This paper describes the design and verification of a robotic surgery master-system for laparoscopic surgery. Assuming that the robotic surgery slave-system has the same kinematics as the human arm, we designed the master system to manipulate the slave system. In order for the laparoscopic robotic surgery system to be intuitive and ease of use, the master system should mimic the surgeon's arm motion.
Conventional laparoscopy surgery, which is done by hand, has two difficulties. First, it has limited degree of freedom because of the incision point. The other is that it is hard to suture in the abdominal cavity. To solve these problems, laparoscopic surgery was proposed. Zeus and da Vinci system are two laparoscopic surgery robot systems used widely today. The first Zeus master systems had four degree of freedom, same as the laparoscopy done by hand. The da Vinci master system has seven degree of freedom, solving the wrist-rotational limit problem.
In this paper, we assume a laparoscopic surgery system with additional degree of freedom. To manipulate the slave system intuitively, the master system duplicates the surgeon's arm motion. During the concept design process, a six degree of freedom handle and a three degree of freedom elbow-support device were chosen. There is no difficulty to put on and to take off the device for the surgeon. The precise position of the hand as well as the potion of the elbow is known. Assuming that the shoulder during the laparoscopic surgery is fixed, the system can reproduce the surgeon's arm motion.
When there is a constraint from the human arm length, the nine degree of freedom system proposed here becomes a seven degree of freedom system. A closed form solution and a numerical solution that shows the proposed system can make seven joint angles with seven degree of freedom.
The manipulability of the proposed system was investigated. This system's manipulability compared with the laparoscopic robotic surgery master system of the Zeus' or the da Vinci's has closer value to the human arm's manipulability. This means the Jacobian of the human arm and the proposed system is similar. Therefore, when the hand's position moves, the angle change in the arm and the angle change in the laparoscopy surgery robot master is similar, transmitting the human arm motion to the laparoscopy surgery robot.
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.
