been well evaluated in terms of isotropy.
The proposed manipulator has been developed to achieve the requirements of the micro-positioning tasks such as degree of freedom, applying force, workspace, positioning accuracy and compactness. Furthermore, the manipulator has been implemented within a telerobotic system for micro-positioning surgical tasks. The telerobotic system has successfully performed simple surgical tasks of under teleoperation such as scissors and knife motions.
Additional research issue of this dissertation is to propose an effective formulation methodology for the forward kinematics of 6-dof parallel manipulators that has been known to be a challenging task. A new formulation methodology based on tetrahedral configurations has been proposed to solve the forward kinematics of the proposed manipulator. Four Tetrahedron properties are defined in the formulation methodology: the Tetrahedron Proposition, the Tetrahedron Theorem, the Tetrahedron Lemma and the Tetrahedron Theorem I. A formulation procedure for solving the forward kinematics, based on the Tetrahedron properties, is called the Tetrahedron Approach that successively pile up three tetrahedrons to solve the forward kinematics. The Tetrahedron Approach has several significant advantages in solving the forward kinematics. The Tetrahedron Approach provides a unique closed-form solution for the forward kinematics of 6-dof parallel mechanisms with multi-connected joints which have been known to have eight solutions. The Tetrahedron Approach greatly simplifies the complexity of the forward kinematics and can provide a single constraint equation. A numerical method, called the Hybrid-Switching scheme, is proposed to quickly find the actual solution of the single constraint equation. The Tetrahedron Approach provides two geometric approaches, based on the Tetrahedron Theorem I, for determination of the actual solution of the forward kinematics of most of the 6-dof parallel manipulators, including the 6-6 Platform.
As a result, the proposed Tetrahedron Approach has significant advantages in easy derivation, fast calculation and determination of the actual solution of the forward kinematics of most of 6-dof parallel manipulators.
본 논문의 목적은 고정도 수술작업에 적합한 손목구조형 6자유도 병렬기구의 디자인과 해석 및 개발이다. 본 논문에서는 또 하나의 중요한 연구를 다루고 있다. 6자유도 병렬기구의 정기구학을 위한 일반화된 해석방법론이다.
최근, 수술과정중의 환경과 육체적적 문제점을 극복하기 위하여 의료용 로봇중에서 수술로봇들이 더 나은 수술성과를 얻기 위하여 다양한 기존수술 분야에 개발되고 있다. 수술로봇은 의사의 전문적 지식, 기술과 진보된 로보테크놀노지의 결합체이다. 고정도 수술작업은 전문의에 의해 작은 수술도구로 주의깊게 집도되기 때문에, 고정도 위치제어능력을 갖춘 수술로봇의 개발은 기존 수술방법의 어려움을 극복할 수 있는 현격한 장점을 제공할 수 있다. 로봇기술들이 사용되고 있는 5개의 진보된 수술작업들을 그들의 현재의 기술환경과 배경에 근거하여 분석하였다. 분석된 결과와 의사의 손 동작의 개념 모델링으로부터, 고정도 수술작업용 수술로봇의 요구조건들을 정의하였고, 제안된 요구조건에 근거하여 손목구조를 지닌 새로운 6자유도 병렬기구를 제안하였다.
제안된 기구는 6개의 선형 엑츄에이터, 원추형 상판과 평평한 하판으로 구성되어 있다. 6개중 외부링크는 상판과 연결되어 있고, 나머지 3개의 내부링크는 원추형 상판의 하부 꼭지점에서 장착된 특수제작된 구형조인트에 연결되어 있다. 제안된 기구는 3개의 내부링크가 고정된 상태에서 3개 외부링크의 구동만으로 3자유도의 회전운동을 만들 수 있다. 3 자유도 회전운동은 사람의 손목의 자유자재한 운동을 모사할 수 있는 기능이다.
제안된 병렬기구의 기구학적 특징들이 작업공간, 자코비안, 동역학, 특이형상과 최적설계의 관점에서 해석되었다. 또한 그 특징들은 시뮬레이션을 통하여 검증되었다. 본 논문에서 다루고 있는 병렬기구의 여러가지 연구분야들은 일반적인 병렬기구의 해석도 포함하고 있다. 특히, 특이형상과 최적설계를 다양한 성능지수를 통하여 분석하였고, 이를 통하여 특이형상이 없는 최적설계된 기구형상을 제안하였다. 최적화된 기구는 등방성의 관점에서 우수한 특징을 보였다.
제안된 병렬기구는 제안된 수술로봇의 요구조건(자유도, 작용력, 작업공간, 위치정밀도, 콤팩트성)들을 만족시키도록 개발되었다. 원격수술로봇시스템을 통하여 가위와 나이프 동작등을 원격으로 시연하였다.
본 논문의 또 다른 연구주제는 어려운 문제로 알려진 6자유도 병렬기구의 정기구학의 효과적인 해석방법론의 제안이다. 이를 위하여 4개의 사면체 특성들을 정의하였다. 제안된 4개의 사면체 특성에 근거하여 사면체를 쌓아가는 과정으로 정기구학을 푸는 절차를 사면체 접근법(Tetrahedron Approach)이라고 정의하였다. 사면체 접근법은 정기구학을 푸는 과정에서 현저한 장점들을 보였다. 사면체 접근법은 8개의 정기구학 해를 가지는 다축 연결조인트를 가진 병렬기구들의 유일해를 결정할 수 있게 하며, 정기구학의 복잡성을 간결화시키고, 단일 구속방정식을 제공한다. 단일 구속방정식에서 해를 빠르게 얻기 위한 Hybrid-Switching 방법을 제안하였다. 또한, 사면체 접근법을 사용하여 6자유도 병렬기구의 정기구학의 실제 해를 결정하는 2개의 기하학적 방법을 제안하였다.
따라서, 제안된 사면체 접근법은 정기구학의 간결한 유도과정, 해의 빠른 계산성과 실제 해를 결정하는 방법으로써 현저한 장점을 보여주었다.
