Recently, robotic-assisted MIS(minimally invasive surgery) systems have been developed globally with advantages, e.g., speedy recovery and the scarring of patients. As opposed to manual MIS systems, in the case of robotic MIS systems, the surgeon does not directly operate the surgical tool but controls the master device. However, master devices for robotic MIS systems has several drawbacks such as limited workspace, and increased inertia with the use of actuators.
In this paper, a new master device for robotic MIS systems is proposed. The proposed master device is consisted of passive joints, and was developed to control the major movements of slave systems. The joint alignment of master device is same with the movement of the 6-DoF movements of the surgical tool in an abdominal cavity. The overall mass is minimized, and moving mass is compensated with a constant-force spring.
To evaluate the design of the proposed master device, workspace and manipulability analysis was performed. Based on the analysis, it was concluded that the proposed master device has extended workspace with high maneuverability against a commercialized haptic and da Vinci master device.
The feasibility of the developed master device is verified by usability test. Experimental results showed the applicability of the proposed master device in robotic assisted minimally invasive surgery system.
빠른 회복 시간과 미용적 측면에서의 장점을 가진 복강경 수술로봇 시스템이 전세적으로 활발하게 개발되고 있다. 복강경 수술 로봇의 경우, 수동 복강경 수술과는 다르게 수술 집도의가 수술도구를 직접 조작하는 것이 아닌, 마스터 장치를 사용하여 수술을 진행한다. 하지만 현재까지의 복강경 로봇 수술에서 사용되어온 마스터 장치들은 협소한 작업 영역, 그리고 액추에이터 삽입에 따른 큰 회전 관성 등의 문제점을 가진다.
본 논문에서는 복강경 수술로봇 시스템에 적용 가능한 새로운 마스터 장치를 제안한다. 제안하는 마스터 장치는 수동 관절로 이루어져 있으며, 슬레이브 시스템의 주요한 움직임을 제어하기 위한 목적으로 개발되었다. 마스터 장치의 관절 배열은 복강 내부 수술도구의 주요 6 자유도 움직임과 유사하게 구성되었다. 마스터 장치의 전체 무게는 최소화 되었으며, 이동 무게는 정하중 스프링을 이용하여 무게 보상을 구현하였다.
개발된 마스터 장치의 설계 검증을 위하여 작업 영역과 조종성을 분석하였다. 분석 결과 제안하는 마스터 장치는 상용화되어 사용되는 햅틱 마스터 장치와 다빈치 시스템의 마스터 장치에 비교하여 넓고 효율적인 작업 영역이 생성될 뿐만 아니라, 작업 영역 전반에 걸쳐 높은 조종성을 가짐을 알 수 있었다.
마지막으로, 복강경 수술로봇 시스템에서의 적용 가능성을 확인하기 위하여 사용성 테스트를 수행하였다. 사용성 테스트 결과, 제안하는 마스터 장치는 복강경 수술로봇 시스템에 적용 가능성이 있음을 보여주었다.
