KR101318397B1 - Method and apparatus for tremor signal estimation for real time application and robot surgery system - Google Patents

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KR101318397B1 KR1020110032611A KR20110032611A KR101318397B1 KR 101318397 B1 KR101318397 B1 KR 101318397B1 KR 1020110032611 A KR1020110032611 A KR 1020110032611A KR 20110032611 A KR20110032611 A KR 20110032611A KR 101318397 B1 KR101318397 B1 KR 101318397B1
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차크라바르띠 칼리아나 벨루볼루
왕우보
이재영
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    • A61B34/30Surgical robots

Abstract

실시간 적용을 위한 떨림을 추정하는 방법 및 장치 및 로봇수술시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 실시간 적용을 위해 가속도계로부터 떨림을 추정하는 방법은, 가속도계를 이용하여 떨림을 측정하여, 떨림에 대한 측정값정보를 획득하는 단계; 및 상기 측정값정보를 BMFLC(Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner)-Kalman 알고리즘 또는 BMFLC(Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner)-RLS(Recursive Least Squares)알고리즘에 적용하여 떨림신호를 수학식으로 추정하는 단계를 포함하는 하는 것을 특징으로 한다.Disclosed are a method and apparatus for estimating tremor for real time application and a robotic surgical system. Method for estimating the vibration from the accelerometer for real-time application according to the present invention, comprising measuring the vibration using the accelerometer, obtaining the measurement value information for the vibration; And applying the measured value information to a Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner (BMFLC) -Kalman algorithm or a Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner (BMFLC) -Recursive Least Squares (RLS) algorithm to estimate the shake signal mathematically. It is characterized by.

Description

실시간 적용을 위한 떨림신호를 추정하는 방법 및 장치 및 그를 이용한 로봇수술 시스템{METHOD AND APPARATUS FOR TREMOR SIGNAL ESTIMATION FOR REAL TIME APPLICATION AND ROBOT SURGERY SYSTEM}METHOD AND APPARATUS FOR TREMOR SIGNAL ESTIMATION FOR REAL TIME APPLICATION AND ROBOT SURGERY SYSTEM}

본 발명은 실시간 적용을 위한 떨림신호를 추정하는 방법 및 장치 및 그를 이용한 로봇수술 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 가속도계로부터 측정된 떨림신호를 떨림 추정을 위한 단일 단계의 알고리즘에 적용하여 실시간 적용을 위한 떨림신호를 추정하는 방법 및 장치 및 그를 이용한 로봇수술 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for estimating a shaking signal for real time application and a robotic surgical system using the same. More specifically, the present invention relates to a method and apparatus for estimating a shake signal for real-time application by applying a shake signal measured from an accelerometer to a single step algorithm for shake estimation, and a robotic surgery system using the same.

수술 과정은 고도의 전문성과 정확도가 요구되는데, 장시간 수술작업을 진행해야 하기 때문에 손 떨림과 같은 집중도 저하 현상이 발생될 수 있다. 특히, 미세수술과 같이 작은 환부를 대상으로 수행하는 경우 이러한 문제점을 효과적으로 극복하는 것이 수술의 결과에 가장 중요한 영향을 미치는 요인이다.The surgical procedure requires a high degree of expertise and accuracy, which can lead to deterioration of concentration, such as shaking hands, because the operation must be performed for a long time. In particular, when performing small lesions such as microsurgery, effectively overcoming these problems is the most important factor in the outcome of the surgery.

따라서, 수술용 로봇을 이용한 정확한 수술 기술이 발전되어 왔는데, 떨림(특히, 생리적 떨림)의 정확한 필터링 기술은 로봇을 이용하는 수술 분야에서 매우 중요하다. 이를 위해, 가속도계를 이용하여 측정된 떨림을 실시간으로 적용될 수 있도록 하기 위한 단일 단계의 강인한 알고리즘을 개발이 요구되고 있다.Accordingly, accurate surgical techniques using surgical robots have been developed. Accurate filtering techniques of tremor (particularly physiological tremors) are very important in the surgical field using robots. To this end, it is required to develop a robust algorithm of a single step for applying the measured vibration using an accelerometer in real time.

구체적으로 일반적으로 수술시 위치 정확도는 대략

Figure 112011025741948-pat00001
이다. 그러나, 생리적 떨림은 수술시 부정확한 문제를 초래할 수 있어, 수술용 로봇을 이용한 수술시에 발생하는 생리적 떨림의 보상은 매우 중요하다. 예를 들면, 로봇에 고정된 도구를 이용한 망막 미세수술 시 외과적인 생리적 떨림을 제거할 수 있는 수단이 개발되어 왔다. 일반적인 생리적 떨림은 각각의 중심축에서 6~15HZ 밴드대역에서 100um의 크기의 진폭을 가진다. 이러한 생리적 떨림은 기술적으로 다른 문제를 나타낸다. 왜냐하면 로봇을 이용한 수술시에 생리적 떨림은 실시간 적용되며 고주파 대역이기 때문이다. 이런 수술용 로봇을 이용한 수술시에 발생하는 생리적 떨림의 해결을 위해 오류 보상 제어 루프가 실시간으로 수행되어야 한다. 또한 시스템은 의식적/무의식적인 떨림을 하나의 샘플링 사이클 동안 구별하여야 가장 적합하도록 오류를 제거할수 있다.In general, the positional accuracy during surgery
Figure 112011025741948-pat00001
to be. However, physiological tremors may cause inaccurate problems during surgery, so compensation of physiological tremors occurring during surgery using a surgical robot is very important. For example, a means has been developed to remove surgical physiological tremors in retinal microsurgery using robot-fixed tools. Typical physiological tremors have amplitudes of 100 μm in the 6-15 HZ band at each central axis. This physiological tremor presents a technically different problem. This is because the physiological vibration is applied in real time and the high frequency band is used in the robotic surgery. In order to solve the physiological vibration occurring during the operation using such a surgical robot, an error compensation control loop should be performed in real time. In addition, the system must distinguish between conscious and unconscious tremors during one sampling cycle in order to eliminate the error to best fit.

예를 들면, 생리적인 떨림은 6~15HZ 사이이며, 미세수술 동안의 외과적인 손의 움직임은 거의 0.5~1HZ보다 작다. 비록, 선형필터(linear filter)는 성공적인 떨림 보상을 수행하지만, 내재된 시간 지연(inherent time delay)은 주요한 결함으로 제로 위상필터가 요구된다. 연구결과는 30ms의 지연도 로봇을 이용한 수술에서 성능을 매우 떨어뜨린다고 보여주고 있다.For example, physiological tremors are between 6 and 15 HZ, and surgical hand movements during microsurgery are nearly less than 0.5 to 1 HZ. Although linear filters perform successful image stabilization, the inherent time delay is a major drawback and requires a zero phase filter. The results show that a delay of 30ms also significantly reduces performance in robotic surgery.

이러한 지연의 문제를 극복하기 위해서 적응 알고리즘(adaptive algorithm)으로 가중 주파수 선형 푸리에 결합기(WFLC: Weighted-frequency Fourier Linear combiner)알고리즘 및 대역 제한 멀티 선형 푸리에 결합기(BMFLC: Bandlimitied multiple Fourier linear combiner)알고리즘을 사용할 수 있다.To overcome this delay, weighted-frequency Fourier linear combiner (WFLC) algorithms and Bandlimitied multiple Fourier linear combiner (BMFLC) algorithms are used as adaptive algorithms. Can be.

WFLC는 준주기적인 신호를 사인신호로 모델링하기 위한 적응 알고리즘으로 이는 준주기적인신호의 주파수, 크기, 위상을 추적한다. 이러한 WFLC는 FLC(Fourier Linear Combiner)에 주파수 적응 절차를 포함한다. 이러한 WFLC의 주요한 결점은 변조된 주파수로 신호를 추적한다는 점, 고주파 noise 가 주파수적응에 영향을 미친다는점, 필터링 과정에 지연을 야기시키는 pre-filtering(band-pass filter)의 사용을 강제시킨다는 단점이 있다. 따라서, 최근에는 pre-filtering(band-pass filter) 와 WFLC 에 칼만 필터(Kalman filter)를 결합한 WFLC-KALMAN을 이용한 떨림 추정을 위한 두 단계의 알고리즘이 개발되어 왔다. WFLC is an adaptive algorithm for modeling quasi-periodic signals as sinusoids. It tracks the frequency, magnitude, and phase of quasi-periodic signals. This WFLC includes a frequency adaptation procedure in a Fourier Linear Combiner (FLC). The main drawbacks of these WFLCs are that they track signals at modulated frequencies, high frequency noise affects frequency adaptation, and force the use of pre-filtering (band-pass filters) that cause delays in the filtering process. There is this. Therefore, two-stage algorithms have been developed for the estimation of vibration using WFLC-KALMAN, which combines a band-pass filter and a Kalman filter with WFLC.

대역 제한 멀티 선형 푸리에 결합기(BMFLC) 또한 적응 알고리즘으로 발전되어 왔는데, 정확한 떨림 필터링을 위해 떨림의 다중 주요 주파수(multiple dominant frequency)를 추적(tracking)시키는 것으로 발전되어 왔다. 적응 과정은 WFLC와 유사하게 최소 평균 자승 알고리즘인 LMS(Least Mean Square)최적화가 사용되어 달성된다. 이러한 BMFLC는 단일 단계에서 의식적/무의식적인 동작으로 분리할 수 있고, 변경영역(displacement domain)에 떨림 신호를 제공할 수 있다. 이러한 이유로 BMFLC가 가속도계에서 데이타가 센싱 됐을때 떨림 필터링을 위한 이상적인 선택이다. Band-limited multi-linear Fourier couplers (BMFLCs) have also been developed as adaptive algorithms, tracking multiple dominant frequencies of the tremor for accurate tremor filtering. The adaptation process is achieved by using Least Mean Square (LMS) optimization, which is a least mean square algorithm, similar to WFLC. Such BMFLC can be separated into conscious / unconscious operation in a single step, and can provide a tremor signal in the displacement domain. For this reason, BMFLC is an ideal choice for shaking filtering when data is sensed in an accelerometer.

본 발명에서 종래의 BMFLC 알고리즘은 수정된 처리과정을 통해 더 향상시킬 수 있도록, LMS(least mean square)에 의존하는 대신 RLS(recursive least squares)를 포함하는 BMFLC-RLS와 칼만 필터(Kalman filter)를 결합한 BMFLC-Kalman 의 두 가지의 새로운 방법을 제안하여 정확한 떨림추정을 제안한다.In the present invention, the conventional BMFLC algorithm uses a BMFLC-RLS and a Kalman filter including recursive least squares (RLS) instead of relying on the least mean square (LMS) to further improve through a modified process. By using two new methods of combined BMFLC-Kalman, we propose an accurate vibration estimation.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, BMFLC(Bandlimitied multiple Fourier linear combiner) 알고리즘에 RLS(recursive least squares)를 결합하여 보다 빠르고 정확하게 떨림을 추정하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and the object of the present invention is to provide a faster and more accurate estimation of tremor by combining RLS (recursive least squares) with a Bandlimitied multiple Fourier linear combiner (BMFLC) algorithm. have.

또한, 본 발명은 BMFLC 알고리즘에 칼만 필터(Kalman filter)를 결합하여 보다 빠르고 정확하게 떨림을 추정하는데 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to combine the Kalman filter with the BMFLC algorithm to estimate the vibration more quickly and accurately.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 떨림신호 추정 방법은 가속도계를 이용하여 떨림을 측정하여, 떨림에 대한 측정값정보를 획득하는 단계;및상기 측정값정보를 BMFLC(Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner)-Kalman 알고리즘 또는 BMFLC(Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner)-RLS(Recursive Least Squares)알고리즘에 적용하여 떨림신호를 수학식으로 추정하는 단계;를 포함한다. 그리고 BMFLC 는 아래의 수학식(1)으로 표현되며, In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a method of estimating a shake signal, by measuring a shake using an accelerometer, and obtaining measured value information about the shake; and using the measured value information as a BMFLC (Bandlimitied Multiple Fourier). And applying the linear combiner) -Kalman algorithm or BMFLC (Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner) -RLS (Recursive Least Squares) algorithm to estimate the shake signal mathematically. And BMFLC is represented by the following equation (1),

(1)

Figure 112011025741948-pat00002
(One)
Figure 112011025741948-pat00002

상기 BMFLC-Kalman 알고리즘은, 상기 수학식에서 순시값 k일때의 주파수 Wr에 부합하는 적응 가중치 ark, brk 를 구하기 위하여 갱신된 공분산 행렬

Figure 112011025741948-pat00003
및 The BMFLC-Kalman algorithm is an updated covariance matrix for obtaining the adaptive weights a rk and b rk corresponding to the frequency W r at the instantaneous value k in the equation.
Figure 112011025741948-pat00003
And

계산된 칼만이득

Figure 112011025741948-pat00004
Figure 112011025741948-pat00005
식에 대입하는 알고리즘이며, 상기 BMFLC-RLS 알고리즘은 상기 수학식(1)에서 상기 ark, brk 를 구하기 위하여 갱신된 상관 행렬
Figure 112011025741948-pat00006
및 계산된 칼만이득
Figure 112011025741948-pat00007
Figure 112011025741948-pat00008
식에 대입하는 알고리즘인것을 특징으로 할수 있다. 또한, 상기 알고리즘을 이용하여 의식적인 떨림신호와 무의식적인 떨림신호로 분류하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할수 있다. 그리고 상기 무의식적인 떨림신호는 생리적인 떨림을 포함하는 것을 특징으로 할수 있다. 또한, 상기 알고리즘은 프리필터(Pre-filter)를 포함하지 않는 것을 특징으로 할수 있다. 그리고 상기 알고리즘은 역행렬연산을 수행하지 않는 것을 특징으로 할수 있다.Calculated Kalman
Figure 112011025741948-pat00004
of
Figure 112011025741948-pat00005
The BMFLC-RLS algorithm is a correlation matrix updated to obtain a rk and b rk in Equation (1).
Figure 112011025741948-pat00006
And calculated Kalman
Figure 112011025741948-pat00007
of
Figure 112011025741948-pat00008
It can be characterized by an algorithm that assigns to an expression. The method may further include classifying the signal into a conscious tremor signal and an unconscious tremor signal. The unconscious tremor signal may be characterized by including physiological tremor. In addition, the algorithm may be characterized as not including a pre-filter. The algorithm may be characterized as not performing inverse matrix operation.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 떨림신호추정장치는떨림신호 측정값정보를 획득하는 측정부;및 상기 측정값정보를 BMFLC(Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner)-Kalman 알고리즘 또는 BMFLC(Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner)-RLS(Recursive Least Squares)알고리즘에에 적용하여 상기 측정값정보를 수학식으로 추정하는 떨림신호 추정부; 를 포함한다. 그리고 BMFLC 는 아래의 수학식(1)으로 표현되며, A vibration signal estimating apparatus according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a measurement unit for obtaining the vibration signal measurement value information; and the measured value information BMFLC (Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner) -Kalman algorithm or BMFLC ( A vibration signal estimator for estimating the measured value information by applying it to a Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner (RLS) -RLS algorithm; . And BMFLC is represented by the following equation (1),

(1)

Figure 112011025741948-pat00009
상기 BMFLC-Kalman 알고리즘은, 상기 수학식에서 순시값 k일때의 주파수 Wr에 부합하는 적응 가중치 ark, brk 를 구하기 위하여 갱신된 공분산 행렬
Figure 112011025741948-pat00010
및 계산된 칼만이득
Figure 112011025741948-pat00011
Figure 112011025741948-pat00012
식에 대입하는 알고리즘이며, 상기 BMFLC-RLS 알고리즘은 상기 수학식(1)에서 상기 ark, brk 를 구하기 위하여 (One)
Figure 112011025741948-pat00009
The BMFLC-Kalman algorithm is an updated covariance matrix for obtaining the adaptive weights a rk and b rk corresponding to the frequency W r at the instantaneous value k in the equation.
Figure 112011025741948-pat00010
And calculated Kalman
Figure 112011025741948-pat00011
of
Figure 112011025741948-pat00012
Algorithm to be substituted into the equation, the BMFLC-RLS algorithm is to calculate the a rk , b rk in the equation (1)

갱신된 상관 행렬

Figure 112011025741948-pat00013
및 계산된 칼만이득
Figure 112011025741948-pat00014
Figure 112011025741948-pat00015
식에 대입하는 알고리즘인것을 특징으로 할수 있다. 또한 상기 떨림 신호추정부는, 상기 알고리즘을 적용하여 떨림 신호와 무의식적인 떨림 신호를 분류하는 떨림신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 할수 있다. 그리고 상기 무의식적인 떨림 신호는 생리적인 떨림을 포함하는 것을 특징으로 할수 있다. 또한 상기 진동 처리부는 프리필터(Pre-filter)를 포함하지 않는 것을 특징으로 할수 있다. 상기 알고리즘은 역행렬연산을 수행하지 않는 것을 특징으로 할수 있다. 그리고 상기 측정값 정보는 가속도계에서 측정되는 것을 특징으로 할수 있다.Updated correlation matrix
Figure 112011025741948-pat00013
And calculated Kalman
Figure 112011025741948-pat00014
of
Figure 112011025741948-pat00015
It can be characterized by an algorithm that assigns to an expression. In addition, the shake signal estimation may include a shake signal processor for classifying a shake signal and an unconscious shake signal by applying the algorithm. The unconscious tremor signal may be characterized by including physiological tremor. In addition, the vibration processing unit may be characterized in that it does not include a pre-filter. The algorithm may be characterized as not performing inverse matrix operation. The measured value information may be measured by an accelerometer.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇수술시스템은 떨림신호 측정값정보를 획득하는 측정부; 상기 측정값정보를 BMFLC(Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner)-RLS(Recursive Least Squares)알고리즘 또는 BMFLC(Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner)-RLS(Recursive Least Squares)알고리즘에에 적용하여 상기 측정값정보를 수학식으로 추정하는 떨림신호 추정부; 상기 알고리즘을 이용하여 의식적인 떨림신호와 무의식적인 떨림신호로 분류하는 떨림신호 처리부; 수술용 로봇을 구동시키기 위한 구동부;및 상기 의식적인 떨림신호만을 상기 구동부에 전달시키도록 제어하는 제어부를 포함한다. 그리고BMFLC 는 아래의 수학식(1)으로 표현되며, Robot operation system according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a measurement unit for obtaining the vibration signal measurement value information; The measured value information is applied to a Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner (BMFLC) -Recursive Least Squares (RLS) algorithm or a Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner (RLMLC) -Recursive Least Squares (RLS) algorithm. A shake signal estimating unit for estimating; A tremor signal processor for classifying a tremor signal and an unconscious tremor signal using the algorithm; A driving unit for driving a surgical robot; and a control unit for controlling to transmit only the conscious shaking signal to the driving unit. And BMFLC is represented by the following equation (1),

(1)

Figure 112011025741948-pat00016
(One)
Figure 112011025741948-pat00016

상기 BMFLC-Kalman 알고리즘은, 상기 수학식에서 순시값 k일때의 주파수 Wr에 부합하는 적응 가중치 ark, brk 를 구하기 위하여The BMFLC-Kalman algorithm calculates adaptive weights a rk and b rk corresponding to the frequency W r at the instantaneous value k in the above equation.

갱신된 공분산 행렬

Figure 112011025741948-pat00017
및Updated Covariance Matrix
Figure 112011025741948-pat00017
And

계산된 칼만이득

Figure 112011025741948-pat00018
을Calculated Kalman
Figure 112011025741948-pat00018
of

Figure 112011025741948-pat00019
식에 대입하는 알고리즘이며, 상기 BMFLC-RLS 알고리즘은 상기 수학식(1)에서 상기 ark, brk 를 구하기 위하여 갱신된 상관 행렬
Figure 112011025741948-pat00020
Figure 112011025741948-pat00019
The BMFLC-RLS algorithm is a correlation matrix updated to obtain a rk and b rk in Equation (1).
Figure 112011025741948-pat00020
And

계산된 칼만이득

Figure 112011025741948-pat00021
을Calculated Kalman
Figure 112011025741948-pat00021
of

Figure 112011025741948-pat00022
식에 대입하는 알고리즘인것을 특징으로 할수 있다. 또한 상기 무의식적인 떨림신호는 생리적인 떨림을 포함하는 것을 특징으로 할수 있다.
Figure 112011025741948-pat00022
It can be characterized by an algorithm that assigns to an expression. In addition, the unconscious tremor signal may be characterized by including physiological tremor.

상술한 바와 같이 본 발명의 다양한 실시예에 의하면, BMFLC 알고리즘에 RLS를 결합하여 빠르고 정확하게 떨림신호를 추정하고, 의식적/무의식적인 동작을 단일 단계로 분류함으로써 떨림을 효과적으로 필터링 할 수 있다.As described above, according to various embodiments of the present invention, by combining RLS with the BMFLC algorithm, the shake signal can be estimated quickly and accurately, and the shake can be effectively filtered by classifying the conscious / unconscious motion into a single step.

또한, 본 발명의 다양한 실시예에 의하면, BMFLC 알고리즘에 칼만 필터(Kalman filter)를 결합하여 빠르고 정확하게 떨림신호를 추정하고, 의식적/무의식적인 동작을 단일 단계로 분류함으로써 떨림을 효과적으로 필터링 할 수 있다.In addition, according to various embodiments of the present invention, by combining a Kalman filter with the BMFLC algorithm, the shake signal may be estimated quickly and accurately, and the shake may be effectively filtered by classifying the conscious / unconscious motion into a single step.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 적용을 위한 로봇수술 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 떨림신호추정장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BMFLC(Bandlimitied multiple Fourier linear combiner)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 BMFLC-Kalman filter를 이용한 떨림 신호 처리 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 실험에 있어서 떨림신호 측정값(Raw Data)과 의식적인 떨림신호 데이터(Intended Motion)를 보여주는 도면이다.
도 6은 실험에 있어서 각각의 알고리즘에 따른 떨림신호 추정에 대한 에러값을 보여주는 도면이다.
1 is a view showing the configuration of a robot surgery system for real-time application according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a configuration of a shake signal estimating apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a configuration of a bandlimitied multiple fourier linear combiner (BMFLC) according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for describing a shake signal processing process using a BMFLC-Kalman filter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a shake signal measurement value (Raw Data) and conscious shaking signal data (Intended Motion) in the experiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating an error value of a shake signal estimation according to each algorithm in an experiment.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 적용을 위한 로봇수술 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 로봇수술 시스템은 구동부(100), 측정부(200),떨림 추정부(300), 떨림처리부(400) 제어부(500)로 구성될 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a robot surgery system for real-time application according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the robotic surgery system may include a driving unit 100, a measuring unit 200, a shaking estimating unit 300, and a shaking processing unit 400 and a control unit 500.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 구동부(100)는 제어되는 대상인 로봇(특히, 수술용 로봇)의 자세를 구동시키기 위한 장치를 포함한다. 일 예로, 회전운동이 가능한 하나 또는 다수의 모터 및 직선 운동이 가능한 하나 또는 다수개의 직선운동 수단을 포함하는 공지된 액츄에이터(actuator)일수 있다.First, the driving unit 100 according to an embodiment of the present invention includes an apparatus for driving a posture of a robot (particularly, a surgical robot) that is a controlled object. For example, it may be a known actuator including one or more motors capable of rotational motion and one or more linear motion means capable of linear motion.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 측정부(200)는 외부에서 입력 되는 떨림 예를 들어 로봇을 이용하여 수술을 하는 경우에 있어서, 미세수술시에 수술하는 손의 움직임도 떨림이 될수 있고 미세수술시에 손의 의도하지 않은 떨림(예를들어 수전증이나 맥박에 의한 떨림,중력에 의한 떨림등)모든 떨림이 될수 있다. 상기 측정부는 이러한 떨림신호을 측정하는 장치를 포함한다. 일 예로 가속도계일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. Next, the measurement unit 200 according to an embodiment of the present invention, when the operation is performed using a vibration, for example, a robot that is input from the outside, the movement of the hand to operate during the microsurgery may also be shaken Unintentional tremors of the hands during microsurgery (for example, tremors, pulse tremors, gravitational tremors, etc.) can all be shakes. The measuring unit includes a device for measuring such a shake signal. An example may be an accelerometer, but the present invention is not limited thereto.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 떨림신호추정부(300)는 측정부(200)에서 측정된 떨림신호 측정값으로부터 기 설정된 알고리즘을 적용하여 측정값정보를 수학식으로 추정하는 기능을 한다. 이러한 알고리즘으로는 종래의 BMFLC알고리즘에 수정된 처리과정을 종래의 LMS(least mean square)에 의존하는 대신 RLS(recursive least squares)를 포함하는 BMFLC-RLS를 구성할 수 있다. 또한, 보다 정확한 진동 추정을 위해 BMFLC와 칼만 필터(Kalmam Filter)를 결합한 BMFLC-Kalman 필터인 진보된 알고리즘을 구성할 수 있다. 이러한 떨림신호추정부(300)는 도 2 이하를 참조한 설명에 의해 보다 명확해 질 것이다.Next, the vibration signal estimation unit 300 according to an embodiment of the present invention applies a preset algorithm from the vibration signal measurement value measured by the measurement unit 200 to estimate the measurement value information as an equation. . Such an algorithm can construct a BMFLC-RLS that includes recursive least squares (RLS) instead of relying on a conventional mean mean square (LMS) for the modification of the conventional BMFLC algorithm. In addition, an advanced algorithm can be constructed, which is a BMFLC-Kalman filter combining BMFLC and Kalmam filters for more accurate vibration estimation. This vibration signal estimation unit 300 will be more clearly described with reference to FIG.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 떨림신호 처리부(400)는 떨림신호추정부(300)에서 추정된 수학식으로부터 의식적인 떨림신호(예를 들어 미세수술시에 수술을 위한 의도적인 움직임) 과 무의식적인 떨림신호(예를들어 수전증이나 맥박에 의한 떨림, 중력에 의한 떨림)를 서로 분리하여 수행하기 위한 처리를 하는 기능을 한다. 본 발명에 의한 알고리즘 즉, BMFLC-RLS 또는 보다 정확한 진동 추정을 위해 BMFLC와 칼만 필터(Kalmam Filter)를 결합한 BMFLC-Kalman 필터를 이용하면 pre-filtering 없이 의식적인 떨림과 무의식적인 떨림을 구별할수 있다. 이러한 떨림신호 처리부(400)는 도 2이하를 참조한 설명에 의해 보다 명확해 질 것이다.Next, the tremor signal processor 400 according to an embodiment of the present invention is a conscious tremor signal (e.g., intentional movement for surgery at the time of microsurgery) from an equation estimated by the tremor signal estimation unit 300. And unconscious tremor signals (eg tremors, tremors caused by hydration, pulses, tremors caused by gravity). The algorithm according to the present invention, that is, BMFLC-RLS or BMFLC-Kalman filter combined with BMFLC and Kalman Filter for more accurate vibration estimation, can distinguish between conscious and unconscious shaking without pre-filtering. The shaking signal processing unit 400 will be more clearly described with reference to FIG. 2.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(500)는 구동부(100), 측정부(200), 및 떨림신호 추정부(300), 떨림신호 처리부(400)를 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 제어부(500)는 상기 구성요소들과 미도시된 시스템 내의 다른 구성요소들 사이에서 교환되거나 흐르는 제어 신호를 제어하여 각 구성요소가 고유의 기능을 수행하도록 할 수 있다. 또한 제어부(500)는 로봇수술시스템에서 떨림신호처리부(400)에서 구별된 신호중 의식적인 떨림만을 로봇을 구동하기 위한 구동부(100)에 전달되도록 제어하는 역할을 수행할수 있다. 또한 상기 떨림신호 추정부에 의한 추정값은 가속도계를 이용는바 가속도 영역(acceleration domain)의 정보만을 제공하는데 이 신호를 구동부(100)에 제공하기 위해서는 위치영역(position domain)으로 변경이 필요한바 제어부(500)은 이에따라 영역을 변경시키는 기능을 수행한다. 이러한 변경은 적분을 통하여 수행될수 있으면 이하에서 자세히 설명하 기로 한다. 상기 제어부(400)은 중앙제어 모듈 일수 있다.Next, the control unit 500 according to an embodiment of the present invention may perform a function of controlling the driving unit 100, the measuring unit 200, the shaking signal estimating unit 300, and the shaking signal processing unit 400. have. The controller 500 may control a control signal exchanged or flowing between the components and other components in a system not shown to allow each component to perform its own function. In addition, the controller 500 may serve to control only the conscious shaking among the signals distinguished by the shaking signal processing unit 400 from the robot surgery system to be transmitted to the driving unit 100 for driving the robot. In addition, the estimation value of the shake signal estimator provides only the information of the acceleration domain by using an accelerometer. In order to provide the signal to the driver 100, a change to the position domain is required. ) Changes the area accordingly. This change will be described in detail below if it can be carried out through integration. The controller 400 may be a central control module.

떨림신호Tremor 추정부(300)의Of the estimator 300 구성 Configuration

본 발명에 따른 떨림신호 추정부(300)를 보다 상세하게 설명하면, 미리 정의한 대역[W1-Wn]에서 진동 신호를 추정하기 위해 사인(sin)과 코사인(cos)을 직렬로 결합된 대역 제한 멀티 선형 푸리에 결합기(BMFLC: Bandlimitied multiple Fourier linear combiner)로 구성될수 있다. 보다 상세하게는 아래의 수학식 1과 도 3에 의해 보다 상세하게 이해될 수 있다.When the vibration signal estimator 300 according to the present invention is described in more detail, a band-limited multi in which sine and cosine are combined in series to estimate a vibration signal in a predefined band [W1-Wn] It can be configured as a bandlimitied multiple Fourier linear combiner (BMFLC). In more detail, it can be understood by Equation 1 and FIG. 3 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112011025741948-pat00023
Figure 112011025741948-pat00023

여기서, Yk는 순시값 k에 추정된 신호를 의미한다. ark, brk은 순시값 k에 주파수 Wr에 부합하는 적응 가중치를 나타낸다. 여기서 r=1 부터 n까지 변화하는데 이는 미리정의한 대역[W1-Wn]에서 진동 신호를 추정하기 때문이다. Here, Y k means a signal estimated at the instantaneous value k. a rk and b rk represent an adaptive weight corresponding to the frequency W r at the instantaneous value k. Here, r = 1 to n, because the vibration signal is estimated in the predefined band [W1-Wn].

도 3은 BMFLC-Kalman 또는 BMFLC-RLS의 구성을 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating a configuration of BMFLC-Kalman or BMFLC-RLS.

도 3을 참조하면, BMFLC 알고리즘의 구조를 명확하게 알 수 있는데, 여기서, SK는 기준 신호이며, Wk 는 적응 벡터로 입력 신호 진폭과 위상을 추정한다. Yk 는 출력 신호이며, ek는 출력 신호와 기준 신호의 오차 신호를 나타낸다. 이때, 오차 신호는 RLS,Kalman fliter 중 어느 하나 이상을 이용하여 보상할 수 있다. Referring to Figure 3, the structure of the BMFLC algorithm can be clearly seen, where S K is the reference signal, W k Estimates the input signal amplitude and phase with an adaptive vector. Y k Is an output signal, and e k represents an error signal between the output signal and the reference signal. In this case, the error signal may be compensated by using any one or more of RLS and Kalman fliter.

Figure 112011025741948-pat00024
Figure 112011025741948-pat00024

Figure 112011025741948-pat00025
Figure 112011025741948-pat00025

Figure 112011025741948-pat00026
Figure 112011025741948-pat00026

Figure 112011025741948-pat00027
Figure 112011025741948-pat00027

RecursiveRecursive LeastLeast SquaresSquares (( BMFLCBMFLC -- RLSRLS )를 포함하는 Containing BMFLCBMFLC

이하의 상세한 설명에서는 본 발명에 의한 보다 향상된 수행을 위해 BMFLC-LMS 알고리즘을 대신할 수 있는 RLS가 BMFLC에 결합된 알고리즘을 살펴본다.The following detailed description looks at an algorithm in which RLS is combined with BMFLC, which can replace the BMFLC-LMS algorithm, for further improved performance by the present invention.

RLS(Recursive Least Squares)는 필터계수를 연속적으로 수정하여 사용되는 적응 알고리즘이다. 또한, 입력 신호와 관련된 가중된 최소 자승 에러 함수를 최소화 시킨다. 일반적으로 RLS 알고리즘은 역행렬 계산이 요구되는데, 직접적인 역행렬 계산을 피하기 위해 Kalman 이득을 적용할 수도 있다. 상기 역행렬은 칼만 이득 벡터를 반복 수행하고 상관 행렬(correlation matrix)의 역행렬을 갱신하여 얻을 수 있는데, RLS 방정식은 하기 수학식과 같다. RLS (Recursive Least Squares) is an adaptive algorithm used by continuously modifying filter coefficients. It also minimizes the weighted least square error function associated with the input signal. In general, the RLS algorithm requires inverse matrix computation, which may apply Kalman gains to avoid direct inverse computation. The inverse matrix may be obtained by repeatedly performing a Kalman gain vector and updating the inverse of a correlation matrix. The RLS equation is represented by the following equation.

[수학식 2]&Quot; (2) "

산출된 칼만 이득 Kk Calculated Kalman Gain K k

Figure 112011025741948-pat00028
Figure 112011025741948-pat00028

[수학식 3]&Quot; (3) "

갱신된 BMFLC 가중치 Updated BMFLC Weights

Figure 112011025741948-pat00029
Figure 112011025741948-pat00029

[수학식 4]&Quot; (4) "

갱신된 상관 행렬 Pk Updated Correlation matrix P k

Figure 112011025741948-pat00030
Figure 112011025741948-pat00030

갱신된 여기서

Figure 112011025741948-pat00031
는 망각 인자(forgetting factor)로 (전형적으로 0.9<=
Figure 112011025741948-pat00032
<=1)범위를갖는다.
Figure 112011025741948-pat00033
는 기준 입력 벡터이다.
Figure 112011025741948-pat00034
Updated here
Figure 112011025741948-pat00031
Is the forgetting factor (typically 0.9 <=
Figure 112011025741948-pat00032
<= 1) has a range.
Figure 112011025741948-pat00033
Is the reference input vector.
Figure 112011025741948-pat00034

Figure 112011025741948-pat00035
Figure 112011025741948-pat00035

Figure 112011025741948-pat00036
Figure 112011025741948-pat00036

상기 수학식들에 의하면 순시값 k에 주파수 Wr에 부합하는 적응 가중치 ark, brk 를 구하기 위하여 RLS 방식을 사용하여

Figure 112011025741948-pat00037
를 구하여 BMFLC 식에 ark, brk 값을 적용시켜서 떨림신호를 추정한다.
According to the above equations, the adaptive weights a rk , b rk corresponding to the frequency W r with the instantaneous value k. Use RLS to get
Figure 112011025741948-pat00037
Find the BMFLC expression in a rk , b rk Apply the value to estimate the shake signal.

KalmanKalman FilterFilter (( BMFLCBMFLC - - KalmanKalman )를 포함하는 Containing BMFLCBMFLC

칼만 필터는 반복적인 처리과정을 가지는 동적인 시스템에서 상태를 추정하기 위한 중요한 구성이다. 칼만 필터의 공식은 상태공간에서 일반적으로 적용될 수 있다. BMFLC를 상태공간 형식으로 모델하기 위해서는 적응 벡터 Wk가 상태 벡터로 고려되어질 수 있다.

Figure 112011025741948-pat00038
와 같다.
Figure 112011025741948-pat00039
는 상태천이(state transition)시에 상태에러(state error)를 의미한다. 상기의
Figure 112011025741948-pat00040
로부터
Figure 112011025741948-pat00041
의 상태공간 형식으로 다시 쓰여질수 있다. 여기서
Figure 112011025741948-pat00042
는 측정에러(mesurement error)를 의미한다. 추정을 위해서는
Figure 112011025741948-pat00043
Figure 112011025741948-pat00044
는 비상관관계(uncorrelated), 제로평균(zero mean), 공분산이
Figure 112011025741948-pat00045
인 Gaussian White Noise라고 가정한다. 만약 이러한 가정이 지켜지지 않더라도, 칼만 필터는 선형추정기 중에 가장 적은 에러를 제공한다.
Figure 112011025741948-pat00046
여기서
Figure 112011025741948-pat00047
는 기재값을 의미한다. BMFLC- Kalman는 하기 수학식과 같이 공식화 할 수 있다.
Figure 112011025741948-pat00048
즉 기준입력의 시퀀스 이다.The Kalman filter is an important component for estimating the state in dynamic systems with iterative processing. The Kalman filter formula can be applied generally in state space. In order to model BMFLC in the state space format, the adaptation vector W k may be considered as a state vector.
Figure 112011025741948-pat00038
Same as
Figure 112011025741948-pat00039
Denotes a state error during a state transition. The above
Figure 112011025741948-pat00040
from
Figure 112011025741948-pat00041
Can be rewritten in the form of statespace. here
Figure 112011025741948-pat00042
Means a measurement error. For estimation
Figure 112011025741948-pat00043
Wow
Figure 112011025741948-pat00044
Is the uncorrelated, zero mean, and covariance
Figure 112011025741948-pat00045
Assume Gaussian White Noise. If this assumption is not followed, the Kalman filter provides the least error among linear estimators.
Figure 112011025741948-pat00046
here
Figure 112011025741948-pat00047
Means a description value. BMFLC-Kalman can be formulated as follows.
Figure 112011025741948-pat00048
That is, it is a sequence of standard inputs.

[수학식 5]&Quot; (5) &quot;

산출된 칼만 이득 Kk Calculated Kalman Gain K k

Figure 112011025741948-pat00049
Figure 112011025741948-pat00049

[수학식 6]&Quot; (6) &quot;

갱신된 BMFLC 가중치 Updated BMFLC Weights

Figure 112011025741948-pat00050
Figure 112011025741948-pat00050

[수학식 7][Equation 7]

갱신된 공분산 행렬 Updated Covariance Matrix

Figure 112011025741948-pat00051
Figure 112011025741948-pat00051

상기 수학식들에 의하면 순시값 k에 주파수 Wr에 부합하는 적응 가중치 ark, brk 를 구하기 위하여 kalman 방식을 사용하여

Figure 112011025741948-pat00052
를 구하여 BMFLC 식에 ark, brk 값을 적용시켜서 떨림신호를 추정한다.According to the above equations, the adaptive weights a rk , b rk corresponding to the frequency W r with the instantaneous value k. Use kalman method to save
Figure 112011025741948-pat00052
Find the BMFLC expression in a rk , b rk Apply the value to estimate the shake signal.

따라서, 본 발명의 BMFLC-RLS 및 BMFLC-Kalman 알고리즘은 역행렬이 요구되지 않는데, 이는 BMFLC이 하나의 출력을 가지기 때문이다. 결국, 본 발명의 알고리즘은 빠르게 실시간으로 계산될 수 있는 특징이 있다.Thus, the BMFLC-RLS and BMFLC-Kalman algorithms of the present invention do not require an inverse because BMFLC has one output. As a result, the algorithm of the present invention has a feature that can be quickly calculated in real time.

떨림신호 처리부(400)의 구성 - 의식적 떨림과 의도되지 않은 떨림의 구별 Configuration of the shaking signal processor 400- distinction between conscious shaking and unintended shaking

수술용 로봇에 적용되는 성공적인 떨림보상은 떨림 신호로부터 의식적인 떨림(예를 들어 미세수술시에 수술을 위한 의도적인 움직임)과 의도하지 않은 떨림(예를들어 수전증이나 맥박에 의한 떨림, 중력에 의한 떨림)을 구별하는데 있다.Successful tremor compensation applied to surgical robots can include conscious tremors (eg, deliberate movements for surgery during microsurgery) and unintentional tremors (eg, tremors caused by hydrocephalus, pulse, or gravity) from tremor signals. Tremor).

본 발명에서는 떨림신호 처리부(400)에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 떨림신호로부터 의식적/의도하지 않은 떨림을 분리하기 위해 적합한 가중 바이어스를 적용할 수 있다. 이때, 의식적인 동작을 제거하기 위한 WFLC, WFLC-Kalman 필터 와 달리 프리 필터(pre-filtering, 예를 들면, low pass filter)의 필요를 방지할 수 있다. 구체적으로 떨림신호 처리부(400)는 기준 입력 벡터

Figure 112011025741948-pat00053
,적응 가중벡터
Figure 112011025741948-pat00054
로 변형시켜 상기 알고리즘에 적용함으로써 pre-filtering 과정 없이 의식적/의도하지 않은 떨림을 분리할수 있다.In the present invention, in order to solve this problem, the shaking signal processor 400 may apply a weighted bias suitable for separating conscious / unintentional shaking from the shaking signal. At this time, unlike the WFLC and WFLC-Kalman filters for removing conscious operation, it is possible to prevent the need for pre-filtering (eg, low pass filter). In detail, the shaking signal processor 400 may include a reference input vector.
Figure 112011025741948-pat00053
Adaptive weighting vector
Figure 112011025741948-pat00054
By applying the algorithm to the algorithm, it is possible to separate conscious / unintentional shaking without pre-filtering.

제어부(500)의 구성Configuration of the control unit 500

제어부(500)는 상기 구성요소들과 미도시된 시스템 내의 다른 구성요소들 사이에서 교환되거나 흐르는 제어 신호를 제어하여 각 구성요소가 고유의 기능을 수행하도록 할 수 있다. 또한 제어부(500)는 로봇수술시스템에서 떨림신호처리부(400)에서 구별된 신호중 의식적인 떨림만을 로봇을 구동하기 위한 구동부(100)에 전달되도록 제어하는 역할을 수행할수 있다. 또한 상기 떨림신호 추정부에 의한 추정값은 가속도계를 이용는바 가속도 영역(acceleration domain)의 정보만을 제공하는데 이 신호를 구동부(100)에 제공하기 위해서는 위치영역(position domain)으로 변경이 필요한바 제어부(500)은 이에따라 영역을 변경시키는 기능을 수행한다. 구체적으로 위치영역으로의 적분은

Figure 112011025741948-pat00055
와 같이 추정된 떨림을 두번 적분하여 가속도계에서 위치계로 변경시켜서 구할수 있다. The controller 500 may control a control signal exchanged or flowing between the components and other components in a system not shown to allow each component to perform its own function. In addition, the controller 500 may serve to control only the conscious shaking among the signals distinguished by the shaking signal processing unit 400 from the robot surgery system to be transmitted to the driving unit 100 for driving the robot. In addition, the estimation value of the shake signal estimator provides only the information of the acceleration domain by using an accelerometer. In order to provide the signal to the driver 100, a change to the position domain is required. ) Changes the area accordingly. Specifically, the integration into the location area
Figure 112011025741948-pat00055
It can be obtained by integrating the estimated vibration twice from accelerometer to positioner.

상기와 같이 가속도계 기반의 로봇은, 가속도계에 의지하여 떨림을 측정하여 미세수술 동안 실시간으로 진동을 제거 시킬 수 있다. 진동의 제거는 변경영역(displacement domain)에서 피에조 전자 엑츄레이터에 의해 수행될 수 있다.  As described above, the accelerometer-based robot can measure vibration in accordance with the accelerometer to remove vibration in real time during microsurgery. Elimination of vibration can be performed by piezoelectric actuators in the displacement domain.

또한 WFLC 알고리즘은 두 단계 필터링을 통해 의식적인 동작 및 진동 동작을 얻을 수 있는 알고리즘을 제공할 수 있는데, 이때, BMFLC은 프리 필터 없이도 의식적인 동작을 확인할 수 있다. In addition, the WFLC algorithm can provide an algorithm that can obtain conscious motion and vibration motion through two-stage filtering. In this case, BMFLC can confirm the conscious motion without prefilter.

도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 BMFLC-Kalman filter를 이용한 떨림 신호 처리 과정을 설명하기 위한 도면이다.4 is a diagram for describing a shake signal processing process using a BMFLC-Kalman filter according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 가속도계로부터 측정된 떨림 신호에 관한 측정값을 BMFLC-Kalman filter를 통해 떨림신호 추정 및 의식적인 동작과 무의식적인 동작으로 구 별할수 있다. 또한 적분 분석부에 의해 무의식적인 동작을 가속도계로 부터 변위 영역으로 이동시킬수 있다. BMFLC(Bandlimitied multiple Fourier linear combiner)-RLS(recursive least squares)도 동일하게 적용할 수 있음은 자명할 것이다. 또한 도 4에서 도시된 바와 같이 BMFLC 알고리즘을 적용할경우 WFLC와 달리 진동신호를 pre-filtering 과정 없이 바로 적용할수 있다는 장점이 있다. 이는 특 지연시간 문제에서 중요한 문제인데 WFLC의 경우에 고주파 노이즈가 주파수 적응 에 영향을 미치게 되므로 pre-filtering 이 필요하나 BMFLC의 경우에는 이러한 pre-filtering 과정이 필요하지 않다. Referring to FIG. 4, a measurement value of a shake signal measured from an accelerometer may be classified into a shake signal estimation, a conscious motion, and an unconscious motion through a BMFLC-Kalman filter. Integral analysis allows the movement of unconscious movement from the accelerometer to the displacement zone. It will be apparent that the Bandlimitied multiple Fourier linear combiner (BMFLC) -recursive least squares (RLS) is equally applicable. In addition, when the BMFLC algorithm is applied as shown in FIG. 4, unlike the WFLC, the vibration signal may be directly applied without a pre-filtering process. This is an important issue in the special delay problem. In the case of WFLC, high-frequency noise affects frequency adaptation, so pre-filtering is required, but in the case of BMFLC, this pre-filtering process is not necessary.

본 발명에 의한 일 Work according to the present invention 실험예Experimental Example

본 발명에서의 위치 기록은 Micro Motion Sensing System(M2S2)에 의해 수행되었다. M2S2는 한 쌍의 위치검출기가 서로 직각으로 위치한다. 또한, 실시간으로 미세수술 도구의 팁의 3 차원 변위를 추적할 수 있는 적외선 다이오드도 포함할 수 있는데, 팁의 위치는 PSD(position sensitive detector)의 중심점으로부터 계산된 위치에 있다. 상기 M2S2는 실험 대상자들의 움직임에 따른 수술용 로봇의 움직임(떨림)을 미세하게 측정한다.Position recording in the present invention was performed by the Micro Motion Sensing System (M 2 S 2 ). M 2 S 2 is a pair of position detectors are located at right angles to each other. It may also include an infrared diode that can track the three-dimensional displacement of the tip of the microsurgical tool in real time, the location of the tip being calculated from the center point of the position sensitive detector (PSD). The M 2 S 2 finely measures the movement (vibration) of the surgical robot according to the movement of the test subjects.

또한 본 발명에서 떨림 신호는 6명의 건강한 초보 현미외과 의사와 6명의 건강한 숙련의 현미외과의사에 의하여 측정되었다. 각 실험 대상자들은 수술용 바늘을 엄지와 집게로 쥔채로 진행되었으며 각기 2개의 다른 수술 환경에서 실험이 실행되었다. 첫번째는 레이저 빛을 단순히 가르치는 작업(정적인 작업) 두번째는 움직이는 레이저 빛은 추적하는 작업(동적인 작업)의 두개의 환경에서 실행되었다.  In the present invention, the tremor signal was measured by six healthy novice microsurgeons and six healthy skilled microsurgeons. Each subject underwent a surgical needle with thumb and tongs, each running in two different surgical settings. First, the task of simply teaching the laser light (static task) and secondly, the task of tracking the moving laser light (dynamic task).

도 5는 실험에 있어서 떨림신호 측정값(Raw Data)과 의식적인 떨림신호 데이터(Intended Motion)를 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 떨림신호 측정값 (raw data)를 BMFLC-Kalman 필터링 할 수 있다. 실험에 의한 떨림신호의 기록은 도 5에서 보여지고 있다. 이때, 의식적인 동작도 확인 할 수 있는데, 의식적인 동작을 프리 필터링 없이도 원천 데이터에서 분류할 수 있다. 도 5에서 알수 있듯이 필터링 되지 않은 떨림신호는 무의식 떨림신호로 인하여 점선으로 표시된 의식 떨림신호보다 주파수가 큰것을 알수 있다.FIG. 5 is a diagram illustrating a shake signal measurement value (Raw Data) and conscious shaking signal data (Intended Motion) in the experiment. Referring to FIG. 5, the BMFLC-Kalman filtering of the shake signal raw data may be performed. The recording of the tremor signal by the experiment is shown in FIG. At this time, the conscious movement can be checked, and the conscious movement can be classified in the source data without pre-filtering. As can be seen in FIG. 5, the unfiltered tremor signal has a higher frequency than the conscious tremor signal indicated by dotted lines due to the unconscious tremor signal.

도 6은 실험에 있어서 각각의 알고리즘에 따른 떨림신호 추정에 대한 에러값을 보여주는 도면이다. 도 6를 참조하면, 제1 수술시 모든 알고리즘(총 5가지)에서 수행한 결과를 보여주고 있는데, 도 5-e, 5-f에 도시된 BMFLC-RLS 및 BMFLC-Kalman이 다른 알고리즘 보다 양호하게 필터링된 진동이 신호를 가짐을 보여주고 있다. FIG. 6 is a diagram illustrating an error value of a shake signal estimation according to each algorithm in an experiment. Referring to FIG. 6, the results of all algorithms (5 types in total) during the first operation are shown. BMFLC-RLS and BMFLC-Kalman shown in FIGS. 5-e and 5-f are better than other algorithms. It shows that the filtered vibration has a signal.

또한 추정 알고리즘의 정확한 수행 평가를 위한 RMSE(root mean square error)는 다음 수학식 8에 의해 이해될 수 있다. In addition, the root mean square error (RMS) for accurate performance evaluation of the estimation algorithm can be understood by Equation (8).

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112011025741948-pat00056
Figure 112011025741948-pat00056

여기서, m은 샘플링 수이고, Sk는 입력 떨림 신호, Yk 는 순시값 k동안 추정된 떨림 신호이다. 5가지의 모든 알고리즘 마다의 정확한 떨림 추정을 위한 평균 RMSE는 아래의 표 1에 의해 이해될 수 있다. Where m is the sampling number and S k is the input shake signal, Y k Is the vibration signal estimated during the instantaneous value k. The average RMSE for accurate vibration estimation for all five algorithms can be understood by Table 1 below.

평균 RMS 에러(um) 및 표준 편차Mean RMS Error (um) and Standard Deviation WFLCWFLC WFLC-KalmanWFLC-Kalman BMFLCBMFLC BMFLC-RLSBMFLC-RLS BMFLC-KalmanBMFLC-Kalman 6 초보 대상6 novice targets 1.065

Figure 112011025741948-pat00057
0.5781.065
Figure 112011025741948-pat00057
0.578 0.747
Figure 112011025741948-pat00058
0.43
0.747
Figure 112011025741948-pat00058
0.43
0.512
Figure 112011025741948-pat00059
0.303
0.512
Figure 112011025741948-pat00059
0.303
0.08
Figure 112011025741948-pat00060
0.05
0.08
Figure 112011025741948-pat00060
0.05
0.004
Figure 112011025741948-pat00061
0.002
0.004
Figure 112011025741948-pat00061
0.002
6 전문의6 specialists 0.956
Figure 112011025741948-pat00062
0.441
0.956
Figure 112011025741948-pat00062
0.441
0.632
Figure 112011025741948-pat00063
0.263
0.632
Figure 112011025741948-pat00063
0.263
0.408
Figure 112011025741948-pat00064
0.201
0.408
Figure 112011025741948-pat00064
0.201
0.076
Figure 112011025741948-pat00065
0.051
0.076
Figure 112011025741948-pat00065
0.051
0.003
Figure 112011025741948-pat00066
0.002
0.003
Figure 112011025741948-pat00066
0.002

표 1을 살펴보면, 모두 5가지의 알고리즘을 수행하였는데, 6명의 건강한 초보 현미외과의사와 6명의 건강한 숙련의 현미외과의사에 의하여 측정하였다. 측정된 5가지의 알고리즘의 평균 RMSE 및 표준편차 중에서 BMFLC-Kalman은 가장 적은 오차를 가지는 신호를 제공할 수 있음을 명확하게 알 수 있다. In Table 1, all five algorithms were performed, measured by six healthy novice microsurgeons and six healthy skilled microsurgeons. Of the average RMSE and standard deviation of the five algorithms measured, it is clear that BMFLC-Kalman can provide the signal with the least error.

결과적으로, 제안된 단일 단계 알고리즘은 가속도계에서의 센싱 데이터를 이용하여 정확한 떨림 추정을 하고, 의도된 동작과 의도되지 않은 동작을 분리할 수 있다. 종래의 LMS를 포함하는 BMFLC 알고리즘은 칼만 필터를 포함하는 알고리즘에 의해 대체되어 더 개선된 오차를 보임을 확인 할 수 있다.As a result, the proposed single-step algorithm can make accurate vibration estimation using the sensing data from the accelerometer and separate the intended motion from the unintended motion. The BMFLC algorithm including the conventional LMS can be replaced by the algorithm including the Kalman filter, which shows more improved error.

본 발명에서는 모든 알고리즘의 수행을 해석하기 위해 6명의 전문의 미세수술과 6명의 초보 수술로부터 데이터 기록을 수집하여 포괄적으로 비교하였다. 실험된 방법 BMFLC-Kalman 및 BMFLC-RLS는 종래의 WFLC-Kalman 및 BMFLC-LMS보다 더 양호함을 명확하게 알 수 있다.    In the present invention, data records from six specialist microsurgeries and six novice surgeries were collected and comprehensively compared to interpret the performance of all algorithms. It is clear that the tested methods BMFLC-Kalman and BMFLC-RLS are better than conventional WFLC-Kalman and BMFLC-LMS.

특히, 5개의 알고리즘 가운데, BMFLC-Kalman은 보다 정확하게 진동 평가를 수행하였으며, 이는 평균 RMS 에러 0.003

Figure 112011025741948-pat00067
0.002(um) 보다 향상되며 실시간 추정이 가능하였다. In particular, of the five algorithms, BMFLC-Kalman performed vibration estimation more accurately, which means an average RMS error of 0.003.
Figure 112011025741948-pat00067
Better than 0.002 (um), real-time estimation was possible.

한편, 이상과 같은 구동 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드는 다양한 유형의 기록 매체에 저장될 수 있다. 구체적으로는, RAM(Random Access Memory), 플레시메모리, ROM(Read Only Memory), EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electronically Erasable and Programmable ROM), 레지스터, 하드디스크, 리무버블 디스크, 메모리 카드, USB 메모리, CD-ROM 등과 같이, 단말기에서 판독 가능한 다양한 유형의 기록 매체에 저장되어 있을 수 있다. Meanwhile, program codes for performing the above driving method may be stored in various types of recording media. More specifically, it may be a random access memory (RAM), a flash memory, a ROM (Read Only Memory), an EPROM (Erasable Programmable ROM), an Electrically Erasable and Programmable ROM (EEPROM), a register, a hard disk, a removable disk, And may be stored in various types of recording media readable by a terminal, such as a memory, a CD-ROM, and the like.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention.

100: 구동부
200: 측정부
300: 떨림 신호 추정부
400: 떨림 신호 처리부
500: 제어부
100:
200: measuring unit
300: shaking signal estimator
400: shake signal processing unit
500:

Claims (16)

가속도계를 이용하여 떨림을 측정하여, 떨림에 대한 측정값정보를 획득하는 단계;및
상기 측정값정보를 BMFLC(Bandlimitied Multiple Fourier Linear
Combiner)-Kalman 알고리즘 또는 BMFLC(Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner)-RLS(Recursive Least Squares)알고리즘에 적용하여 떨림신호를 수학식으로 추정하는 단계;
를 포함하는 떨림신호 추정 방법.
Measuring shaking using an accelerometer to obtain measurement value information on shaking; and
The measured value information is BMFLC (Bandlimitied Multiple Fourier Linear).
Estimating a tremor signal by applying a Kalman algorithm or a Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner (BMFLC) -Recursive Least Squares (RLS) algorithm;
Vibration signal estimation method comprising a.
제1항에 있어서,
BMFLC 는 아래의 수학식(1)으로 표현되며,
(1)
Figure 112011025741948-pat00068

상기 BMFLC-Kalman 알고리즘은, 상기 수학식에서 순시값 k일때의 주파수 Wr에 부합하는 적응 가중치 ark, brk 를 구하기 위하여
갱신된 공분산 행렬
Figure 112011025741948-pat00069

계산된 칼만이득
Figure 112011025741948-pat00070

Figure 112011025741948-pat00071
식에 대입하는 알고리즘이며,
상기 BMFLC-RLS 알고리즘은 상기 수학식(1)에서 상기 ark, brk 를 구하기 위하여
갱신된 상관 행렬
Figure 112011025741948-pat00072

계산된 칼만이득
Figure 112011025741948-pat00073

Figure 112011025741948-pat00074
식에 대입하는 알고리즘인것을 특징으로 하는 떨림신호 추정 방법.
The method of claim 1,
BMFLC is represented by the following equation (1),
(One)
Figure 112011025741948-pat00068

The BMFLC-Kalman algorithm calculates adaptive weights a rk and b rk corresponding to the frequency W r at the instantaneous value k in the above equation.
Updated Covariance Matrix
Figure 112011025741948-pat00069
And
Calculated Kalman
Figure 112011025741948-pat00070
of
Figure 112011025741948-pat00071
Algorithm to assign to an expression,
The BMFLC-RLS algorithm is used to calculate the a rk and b rk in Equation (1).
Updated correlation matrix
Figure 112011025741948-pat00072
And
Calculated Kalman
Figure 112011025741948-pat00073
of
Figure 112011025741948-pat00074
A tremor signal estimation method, characterized in that the algorithm is substituted into an equation.
제1항에 있어서,
상기 알고리즘을 이용하여 의식적인 떨림신호와 무의식적인 떨림신호로 분류하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 떨림신호 추정 방법.
The method of claim 1,
And classifying the signal into a conscious tremor signal and an unconscious tremor signal using the algorithm.
제3항에 있어서,
상기 무의식적인 떨림신호는 생리적인 떨림을 포함하는 것을 특징으로 하는떨림신호 추정 방법.
The method of claim 3,
The unconscious tremor signal includes a tremor signal estimation method.
제1항에 있어서,
상기 알고리즘은 프리필터(Pre-filter)를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 떨림신호 추정 방법.
The method of claim 1,
The algorithm of claim 1, wherein the algorithm does not include a pre-filter.
제1항에 있어서,
상기 알고리즘은 역행렬연산을 수행하지 않는 것을 특징으로 하는 떨림신호 추정 방법.
The method of claim 1,
The algorithm of claim 1, wherein the algorithm does not perform inverse matrix operation.
떨림신호 측정값정보를 획득하는 측정부;및
상기 측정값정보를 BMFLC(Bandlimitied Multiple Fourier Linear
Combiner)-Kalman 알고리즘 또는 BMFLC(Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner)-RLS(Recursive Least Squares)알고리즘에에 적용하여 상기 측정값정보를 수학식으로 추정하는 떨림신호 추정부;
를 포함하는 떨림신호추정장치.
Measurement unit for obtaining the shaking signal measurement value information; And
The measured value information is BMFLC (Bandlimitied Multiple Fourier Linear).
A shaker signal estimator for applying to a Kalman algorithm or a Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner (BMFLC) -Recursive Least Squares (RLS) algorithm to estimate the measured value information mathematically;
Vibration signal estimation device comprising a.
제7항에 있어서,
BMFLC 는 아래의 수학식(1)으로 표현되며,
(1)
Figure 112011025741948-pat00075

상기 BMFLC-Kalman 알고리즘은, 상기 수학식에서 순시값 k일때의 주파수 Wr에 부합하는 적응 가중치 ark, brk 를 구하기 위하여
갱신된 공분산 행렬
Figure 112011025741948-pat00076

계산된 칼만이득
Figure 112011025741948-pat00077

Figure 112011025741948-pat00078
식에 대입하는 알고리즘이며,
상기 BMFLC-RLS 알고리즘은 상기 수학식(1)에서 상기 ark, brk 를 구하기 위하여
갱신된 상관 행렬
Figure 112011025741948-pat00079

계산된 칼만이득
Figure 112011025741948-pat00080

Figure 112011025741948-pat00081
식에 대입하는 알고리즘인것을 특징으로 하는 떨림신호추정장치.
The method of claim 7, wherein
BMFLC is represented by the following equation (1),
(One)
Figure 112011025741948-pat00075

The BMFLC-Kalman algorithm calculates adaptive weights a rk and b rk corresponding to the frequency W r at the instantaneous value k in the above equation.
Updated Covariance Matrix
Figure 112011025741948-pat00076
And
Calculated Kalman
Figure 112011025741948-pat00077
of
Figure 112011025741948-pat00078
Algorithm to assign to an expression,
The BMFLC-RLS algorithm is used to calculate the a rk and b rk in Equation (1).
Updated correlation matrix
Figure 112011025741948-pat00079
And
Calculated Kalman
Figure 112011025741948-pat00080
of
Figure 112011025741948-pat00081
A vibration signal estimating device, characterized in that the algorithm is substituted into an equation.
제7항에 있어서,
상기 떨림 신호추정부는,
상기 알고리즘을 적용하여 떨림 신호와 무의식적인 떨림 신호를 분류하는 떨림신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 떨림신호추정장치.
The method of claim 7, wherein
The shaking signal estimation unit,
And a shake signal processor for classifying the shake signal and the unconscious shake signal by applying the algorithm.
제9항에 있어서,
상기 무의식적인 떨림 신호는 생리적인 떨림을 포함하는 것을 특징으로 하는 떨림신호추정장치.
10. The method of claim 9,
The involuntary tremor signal is a tremor signal estimation device, characterized in that it comprises a physiological tremor.
제9항에 있어서, 상기 떨림신호 처리부는 프리필터(Pre-filter)를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 떨림신호추정장치.The shake signal estimating apparatus of claim 9, wherein the shake signal processor does not include a pre-filter. 제7항에 있어서,
상기 알고리즘은 역행렬연산을 수행하지 않는 것을 특징으로 하는 떨림신호추정장치.
The method of claim 7, wherein
And the algorithm does not perform inverse matrix operation.
제7항에 있어서,
상기 측정값 정보는 가속도계에서 측정되는 것을 특징으로 하는 떨림신호추정장치.
The method of claim 7, wherein
The measurement signal information device, characterized in that measured in the accelerometer.
떨림신호 측정값정보를 획득하는 측정부;
상기 측정값정보를 BMFLC(Bandlimitied Multiple Fourier Linear
Combiner)-Kalman 알고리즘 또는 BMFLC(Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner)-RLS(Recursive Least Squares)알고리즘에에 적용하여 상기 측정값정보를 수학식으로 추정하는 떨림신호 추정부;
상기 알고리즘을 이용하여 의식적인 떨림신호와 무의식적인 떨림신호로 분류하는 떨림신호 처리부;
수술용 로봇을 구동시키기 위한 구동부;및
상기 의식적인 떨림신호만을 상기 구동부에 전달시키도록 제어하는 제어부를 포함하는 로봇수술시스템.
A measuring unit obtaining vibration signal measurement value information;
The measured value information is BMFLC (Bandlimitied Multiple Fourier Linear).
A shaker signal estimator for applying to a Kalman algorithm or a Bandlimitied Multiple Fourier Linear Combiner (BMFLC) -Recursive Least Squares (RLS) algorithm to estimate the measured value information mathematically;
A tremor signal processor for classifying a tremor signal and an unconscious tremor signal using the algorithm;
A drive unit for driving a surgical robot; and
And a control unit for controlling to transmit only the conscious shaking signal to the driving unit.
제14항에 있어서,
BMFLC 는 아래의 수학식(1)으로 표현되며,
(1)
Figure 112011025741948-pat00082

상기 BMFLC-Kalman 알고리즘은, 상기 수학식에서 순시값 k일때의 주파수 Wr에 부합하는 적응 가중치 ark, brk 를 구하기 위하여
갱신된 공분산 행렬
Figure 112011025741948-pat00083

계산된 칼만이득
Figure 112011025741948-pat00084

Figure 112011025741948-pat00085
식에 대입하는 알고리즘이며,
상기 BMFLC-RLS 알고리즘은 상기 수학식(1)에서 상기 ark, brk 를 구하기 위하여
갱신된 상관 행렬
Figure 112011025741948-pat00086

계산된 칼만이득
Figure 112011025741948-pat00087

Figure 112011025741948-pat00088
식에 대입하는 알고리즘인것을 특징으로 하는 로봇수술시스템.
15. The method of claim 14,
BMFLC is represented by the following equation (1),
(One)
Figure 112011025741948-pat00082

The BMFLC-Kalman algorithm calculates adaptive weights a rk and b rk corresponding to the frequency W r at the instantaneous value k in the above equation.
Updated Covariance Matrix
Figure 112011025741948-pat00083
And
Calculated Kalman
Figure 112011025741948-pat00084
of
Figure 112011025741948-pat00085
Algorithm to assign to an expression,
The BMFLC-RLS algorithm is used to calculate the a rk and b rk in Equation (1).
Updated correlation matrix
Figure 112011025741948-pat00086
And
Calculated Kalman
Figure 112011025741948-pat00087
of
Figure 112011025741948-pat00088
Robot surgery system, characterized in that the algorithm to substitute in the equation.
제14항에 있어서,
상기 무의식적인 떨림신호는 생리적인 떨림을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇수술시스템.
15. The method of claim 14,
The unconscious tremor signal includes a physiological tremor system.
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