Robot-assisted telesurgery has many advantages for patients and surgeons such as less incision, bleeding, precise manipulations compared with existing open surgery. However, conventional surgical robot systems only offer unilateral position tracking from a master manipulator to a slave robot and force information is not available in commercial systems because of the difficulty of attaching force sensors at a surgical robot instrument. In the lack of force feedback, the surgeons are limited to dexterous manipulation during the operations. With this background, this thesis discusses force estimation methods interacting with tissues by using joint torque measurements of a surgical slave robot to convey force feedback to the surgeons.
This thesis is divided into two parts. The first part is to design joint torque sensors using strain gauges which can be attached in a surgical slave robot as the driving joints to drive a surgical robot instrument. In addition, sensor performance was evaluated by comparing with a commercial torque sensor in a calibration device. Hence, it can be applicable to real surgical slave robot systems by avoiding constraints of attaching force sensors at a surgical robot instrument. The second part is to estimate the interaction force using joint torque sensors. The purpose of second part is to classify the interaction forces from the exerted torque at the driving joints of a surgical robot instrument. To obtain more accurate force information, the exerted torque of the driving joints was compensated by adequate dynamics of a surgical robot instrument which consists of rigid dynamics and the viscous and friction estimations. In addition, signal conditioning approach is suggested by tuning signals measured in the driving joints with the interaction force signals using low-pass filters, which is to intentionally induce signal delays.
To verify the effects of compensations and tuning approaches, Test-kit was designed and manufactured as an experimental device which includes a calibration device and it was substituted for a surgical slave robot which has tendon wire driven mechanism from the driving joint and DC motors. Hence, it has the same number of pulleys and same trajectories of tendon wires. Assembly with a surgical robot instrument also has the same structure which is connected with an adapter used in a surgical slave robot.
Experiments are conducted by comparing with the force estimation error between the exerted torque at the driving joints with compensation or signal delays and the interaction force at the tips of a surgical robot instru-ment in unilateral position tracking using a master manipulator. Experimental task motions are divided into wrist and gripping which are specified motions in robot-assisted telesurgery. In addition, compensation rates are evaluated to know efficiency of dynamics. Other analysis was also done to get the reasons of force estimation errors. From these results, we present the possibility of the force estimation of the interaction force at the tips of a surgical robot instrument using joint torque measurements to be used as force feedback in real surgical robot systems.
원격 로봇 수술은 기존의 개복 수술에 비해 적은 출혈 및 절개, 시술 정확도 등을 향상시켜 환자와 의사에게 많은 장점을 제공한다. 그러나 현재 상용화된 수술용 로봇은 단 방향의 위치 제어만이 가능하며, 조작자에게 힘 피드백을 제공하지 않는다. 현재 사용되는 수술용 로봇의 기구는 최소 침습 수술을 목적으로 제작되어 공간이 매우 협소하고, 고전류 및 살균 등의 문제로 인해 힘 센서를 붙이는 것에 어려움이 있기 때문이다. 그러므로, 힘 피드백의 부재는 조작자인 의사에게 수술 중 현실감 있는 기구 조작을 제한하고 있다. 이러한 배경으로부터, 본 논문에서는 조작자인 의사에게 힘 피드백을 제공해주기 위해 수술용 로봇의 기구와 연결된 수술용 로봇의 구동 관절 토크를 측정하고 이것을 이용하여 수술용 로봇의 기구 끝단과 생체조직 사이의 상호작용 힘을 추정하는 방법에 대하여 논의한다.
본 논문은 크게 두 부분으로 나뉜다. 첫째로 수술용 로봇의 기구를 구동시키는 동시에 수술용 로봇의 구동 관절에 붙일 수 있는 스트레인 게이지를 이용한 관절 토크 센서를 설계하고 이를 제안한다. 그리고 기존에 상용화된 토크 센서와 교정용 실험 장치를 통해 제안한 센서의 성능을 분석한다. 이 때, 제안한 센서는 기존의 수술용 로봇 기구에 힘 센서를 부착하는데 발생하는 제약 조건들에 영향을 받지 않아 실제 수술용 슬레이브 로봇에 적용이 가능하다. 둘째는 관절 토크 센서를 이용한 상호작용 힘 추정 방법을 제안한다. 현재 측정되는 구동 관절은 수술용 로봇의 기구를 구동시키는 데에 필요한 힘과 생체조직과의 상호작용 힘이 함께 측정된다. 그러므로 보다 정확한 상호작용 힘을 추정하기 위해서, 강체 동역학과 점성 및 마찰에 관한 파라미터 추정을 통해 측정된 구동 토크에 포함된 동역학 보상을 수행한다. 또한, 저역 통과 필터를 이용한 신호 지연을 유발하여 상호작용 힘과 구동 관절 토크 신호의 위상을 일치 시키는 조정을 통해 힘 추정 오차를 줄이는 방법도 제안한다.
앞서 언급한 동역학 보상과 신호 지연 방법의 효과를 증명하기 위해서 이를 위한 실험 장치(Test-kit)를 설계 및 제작하였다. 이 때, 실험 장치에는 이전에 언급한 교정용 실험 장치도 함께 포함되어 있다. 실험 장치의 특성은 실제 수술용 슬레이브 로봇의 구동 관절과 모터 사이의 와이어 구동 원리를 그대로 묘사한 것이다. 같은 개수의 풀리와 와이어의 경로를 사용하여 동력 전달 방식을 설정하고, 수술용 로봇의 기구와 결합되는 구동 관절 부는 실제와 동일하게 제작하여 실험 결과에 현실성을 반영하였다.
실험은 수술용 로봇의 햅틱 마스터 장치를 이용하여 실시간의 단 방향 위치 추종 실험을 수행하였다. 이 때, 수술용 로봇의 기구가 마스터 장치의 위치를 추종하면서 발생하는 연 조직 사이의 상호작용 힘을 관절 토크 센서를 통해 얻고, 여기에 보상 또는 신호 지연 방법을 이용하여 추정 힘을 얻어냈다. 그리고 이것을 실제 수술용 로봇의 기구 끝단에서 측정한 상호작용 힘과 비교하여 힘 추정 오차를 얻어냈다. 여기서, 실험의 구체화를 위해 수술용 로봇의 기구의 움직임을 잡기(gripping), 끝단 전체의 회전(wrist) 두 가지로 설정하고 각각의 움직임에 대한 힘 추정 오차를 평가 하였다. 또한, 제안한 동역학 보상의 효율을 검증하기 위해 보상비율 및 각 항의 비중을 비교하고, 그 밖의 힘 추정 오차가 발생한 원인을 분석하였다. 이러한 실험 결과로부터 제안한 방법은 실제 수술용 로봇 시스템에서 힘 피드백을 제공하기 위한 수술용 로봇의 기구와 생체조직 사이의 상호작용 힘 추정 가능성을 보여준다.
