KR101248818B1 - Surgical robot and system for minimally invasive surgery including fiber bragg grating force sensor and method for measuring force using the system - Google Patents

Surgical robot and system for minimally invasive surgery including fiber bragg grating force sensor and method for measuring force using the system Download PDF

Info

Publication number
KR101248818B1
KR101248818B1 KR1020110077244A KR20110077244A KR101248818B1 KR 101248818 B1 KR101248818 B1 KR 101248818B1 KR 1020110077244 A KR1020110077244 A KR 1020110077244A KR 20110077244 A KR20110077244 A KR 20110077244A KR 101248818 B1 KR101248818 B1 KR 101248818B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
wavelength
force
measuring
minimally invasive
reflected
Prior art date
Application number
KR1020110077244A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20130015321A (en
Inventor
이정주
송호석
김기영
서정욱
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020110077244A priority Critical patent/KR101248818B1/en
Publication of KR20130015321A publication Critical patent/KR20130015321A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101248818B1 publication Critical patent/KR101248818B1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/77Manipulators with motion or force scaling
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00Controls for manipulators
    • B25J13/08Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/085Force or torque sensors
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/00234Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets for minimally invasive surgery
    • A61B2017/00353Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets for minimally invasive surgery one mechanical instrument performing multiple functions, e.g. cutting and grasping
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30Surgical robots
    • A61B2034/301Surgical robots for introducing or steering flexible instruments inserted into the body, e.g. catheters or endoscopes
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30Surgical robots
    • A61B2034/302Surgical robots specifically adapted for manipulations within body cavities, e.g. within abdominal or thoracic cavities

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

본 발명은 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇, 시스템, 및 그 시스템을 이용한 힘 측정방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는,인가되는 힘과 모멘트를 측정하는 로드셀; 상기 로드셀과 연결되어 자유도를 갖는 적어도 하나의 관절부; 상기 로드셀에서 측정되는 상기 힘과 모멘트에 의해 상기 관절부 끝단에 인가되는 끝단힘을 측정하는 플렉서; 상기 로드셀과 상기 플렉서 사이에 구비되는 다수의 기둥; 광섬유에 구비되고, 상기 기둥 각각에 설치되어 입사광의 특정파장만을 반사하는 측정 FBG; 상기 광섬유에 광대역의 광을 입사하는 광대역 광원; 상기 측정 FBG에서 반사되는 반사파장의 변화량을 측정하는 파장측정장치; 상기 파장측정장치에 입사되는 광의 광량을 측정하는 포토 다이오드; 및 상기 파장측정장치에서 측정된 반사파장 변화량으로부터 상기 로드셀에서 측정되는 상기 힘과 모멘트를 얻고, 상기 힘과 상기 모멘트로부터 상기 플렉서가 상기 관절부 끝단에 인가되는 끝단힘을 분석하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소수술용 수술 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a surgical robot for minimally invasive surgery having a fiber Bragg grating force sensor, a system, and a force measuring method using the system. More specifically, the load cell for measuring the force and the moment applied; At least one joint part connected to the load cell and having a degree of freedom; A flexure for measuring an end force applied to the end of the joint part by the force and the moment measured by the load cell; A plurality of pillars provided between the load cell and the flexure; A measurement FBG provided in the optical fiber and installed on each of the pillars to reflect only a specific wavelength of incident light; A broadband light source for injecting broadband light into the optical fiber; A wavelength measuring device for measuring an amount of change in reflected wavelength reflected by the measurement FBG; A photodiode measuring the amount of light incident on the wavelength measuring device; And analysis means for obtaining the force and moment measured in the load cell from the reflected wavelength change amount measured by the wavelength measuring device, and analyzing the end force applied by the flexor to the end of the joint from the force and the moment. It relates to a minimal surgical surgery system having an optical fiber Bragg grating force sensor.

Figure R1020110077244
Figure R1020110077244

Description

광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇, 시스템 및 그 시스템을 이용한 힘 측정방법{Surgical robot and system for minimally invasive surgery including fiber bragg grating force sensor and method for measuring force using the system}Surgical robot and system for minimally invasive surgery including fiber bragg grating force sensor and method for measuring force using the system

본 발명은 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇, 시스템, 및 그 시스템을 이용한 힘 측정방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 수술로봇의 관절부 끝단에 걸리는 힘을 실시간으로 측정하기 위해 광섬유 브래그 격자 힘센서를 적용한 최소침습수술용 수술 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a surgical robot for minimally invasive surgery having a fiber Bragg grating force sensor, a system, and a force measuring method using the system. More specifically, the present invention relates to a surgical system for minimally invasive surgery using an optical fiber Bragg grating force sensor to measure the force applied to the joint end of the surgical robot in real time.

최소침습수술은 환자의 회복시간과 미용면에서의 큰 장점을 바탕으로 1980년 이후 크게 성장하였다. 그러나, 의사에게는 더 많은 제약을 가하게 되었고, 이것은 수술시간의 장기화, 수술완성도의 하락 등의 부작용을 야기하였다. 이를 개선하기 위하여, 최소침습수술용 로봇이 도입되었다. Minimally invasive surgery has grown significantly since 1980 based on the patient's great recovery time and beauty. However, more restrictions were placed on the physicians, which caused side effects such as prolonged operation time and decreased surgical completion. In order to improve this, a minimally invasive robot was introduced.

현재 가장 활발하게 사용되고 있는 최소침습수술 로봇인 Da Vinci 시스템은 최소침습수술로 야기되었던 자유도 부족문제와 내시경의 사용으로 인한 2차원 영상의 문제를 해결하였다. 그러나, 촉각정보의 부재는 더욱 심해졌다는 문제가 존재한다. 최소침습수술에서 미약해졌던 촉각정보는 로봇수술이 적용되면서 완전히 사라져버렸다. The Da Vinci system, the most invasive minimally invasive robot currently used, solves the problem of lack of freedom caused by minimally invasive surgery and two-dimensional imaging due to the use of endoscope. However, there is a problem that the absence of tactile information has become more severe. Tactile information, which was weak in minimally invasive surgery, disappeared completely with robotic surgery.

기존의 연구자들은 로봇수술에서 힘반향이 개복수술과 같이 이루어진다면, 훨씬 안전하고 완성도 높은 수술이 이루어질 것이라 예상한다. 이를 달성하기 위해 최소침습수술용 로봇에 힘센서를 추가하려는 몇몇의 시도가 연구차원에서 이루어졌지만, 센서설치공간의 협소함, 가혹한 수술환경에서의 취약성 등등으로 아직 현실화하기엔 무리가 있다고 평가되며, 실제로 현재까지 힘반향이 가능한 수술로봇은 존재하지 않는다.Existing researchers anticipate a much safer and more complete operation if force reflexes are combined with laparotomy in robotic surgery. Several attempts have been made to add force sensors to minimally invasive robots to achieve this, but the lack of sensor installation space, weakness in harsh surgical conditions, and so on make it difficult to realize them. There is no surgical robot capable of force reflection.

이를 해결하는데 일조할 수 있는 중요한 기술 중의 하나가 광섬유 센서 기술이다. 광섬유 센서는 머리카락 굵기로 가늘고, 코팅을 할 경우 쉽게 부러지지 않고 유연한 특성이 있어, 수술도구의 끝단(End-Effector)에도 쉽게 접근할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전기신호가 아닌 광신호를 입출력신호로 사용하기 때문에, 전자기파에 영향을 받지 않아 타 센서들과 간섭을 일으키지 않으며, 심지어 MRI환경에서도 사용이 가능하다. One important technology that can help solve this problem is the fiber optic sensor technology. The optical fiber sensor is thin in hair thickness, and has a characteristic that it is not easily broken when coated, and has a flexible characteristic, so that it is easy to access the end-effector of the surgical tool. In addition, since an optical signal instead of an electrical signal is used as an input / output signal, it is not affected by electromagnetic waves and thus does not cause interference with other sensors, and can be used even in an MRI environment.

또한, 광섬유 센서는 고온에서도 견딜 수 있고, 수분이 많은 환경에서도 부식되지 않는 장점으로 수술도구의 소독시에도 기존의 일반적인 소독방법이 그대로 적용될 수 있다. 수술 로봇의 힘반향을 위해 많은 연구가 진행되었다. 그러나 기존의 시스템들은 신뢰성이나 단순성을 고려하여, 전기 시스템으로 제작되었다. 그러나, 전기시스템은 많은 수의 전선이 필요하고, 전자기 차폐가 불가피하다. 또한, 수술 로봇에서는 사용전후의 소독작업을 고려해야 한다. 현재, 일반적인 수술 환경에서는 오토클레이브라는 증기 소독법이 시행된다. 이것은 열과 압력, 습기를 순간적으로 집중시켜 세균을 파괴한다. 따라서, 힘 센서 역시 이러한 과정에서 손상되지 않아야 한다. In addition, the optical fiber sensor can withstand high temperatures and does not corrode even in a humid environment, so that the conventional general disinfection method can be applied as it is when disinfecting surgical instruments. Much research has been conducted on the force reflection of surgical robots. However, existing systems are made of electric system considering reliability and simplicity. However, electrical systems require a large number of wires, and electromagnetic shielding is inevitable. In addition, the surgical robot must consider disinfection before and after use. Currently, steam sterilization is called an autoclave in a typical surgical environment. It instantly concentrates heat, pressure and moisture, destroying germs. Therefore, the force sensor must also not be damaged in this process.

광섬유는 이 모든 조건에 영향을 받지 않기 때문에, 로봇 수술 환경에서 힘 센서로 사용하기에 가장 알맞은 재료의 하나이다. 광섬유는 전자기 간섭(EMI)에 영향을 받지 않고, 무게가 가벼우며, 유연하고, 고온에서도 견딜 수 있고, MRI환경에서도 사용이 가능하다. 광섬유의 얇은 두께는 가늘고 긴 수술로봇의 매니퓰레이터에서 사용되기에 적합하다. 그러나, 기존의 광섬유 센서들은 모두 광원에서 빛을 조사한 후, 반사판에 반사되어 돌아오는 반사광의 세기를 측정하여 플랙서(Flexure)의 스트레인(변형률)을 측정하는 방식이기 때문에, 광원의 세기가 일정하지 않다거나, 주위의 빛에 영향을 받으면, 결과값이 영향을 받는 단점이 있다. 그러나, 최근 활발히 연구가 이루어지고 있는 광섬유 브래그 격자 센서(Fiber Bragg Grating(FBG) Sensor)를 이용하면 이러한 불편을 덜 수 있다. FBG 센서는 빛의 세기가 아니라 파장을 측정하기 때문에, 광원이나 주변 빛에 영향을 받지 않는다. Optical fibers are not affected by all these conditions, making them one of the most suitable materials for use as force sensors in robotic surgical environments. Optical fibers are not affected by electromagnetic interference (EMI), are light in weight, flexible, can withstand high temperatures, and can be used in MRI environments. The thin thickness of the optical fiber is suitable for use in manipulators of thin and long surgical robots. However, since all of the conventional optical fiber sensors emit light from the light source and measure the intensity of the reflected light reflected by the reflector, the intensity of the light source is not constant. If not, or if the ambient light is affected, the result is a disadvantage. However, the use of an optical fiber Bragg grating (FBG) sensor, which is being actively studied recently, can alleviate this inconvenience. Because the FBG sensor measures the wavelength, not the light intensity, it is not affected by light sources or ambient light.

따라서 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇이 요구되었다. Therefore, a minimally invasive surgical robot with an optical fiber Bragg grating force sensor was required.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 최소침습수술용 매니퓰레이터에 적용하기 위한 FBG 광섬유 힘센서의 원리와 적용방법에 대한 것으로, 기존의 로봇최소침습수술에서 문제로 대두된 촉각의 부재를 해결하기 위한 목적을 갖는다. The present invention has been made to solve the above problems, and relates to the principle and application method of the FBG optical fiber force sensor for applying to the manipulator for minimally invasive surgery, the tactile sensation that emerged as a problem in conventional robotic minimally invasive surgery Has a purpose to solve the member.

이러한 FBG 광섬유 힘센서는 가늘고 긴 형태의 매니퓰레이터에는 모두 적용할 수 있으며, 이는 NOTES 수술과 같은 무침습수술용 매니퓰레이터로도 확대적용될 수 있다. The FBG optical fiber force sensor can be applied to both long and thin manipulators, which can be extended to non-invasive manipulators such as NOTES surgery.

따라서, 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의하면, 수술 로봇에 FBG 광섬유 힘센서를 적용함으로써 힘반향이 실시간으로 측정가능하고, 힘의 이력을 조절할 수 있기 때문에 안전성이 보장되며, 이것은 의사에게 부담을 덜어주어 수술시간을 상당히 줄일 수 있는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇 및 시스템을 제공할 수 있다. 또한, 장기를 조작하는데 적절한 힘만을 사용함으로써, 장기손상을 최소화할 수 있어, 수술결과의 향상에도 도움을 줄 수 있는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇 및 시스템을 제공하게 된다. Therefore, according to one embodiment of the present invention as described, by applying the FBG optical fiber force sensor to the surgical robot, the force reflection can be measured in real time, and the safety of the force can be adjusted, which is a burden on the doctor. It is possible to provide a surgical robot and a system for minimally invasive surgery with an optical fiber Bragg grating force sensor that can significantly reduce the operation time. In addition, by using only the appropriate force to manipulate the organ, it is possible to minimize the damage to the organ, thereby providing a surgical robot and system for minimally invasive surgery equipped with an optical fiber Bragg grating force sensor that can help improve the surgical results. .

본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다. Other objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings.

본 발명의 목적은 최소침습수술용 수술로봇에 있어서, 인가되는 힘과 모멘트를 측정하는 로드셀; 로드셀과 연결되어 자유도를 갖는 적어도 하나의 관절부; 로드셀에서 측정되는 힘과 모멘트에 의해 관절부 끝단에 인가되는 끝단힘을 측정하는 플렉서; 로드셀과 플렉서 사이에 구비되는 다수의 기둥; 광섬유에 구비되고, 기둥 각각에 설치되어 입사광의 특정파장만을 반사하는 측정 FBG; 광섬유에 광대역의 광을 입사하는 광대역 광원; 및 측정 FBG에서 반사되는 광의 반사파장과 반사파장의 변화량을 측정하는 파장측정장치를 포함하여 파장측정장치에서 측정된 반사파장 변화량으로부터 로드셀에서 측정되는 힘과 모멘트를 얻고, 힘과 모멘트로부터 플렉서가 관절부 끝단에 인가되는 끝단힘을 측정하게 되는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇으로 달성될 수 있다. An object of the present invention is a surgical robot for minimally invasive surgery, the load cell for measuring the applied force and moment; At least one joint part connected to the load cell and having a degree of freedom; A flexure for measuring an end force applied to the end of the joint by a force and a moment measured in the load cell; A plurality of pillars provided between the load cell and the flexure; Measurement FBG provided in the optical fiber and installed in each of the pillars to reflect only a specific wavelength of incident light; A broadband light source for injecting broadband light into the optical fiber; And a wavelength measuring device for measuring the reflected wavelength and the reflected wavelength variation of the light reflected by the measurement FBG, and obtaining the force and moment measured in the load cell from the reflected wavelength variation measured in the wavelength measuring instrument. Minimally invasive surgical robot with an optical fiber Bragg grating force sensor, characterized in that to measure the end force applied to the joint end.

기둥에 구비되어 온도에 따른 반사파장을 보상하기 위한 보상 FBG를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. It may be characterized in that it further comprises a compensation FBG provided in the pillar for compensating the reflected wavelength according to the temperature.

관절부는 로드셀과 연결되는 제1관절; 및 제1관절의 끝단과 연결되어 독립된 자유도 운동을 하는 제2관절을 포함하고, 수술로봇은 반사파장 변화량으로부터 제2관절 끝단에 인가되는 끝단힘을 측정하게 되는 것을 특징으로 할 수 있다. The joint part includes a first joint connected to the load cell; And a second joint connected to an end of the first joint to perform an independent degree of freedom movement, and the surgical robot may measure an end force applied to the end of the second joint from the amount of change in the reflection wavelength.

제1관절 및 제2관절을 구동시키는 구동수단과 구동수단을 제어하여 제1관절 및 제2관절 각각의 회전각도를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. It may further comprise a control unit for controlling the rotation angle of each of the first and second joints by controlling the driving means and the driving means for driving the first and second joints.

본 발명의 또 다른 목적은 최소침습수술용 수술 시스템에 있어서, 인가되는 힘과 모멘트를 측정하는 로드셀; 로드셀과 연결되어 자유도를 갖는 적어도 하나의 관절부; 로드셀에서 측정되는 힘과 모멘트에 의해 관절부 끝단에 인가되는 끝단힘을 측정하는 플렉서; 로드셀과 플렉서 사이에 구비되는 다수의 기둥; 광섬유에 구비되고, 기둥 각각에 설치되어 입사광의 특정파장만을 반사하는 측정 FBG; 광섬유에 광대역의 광을 입사하는 광대역 광원; 측정 FBG에서 반사되는 반사파장의 변화량을 측정하는 파장측정장치; 파장측정장치에 입사되는 광의 광량을 측정하는 포토 다이오드; 및 파장측정장치에서 측정된 반사파장 변화량으로부터 로드셀에서 측정되는 힘과 모멘트를 얻고, 힘과 모멘트로부터 플렉서가 관절부 끝단에 인가되는 끝단힘을 분석하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술 시스템으로 달성될 수 있다. Still another object of the present invention is a surgical system for minimally invasive surgery, the load cell for measuring the applied force and moment; At least one joint part connected to the load cell and having a degree of freedom; A flexure for measuring an end force applied to the end of the joint by a force and a moment measured in the load cell; A plurality of pillars provided between the load cell and the flexure; Measurement FBG provided in the optical fiber and installed in each of the pillars to reflect only a specific wavelength of incident light; A broadband light source for injecting broadband light into the optical fiber; A wavelength measuring device for measuring an amount of change in reflected wavelength reflected from the measurement FBG; A photodiode measuring the amount of light incident on the wavelength measuring device; And an analysis means for obtaining the force and moment measured in the load cell from the reflected wavelength variation measured in the wavelength measuring device and analyzing the end force applied by the flexure to the end of the joint from the force and moment. A minimally invasive surgical system with a force sensor can be achieved.

기둥에 구비되어 온도에 따른 반사파장을 보상하기 위한 보상 FBG를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. It may be characterized in that it further comprises a compensation FBG provided in the pillar for compensating the reflected wavelength according to the temperature.

광대역 광원의 출력부 측에 구비되어 광대역 광원으로부터 조사되는 광의 역행을 방지하기 위한 아이솔레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. It may be characterized in that it further comprises an isolator provided on the output side of the broadband light source for preventing the back of the light irradiated from the broadband light source.

광대역 광원과 측정 FBG사이게 구비되어 광대역 광원에서 조사되는 광을 다수의 경로로 분산시키는 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. It may be characterized in that it further comprises a coupler provided between the broadband light source and the measurement FBG to distribute the light emitted from the broadband light source in a plurality of paths.

측정 FBG는 기둥에 부착되어 기둥의 변형에 동기되어 변형됨으로써 반사파장의 변화량으로부터 반사파장의 변화량을 기초로 기둥의 변형율을 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다. The measurement FBG may be attached to a pillar and deformed in synchronization with the deformation of the pillar, thereby measuring the strain of the pillar based on the variation in the reflection wavelength from the variation in the reflection wavelength.

파장측정장치는 패브리-패롯 필터로 구성되고, 패브리-패롯 필터는 2개의 거울면과 2개의 거울면 사이 간격 변화시키는 압전구동기를 포함하여 반사파장의 파장 대역을 스캔하여 특정파장만을 통과시키는 것을 특징으로 할 수 있다. The wavelength measuring device comprises a Fabry-Parrot filter, and the Fabry-Parrot filter includes a piezoelectric actuator for changing the distance between two mirror surfaces and two mirror surfaces, and scans the wavelength band of the reflected wavelength and passes only a specific wavelength. You can do

관절부는 로드셀과 연결되는 제1관절; 및 제1관절의 끝단과 연결되어 독립된 자유도 운동을 하는 제2관절을 포함하고, 수술로봇은 반사파장 변화량으로부터 제2관절 끝단에 인가되는 끝단힘을 측정하게 되는 것을 특징으로 할 수 있다. The joint part includes a first joint connected to the load cell; And a second joint connected to an end of the first joint to perform an independent degree of freedom movement, and the surgical robot may measure an end force applied to the end of the second joint from the amount of change in the reflection wavelength.

광대역 광원에서 출사되는 광을 통과시켜 측정 FBG측으로 보내고, 측정 FBG에서 반사되는 반사광은 파장측정장치 측으로 보내는 써큘레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The light emitted from the broadband light source is passed to the measurement FBG side, the reflected light reflected from the measurement FBG may be characterized in that it further comprises a circulator for sending to the wavelength measuring device side.

또 다른 카테고리로서 본 발명의 목적은 앞서 설명한 최소침습 수술용 수술시스템을 이용한 힘 측정방법에 있어서, 광대역 광원부에서 광이 출사되어 다수의 광섬유로 입사되는 단계; 광섬유로 입사된 광이 수술용 로봇의 다수의 기둥 각각에 설치된 측정 FBG에 입사되어 특정 파장이 반사되는 단계; 측정 FBG에 의해 반사된 광의 반사파장을 파장 측정장치에서 실시간으로 측정하는 단계; 포토 다이오드가 파장측정장치를 통과한 광의 광량을 측정하는 단계; 분석수단이 파장측정장치에 의해 실시간으로 측정되는 반사파장과 포토 다이오드에 의해 측정된 광량에 기초하여 수술용 로봇의 관절부 끝단에 힘이 인가되는 경우 기둥의 변형에 의해 측정 FBG도 함께 변형됨으로써 발생되는 파장변화량을 측정하고, 파장변화량으로부터 기둥의 변형률을 연산하여 변형률로부터 관절부와 기둥 사이에 구비된 로드셀이 인가받는 힘과 모멘트를 측정하여 관절부 끝단이 인가받는 힘을 실시간으로 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술 시스템을 이용한 힘 측정방법으로 달성될 수 있다. In another category, an object of the present invention is to provide a force measuring method using a surgical system for minimally invasive surgery, the light is emitted from the broadband light source to enter a plurality of optical fibers; Light incident on the optical fiber is incident on the measurement FBG installed on each of the plurality of pillars of the surgical robot to reflect a specific wavelength; Measuring the reflected wavelength of the light reflected by the measurement FBG in a wavelength measuring device in real time; Measuring, by the photodiode, the amount of light passing through the wavelength measuring device; When the analysis means is applied to the end of the joint of the surgical robot based on the reflected wavelength measured in real time by the wavelength measuring device and the amount of light measured by the photodiode, the measurement FBG is also deformed by the deformation of the column. Calculating a force applied by the end of the joint in real time by measuring a change in wavelength and calculating a strain of the pillar from the change in wavelength to measure a force and a moment applied to the load cell provided between the joint and the pillar from the strain; It can be achieved by a force measuring method using a surgical system for minimally invasive surgery with an optical fiber Bragg grating force sensor.

특정 파장이 반사되는 단계는 기둥에 구비된 보상 FBG가 온도에 따른 반사파장을 보상하는 단계를 더 포함하고, 특정 파장이 반사되는 단계 전에, 광대역 광원과 측정 FBG사이게 구비된 커플러가 광대역 광원에서 조사되는 광을 다수의 경로로 분산시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The reflecting of the specific wavelength further includes compensating the reflected wavelength according to the temperature by the compensation FBG provided in the pillar, and before the reflecting of the specific wavelength, the coupler provided between the broadband light source and the measuring FBG may be Dispersing the irradiated light in a plurality of paths may be further characterized.

따라서, 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의하면, 수술 로봇에 FBG 광섬유 힘센서를 적용함으로써 힘반향이 실시간으로 측정가능하고, 힘의 이력을 조절할 수 있기 때문에 안전성이 보장되며, 이것은 의사에게 부담을 덜어주어 수술시간을 상당히 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한, 장기를 조작하는데 적절한 힘만을 사용함으로써, 장기손상을 최소화할 수 있어, 수술결과의 향상에도 도움을 줄 수 있는 효과를 갖는다. Therefore, according to one embodiment of the present invention as described, by applying the FBG optical fiber force sensor to the surgical robot, the force reflection can be measured in real time, and the safety of the force can be adjusted, which is a burden on the doctor. It has the advantage that it can significantly reduce the operation time. In addition, by using only the appropriate force to manipulate the organ, it is possible to minimize the damage to the organ, it has an effect that can help to improve the surgical results.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that various other modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the invention, All fall within the scope of the appended claims.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자(이하 FBG) 힘센서를 구비한 최소침습수술용 시스템의 구성도,
도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 FBG 힘센서를 구비한 최소침습수술용 시스템에 의해 측정된 보상 FBG(105)의 반사파장(λref1, λref2, λref3, λref4)과 측정 FBG(106)의 반사파장(λ1, λ2, λ3, λ4)의 광량 그래프,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자(이하 FBG) 힘센서를 구비한 최소침습수술용 로봇의 사시도,
도 3은 도 2의 A-A 단면도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀(203)이 어떻게 수술도구의 끝단(제1관절(201)의 끝단)에 가해지는 힘을 측정할 수 있는지를 설명하기 위해 도 2를 단순화시킨 수술로봇의 사시도,
도 5는 압전구동기에 인가되는 입력전압과 파장의 그래프 및 포토 다이오드의 출력 전압과 파장의 그래프를 도시한 것이다.
1A is a block diagram of a system for minimally invasive surgery with an optical fiber Bragg grating (FBG) force sensor according to an embodiment of the present invention;
1B shows reflected wavelengths (λ ref1 , λ ref2 , λ ref3 , λ ref4 ) and measured FBG of a compensation FBG 105 measured by a system for minimally invasive surgery with an FBG force sensor according to an embodiment of the present invention. Graph of the amount of reflected wavelengths (λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 ) of (106),
2 is a perspective view of a robot for minimally invasive surgery having an optical fiber Bragg grating (hereinafter referred to as FBG) force sensor according to an embodiment of the present invention;
3 is a sectional view taken along the line AA in Fig. 2,
4 is a simplified operation of FIG. 2 to illustrate how the load cell 203 according to an embodiment of the present invention can measure the force applied to the end of the surgical tool (the end of the first joint 201). Perspective view of robot,
5 shows a graph of an input voltage and a wavelength applied to a piezoelectric driver and a graph of an output voltage and a wavelength of a photodiode.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
The same reference numerals are used for portions having similar functions and functions throughout the drawings. Throughout the specification, when a part is connected to another part, this includes not only the case where it is directly connected, but also the case where it is indirectly connected with another element in between. In addition, the inclusion of an element does not exclude other elements, but may include other elements, unless specifically stated otherwise.

<본 발명의 <Of the present invention 실시예에Example 따른 광섬유  According to optical fiber 브래그Bragg 격자  grid 힘센서를Force sensor 구비한 최소침습수술용 수술로봇 및 시스템의 구성> Configuration of Surgical Robot and System for Minimally Invasive Surgery>

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자(이하 FBG) 힘센서를 구비한 최소침습수술용 로봇(1) 및 시스템(100)의 구성에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자(이하 FBG) 힘센서를 구비한 최소침습수술용 시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자(이하 FBG) 힘센서를 구비한 최소침습수술용 로봇(1)의 사시도를 도시한 것이다. Hereinafter, the configuration of the minimally invasive robot 1 and the system 100 including the optical fiber Bragg grating (hereinafter referred to as FBG) force sensor according to an embodiment of the present invention will be described. First, FIG. 1A illustrates a schematic diagram of a system for minimally invasive surgery having an optical fiber Bragg grating (FBG) force sensor according to an embodiment of the present invention. 2 shows a perspective view of a robot for minimally invasive surgery 1 having an optical fiber Bragg grating (FBG) force sensor according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 최소침습수술용 로봇(1) 및 시스템(100)은 여러 가지의 구성으로 이루어질 수 있으나, 여기서는 4개의 기둥 각각에 부착되는 4개의 측정 FBG(106)와 측정 FBG(106)의 온도에 의한 변형과 패브리-패롯 필터의 시간에 따른 오차를 보상하기 위한 4개의 보상 FBG가 구비된 최소침습수술용 로봇(1) 및 시스템(100)에 대해 설명하도록 한다. Although the robot 1 and the system 100 for minimally invasive surgery according to the present invention may have various configurations, the temperature of the four measuring FBG 106 and the measuring FBG 106 attached to each of the four pillars is here. The minimally invasive robot 1 and the system 100 equipped with four compensation FBGs for compensating for the deformation due to the error and the time-dependent error of the Fabry-Parrot filter will be described.

그 외에 3개의 기둥으로 이루어진 경우나 보상 FBG(105)가 한 두개 적은 경우에도 기본적인 원리와 구성은 비슷하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 측정 FBG(106)는 플렉서에 연결된 4개의 기둥 각각에 부착되어 있음을 알 수 있다. 나머지 4개의 보상 FBG(105)는 각 측정 FBG(106)와 비슷한 위치에 위치하게 된다. 이들은 수술로봇(1)의 원통 내부에 자유롭게 매달려있으므로 어떤 힘도 가해지지 않는다. 이때, 이러한 8개의 FBG(측정 FBG(106) 및 보상 FBG(105))는 1가닥의 광섬유(10)에 위치할 수도 있고, 여러 가닥의 광섬유(10)에 위치할 수도 있다. 그러나, 광섬유(10)의 곡률반경에 대한 한계로 기둥의 수와 같은 수의 광섬유(10)를 사용하는 것이 더 바람직하다. In addition, the basic principle and configuration are similar in the case of three pillars or one or two compensation FBGs 105. As shown in FIG. 2, it can be seen that four measurement FBGs 106 are attached to each of the four pillars connected to the flexure. The remaining four compensation FBGs 105 will be located in a similar position to each measurement FBG 106. They are freely suspended inside the cylinder of the surgical robot 1 so that no force is applied. At this time, these eight FBGs (measurement FBG 106 and compensation FBG 105) may be located in one strand of optical fiber 10 or may be located in several strands of optical fiber 10. However, it is more preferable to use the same number of optical fibers 10 as the number of pillars as a limit for the radius of curvature of the optical fibers 10.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 FBG 힘센서를 구비한 최소침습수술용 시스템(100)은 빛을 광섬유(10)로 조사하게 되는 광대역 광원(101)을 구비하고, 광대역 광원(101)에서 나온 빛의 역행하는 것을 막아주는 아이솔레이터(Isolator, 102)를 지나 써큘레이터(Circulator, 103)를 통하게 됨을 알 수 있다. 그리고, 써큘레이터(103)를 통과한 빛은 1x4 커플러(Coupler, 104)로 들어간다. As shown in FIG. 1, the minimally invasive surgical system 100 having an FBG force sensor according to an embodiment of the present invention includes a broadband light source 101 for irradiating light onto an optical fiber 10. It can be seen that the circulator 103 passes through the isolator 102 which prevents the retrograde of light emitted from the broadband light source 101. Then, the light passing through the circulator 103 enters the 1x4 coupler (Coupler, 104).

여기서 써큘레이터(103)의 역할은 출력으로 나갔던 빛이 측정 FBG(106)에서 반사되어 다시 돌아올 때, 광대역 광원(101) 쪽이 아닌 다른 쪽(패브리-패롯 필터 측)으로 빛을 보내주는 역할을 한다. 이는 또한, 2x2 커플러를 사용해도 구현할 수 있으나 광량이 줄어들므로 써큘레이터(103)를 사용하는 것이 좀 더 바람직하다. Here, the role of the circulator 103 is to send light to the other side (fabric-parrot filter side) rather than the broadband light source 101 side when the light exiting the output is reflected back from the measurement FBG 106. do. This can also be implemented using a 2x2 coupler, but it is more preferable to use the circulator 103 because the amount of light is reduced.

써큘레이터(103)를 지나온 빛은 파장 측정을 위한 광섬유(10) 다발로 향한다. 여기서는 광섬유(10) 4가닥을 이용한 경우에 대해 서술하고 있으므로 1x4 커플러(104)를 이용하여 빛을 네 가닥으로 나누어 주었다. 커플러(104)를 통해 네 개로 나뉘어진 빛은 각각 하나의 광섬유(10)로 들어간다. 한 가닥의 광섬유(10)에는 각각 하나의 측정 FBG(106)와 하나의 보상 FBG(105)가 새겨져 있다. Light passing through the circulator 103 is directed to the optical fiber bundle 10 for wavelength measurement. In this case, since the four optical fibers 10 are described, the light is divided into four using the 1 × 4 coupler 104. The light divided into four through the coupler 104 enters one optical fiber 10. One strand of optical fiber 10 is inscribed with one measuring FBG 106 and one compensating FBG 105, respectively.

빛은 보상 FBG(105)와 측정 FBG(106)에서 각각 특정파장을 반사하고 그 외 파장은 투과한다. 그리고 후에 상세히 설명되는 바와 같이, 수술로봇(1)에 구비된 기둥(205)의 스트레인(변형률) 측정을 위해서는 반사파장이나 투과파장, 그 어느 것을 사용하여도 무방하나 반사파를 사용하는 것이 측정장치 구성에 바람직하다. Light reflects a specific wavelength at the compensation FBG 105 and the measurement FBG 106, respectively, and transmits other wavelengths. And, as will be described in detail later, for measuring the strain (strain) of the pillar 205 provided in the surgical robot 1, it is possible to use either reflected or transmitted wavelengths, but using the reflected device Is preferred.

그리고, 반사파는 도 1에 도시된 바와 같이, 다시 써큘레이터(103)를 거쳐 파장 측정장치로 들어감을 알 수 있다. 파장 측정장치는 여러 가지가 있지만, 파장분석기(Optical Spectrum Analyzer, OSA)와 가변형 패브리-패롯 필터(Tunable Fabry-Perot Filter, TFPF)가 대표적이다. 본 발명의 일실시에서는 도 1a에 도시된 바와 같이, 절대 파장값을 얻을 수 있는 파장분석기보다는 측정이 좀 더 까다롭지만 빠른 응답을 기대할 수 있어, 실시간 측정에 많이 이용되는 가변형 패브리-패롯 필터(107)를 이용한 측정방법에 대해 설명하도록 한다. And, as shown in Figure 1, it can be seen that enters the wavelength measuring device again through the circulator 103. There are many wavelength measurement devices, but the Optical Spectrum Analyzer (OSA) and Tunable Fabry-Perot Filter (TFPF) are typical. In an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1A, a measurement is more difficult than a wavelength analyzer capable of obtaining an absolute wavelength value, but a fast response can be expected, and thus, a variable Fabry-Parrot filter which is frequently used for real-time measurement ( The measurement method using 107) will be described.

이러한 가변형 패브리-패롯 필터(107)는 두 개의 거울면으로 구비되어, 압전구동기(Piezo-actuator)에 전압을 인가하여, 두 거울면 사이의 간격을 조절함으로써, 전압에 따라 특정 파장만을 통과하게 하는 장치이다. 따라서, 압전구동기에 삼각파의 전압을 인가하여, 광신호의 파장을 스캔하는 역할을 할 수 있다. 또한, 패브리-패롯 필터(107)와 연결되어 이를 제어하는 패브리-패롯 필터 제어기(110)를 더 포함할 수 있다. The variable Fabry-Parrot filter 107 is provided with two mirror surfaces, and applies a voltage to a piezo-actuator to adjust a distance between the two mirror surfaces, thereby passing only a specific wavelength according to the voltage. Device. Therefore, by applying the voltage of the triangular wave to the piezoelectric actuator, it may serve to scan the wavelength of the optical signal. In addition, the fabric may further include a Fabry-Parrot filter controller 110 connected to and controlling the Fabry-Parrot filter 107.

그리고, 패브리-패롯 필터(107)를 통해 지나온 빛은 도 1에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(Photo Diode, 108)에서 세기가 측정됨을 알 수 있다. 이렇게 스캔된 값은 분석을 위해 컴퓨터 등으로 구비된 분석수단(109)으로 연결되어 있다. 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 FBG 힘센서를 구비한 최소침습수술용 시스템(100)에 의해 측정된 보상 FBG(105)의 반사파장(λref1, λref2, λref3, λref4)과 측정 FBG(106)의 반사파장(λ1, λ2, λ3, λ4)의 광량 그래프를 도시한 것이다. As shown in FIG. 1, the light passing through the Fabry-Parrot filter 107 may be measured by the intensity of the photodiode 108. The scanned values are connected to analysis means 109 provided by a computer or the like for analysis. 1B shows reflected wavelengths (λ ref1 , λ ref2 , λ ref3 , λ ref4 ) of the compensated FBG 105 measured by the minimally invasive surgical system 100 having an FBG force sensor according to an embodiment of the present invention. And a graph of the light amount of the reflected wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 , and λ 4 of the measured FBG 106.

도 1b에 도시된 바와 같이, 기준을 잡고, 온도보상을 하기 위한 보상 FBG(105)의 반사파장 위치와 측정 FBG(106)의 반사파장의 위치는 설계에 따라 달라질 수 있으나 서로 골고루 섞이게 하는 것이 정확성을 보장하기에 유리하다. 이러한 반사파장신호의 피크값 중 보상 FBG(105)의 값 4개를 사용하여, 보상하여 주면, 4개의 측정 FBG(106)에서 얻은 피크값을 사용하여 변형률로 바꿀 수 있다.
As shown in FIG. 1B, the position of the reflection wavelength of the compensation FBG 105 and the position of the reflection wavelength of the measurement FBG 106 for setting a reference and performing temperature compensation may vary depending on the design, but it is accurate to mix them evenly. Is advantageous to ensure. Of the peak values of the reflected wavelength signal, if the four values of the compensation FBG 105 are compensated for, the peak values obtained from the four measurement FBG 106 can be used to change the strain.

<수술로봇 끝단 힘 측정방법><Method for Measuring Surgical Robot Tip Force>

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇(1)의 끝단 힘 측정방법에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 일실시예에 따른 수술 로봇(1)은 도 2에 도시된 바와 같이 축방향에 4개의 기둥을 세워 3축의 힘을 측정하고자 한다. 이러한 4개의 기둥은 플렉서(204)와 로드셀(203) 사이에 구비된다. Hereinafter, a method of measuring the end force of the surgical robot 1 for minimally invasive surgery having an optical fiber Bragg grating force sensor according to an embodiment of the present invention. Surgical robot 1 according to an embodiment of the present invention is to measure the force of the three axes to stand four columns in the axial direction as shown in FIG. These four columns are provided between the flexure 204 and the load cell 203.

그러나, 또 다른 실시예에서는 축방향으로 120도의 각도를 갖는 3개의 기둥을 사용하여도 같은 효과를 얻을 수 있다. 4개의 기둥은 수술 도구의 단면을 봤을 때, 원의 둘레를 4등분 하도록 배치되어있다. 도 3은 도 2의 A-A 단면도를 도시한 것이다. 즉, 두 개의 기둥이 도 3에 도시된 바와 같이 서로 마주보고 있는 형상이 된다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 수술 로봇(1)은 이를 측정되는 물리량을 원하는 물리량으로 바꾸어 주는 플렉서(Flexure, 204)나 트랜스듀서(Transducer)를 포함하고 있다. However, in another embodiment, the same effect can be obtained by using three pillars having an angle of 120 degrees in the axial direction. The four columns are arranged so that the section of the surgical instrument is divided into four quarters around the circle. 3 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG. That is, the two pillars have a shape facing each other as shown in FIG. In addition, the surgical robot 1 according to an embodiment of the present invention includes a flexure 204 or a transducer for converting the measured physical quantity into a desired physical quantity.

FBG 센서는 앞서 설명한 바와 같이 실제 측정이 이루어지는 측정 FBG(Active FBG, 106)와 온도 보상을 위한 보상 FBG(reference FBG, 105)로 나뉘어 져 있으며, 측정 FBG(106)는 도 2에 도시된 바와 같이 4개의 기둥 위에 축 방향을 따라 에폭시로 고정되어 기둥과(205) 같은 변형률을 갖도록 한다. As described above, the FBG sensor is divided into a measurement FBG (Active FBG) 106 where actual measurement is performed and a compensation FBG (reference FBG) 105 for temperature compensation, and the measurement FBG 106 is shown in FIG. It is fixed with epoxy along the axial direction on the four pillars to have the same strain as the pillars 205.

이때, 기둥(205)과 광섬유(10)와의 슬립을 방지하기 위하여, 측정 FBG(106)에서 아크릴래이트 코팅은 제거하는 것이 바람직하다. 또한 보상 FBG(105)는 측정 FBG(106)의 온도에 의한 변형을 보상하고 측정 FBG(106)의 파장 변화량을 측정하기 위한 기준을 잡기 위해 사용된다. 보상 FBG(105)는 변형이 일어나면 안되므로 수술로봇(1)이 관절이 있는 경우, 관절을 피해서 아크릴레이트 코팅을 하여 위치한다. At this time, in order to prevent slip between the pillar 205 and the optical fiber 10, it is preferable to remove the acrylate coating from the measurement FBG 106. The compensation FBG 105 is also used to compensate for the deformation caused by the temperature of the measurement FBG 106 and to establish a reference for measuring the amount of change in the wavelength of the measurement FBG 106. The compensation FBG 105 is not to be deformed so that the surgical robot 1 is positioned with an acrylate coating away from the joint, if the joint is present.

광섬유(10)는 매우 가는 직경을 가지고 있으므로 아크릴레이트 코팅을 하더라도 수백마이크로 정도로 구동 와이어를 방해하지 않고 나갈 수 있다. 온도 보상을 위해 측정 FBG(106)와 보상 FBG(105)는 함께 복강 안에 위치하여야 하므로 보상 FBG(105)는 측정 FBG(106)와 매우 가까운 부분에 위치하여야 한다. Since the optical fiber 10 has a very thin diameter, even with an acrylate coating, the optical fiber 10 can go out without disturbing the driving wire to the order of several hundred microns. Since the measurement FBG 106 and the compensation FBG 105 must be located in the abdominal cavity together for temperature compensation, the compensation FBG 105 should be located very close to the measurement FBG 106.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 수술로봇(1)은 플렉서(204)와 수술로봇(1) 끝단 사이에 관절이 두 개(제1관절와 제2관절) 있는 경우에 광섬유 센서의 적용 것임을 알 수 있다. 측정 FBG(106)는 플렉서(204)에 연결된 기둥(205)에 접착되어 있으며, 보상 FBG(105)는 측정 FBG(106)에 가까이 위치하지만, 기둥(205)의 변형에 영향을 받지 않기 위해, 기둥(205)에 접착되지 않는다. 측정 FBG(106)의 위치는 플렉서(204)가 아니라도 측정 FBG(106)와 함께 복강 안에 위치하면 어느 정도 자유로울 수 있다. As shown in FIG. 2, the surgical robot 1 according to an embodiment of the present invention has two joints (first joint and second joint) between the flexure 204 and the end of the surgical robot 1. It can be seen that the application of the optical fiber sensor. The measuring FBG 106 is glued to the pillar 205 connected to the flexure 204 and the compensating FBG 105 is located close to the measuring FBG 106 but not to be affected by the deformation of the pillar 205. It is not adhered to the pillar 205. The position of the measurement FBG 106 may be somewhat free if it is located in the abdominal cavity with the measurement FBG 106, but not the flexure 204.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀(203)이 어떻게 수술도구의 끝단(제1관절(201)의 끝단)에 가해지는 힘을 측정할 수 있는지를 설명하기 위해 도 2를 단순화시킨 수술로봇(1)의 사시도이다. 또한 본 발명은 수술 도구 끝단에 관절이 3개 이상 있다고 해도 적용할 수 있다. 여기에서는 관절이 두 개인 경우에 대해서만 설명한다. 4 is a simplified operation of FIG. 2 to illustrate how the load cell 203 according to an embodiment of the present invention can measure the force applied to the end of the surgical tool (the end of the first joint 201). It is a perspective view of the robot 1. In addition, the present invention can be applied even if there are three or more joints at the end of the surgical tool. This article only describes the case of two joints.

관절이 더 많은 경우는 각도변수를 하나씩 더 추가하면 되며, 관절이 더 적은 경우는 주어진 각도 변수를 0도일 때로 계산하면 된다. 도 4에 도시된 바와 같이, FBG 센서(보상 FBG(105), 측정 FBG(106))들이 부착된 플렉서(204)에서 제2관절(202)사이의 거리를 ds, 제2관절(202)이 로드셀(203)의 길이방향을 기준으로 하는 회전각도를 θ1, 제2관절(202)에서 제1관절(201)까지의 거리(즉 제2관절(202)의 길이를 d1, 제1관절(201)가 제2관절(202)의 길이방향을 기준으로 하는 회전각도를 θ2, 제1관절(201)에서 수술로봇(1) 끝단의 힘이 걸리는 곳까지의 위치(즉, 제1관절의 길이)를 d2로 나타내고 있음을 알 수 있다. If there are more joints, add angle variables one by one. If there are fewer joints, calculate the given angle variable as 0 degrees. As shown in FIG. 4, the distance between the second joint 202 and the second joint 202 in the flexure 204 to which the FBG sensors (compensating FBG 105 and measuring FBG 106) are attached is d s . ) Is the rotation angle of the load cell 203 based on the longitudinal direction of θ 1 , and the distance from the second joint 202 to the first joint 201 (ie, the length of the second joint 202 is d 1 , The angle of rotation of the first joint 201 based on the longitudinal direction of the second joint 202 is θ 2 , and the position from the first joint 201 to the place where the force of the end of the surgical robot 1 is applied (ie, It can be seen that the length of one joint) is represented by d 2 .

또한 수술로봇(1)의 끝단(제1관절(201)의 끝단)은 뾰족하며, 뾰족한 끝점에 모든 외부의 힘이 걸린다고 가정하면, x, y, z축의 3차원 힘(Fx, Fy, Fz)만으로 표현이 가능하다. 즉, 수술로봇(1)의 끝단에서는 각 축방향으로의 힘만 있고, 모멘트는 존재하지 않는다. 또한 각 관절에서의 와이어의 탄성에 의한 변형이 없다고 가정하면 앞서 정의한 θ1, θ2, d1, d2, ds를 사용하여 수술로봇(1)의 끝단에 걸리는 힘(Fx, Fy, Fz)과 로드셀의 정중앙에 걸리는 힘(FX, FY, FZ), 모멘트(MX, MY, MZ)의 관계를 정역학을 사용하여 다음과 같은 수학식 1을 정의할 수 있다.In addition, the end of the surgical robot (1) (end of the first joint 201) is pointed, assuming that the external end takes all the external force, three-dimensional force (F x , F y , F z ) can be expressed only. That is, only the force in each axial direction at the end of the surgical robot 1, there is no moment. In addition, assuming that there is no deformation due to the elasticity of the wire in each joint, the force applied to the end of the surgical robot 1 using the previously defined θ 1 , θ 2 , d 1 , d 2 , and d s (F x , F y) , F z ) and the force between the center of the load cell (F X , F Y , F Z ) and moment (M X , M Y , M Z ) can be defined by the following equation: have.

Figure 112011059982986-pat00001
Figure 112011059982986-pat00001

수학식 1에서 d1, d2, d3 모두 정해진 값이며, θ1, θ2는 그때그때 정해지는 값으로 보통 구동모터의 엔코더 값을 읽어 알 수 있는 값이다. 따라서 중간의 6 x 3 행렬은 그때 그때마다 모두 상수로 이루어진 행렬이 된다. 그러므로 이때, 좌변에 있는 행렬의 로드셀(203) 정중앙에 걸리는 힘(FX, FY, FZ)과 모멘트(MX, MY, MZ) 6개 항 중 3개를 알면 수술로봇(1)의 끝단(제1관절)에 걸리는 힘(Fx, Fy, Fz)을 구할 수 있다. 여기에서는 비교적 로드셀(203)에서 측정하기 쉬운 FZ, MX, MY를 사용하여 Fx, Fy, Fz를 구하고자 한다. 위의 수학식 1에서 FZ, MX, MY에 관한 부분을 빼보면 이하의 수학식 2로 나타낼 수 있다. In Equation 1, d 1 , d 2 , and d 3 are all determined values, and θ 1 and θ 2 are values that are determined at that time, and are usually values obtained by reading encoder values of a driving motor. Thus, the intermediate 6 x 3 matrix is then a matrix of all constants. Therefore, at this time, if three of the six terms (F X , F Y , F Z ) and moments (M X , M Y , M Z ) applied to the center of the load cell 203 of the matrix on the left side are known, the surgical robot (1 You can find the force (F x , F y , F z ) on the end of the joint (first joint). Here, F x , F y , and F z are calculated using F Z , M X , and M Y, which are relatively easy to measure in the load cell 203. Subtracting the portion of F Z , M X , M Y in the above equation 1 can be represented by the following equation (2).

Figure 112011059982986-pat00002
Figure 112011059982986-pat00002

또한, 로드셀(203) 정중앙에 걸리는 FZ, MX, MY는 다음과 같은 원리로 측정될 수 있다. 로드셀(203)에 FZ의 힘이 작용하면 네 개의 기둥(205)은 같은 길이만큼 압축된다. 또한 MX 또는 MY가 작용하면 서로 마주보는 기둥(205)이 하나는 압축, 그리고 나머지 하나는 인장을 받게 된다. 따라서 네 기둥(205)의 압축과 인장을 측정하여 그것을 이하의 수학식 3으로 분해함으로써 FZ, MX, MY 측정 가능하다. In addition, F Z , M X , and M Y that are applied to the center of the load cell 203 may be measured based on the following principle. When the force of F Z acts on the load cell 203, the four pillars 205 are compressed by the same length. In addition, when M X or M Y acts, the pillars 205 facing each other are subjected to compression and the other to be tensioned. Therefore, by measuring the compression and tension of the four pillars 205 and decomposing it by the following equation (3) it is possible to measure F Z , M X , M Y.

Figure 112011059982986-pat00003
Figure 112011059982986-pat00003

수학식 3에서 E는 로드셀(203) 재료의 영 계수(Young's Modulus)이며, C는 로드셀(203)의 반경, A는 로드셀(203) 단면의 넓이이며, I는 단면의 면적관성모멘트(Moment of Inertia of an area)이다. 따라서, 수학식 3에서 E,A,C,I는 모두 정해진 상수값이므로 각 기둥(205)의 스트레인(변형률, ε1, ε234)을 측정하면, 각 변형률의 평균으로 FZ를 계산할 수 있으며, 마주보는 두 기둥의 변형률 차이를 측정하여 MX, MY를 측정할 수 있다. In Equation 3, E is the Young's Modulus of the material of the load cell 203, C is the radius of the load cell 203, A is the width of the cross section of the load cell 203, and I is the area moment of inertia of the cross section. Inertia of an area. Therefore, in Equation 3, since E, A, C, and I are all constant values, the strain (strain, ε 1 , ε 2 , ε 3 , ε 4 ) of each column 205 is measured as an average of each strain. F Z can be calculated and M X and M Y can be measured by measuring the difference in strain between two opposite columns.

또한, 이러한 수학식 3과 수학식 2를 이용하여 결국 수술로봇(1) 끝단에 걸리는 힘(Fx, Fy, Fz)을 얻어낼 수 있다. 이렇게 측정된 힘(Fx, Fy, Fz)은 환부를 꿰매는 작업시에 효과적인 힘으로 실을 묶는다거나 다른 장기를 찢는 등의 임의의 사고를 방지하는데 이용할 수 있다. In addition, using the equations (3) and (2), it is possible to finally obtain the forces (F x , F y , F z ) applied to the end of the surgical robot (1). These measured forces F x , F y , F z can be used to prevent any accidents, such as tying the thread or tearing other organs, with an effective force in sewing the affected area.

또한, 각 기둥(205)의 변형률(ε1, ε234)을 측정하는 것은 각 기둥에 부착된 측정 FBG(106)와 각종 에러의 보상을 위한 보상 FBG(105)의 파장을 측정함으로써, 측정될 수 있다. FBG는 광섬유(10)의 코어(core)에 반복적인 굴절률의 변화를 주어 일종의 필터를 만드는 기술로 반복적으로 새겨지는 격자의 간격에 따라 반사시키는 파장이 달라진다. 따라서, 이를 기둥(205)에 붙이고 반사하는 파장을 추적하면, 기둥(205)의 변형률(ε1, ε234)을 알아낼 수 있다. 그러나, 이러한 반사파장은 온도에도 영향을 받으므로 본 발명 일실시예에서는 측정 FBG(106)의 근처에 보상 FBG(105)를 위치시켜, 온도에 의해 변화한 양을 제거하도록 하였다. In addition, measuring the strain ε 1 , ε 2 , ε 3 , ε 4 of each pillar 205 is the wavelength of the measurement FBG 106 attached to each pillar and the compensation FBG 105 for compensation of various errors. Can be measured. FBG is a technique of making a kind of filter by repeatedly changing the refractive index of the core of the optical fiber 10, the wavelength of reflection is changed depending on the interval of the grating repeatedly carved. Therefore, by attaching it to the pillar 205 and tracking the reflected wavelength, the strains ε 1 , ε 2 , ε 3 , ε 4 of the pillar 205 can be found. However, since the reflected wavelength is also affected by the temperature, in one embodiment of the present invention, the compensation FBG 105 is placed near the measurement FBG 106 to remove the amount changed by the temperature.

또한, 반사파장은 여러 가지 장치를 사용하여 알아낼 수 있다. 대표적으로는 파장분석기(OSA(Optical Spectrum Analyzer))를 사용하여 알아낼 수 있다. 또한 실시간 측정을 위해 반응속도가 우수한 가변형 패브리-패롯 필터(107)를 사용할 수도 있다. In addition, the reflected wavelength can be determined using various devices. Typically, this can be found using a wavelength analyzer (OSA (Optical Spectrum Analyzer)). In addition, a variable Fabry-Parrot filter 107 having excellent response speed may be used for real-time measurement.

도 5는 압전구동기에 인가되는 입력전압과 파장의 그래프 및 포토 다이오드의 출력 전압과 파장의 그래프를 도시한 것이다. 패브리-패롯 필터(107)는 파장의 절대값은 측정할 수 없으므로, 도 5에 도시된 바와 같이 파장분석기(OSA)로 이미 측정된 반사파장에 해당하는 패브리-패롯 필터를 구동하는 압전구동기에서 인가하는 전압을 실험적으로 측정하여, 전압-파장의 그래프를 그려 사용한다. 그러나, 이러한 방법은 온도에 의해 영향받은 반사파장의 변화는 측정하지 못하며, 파장에 해당하는 전압을 사용하는 간접적인 방식을 취하므로 측정오류도 커지는 단점이 있다. 5 shows a graph of an input voltage and a wavelength applied to a piezoelectric driver and a graph of an output voltage and a wavelength of a photodiode. Since the Fabry-Parrot filter 107 cannot measure the absolute value of the wavelength, it is applied in the piezoelectric driver for driving the Fabry-Parrot filter corresponding to the reflected wavelength already measured by the wavelength analyzer (OSA) as shown in FIG. 5. Experimentally measure the voltage, and draw a graph of the voltage-wavelength. However, this method does not measure the change in the reflected wavelength influenced by the temperature, and takes an indirect method of using a voltage corresponding to the wavelength, so that the measurement error is also increased.

따라서, 본 발명의 일실시예에서는 도 1b에 도시된 광량 그래프와 같이 이미 파장분석시(OSA)로 측정하여 알려진 반사파장을 갖는 보상 FBG(105)들을 이용하여 그 위치들과 반사파장과의 관계를 1차 또는 2차 피팅하여 위치-파장그래프를 그려 사용함으로써, 상대적 위치로 측정 FBG(105)들의 반사파장을 측정할 수 있다. 이러한 방법의 장점은 온도에 의해 반사파장이 달라질 경우, 보상 FBG(105)들 역시 반사파장이 이동하므로 별다른 계산없이 온도에 의한 영향이 보상되며, 1차로 측정된 포토다이오드(108)의 값을 그대로 사용함으로써, 상응하는 전압값을 읽어 사용하는 간접적인 방식에 의한 오차를 제거할 수 있는 장점이 있다. Therefore, in one embodiment of the present invention, the relationship between the positions and the reflected wavelengths using the compensation FBG 105 having the known reflected wavelength measured by the wavelength analysis (OSA) as shown in the light quantity graph shown in FIG. By using the first- or second-order fitting to draw a position-wave graph, the reflected wavelengths of the measured FBGs 105 can be measured at a relative position. The advantage of this method is that if the reflected wavelength is changed by temperature, the compensated FBG 105 also moves the reflected wavelength, so the influence of temperature is compensated without any calculation, and the value of the photodiode 108 measured first is intact. By using it, there is an advantage in that an error by an indirect method of reading and using a corresponding voltage value can be eliminated.

이러한 방법으로 실시간으로 측정된 측정 FBG(106)의 파장과 힘이 가해지기 전의 측정 FBG(106)의 파장을 비교하여 파장변화량을 구할 수 있다. 파장 변화량은 온도와 변형률에 따라 이하의 수학식 4에 의해 계산될 수 있다.In this way, the wavelength change can be obtained by comparing the wavelength of the measured FBG 106 measured in real time with the wavelength of the measured FBG 106 before the force is applied. The wavelength change amount may be calculated by Equation 4 below according to the temperature and the strain rate.

Figure 112011059982986-pat00004
Figure 112011059982986-pat00004

수학식 4에서, λB는 변형전(힘이 가해지기 전)의 브래그 반사파장, αf는 광섬유(10)의 열팽창 계수, ξf는 온도변화에 따른 광섬유(10)의 굴절률 변화를 나타내는 열광학 계수, pe는 광탄성 상수이다. In Equation 4, λ B is the Bragg reflection wavelength before deformation (before the force is applied), α f is the thermal expansion coefficient of the optical fiber 10, ξ f is a heat representing the change of the refractive index of the optical fiber 10 with temperature change The optical coefficient, p e, is a photoelastic constant.

온도에 의한 변화량은 보상 FBG(105)에 의해 보상되므로, 파장변화량을 변형률 변화량으로 환산할 수 있다. 보통 FBG로 많이 사용되는 광섬유(10)는 1550nm근처의 중심파장을 갖고, 이는 1nm의 파장변화량에 약 1000με의 변형률 변화량이 대응된다. 그러나, 실제 센서를 만드는 경우는 이값을 염두에 두고, 실제로 알려진 무게를 이용하여 실험함으로써, 캘리브레이션(Calibration)을 하는 것이 바람직하다. 이렇게 구해진 변형률 변화량을 이용하여 위에서 제시한 수학식 1 내지 3에 의해 수술도구 끝단에 가해지는 힘(FX, FY, FZ)을 측정할 수 있게 된다.Since the change amount due to temperature is compensated by the compensation FBG 105, the change amount of the wavelength can be converted into the change amount of the strain. The optical fiber 10, which is commonly used as an FBG, has a central wavelength around 1550 nm, which corresponds to a variation in strain of about 1000 mu ε to a wavelength change of 1 nm. However, when making an actual sensor, it is desirable to carry out the calibration by experimenting with this value in mind and using a known weight. Using the strain change amount thus obtained, it is possible to measure the force (F X , F Y , F Z ) applied to the end of the surgical tool by the above equations (1) to (3).

1:수술로봇
10:광섬유
100:수술 시스템
101:광대역 광원
102:아이솔레이터
103:써큘레이터
104:커플러
105:보상 FBG
106:측정 FBG
107:패브리-패롯 필터
108:포토 다이오드
109:분석수단
110:패브리-패롯 필터 제어기
201:제1관절
202:제2관절
203:로드셀
204:플렉서
205:기둥
1: surgical robot
10: optical fiber
100: Surgery system
101: broadband light source
102: Isolator
103: circulator
104: coupler
105: Compensation FBG
106: Measure FBG
107: Fabry-Parrot filter
108: photodiode
109: means of analysis
110: Fabry-Parrot filter controller
201: Joint 1
202: second joint
203: load cell
204: A flexor
205: pillar

Claims (14)

최소침습수술용 수술로봇에 있어서,
인가되는 힘과 모멘트를 측정하는 로드셀;
상기 로드셀과 연결되어 자유도를 갖는 적어도 하나의 관절부;
상기 로드셀에서 측정되는 상기 힘과 모멘트에 의해 상기 관절부 끝단에 인가되는 끝단힘을 측정하는 플렉서;
상기 로드셀과 상기 플렉서 사이에 구비되는 다수의 기둥;
광섬유에 구비되고, 상기 기둥 각각에 설치되어 입사광의 특정파장만을 반사하는 측정 FBG;
상기 광섬유에 광대역의 광을 입사하는 광대역 광원; 및
상기 측정 FBG에서 반사되는 광의 반사파장과 반사파장의 변화량을 측정하는 파장측정장치를 포함하여 상기 파장측정장치에서 측정된 반사파장 변화량으로부터 상기 로드셀에서 측정되는 상기 힘과 모멘트를 얻고, 상기 힘과 상기 모멘트로부터 상기 플렉서가 상기 관절부 끝단에 인가되는 끝단힘을 측정하게 되는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇.
In the minimally invasive surgical robot,
A load cell measuring the applied force and moment;
At least one joint part connected to the load cell and having a degree of freedom;
A flexure for measuring an end force applied to the end of the joint part by the force and the moment measured by the load cell;
A plurality of pillars provided between the load cell and the flexure;
A measurement FBG provided in the optical fiber and installed on each of the pillars to reflect only a specific wavelength of incident light;
A broadband light source for injecting broadband light into the optical fiber; And
A wavelength measuring device for measuring a reflected wavelength of the light reflected by the measurement FBG and an amount of change of the reflected wavelength to obtain the force and the moment measured in the load cell from the reflected wavelength change measured in the wavelength measuring device; Minimally invasive surgical robot with a fiber Bragg grating force sensor, characterized in that for measuring the end force applied to the end of the joint from the moment from the moment.
제 1항에 있어서,
상기 기둥에 구비되어 온도에 따른 상기 반사파장을 보상하기 위한 보상 FBG를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇.
The method of claim 1,
The surgical robot for minimally invasive surgery with an optical fiber Bragg grating force sensor further comprises a compensation FBG provided on the pillar to compensate for the reflected wavelength according to temperature.
제 1항에 있어서,
상기 관절부는
상기 로드셀과 연결되는 제1관절; 및
상기 제1관절의 끝단과 연결되어 독립된 자유도 운동을 하는 제2관절을 포함하고, 상기 수술로봇은 상기 반사파장 변화량으로부터 상기 제2관절 끝단에 인가되는 끝단힘을 측정하게 되는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇.
The method of claim 1,
The joint part
A first joint connected to the load cell; And
And a second joint connected to an end of the first joint to perform an independent degree of freedom movement, wherein the surgical robot measures an end force applied to the end of the second joint from the reflected wavelength change amount. Minimally Invasive Surgical Robot with Bragg Lattice Force Sensor.
제 3항에 있어서,
상기 제1관절 및 제2관절을 구동시키는 구동수단과 상기 구동수단을 제어하여 상기 제1관절 및 상기 제2관절 각각의 회전각도를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇.
The method of claim 3, wherein
And a control unit for driving the first and second joints and a control unit controlling the driving means to adjust rotation angles of the first and second joints, respectively. Surgical robot for minimally invasive surgery.
최소침습수술용 수술 시스템에 있어서,
인가되는 힘과 모멘트를 측정하는 로드셀;
상기 로드셀과 연결되어 자유도를 갖는 적어도 하나의 관절부;
상기 로드셀에서 측정되는 상기 힘과 모멘트에 의해 상기 관절부 끝단에 인가되는 끝단힘을 측정하는 플렉서;
상기 로드셀과 상기 플렉서 사이에 구비되는 다수의 기둥;
광섬유에 구비되고, 상기 기둥 각각에 설치되어 입사광의 특정파장만을 반사하는 측정 FBG;
상기 광섬유에 광대역의 광을 입사하는 광대역 광원;
상기 측정 FBG에서 반사되는 반사파장의 변화량을 측정하는 파장측정장치;
상기 파장측정장치에 입사되는 광의 광량을 측정하는 포토 다이오드; 및
상기 파장측정장치에서 측정된 반사파장 변화량으로부터 상기 로드셀에서 측정되는 상기 힘과 모멘트를 얻고, 상기 힘과 상기 모멘트로부터 상기 플렉서가 상기 관절부 끝단에 인가되는 끝단힘을 분석하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술 시스템.
In the minimally invasive surgical system,
A load cell measuring the applied force and moment;
At least one joint part connected to the load cell and having a degree of freedom;
A flexure for measuring an end force applied to the end of the joint part by the force and the moment measured by the load cell;
A plurality of pillars provided between the load cell and the flexure;
A measurement FBG provided in the optical fiber and installed on each of the pillars to reflect only a specific wavelength of incident light;
A broadband light source for injecting broadband light into the optical fiber;
A wavelength measuring device for measuring an amount of change in reflected wavelength reflected by the measurement FBG;
A photodiode measuring the amount of light incident on the wavelength measuring device; And
And an analysis means for obtaining the force and moment measured in the load cell from the reflected wavelength change amount measured by the wavelength measuring device, and analyzing the end force applied by the flexor to the end of the joint from the force and the moment. A surgical system for minimally invasive surgery with an optical fiber Bragg grating force sensor.
제 5항에 있어서,
상기 기둥에 구비되어 온도에 따른 상기 반사파장을 보상하기 위한 보상 FBG를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술 시스템.
6. The method of claim 5,
Minimally invasive surgery system with a fiber Bragg grating force sensor characterized in that it further comprises a compensation FBG provided on the pillar to compensate for the reflected wavelength according to the temperature.
제 6항에 있어서,
상기 광대역 광원의 출력부 측에 구비되어 상기 광대역 광원으로부터 조사되는 광의 역행을 방지하기 위한 아이솔레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술 시스템.
The method according to claim 6,
Minimally invasive surgery system with an optical fiber Bragg grating force sensor, characterized in that it further comprises an isolator provided on the output side of the broadband light source for preventing the retrograde of light irradiated from the broadband light source.
제 6항에 있어서,
상기 광대역 광원과 상기 측정 FBG사이게 구비되어 상기 광대역 광원에서 조사되는 광을 다수의 경로로 분산시키는 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술 시스템.
The method according to claim 6,
And a coupler provided between the broadband light source and the measurement FBG to disperse the light emitted from the broadband light source in a plurality of paths.
제 8항에 있어서,
상기 측정 FBG는 상기 기둥에 부착되어 상기 기둥의 변형에 동기되어 변형됨으로써 상기 반사파장의 변화량으로부터 반사파장의 변화량을 기초로 상기 기둥의 변형율을 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술 시스템.
The method of claim 8,
The measurement FBG is attached to the pillar and deformed in synchronization with the deformation of the pillar, thereby measuring the strain of the pillar based on the variation of the reflected wavelength from the variation of the reflected wavelength. Surgical System for Minimally Invasive Surgery.
제 9항에 있어서,
상기 파장측정장치는 패브리-패롯 필터로 구성되고,
상기 패브리-패롯 필터는 2개의 거울면과 상기 2개의 거울면 사이 간격 변화시키는 압전구동기를 포함하여 상기 반사파장의 파장 대역을 스캔하여 특정파장만을 통과시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술 시스템.
The method of claim 9,
The wavelength measuring device is composed of a Fabry-Parrot filter,
The Fabry-Parrot filter includes an optical fiber Bragg grating force sensor, which includes a piezoelectric actuator for changing the distance between the two mirror surfaces and the two mirror surfaces, and scans the wavelength band of the reflected wavelength and passes only a specific wavelength. One minimally invasive surgical system.
제 10항에 있어서,
상기 관절부는
상기 로드셀과 연결되는 제1관절; 및
상기 제1관절의 끝단과 연결되어 독립된 자유도 운동을 하는 제2관절을 포함하고,
상기 분석수단은 상기 반사파장 변화량으로부터 상기 제2관절 끝단에 인가되는 끝단힘을 측정하게 되는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술 시스템.
The method of claim 10,
The joint part
A first joint connected to the load cell; And
And a second joint connected to the end of the first joint to perform an independent degree of freedom movement,
And the analyzing means measures an end force applied to the end of the second joint from the amount of change in the reflected wavelength. The surgical system for minimally invasive surgery having an optical fiber Bragg grating force sensor.
제 5항에 있어서,
상기 광대역 광원에서 출사되는 광을 통과시켜 상기 측정 FBG측으로 보내고, 상기 측정 FBG에서 반사되는 반사광은 상기 파장측정장치 측으로 보내는 써큘레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술 시스템.
6. The method of claim 5,
Minimally invasive with an optical fiber Bragg grating force sensor, characterized in that it further comprises a circulator for passing the light emitted from the broadband light source to the measurement FBG side, the reflected light reflected from the measurement FBG to the wavelength measurement device side Surgical surgical system.
제 5항의 최소침습 수술용 수술시스템을 이용한 힘 측정방법에 있어서,
광대역 광원부에서 광이 출사되어 다수의 광섬유로 입사되는 단계;
광섬유로 입사된 광이 수술용 로봇의 다수의 기둥 각각에 설치된 측정 FBG에 입사되어 특정 파장이 반사되는 단계;
상기 측정 FBG에 의해 반사된 광의 반사파장을 파장 측정장치에서 실시간으로 측정하는 단계;
포토 다이오드가 상기 파장측정장치를 통과한 광의 광량을 측정하는 단계;
분석수단이 상기 파장측정장치에 의해 실시간으로 측정되는 반사파장과 상기 포토 다이오드에 의해 측정된 광량에 기초하여 상기 수술용 로봇의 관절부 끝단에 힘이 인가되는 경우 상기 기둥의 변형에 의해 상기 측정 FBG도 함께 변형됨으로써 발생되는 파장변화량을 측정하고, 상기 파장변화량으로부터 상기 기둥의 변형률을 연산하여 상기 변형률로부터 상기 관절부와 상기 기둥 사이에 구비된 로드셀이 인가받는 힘과 모멘트를 측정하여 상기 관절부 끝단이 인가받는 힘을 실시간으로 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술 시스템을 이용한 힘 측정방법.
In the force measuring method using the surgical system for minimally invasive surgery of claim 5,
Light emitted from the broadband light source and incident to the plurality of optical fibers;
Light incident on the optical fiber is incident on the measurement FBG installed on each of the plurality of pillars of the surgical robot to reflect a specific wavelength;
Measuring the reflected wavelength of the light reflected by the measurement FBG in a wavelength measuring device in real time;
Measuring, by a photodiode, the amount of light passing through the wavelength measuring device;
The measurement FBG is also determined by deformation of the column when a force is applied to the joint end of the surgical robot based on the reflected wavelength measured in real time by the wavelength measuring device and the amount of light measured by the photodiode. The amount of wavelength change generated by deformation together is measured, and the strain of the pillar is calculated from the wavelength change, and the force and moment applied to the load cell provided between the joint and the pillar are measured from the strain to receive the joint end. Comprising a step of calculating the force in real time; Force measurement method using a surgical system for minimally invasive surgery with a fiber Bragg grating force sensor comprising a.
제 13항에 있어서,
상기 특정 파장이 반사되는 단계는
상기 기둥에 구비된 보상 FBG가 온도에 따른 상기 반사파장을 보상하는 단계를 더 포함하고,
상기 특정 파장이 반사되는 단계 전에,
상기 광대역 광원과 상기 측정 FBG사이게 구비된 커플러가 상기 광대역 광원에서 조사되는 광을 다수의 경로로 분산시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술 시스템을 이용한 힘 측정방법.
The method of claim 13,
The specific wavelength is reflected
Compensating the reflected wavelength according to the temperature of the compensation FBG provided in the pillar further comprises,
Before the step of reflecting the specific wavelength,
The coupler provided between the broadband light source and the measurement FBG further comprises the step of dispersing the light irradiated from the broadband light source in a plurality of paths, the surgical system for minimally invasive surgery with a fiber Bragg grating force sensor Force measurement method using.
KR1020110077244A 2011-08-03 2011-08-03 Surgical robot and system for minimally invasive surgery including fiber bragg grating force sensor and method for measuring force using the system KR101248818B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110077244A KR101248818B1 (en) 2011-08-03 2011-08-03 Surgical robot and system for minimally invasive surgery including fiber bragg grating force sensor and method for measuring force using the system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110077244A KR101248818B1 (en) 2011-08-03 2011-08-03 Surgical robot and system for minimally invasive surgery including fiber bragg grating force sensor and method for measuring force using the system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130015321A KR20130015321A (en) 2013-02-14
KR101248818B1 true KR101248818B1 (en) 2013-04-01

Family

ID=47895157

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110077244A KR101248818B1 (en) 2011-08-03 2011-08-03 Surgical robot and system for minimally invasive surgery including fiber bragg grating force sensor and method for measuring force using the system

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101248818B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101457998B1 (en) * 2013-08-12 2014-11-04 한국과학기술연구원 Working Robot having Sensor using Optical fiber
KR101839444B1 (en) 2011-10-31 2018-04-27 삼성전자 주식회사 Force sensing apparatus and robot arm including the force sensing apparatus
CN110141366A (en) * 2019-05-06 2019-08-20 清华大学 The blood vessel intervention operation robotic actuator that motion control information stream directly transmits

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101714377B1 (en) 2015-04-09 2017-03-10 한국과학기술연구원 Multi-functional Sensor assembly
CN113967038B (en) * 2021-10-11 2023-10-13 武汉理工大学 Intelligent minimally invasive manipulator with rotary multi-dimensional cutting force optical fiber sensing function
CN114905549B (en) * 2022-04-14 2024-01-16 上海交通大学 Method and system for sensing three-dimensional force at tail end of rope-driven flexible robot
CN114848145A (en) * 2022-04-15 2022-08-05 西安交通大学 Ophthalmic surgery robot end effector with sensitization touch detection function
CN116608983B (en) * 2023-07-21 2023-11-10 武汉理工大学 Three-dimensional force optical fiber self-decoupling sensing and fault tolerance measuring method and integrated method thereof
CN117470428B (en) * 2023-12-26 2024-04-05 武汉理工大学 Three-dimensional force sensor, use method and minimally invasive surgery clamp
CN117470429B (en) * 2023-12-27 2024-04-05 武汉理工大学 Six-dimensional force sensor, drilling and milling robot for surgery and application of drilling and milling robot

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080047318A (en) * 2005-05-19 2008-05-28 인튜어티브 서지컬 인코포레이티드 Software center and highly configurable robotic systems for surgery and other uses
KR20080089359A (en) * 2005-12-30 2008-10-06 인튜어티브 서지컬 인코포레이티드 Modular force sensor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080047318A (en) * 2005-05-19 2008-05-28 인튜어티브 서지컬 인코포레이티드 Software center and highly configurable robotic systems for surgery and other uses
KR20080089359A (en) * 2005-12-30 2008-10-06 인튜어티브 서지컬 인코포레이티드 Modular force sensor

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101839444B1 (en) 2011-10-31 2018-04-27 삼성전자 주식회사 Force sensing apparatus and robot arm including the force sensing apparatus
KR101457998B1 (en) * 2013-08-12 2014-11-04 한국과학기술연구원 Working Robot having Sensor using Optical fiber
CN110141366A (en) * 2019-05-06 2019-08-20 清华大学 The blood vessel intervention operation robotic actuator that motion control information stream directly transmits

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130015321A (en) 2013-02-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101248818B1 (en) Surgical robot and system for minimally invasive surgery including fiber bragg grating force sensor and method for measuring force using the system
US8780339B2 (en) Fiber shape sensing systems and methods
US11135023B2 (en) Robotic surgery system including position sensors using fiber bragg gratings
US8818143B2 (en) Optical fiber instrument system for detecting twist of elongated instruments
CN102599875B (en) Medical instrument system
EP1858401A1 (en) Medical apparatus system having optical fiber load sensing capability
EP3028645B1 (en) Medical apparatus system having optical fiber load sensing capability
CN108430368A (en) The Medical Devices with multi-core optical fiber for optical sensing
US20130190734A1 (en) Interferometric force sensor for surgical instruments
EP1909650A2 (en) Medical apparatus system having optical fiber load sensing capability
KR20130047452A (en) Force sensing apparatus and robot arm including the force sensing apparatus
Song et al. Development of FBG sensor system for force-feedback in minimally invasive robotic surgery
Ledermann et al. Combining shape sensor and haptic sensors for highly flexible single port system using Fiber Bragg sensor technology
CN101404921A (en) Fiber optic instrument sensing system
Nguyen et al. Toward distributed fiber optic shape sensing of continuum manipulators: A cost-effective and simple manufacturing of sensor assembly
Callaghan et al. Comparing FBG and PCF force sensors in a laparoscopic smart surgical scissor instrument
Song et al. Development of optical FBG force measurement system for the medical application
Wang et al. Shape Sensing for Continuum Robots Using FBG Sensors Array Considering Bending and Twisting
Yi et al. Embeddable coiled soft sensor-based joint angle sensing for flexible surgical manipulator
Sato et al. An Optical Grasping Force Sensor for Minimally Invasive Surgical Robotic Forceps
Song et al. The Optical FBG Contact Force Measurement System for the Haptic Feedback of Minimal Invasive Surgery Robot

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160225

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee