Measurement of interaction forces to an instrument tip of the surgical robot is necessary to render high-fidelity haptic feedback for the minimally invasive robotic surgery. This paper proposes a method to estimate the 3-DOF interaction forces by measuring reaction forces at connection parts, known as the trocar and the drape plate, between the instrument and the slave robot arm. Estimation of the interaction forces in the x and y directions to the instrument tip can be estimated by measuring the reaction force at the trocar support. Estimation of the interaction force in the z direction can be estimated by measuring the reaction force at the drape plate and the trocar support. It is confirmed that the interaction forces can be estimated accurately regardless of the friction and change of the $l_T$ by installing a 3-DOF force sensor at the trocar support and a 1-DOF force sensor at the drape plate support. I-shaped 3-DOF force sensor at the trocar support is designed to minimize the coupling effect, and 1-DOF force sensor at the drape plate is designed. It is possible to estimate the interaction forces in the x and y directions by using the sensor at the trocar support with average $L_2$ relative error less than 7.68 % and 3.25 %, respectively. The interaction force in the z direction is also estimated with error less than 8.26 % by using the sensors at the drape plate and the trocar support.
본 논문에서는 로봇을 이용한 수술에서 의사에게 신뢰성 높은 햅틱 피드백을 제공하기 위해, 수술 로봇의 기구 말단과 인체 조직과의 상호작용 힘을 기구와 슬레이브(slave) 로봇 팔을 연결하는 부위에서 간접적으로 추정하는 방법을 제안한다. x축과 y축 방향의 상호작용 힘은 트로카(trocar) 고정부에 작용하는 반력을 통해 추정할 수 있고, z축 방향의 힘은 드레이프 플레이트(drape plate)와 트로카의 고정부에 작용하는 반력을 통해 추정할 수 있다. 따라서 트로카와 드레이프 플레이트의 고정부에 각각 3 자유도, 1 자유도 힘 센서를 설치하면 발생하는 마찰과 상관 없이 정확한 힘 추정이 가능하다. 커플링 효과(coupling effect)를 최소화하기 위해 트로카 고정부에 I 모양의 3자유도 힘 센서를 설계하고, 드레이프 플레이트의 연결부에 1 자유도 힘 센서를 설계하였다. 제작한 센서를 이용하여 힘을 추정한 결과 x, y, z축 방향의 상호작용 힘은 각각 7.68 %, 3.25 %, 8.26 % 이하의 오차로 힘 추정이 가능하다.
