By the development in the science of medical field, laparoscopic surgery is popularized as it minimizes incisions during surgery. This resulted in advancement of Minimally Invasive Surgery(MIS), which it makes only 3~4 small incisions size of 1~2cm and operates a surgery by inserting surgical instruments through small incisions. After that, more developed laparoscopic surgery, SPL(Single Port Laparoscopy) received attentions from patients as it leaves only one or invisible scar after surgery. Nowadays, lots of surgical robots for MIS & SPL surgery are commercialized or in the development stages. However, those surgical robot systems have disadvantages such as disturbances by large/massive robot arms, collision between robot arms, forming triangulation between surgical instruments and lacking of instruments’ forces for surgeries.
In this paper, a compact and collision reduced surgical robot system for single port laparoscopy is suggested. This system can be differentiated from other systems by using high-dexterity instrument and compact robot arm. For the compact/lightweight system, proposed system uses direct-drive mechanism instead of wire-driven mechanism so that the size of external robot arm is reduced. Also, this system has larger workspace compare to other conventional surgical robot system by adopting 6DOF elbowed instruments(with grip). Therefore, the motion range of the external arm is reduced and the arm need not/barely move(s) during surgery. Consequently, little collision occurs between robot arms and this lowers the risks of unexpected accident during surgery. Gravity compensation mechanism is applied for the back-drivable & large inertia of motors. And for collision reduced system, a range of rotational motion of the arm is analyzed and a distance between surgical instruments’ shaft was calculated. Also, forward kinematics is solved for analyzing workspace of conventional/Elbowed instrument with designed robot arm.
The width of the designed robot arm is 85mm, and translational link is 475mm. This system consists of 2 parts; surgical instrument and a robot arm. 6DOF(including grip) elbowed instrument is adopted and the size is reduced to 7mm.
의료분야에서의 과학의 발전으로, 외과수술에 있어 기존에 복부전반을 절개하여 수술을 진행하는 개복수술에서 발전하여 침습을 최소화하는 복강경수술이 널리 보편화되었다. 복강경 수술은 직경 1~2cm의 작은 침습부를 3~4군데 만들어 수술을 진행하는 최소침습수술(Minimally Invasive Surgery)의 발전으로 이어졌다. 그 후, 보다 진보된 기술인 단일통로 복강경 수술(Single Port Laparoscopy) 은 하나의 침습부를 만들어 그 침습부에 수술장비를 삽입하여 수술을 진행하는 방법으로 최근 많은 각광을 받고 있다. 최근에는 최소침습수술과 단일통로 복강경 수술을 위한 로봇 시스템이 많이 개발되었으며, 현재 많은 발전이 이루어지고 있다. 하지만 상용화된 수술로봇 시스템은 부피가 큰 로봇 암으로 인한 수술자/보조자의 행동의 제한과 로봇 암 간의 충돌, 수술도구 간의 triangulation 형성 문제와 수술도구의 힘 문제 등의 문제가 존재한다.
본 논문에서는 단일통로 복강경 수술을 위한 소형화 된 수술로봇 시스템이 제안되었다. 이 시스템은 기존 다른 수술로봇 시스템과는 다르게 고자유도의 수술도구를 사용하고 로봇 암이 소형화/경량화 되었다는 점에서 차별성이 있다. 시스템의 소형화를 위하여 로봇 암은 wire-driven 방식이 아닌 direct-drive 방식을 채택하여 로봇 암의 크기를 줄였다. 또한 6자유도의 수술도구를 채택하여 사용함으로써 수술도구의 작업영역범위가 늘어남에 따라 로봇 암이 수술 중 거의 움직이지 않거나, 혹은 안 움직임으로써 로봇 암의 움직임 범위를 줄였다. 결과적으로 기존 수술로봇 시스템과 비교하여 로봇 암 간의 충돌이 줄어듦으로써 수술 중 일어날 수 있는 충돌에 대한 위험성을 줄였다. 또한, 중력보상 메커니즘을 적용하여 back-drivable 하고 direct-drive 방식으로 인한 모터무게에 대한 큰 inertia를 줄이려고 하였다. 충돌을 줄이기 위하여, 로봇 암의 움직임의 범위가 분석되었으며, 수술도구의 길이부 간의 거리를 분석하였다. 또한 작업영역범위 계산을 위한 forward kinematics를 계산하였으며, 이를 통해 기존 수술도구와 6자유도의 채택된 수술도구의 작업영역범위를 분석하였다.
제작된 로봇 암은 너비 85mm, 수술도구가 부착된 링크의 길이 475mm이며 전체적으로 수술도구와 로봇 암의 2 부분으로 구성되어 있다. 채택된 6자유도의 수술도구는 직경을 7mm까지 줄였으며, 이에대한 힘을 측정하였다.
