Surgical robot systems have been rapidly developed and attracted considerable attention in recent years. The basic concept is to perform a surgical task directly using a master-slave robot system controlled by the surgeon at the remote-site. A MIS (Minimally Invasive Surgery) which is part of the surgical robot is less invasive than open surgery, and is performed through the skin or through a body cavity or anatomical opening. This may result in reduced duration of hospital stays, blood loss, transfusions, and less pain.
The surgical robot is controlled by a surgeon at a distance from the patient. Surgical tasks are conducted by a robotic gripper system attached to the slave surgical robot. The surgeon depends only on the laparoscope CCD camera for visual feedback during the operation in surgical robot systems. The surgeon depends on the haptic palpation to distinguish the internal organs from bones and recognize ruptures during the operation in practical surgery. Sometimes the medical malpractice can be occurred by the dead zone of vision during surgery.
Therefore, several researchers focused on the environment force measurement for realizing the force feedback. There are three category in these force measurement, i.e., the direct measurement at the tip, the position difference based force estimation method, and sensor based force estimation method. Of these, acquisition of the environment force at the instrument tip can enable better performance, e.g., transparency of the haptic feedback in the surgical robot systems as compared to the position difference based force estimation method. It is, however, difficult to measure the environment force directly due to technical limitations in attaching sensors to the tip of the instruments.
This dissertation proposes a method to estimate the forces by installing the sensors away from the instrument tip. The transmitted process of the environment forces are analyzed to determine the specific mechanical parts of slave robot arm. The proposed method employs specially designed mechanical parts of the slave robot, i.e., the top brackets for the z-axis translational force along the insertion direction, and the docking clamps for the rotational pivot torques around the fulcrum point. In addition, the proposed method can recover the environment force as minimizing the change of conventional design without any additional device or system. Another advantage of this design can completely avoid the contamination of sensor systems during the replacement of the contaminated surgical instrument, which is performed several times during surgery. Strain gauges are attached to specially designed places with enhancing shapes. The simulation results of the force estimation are presented to confirm the strain concentration area.
The proposed method is validated with quantitative experimental results. Calibrated weights are decided upon the comparison of the strain value with a calibrated 6-axis Force/Torque (F/T) sensor. There are coupled between xy and z-directional force. Although the z-directional force does not affect to the docking clamps, the x and y-directional forces affect to the top brackets. It can be solved by the sensor calibration process by using the linear transformation matrix between the strain gauge sensor signals and the force vector. The RMSE of force sensing performance are about 5 ~ 7 %. These errors are also the permissible force sensing error as below 10 % of JND. It means a human cannot discriminate the force difference when the force sensing error is within 10 %.
A multi-DOF device modeling is necessary to analyze the kinematics and Jacobian of the master and the slave device for calculating the force decomposition from the measured environment force. The communication channel between the master and the slave is a UDP connection for transferring the position and the force information. Additionally, a 6-axis F/T sensor is attached at the end effector of the master device for measuring the exerted operator force. The tracking performance of master-slave robot system is experimentally conducted.
Finally, the haptic feedback experiment is carried out for verifying the transmitted environment forces at the master device. The direct force feedback which is a part of a FP control architecture is used for constructing the master-slave robot system. Accurate direction of reflecting forces are verified according to the kinematic difference between multi-DOF master and slave device. The measured environment stiffness errors at slave site are about 3-10 % in translational and rotational motion, and the measured transmitted stiffness errors at master site are about 5-11 % in translational and rotational motion. The variation error of the measured stiffness can be estimated about $\pm 60 N/m$ in translational motion. It is because the strain at the top bracket can be changed due to the change of the line contact while the slider motion. Although the force sensing errors are existed, the human can discriminate these phantom tissues depend on the different transmitted stiffness. It means that the proposed method has an enough force sensing performance for discrimination.
마스터-슬레이브 수술로봇 시스템은 미 국방성에서 전쟁에서 부상병들을 의사가 원격지에서 치료하는 장치를 개발하고자 시작되었고, 2000년 Intuitive surgical robot사의 다빈치 복강경 수술로봇 시스템이 개발 된 이후 크게 발전하게 되었다. 수술용 로봇의 장점은 최소 절개와 적은 출혈, 손 떨림 보정, 수술시간 단축에 의한 의사 피로도 감소 및 집중력 향상이 있고, 환자에게는 수술 후 통증 및 감염 위험이 감소된다.
원격수술 로봇의 기본 개념은 의사가 원격지에서 수술 로봇을 이용하여 수술을 집도하는 것으로, 최소침습 수술로봇은 환자의 몸 안에 수술도구가 부착된 로봇 팔과 내시경 카메라가 부착된 로봇 팔을 삽입하여, 의사가 마스터 콘솔에 앉아서 3차원 영상을 보면서 환자 몸에 삽입된 수술도구를 원격으로 조종하여 수술을 수행하는 것이다. 여기서 수술 로봇으로 수술을 하는 동안 수술 도구와 인체 장기와의 상호작용 힘이 의사에게 전달되지 않아서, 의사는 오직 영상 피드백만으로 수술을 진행하게 되는 문제로 인해 영상 사각지대에서의 잘못된 조작으로 인한 의료 사고가 발생하는 경우도 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 수술도구와 인체 장기와의 상호작용 힘을 측정하여 이를 조작자에게 전달해주는 연구가 활발히 진행 중에 있다. 그 중에서 특히, 수술도구 끝 단에서 발생하는 주변 환경 힘을 측정하는 것은 위치 기반 힘 추정 방법보다 수술 로봇에서 햅틱의 투명성 등을 향상 시킬 수 있다. 하지만, 여러 기술적인 한계로 인해 수술도구 끝 단에 센서를 부착하여 주변 환경 힘을 직접 측정하는 것은 어려운 문제다.
본 논문에서는 수술도구 끝 단에서 떨어진 위치에 센서를 부착하여 주변 환경 힘을 추정하는 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 수술도구 끝 단에서의 상호작용 힘이 수술로봇으로 전달되는 과정을 먼저 분석하였고, 삽입 방향의 Z축 움직임은 상하부 브라켓에 의해 고정되고, 회전 피봇 방향의 움직임은 도킹 클램프와 드레이프 플레이트가 고정되는 슬라이더 덮개 판에 의해 고정되는 것을 확인하였다. 각 축 방향 힘과 모멘트의 분석을 통해 삽입 방향 힘이 주어진 경우, 모두 상단 브라켓에 작용하므로 이곳에서 스트레인을 증가시키는 설계 변경을 진행하였고, 그리고 회전 피봇 방향 힘은 도킹 클램프에서 주로 작용하므로, 이곳에서 스트레인을 증가시키는 설계 변경을 진행하였다. 제안하는 방법의 센서 시스템은 스트레인 발생을 강화하도록 설계되었고, 시뮬레이션을 통해 스트레인이 가장 크게 발생하는 위치에 스트레인 게이지 센서를 부착하였으며, 실험을 통해 정량적으로 검증하였다. 스트레인 게이지 센서의 보정은 상업용으로 널리 이용되는 6축 힘/토크 센서를 이용하였다. 여기서, 삽입 방향의 힘은 도킹 클램프에 영향을 주지 않는 것을 확인하였지만, 회전 피봇 방향의 힘이 상단 브라켓에 영향을 주는 서로 연계된 구조적 특징을 확인하였다. 이것은 제안하는 방법으로 측정된 센서 값과 수술도구 끝 단의 6축 힘/토크 센서 사이의 보정 행렬인 선형 변환 행렬을 최소자승법으로 계산하여 해결하였다. 실험적으로 구한 힘 측정 성능의 RMSE는 5 - 7 %이고, 이것은 JND를 기준으로 10 % 인 허용 오차 범위를 만족하였다. 이것은 측정된 힘의 JND 차이가 10% 이내인 경우 조작자가 서로 다른 힘인 것을 느끼지 못함을 의미한다.
이를 통해, 제안하는 방법은 실제 수술로봇에 손쉽게 적용이 가능하도록 하기 위해 기존 연구의 복잡한 부가적인 센서 시스템을 필요로 하지 않는 최소한의 설계 변경을 하였고, 아주 작은 부품들로 이루어진 수술로봇에 센서를 부착하기 위해 적합한 크기를 갖는 스트레인 게이지 센서를 사용하였다. 또한 수술하는 동안 오염된 수술도구의 잦은 교체에서도 센서 시스템의 오염을 완전히 회피할 수 있다.
본 논문에서 사용된 수술로봇 시스템은 8자유도 햅틱 마스터 장치와 7자유도 수술용 슬레이브 로봇 팔이며, 측정된 주변 환경 힘에서 힘 분해를 계산하기 위해서 기구학 및 쟈코비안 분석을 수행하였다. 마스터와 슬레이브 사이의 통신은 UDP 프로토콜을 이용하였으며, 이를 통해 위치와 힘 정보를 서로 교환하게 된다. 특히, 마스터 장치에는 조작자의 힘 정보를 측정하기 위해 끝 단 조인트에 6축 힘/토크 센서를 부착하였다. 이를 통해, 전체 시스템의 추종 성능을 실험적으로 분석하였다.
제안하는 방법으로 구현된 3축 힘 정보를 마스터 장치로 보내는 햅틱 피드백 실험을 수행하였다. 사용된 제어구조는 2채널 힘-위치 제어구조 중 DFF(Direct Force Feedback)를 사용하였고, 슬레이브 장치에서 측정한 주변환경 의 강성 오차는 약 3 - 10 % 이고, 마스터 장치에서 측정된 조작자가 느끼는 강성 오차는 약 5 - 11 % 이다. 깊이 방향 상호작용 힘 측정에서는 상하단 브라켓과 드레이프 플레이트와의 접촉 상태가 슬라이더의 움직임에 의해 오차가 크게 발생하여, 측정된 주변환경 강성의 오차 범위를 약 $\pm 60 N/m$ 로 추정할 수 있다. 이에 반해 회전 피봇 방향 상호작용 힘 측정에서는 접촉 순간을 제외하고, 주변환경의 강성을 거의 정확하게 측정 가능함을 보았다. 이를 통해 제안하는 방법을 이용하여 조작자가 서로 다른 강성을 구분하는 것이 가능하며, 실제 수술용 로봇으로 수술하는 동안에 조작자에게 햅틱 피드백의 전달이 가능함을 실험적으로 검증하였다.
마지막으로 본 연구에서 제안하는 방법은 수술도구 축에 의해 전달되는 힘을 측정하는 원리이므로, 수술도구 끝 단이 아닌 수술도구 축에서 접촉이 일어나는 경우에도 상호작용 힘이 전달되기 때문에, 조작자는 수술도구 끝 단에서의 상호작용과 같은 햅틱 피드백을 받게 된다. 즉, 수술도구 축에 작용하는 모든 힘의 최종 합력에 의해 상단 브라켓과 도킹 클램프에 변형이 가해지고, 이를 통해 제안한 방법으로 추정된 힘 정보가 조작자에게 전달되는 것이다. 센서의 보정 행렬은 수술도구 끝 단을 기준으로 추정된 값이므로, 끝 단이 아닌 수술도구 축에서의 상호작용 힘의 정확성을 보장하기 어렵다. 하지만, 실제 수술 환경에서는 복강 내부에서 내시경 카메라와 수술 도구의 활동 공간 확보를 위해 이산화탄소를 주입하게 되며, 이로 인해 인체 장기와 수술도구 축과의 충돌 가능성은 매우 낮다. 이보다는 인체 내로 삽입된 2개 이상의 수술도구가 서로 충돌하는 경우가 많으며, 본 연구에서 제안하는 방법은 수술도구 간의 충돌로 인한 힘이 측정되기 때문에 시각적인 정보보다 빠르게 조작자가 충돌여부를 판단할 수 있다. 또한, 힘의 정확성은 떨어지지만, 정확한 충돌 방향의 감지가 가능하므로 수술도구 간의 충돌 발생시 회피 방향을 정확히 알 수 있다.
