Intraocular and reconstruction surgery are the most difficult microsurgeries that require high accuracy and stable movement. Several studies using robots have been performed to overcome the limitations of microsurgery, and have shown significant results in accuracy and hand tremor problems. However, developed microsurgery robots cannot be applied to versatile surgeries because their workspace and accuracy spec is fixed to specific tasks. Versatility has strength in terms of cost-benefit because it can be applied to a variety of surgery with the development of specialized surgical tools. In addition, since it has strength in terms of market penetration, a versatile microsurgical robot platform is required for the spread of microsurgery.
In this study, I propose a novel microsurgery robotic arm that can perform eye surgery and reconstructive surgery. In addition, through the analysis of the existing microsurgery, the evaluation index that the microsurgery robot should have is defined, and the structure of the existing microsurgery robots is analyzed to check whether the evaluation indexes are met. Finally, we present a method of synthesizing a coordinate system that can easily solve the proposed dual delta structure kinematically. The contribution of this study is as follows.
First, the structure applied to the microsurgical robot arm is called the Dual-Delta Structure(DDS), and the accuracy of the tip of the surgical tool and the accessible work area can be adjusted according to the mechanical motion scale variable (δ). It uses a lever mechanism that centers the dual parallel delta to perform hardware scaling.
Second, after analyzing the conditions required for Intraocular and reconstructive surgery, the evaluation index
that the robot should have was defined. And, using this, the structures of existing studies and the proposed structure were analyzed.
Third, the Jacobian matrix has been introduced including a mechanical motion scale adjustment variable to easily control the degree of freedom of the dual-delta structure. The proposed Jacobian first verifies the manipulability according to the mechanical motion scale variable, and verifies the motion per position through velocity-ellipsoid. And the isotropy between other variables compared to the mechanical motion scale variable is analyzed.
And whether the mechanical motion scale is effective even in a microscopic area within 1 mm is verified through microscopic observation experiments. As a result of the experiment, the effectiveness of the structure was confirmed by confirming that the accuracy and precision were improved by approximately 35% according to the adjustment of the mechanical motion scale.
Finally, the dual-delta structure proved that the desired performance can be maximized as needed by controlling large and precise movements, and this is expected to be applied to various industrial fields where the scale of movement is frequently switched, such as the human hand.
안구수술과 재건수술은 높은 정확도와 안정적인 움직임을 요구하는 어려운 난이도를 가지는 미세수술이다. 미세 수술의 한계를 극복하기 위해 로봇을 사용하는 여러 연구가 수행되고, 정확도와 손떨림 문제에서 유의미한 결과를 보였다. 그러나 기개발된 미세수술로봇들은 작업 영역과 정확도 성능이 특정 작업에 특화되어 있기 때문에 여러 수술에 적용할 수 없다. 범용성은 수술특화형 도구의 개발만으로도 다양한 수술에 적용할 수 있기 때문에 비용대비 이득과 시장 보급력에 있어 강점을 가지게 되므로 미세수술의 보급화를 위해서는 범용 미세수술로봇 플랫폼이 필요하다.
본 연구에서는 다수의 미세 수술 중 안구 수술과 재건 수술의 동작을 수행할 수 있는 새로운 미세수술 로봇암의 구조를 제안한다. 그리고 기존 미세수술의 분석을 통해 미세수술로봇이 가져야할 평가지표를 정의하고, 기존의 미세 수술 로봇들의 구조를 분석하여 평가지표에 부합되는지를 확인한다. 끝으로 제안하는 이중 델타 구조를 기구학적으로 쉽게 풀이할 수 있는 좌표계 합성 방법을 제시한다. 본 연구의 기여는 아래와 같다.
첫번째로 미세수술 로봇암에 적용된 구조는 이중 델타 구조(DDS)라 부르며, 기계적 모션 스케일 변수(δ)에 따라 수술도구 끝단의 정확도와 접근 가능한 작업영역을 조정할 수 있다. 이는 2개의 병렬형 델타구조를 직렬형 지렛대 구조로 연결함으로써 기구적인 모션 스케일 조정을 수행하는 원리를 사용한다.
두번째로 안구와 재건 수술에서 요구하는 조건들을 분석 후 로봇이 가져야 할 평가지표를 정의하였다. 그리고, 이를 사용하여 기존 연구들의 구조들과 제안하는 구조를 분석한다.
세번째로 이중 델타 구조가 가지는 여유자유도를 쉽게 제어할 수 있도록 기계적 모션 스케일 조정 변수를 포함한 자코비안 행렬을 제시한다. 제안된 자코비안 행렬은 기계적 모션 스케일 변수와 Pivot 점의 위치에 따른 조작성(Manipulability)을 고유값을 통해 검증한다. 그리고 기계적 모션 스케일 변수의 변화에 따른 등방성(Isotropy)의 변화에 대하여 분석을 한다.
그리고 1mm 내의 미세영역에서도 기계적 모션 스케일이 효과적인지를 현미경 관측 실험을 통해 검증한다. 실험 결과 기계적 모션 스케일의 조정에 따라 정확도와 정밀도가 대략 35% 개선되는 것을 확인함으로써 구조의 효용성을 확인하였다.
최종적으로 이중 델타 구조는 큰 동작과 정밀한 동작을 조절하여 필요에 따라 원하는 성능을 극대화할 수 있음을 증명하였고, 이는 사람의 손과 같이 동작의 스케일이 빈번히 전환되는 다양한 산업 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
