Telerobotic surgical systems, although researched quite extensively, still have stability and performance issues. This is mainly because little consideration has been given to the effect of hardware or environment characteristics as well as practical surgical constraints in previous stability and performance analyses. This work focuses on the stability aspect in greater depth by considering the effect of surgical soft-tissue environments and the damping of the master device and hence, employs passivity approach which relates the haptic device damping with the environment characteristics. There have been a few models proposed to describe the visco-elastic behavior of soft tissues, including the popular Maxwell and Voigt models. Choosing a best soft-tissue model is still unresolved. This research provides passivity analysis of teleoperation of soft tissues, based on the Kelvin model that can overcome the disadvantages of the Maxwell or Voigt models. The passivity analysis results in new criterion for design of the haptic interface as well as the control. The effect of discretization method on the passivity criteria is also discussed. Simulation results show that this newly developed criterion increases the domain of environments that can be passively interacted by the haptic master. This newly developed criterion is, therefore, a less conservative criteria than that developed based on the popular Voigt environment model, which signifies that less device damping is required to maintain the passivity of the teleoperation system which would in turn increase its performance.
Another important issue in the performance of telesurgical systems is the practical constraint of force feedback because it is difficult to use force sensors in surgical environments. This is because of the inherent noise, and limitations in the sensor-deployable place and space. A scheme to replace the direct use of force sensors in the slave side may alleviate this problem. This work, hence, develops a method for environment force estimation using the concept of disturbance observer. Simulation results show efficacy of the proposed method. The slave device successfully tracks the position of the master device, and the estimation error quickly becomes negligible. The experimental results validate the theory and simulation outcome.
원격수술 시스템의 연구는 광범위하게 진행되었지만 안정성 및 성능은 여전히 주요 연구이슈이다. 이전의 안정성 및 성능 연구에서는 하드웨어 및 환경에 대한 분석이나 실제 수술에서의 제약조건 등을 많이 고려하지 않았다. 이 연구에서는 안정성 분석을 위해 햅틱장치와 환경 특성에 영향이 있는 수동성을 고려한다. 부드러운 점탄성 조직을 묘사하기 위해 Maxwell, Voig모델과 같은 몇 가지 모델이 제시되었지만, 아직 점탄성 조직의 최적 묘사라고 판단되는 모델은 없다. 본 연구는 Maxwell모델과 Voigt모델의 단점을 극복하기 위해 Kelvin모델을 이용하였다. 이러한 수동성 분석 연구로 햅틱 인터페이스와 제어에 관한 새로운 기준이 제시되었다. 수동성 연구를 불연속 시간계로 변환할 경우의 영향에 대해서도 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 제시된 방법을 이용하면 수동성 영역이 넓어지는 것을 알 수 있다. 따라서 새로운 방법은 널리 이용되고 있는 Voigt모델을 기반으로 한 방법보다 덜 보수적이다. 햅틱 장치의 댐핑계수를 더 줄일 수 있기 때문에 제어 성능이 향상된다.
또 다른 쟁점은 수술환경에서 힘 센서를 이용하는 것이 매우 어렵기 때문에 사용자에게 전달되는 힘 피드백의 성능이 매우 안 좋다는 것이다. 실제 수술 환경에서는 소음과 절연, 공간, 위생 등의 문제로 힘 센서를 사용하기가 어렵다. 따라서 본 연구에서는 힘 센서를 이용하지 않고 힘 피드백을 예측하여 제공해 주기 위해 외란 관측기를 이용하였다. 시뮬레이션 및 실험 결과, 슬레이브 장치는 마스터 장치의 위치를 잘 따라갔으며, 힘 예측 오차는 빠른 속도로 무시할 정도의 크기로 감소하였다.
