KR101358668B1 - 다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

수술도구와 접촉 대상 사이의 접촉력(힘 또는 토크)을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 다자유도 수술도구가 장기에 대하여 수직 및 수평 방향으로 작용하는 힘 또는 토크를 측정하기 위하여 수술도구에 센서를 직접 부착하지 않고, 로봇팔의 슬라이더에서 수술도구로 전달되는 토크를 통해 접촉력을 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 장치 및 방법{Apparatus for measuring force or torque of multi-DOFs gripper device on a slider of robot arms and method of the same}

본 발명은 수술도구와 접촉 대상 사이의 접촉력(힘 또는 토크)을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다자유도 수술도구가 장기에 대하여 수직 및 수평 방향으로 작용하는 힘 또는 토크를 측정하기 위하여 수술도구에 센서를 직접 부착하지 않고, 로봇팔의 슬라이더에서 수술도구로 전달되는 토크를 통해 접촉력을 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

기술의 발달에 따라 의료기술에도 많은 변화가 있으며, 다양한 의료기술 중 하나로 수술이 있다. 수술은 피부를 절개하고 꿰매는 방법의 의료 행위로 기존의 수술은 모두 수술 후 통증과 회복 후 수술자극이 남게 되고, 수술 후 일상생활로 복귀하는 데 많은 시간이 소요되는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 최근에는 절개 부위를 최소화하여 수술 후 통증을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 수술 후 일상생활로 복귀하는 시간을 줄일 수 있게 한 최소침습(最小侵襲) 수술이 많이 사용되고 있다.

최소침습수술은 내시경이라 불리는 관측 장치와 소형 수술 장치를 신체 내부에 삽입하고 모니터를 통해 표시되는 내부 장기의 모습을 살피면서 수술하는 것이다. 그러나 이러한 수술 방법은 아주 좁은 영역에서 이루어지는 것으로 시술자가 정확한 위치를 정확한 힘과 속도로 수술 장치를 작동시켜야하므로 시술자에게 많은 부담을 주는 문제가 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 최근에는 로봇을 이용한 수술 방법이 많이 사용되고 있다.

최소침습수술을 위한 로봇을 통상적으로 최소침습수술로봇이라 칭하며, 이는 환자의 몸 안에 수술도구가 부착된 로봇팔과 내시경 카메라가 부착된 로봇팔을 삽입하고, 시술자는 마스터 콘솔(메인 컴퓨터)에 앉아서 3차원 영상을 보면서 환자 몸에 삽입된 수술도구를 원격에서 조종하여 수술을 수행하는 것이다. 이러한 수술로봇은 도 7에 도시한 바와 같이 수술도구를 수평, 수직 및 회전시킬 수 있도록 구성되어 있으며, 수술이 성공적으로 이루어질 수 있기 위해서는 정확하게 수술 대상 부분을 포함하여 주변 상황을 정확하게 확인할 수 있어야 하지만, 현재 상용화되어 판매 중인 수술로봇은 내시경 카메라를 통한 비디오 피드백만으로 수술 부분의 상황을 육안으로 확인할 수 있어 시각적으로 보이지 않은 영역과 숨겨진 조직들인 혈관, 신경, 암 세포 등을 구분하는 것이 매우 어려우므로 슬레이브 로봇과 인체 내부 장기 사이의 상호작용 힘을 측정하여 의사에게 정확하게 접촉력(힘이나 토크, 이하, "접촉력"이라 통칭함) 피드백을 전달하여 불필요한 부분을 손상시키지 않게 하는 것이 매우 중요하다.

이와 같이 슬레이브 로봇 팔의 수술도구와 주변 환경 사이의 상호작용 힘을 측정하기 위해서 사용되는 기술로는 도 8에서 보이는 바와 같이 수술용 도구의 단부 근처 또는 투관침(trocar) 또는 로봇팔에 부착된 슬라이더에서 측정하는 방법이 사용되고 있다. 수술도구의 단부와 인접한 부분에서 측정하는 것이고, 로봇팔에 부착된 슬라이더에서 측정하는 방법들은 접촉면에서 떨어진 인체 외부의 특정 위치에 센서를 설치하여 측정을 하는 것이다.

이러한 힘 측정 기술로 특허문헌 1 내지 5가 있다. 특허문헌 1은 회절격자광센서(FBG, Fiber Bragg Grating)라는 광센서를 이용하여 수술도구 단부의 스트레인(strain) 변형을 측정하는 것으로, FBG는 스트레인 변형에 반응하여 변하는 빛의 파장을 반사, 유효굴절률과 그레이팅(grating) 주기에 영향을 주어 반영된 파장을 감지하여 변형을 인지하는 것이다. 이는 수술도구 단부의 광학 센서의 변형을 통해 주변 환경과의 상호 작용 힘을 직접 측정하는 것이다.

특허문헌 2는 수술도구의 단부의 말단 튜브 링크 부분에 스트레인 게이지 등으로 구성된 모듈화된 힘센서(modular force sensor)를 부착한 것으로, 수술도구 단부에서의 스트레인 게이지와 같은 센서의 변형을 통해 주변 환경과의 접촉력을 직접 측정하는 것이다.

특허문헌 3은 스트레인 게이지 등을 이용하여 수술도구 단부에서 작용하는 접촉력을 직접 측정하고, 평행 구조를 갖고 마스터 장치에 의해 조작되는 슬레이브 암(manipulator arm)의 첫 번째 관절 이전의 관절에 6축 힘/토크 센서 부착, 환자 몸 밖의 물체와 슬레이브 암과의 상호작용 힘을 측정하고, 이를 통해 환자 몸 외부와 내부에서 발생하는 힘을 분류하는데 사용하는 것이다.

특허문헌 4는 수술도구가 부착되는 부분에 6축 힘/토크 센서를 부착하여 수술도구 단부에서 발생하는 접촉력을 환자 몸 외부에서 간접적으로 측정하는 것이나, 이는 중력의 영향을 받게 되어 정확한 힘이나 토크를 감지할 수 없는 문제가 있었다. 특허문헌 5는 센서를 사용하지 않고, 힘 추정 알고리즘(SMCSPO: Sliding Mode Control With Sliding Pertubation Observer)을 통해 수술도구 단부에서 발생하는 접촉력을 계산하는 것이다.

수술용 로봇에서 수술도구의 힘 피드백을 위한 기술로는 비특허문헌 1 및 2가 있다. 비특허문헌 1은 오버코트 방식(overcoat method)을 이용한 간접적인 방법으로 수술도구 단부에서 발생하는 접촉력을 측정하는 것이다. 힘 센서의 새로운 부착 위치와 슬레이브 암으로부터 공급되는 토크로부터 독립적인 축력효과를 위한 축방향 힘 자유(axial-force-free) 관절을 구비하고 있고, 플로팅(floating) 프레임과 베이스(base) 프레임으로 구성되어 있으며, 플로팅 프레임과 베이스 프레임 사이에 Z축 힘 센서와 가속도 센서가 설치되고, 내관(inner pipe)과 오버코트 파이프(overcoat pipe) 사이에는 X와 Y축 힘 센서가 부착되어 있다. 내관은 X와 Y축으로 어떠한 힘도 가해지지 않도록 하는 유니버설 조인트를 통해 플로팅프레임에 연결되어 있다. 플로팅 프레임과 베이스 프레임 사이가 조인트에 의해 Z축에 평행하게 연결되어 있고, 풀리에 의해 X축 회전이 Z축 회전으로 변환된다. 이러한 종래의 기술은 슬라이더에 3개의 축 각각에 힘 센서와 Z축 가속도 센서를 부착하고, 축 방향 힘의 발생을 방지하여 토크 센서를 필요로 하지 않지만, 복잡한 구조와 x, y축 센서의 절연이 충분히 이루어지지 않을 경우 누전될 염려가 있다.

비특허문헌 2는 투관침(trocar)에 6축 힘/토크센서를 부착하여 수술도구 단부에 발생하는 힘을 측정할 수 있게 한 것으로, 수술도구는 가이드(passive guidance) 내부에 위치하고, 가이드는 6축 힘/토크 센서의 윗부분에 부착되어 있으며, 센서가 투관침 위에 놓이게 구성된 것으로, 투관침에 센서를 부착하여 간접적으로 수술도구 단부에 발생하는 힘을 측정하는 것이다.

이러한 종래의 기술들은 수술도구 표면에 센서를 부착하여 힘을 측정하는 방법으로 다음과 같은 문제가 있다. 즉, 수술 과정에서 절제를 위해 수술 도구 단부에 고 전류를 흘려보내게 되는데, 이러한 높은 전류로 인해서 센서가 손상될 수 있고, 고온 고압에 의한 소독 과정에서도 센서들이 손상될 수 있다. 또한, 수술 도구는 일정한 횟수 이상을 사용하면 폐기해야 하는 소모품으로 이렇게 폐기되는 수술 도구에 센서를 설치함으로써 불필요한 제작비 및 자원의 낭비를 초래하는 문제가 있다.

1. 미국 공개특허 제2010/0250000호(2010.09.30) 2. 미국 등록특허 제07752920호(2010.07.13) 3. 미국 공개특허 제2009/0248038호(2009.10.01) 4. 미국 공개특허 제2010/0094312호(2010.04.15) 5. 미국 공개특허 제20110060345호(2011.03.10)

1. Shimachi, et, al., "Adapter for contact force sensing of the da Vinci robot" Int. J. of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, vol.4, 2008 2. N. Zemiti, et, al., ""A Force Controlled Laparoscopic Surgical Robot without Distal Force Sensing,"" The 9th Int. Symp. Experimental Robotics, 2006 & Trocar device for passing a surgical tool, USA Patents, Pub. No. 2011-0178477, 2011 3. Force Estimation For A Minimally Invasive Robotic Surgery System Robotic Surgical System For Performing Minimally Invasive Medical Procedures, USA Patents, Pub. No. 2010-0094312, 2010

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로서, 수술도구의 단부에서 힘을 측정하는 방식의 한계점을 극복하기 위해 로봇팔의 슬라이더에 센서를 부착하여 힘을 측정할 수 있게 한 다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

즉, 본 발명은 높은 전류에 의한 영향을 받지 않고, 고온 고압으로 소독을 하지 않아도 되며, 반복하여 사용할 수 있는 시술 부위의 외부에서 수술도구의 접촉력을 측정할 수 있게 한 것으로서, 수술도구에서 발생하는 피봇 방향 또는 신체의 내부를 향한 깊이 방향의 힘이나 토크를 슬라이더에서 수술도구 홀더를 고정하기 위한 가이드클립이나 슬라이더와 수술도구가 결합부분에서 감지하여 측정할 수 있게 한 다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

상기의 해결하려는 과제를 위한 본 발명은 슬레이브 로봇팔의 말단에 설치되어 수술도구를 이동시키는 슬라이더와, 수술도구를 신체의 내부를 향한 방향으로의 이동을 안내하는 가이드클립을 포함하는 수술용 로봇에서 수술도구가 장기에 접촉되는 힘 또는 토크를 시술자에게 전달하는 접촉력을 측정하는 장치에 있어서, 가이드클립 안쪽의 수술도구와 대향되는 면에 수술도구가 장기와 접촉되었을 때 받는 힘 또는 압력을 감지하기 위한 센서를 설치하고, 센서에서 감지된 힘이나 압력으로부터 수술도구의 피봇(pivot) 움직임에 의해 장기에 접촉되는 접촉력을 산출하는 접촉력 산출프로그램을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 수술도구가 신체의 내부를 향한 방향으로 이동할 때 장기에 접촉되는 접촉력을 감지할 수 있도록 슬라이더와 수술도구의 결합 부분에는 힘 또는 압력을 감지하기 위한 센서가 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 센서에 감지된 압력이나 힘에 의한 접촉력의 오류를 보정하기 위하여 슬라이더의 일측에는 슬라이더의 6축 가속도 및 각가속도를 측정하는 가속도감지수단을 구비할 수 있다.

본 발명을 구성하는 센서는 다양하게 변형할 수 있으나, 힘센서 또는 압력센서인 것이 바람직하고, 가속도감지수단은 관성감지센서를 사용할 수 있다.

본 발명의 첩촉력 산출프로그램에 의해 산출된 수술도구가 장기와 접촉되는 접촉력(τ_e)은

로 표현할 수 있다.

본 발명의 다른 일 양상은 상기와 같이 구성된 수술도구의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 장치를 이용한 접촉력 측정 방법으로서, 센서가 수술도구의 피봇 이동하여 장기와 접촉될 때 작용하는 힘 또는 압력을 감지하는 단계; 감지된 힘 또는 압력 정보를 접촉력 산출프로그램에서 연산하여 수술도구의 접촉력을 산출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 본 발명은 수술도구가 신체의 내부를 향한 방향으로 이동될 때의 접촉력도 측정하는 것이고, 이를 위해 수술도구가 신체의 내부를 향한 방향으로 이동할 때 장기에 접촉되는 접촉력을 깊이 방향 접촉력 산출단계를 더 포함하며, 접촉력 감지수단에서 감지된 신호의 오류를 보정하기 위해 가속도감지수단으로부터 감지된 가속도를 이용하여 접촉력을 보정하는 단계를 더 수행할 수도 있다.

본 발명은 신체의 내부에 삽입되는 수술도구에 센서를 설치하지 않고 신체 외부의 로봇팔의 단부에서 수술도구를 지지하거나 고정하는 수단에 센서를 설치하여 수술도구의 접촉력을 추정하여 산출할 수 있게 함으로서 센서를 수술도구에 설치할 때 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있다.

즉, 수술도구의 접촉력을 감지하기 위한 수단인 센서들이 신체의 외부에 설치되어 있으므로 수술 과정에서 수술도구에 인가되는 고 전류에 의해 센서가 손상되는 것을 방지할 수 있고, 센서가 수술도구와 분리되어 있으므로 센서가 고온 고압에 노출되지 않아 보호될 수 있을 뿐만 아니라, 수술도구의 폐기시에도 센서들을 사용할 수 있어 불필요한 제작비 및 자원의 낭비를 방지할 수 있는 효과가 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 장치의 구성도,
도 2는 수술용 로봇팔 제어시스템의 구성도,
도 3은 수술용 로봇팔 제어시스템에서의 신호 흐름도,
도 4는 본 발명에 의한 접촉력 측정 장치를 구비한 로봇팔의 일예의 사시도,
도 5는 반력 관측기(reaction torque observer)를 이용한 슬레이브 제어기를 위한 블록선도,
도 6은 도 5에 도시한 제어기에서 반력 관측기의 구성도,
도 7은 수술도구의 작동 메카니즘을 도시한 모식도,
도 8은 통상의 슬레이브 로봇팔의 수술도구와 주변 환경 사이의 상호작용 힘을 측정하는 부위를 표시한 그림

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 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.

본 발명은 신체의 외부에서 신체 내부에서 작동되는 수술도구의 접촉력을 측정할 수 있게 한 것으로서, 수술도구(10)는 신체의 내부를 향한 방향(이하, "깊이방향"이라 통칭함)과 신체의 내부에서 전후좌우로 이동하는 피봇 방향(이하, "피봇방향"이라 통칭함)으로 이동하며, 이에 따라 이 두 방향으로 이동되는 수술도구의 접촉력을 모두 측정할 수 있는 것이 바람직하다.

먼저, 수술도구(10)가 피봇방향으로 이동할 때의 접촉력을 감지하기 위한 장치에 대하여 설명한다.

피봇방향의 접촉력을 감지하기 위한 수단으로 본 발명은 수술도구의 깊이방향 이동을 안내하는 가이드클립(1)에 센서(1s)를 설치하고 센서로부터 감지된 정보로부터 수술도구의 접촉력을 감지할 수 있게 하였다.

도 4에 도시된 바와 같이 수술도구(10)는 중단이 가이드클립(1)에 의해 지지되어 있어 수술도구의 단부(10a)가 장기에 접촉되면 접촉되는 힘이나 압력이 가이드클립(1)의 내면에 전달된다. 이에 따라 센서(1a)는 가이드클립(1) 안쪽의 수술도구와 대향되는 면에 설치되는 것이 바람직하다. 가이드클립(1)은 다양하게 변형하여 실시할 수 있으나 이미 의료용 로봇에서 많이 사용되고 있는 것 중 어느 하나를 선택하여 구성될 수 있는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이러한 본 발명에 의한 접촉력 측정 장치를 구비한 의료용 로봇은 통상의 의료용 로봇과 동일 유사한 것으로 수술도구의 접촉력을 산출하기 위한 구성과 관련되지 않은 부분에 대한 설명은 생략한다.

상기 수술도구(10)는 도 4에 도시한 바와 같이 로봇팔의 단부에 자유롭게 움직일 수 있도록 연결되어 있고, 슬라이더(2)에 의해 작동되며, 로봇팔 단부의 가이드클립(1)에 설치된 센서(1s)에서 감지된 힘이나 압력으로부터 수술도구가 피봇방향으로 움직여 장기에 접촉되는 접촉력을 산출하는 접촉력 산출프로그램(SW)이 구비되어 있다. 상기 접촉력 산출프로그램(SW)은 로봇의 외부에 설치된 메인컴퓨터(100)에 설치되거나 로봇에 구비된 슬레이브컴퓨터(200)에 설치될 수 있으나, 바람직하게는 메인컴퓨터(100)에 설치하는 것이다.

상기 센서(1s)는 수술도구(10)가 장기에 접촉되었을 때 가이드클립(1)과 수술도구(10) 사이에 작용하는 힘이나 압력을 감지할 수 있는 종류의 센서이면 어느 것이나 적용 가능하지만 바람직하게는 힘센서 또는 압력센서가 사용될 수 있다.

통상적인 의료용 로봇과 동일 유사하지만 본 발명의 접촉력 측정 장치를 구비한 로봇은 수술도구(10)를 작동시키는 슬라이더(2)를 작동시키는 액추에이터와 모터 등에 공급되는 전원을 제어하고 메인 컴퓨터와 통신하는 모션제어기(300)와, 모션제어기를 제어하는 제어프로그램(110)을 포함하고 있으며, 모션제어기(300)는 로봇팔에 설치된 모터 등의 액추에이터의 구동을 제어하기도 한다.

또한, 본 발명은 수술도구가 깊이방향으로 이동할 때 장기와 접촉되는 접촉력을 감지하기 위한 수단을 더 구비하고 있으며, 이는 슬라이더와 수술도구의 결합 부분에 설치되어 슬라이더의 작동에 의해 수술도구(100)가 깊이방향으로 이동할 때 수술도구에 의해 밀리는 힘 또는 압력을 감지하기 위한 센서(2s)이다. 상기 센서(2s)는 피봇방향 접촉력 감지수단을 구성하는 센서와 동일 유사한 것을 사용할 수 있고, 이 센서(2s)에서 감지된 힘이나 압력은 접촉력 산출프로그램을 통해 연산되어 수술도구가 깊이방향으로 이동함에 의해 발생한 접촉력을 산출되는 것이다.

상기와 같이 구성된 감지장치에 의해 감지되고 산출된 접촉력은 여러 가지 요인에 의해 오차가 발생할 수 있으므로 오차를 보정하기 위한 수단이 필요하며, 보정수단(또는 방법)으로 슬라이더를 구동시키는 액추에이터나 모터에 설치된 엔코더의 위치 신호를 미분하여 구해진 가속도를 적용함으로써 오차를 줄일 수 있으나, 엔코더에 의한 위치 신호는 액추에이터나 모터에서 감지된 정보이고 액추에이터나 모터에서 발생한 동력이 수술도구까지 전달되는 과정에서 외부의 환경에 의해 이미 변형된 상태이므로 정확한 보정이 이루어질 수 없다. 따라서, 본 발명은 슬라이더(2)의 일측에는 슬라이더의 6축 가속도 및 각가속도를 측정하여 가속도를 감지하는 가속도감지수단(10s)을 구비하고, 접촉력 산출프로그램에서 가속도감지수단에서 감지된 가속도로 감안하여 접촉력을 보정할 수 있게 하였다.

상기 가속도감지수단(10s)은 슬라이더에 의해 이동되는 수술도구의 가속도를 감지하기 위한 수단으로 다양하게 변형하여 실시할 수 있으나 관성감지센서(IMU senser, inertial measurement unit senser)를 사용하였다.

이렇게 가속도감지수단(10s)에서 감지된 신호(

)를 적용하여 산출된 수술도구가 장기와 접촉되는 접촉력(τ_e)은 다음과 같은 수학식 (1)과 같이

(1)

표현될 수 있다. 여기서, K_tn은 명목 토크 계수, I_a는 전류, J_n은 명목 관성,

는 가속도

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 수술도구에 작용하는 힘 또는 토크 측정 장치를 이용한 접촉력 측정 방법은 장치에 대한 설명에서 이미 설명된 바 있으나, 깊이방향 접촉력과 피봇방향 접촉력을 감지하는 방법이 있으며, 이는 동시에 얻어질 수 있으나 구분하여 설명하면 아래와 같다.

먼저, 피봇방향 접촉력을 감지하는 방법은 수술도구를 지지하는 가이드클립(1)에 설치된 센서(1s)에서 수술도구가 피봇방향으로 이동하여 장기와 접촉될 때 작용하는 힘 또는 압력을 감지하는 단계; 감지된 힘 또는 압력 정보를 접촉력 산출프로그램에서 연산하여 수술도구의 접촉력을 산출하는 단계로 이루어지고,

깊이방향의 접촉력 감지는 슬라이더와 수술도구의 결합 부분에 설치된 센서(2s)에서 감지된 힘이나 압력 정보를 접촉력 산출프로그램에서 연상하여 수술도구의 깊이 방향 접촉력을 산출한다.

이러한 과정에서 보정신호를 감지하여 접촉력을 보정하는 단계가 더 수행될 수 있으며, 보정단계는 슬라이더의 일측에 설치된 가속도감지수단으로부터 감지된 가속도를 이용하여 이루어지고, 이렇게 가속도를 고려하여 보정된 접촉력은 전술한 수식 (1)에 의해 구해질 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 부연설명하면 아래와 같다.

본 발명의 수술용 슬레이브 로봇 시스템은 통상의 수술용 로봇과 동일 유사한 것으로 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 로봇과 분리된 주 제어용 메인 컴퓨터(100)와, 로봇에 구비된 슬레이브 컴퓨터(200)를 포함하고, 로봇팔(400)에는 슬레이브 로봇팔 인터페이스를 구비하고 있다. 로봇팔 인터페이스는 로봇팔에 수술도구(10)를 연결하기 위한 수단으로 슬라이더(2)를 비롯한 힌지 등이 될 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 로봇은 각 모터 등의 액추에이터를 제어하고, 모터에 부착된 엔코더 신호를 읽어오며, 각 부분에 전기를 공급 및 메인 컴퓨터와의 통신을 하기 위한 모션제어기(300)와, C언어와 같은 컴퓨터 프로그래밍 언어로 만들어져 모션제어기에 직접 명령을 전송하고, 엔코더 신호 등의 모터 상태 정보를 읽어오거나 모터를 움직이는 제어 신호를 출력하는 제어프로그램(110)을 구비하고 있다.

도 3에는 전체 시스템의 데이터 흐름을 보여주는 소프트웨어의 흐름도이다. 슬레이브 로봇팔의 슬라이더(2)와 가이드클립(1) 안쪽 사이에 설치된 센서(1S)와, 슬라이더(2)의 일측에 설치된 IMU센서(가속도감지수단(10S))는 프로그램 내부에서 콜백 함수에 의해 실시간으로 데이터를 수집하며, 슬레이브 컴퓨터에 부착된 NI-DAQ 보드를 통해 정보를 전달하게 된다. 모션제어기(300)는 메인 컴퓨터(100)와 TCP 등의 통신 프로토콜을 이용하여 정보를 교환하며, 제어프로그램(110)에서 전달되는 명령을 통해 실시간으로 모터 등의 액추에이터의 움직임 또는 엔코더 신호를 포함하는 정보를 요청한다.

도 4는 수술용 슬레이브 로봇팔의 모습을 도시한 것으로, 좌측의 전체 모습에서 점선 부분이 슬라이더(2)이다. 우측에서 수술도구의 힘/토크를 측정하기 위해 수술도구의 깊이방향 이동을 안내하는 가이드클립(1) 안쪽 표면에 힘 또는 압력 센서(1s)를 설치하였고, 슬라이더와 수술도구의 결합 부분에 힘 또는 압력 센서(2s)를 설치하였으며, 가이드클립(1)에 설치된 센서(1s)를 통해 RCM 포인트에서의 피봇(pivot) 움직임에 의해 발생하는 힘을 측정하고, 슬라이더와 수술도구의 결합 부분에 부착되는 센서(2s)를 통해 깊이방향으로 움직이는 수술도구에 발생하는 힘을 측정하게 된다.

IMU센서(가속도감지수단)는 슬라이더의 6축 가속도 및 각가속도를 측정하여 동역학 계산에 필요한 가속도 값을 직접 얻게 되며, 이를 통해 엔코더의 위치 신호를 미분하여 구하는 가속도에 비해 오차와 노이즈가 포함되지 않은 더 정확한 값을 얻을 수 있는 것이다.

도 5는 반력 관측기(reaction torque observer)를 이용한 슬레이브 제어기를 위한 블록선도이다. 메인컴퓨터(마스터 장치라고도 함)로부터 조작자의 힘(F_h)과 위치(X_m)가 슬레이브 제어기로 들어오면, 각각은 추정된 접촉력(

)과 슬레이브의 위치(X_s)와의 차이가 각각의 제어기를 통과하여 합쳐져서, 슬레이브 장치의 각각의 모터로 들어가게 된다. 이때 전류(I_a)와 슬레이브 로봇의 위치 정보가 반력 관측기로 입력되어, 추정된 힘을 출력하게 된다. 위치 및 힘 제어기는 각각PD 제어 또는 P 제어를 사용하였고, Ka는 전압 변환 게인이고, Kt는 모터 상수이다. 반력 관측기는 외란 관측기의 개념을 이용한 것으로, 마스터 - 슬레이브 시스템에서 이를 통해 슬레이브 주변 환경과의 상호작용으로 발생하는 반력(F_e), 즉 접촉력을 추정할 수 있다. 파라미터 변화나 마찰에 의한 성분이 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정하면 접촉력은 외란으로 간주할 수 있고, 외란 관측기와 동일한 구조로 표현될 수 있다.

도 6은 도 5의 반력 관측기를 자세히 표현한 것으로, 가속도 제어기 기반의 반력 관측기를 이용한 수술도구를 위한 블록 선도이다. IMU센서(가속도감지수단)에 의해 감지된 추정된 접촉력은 위의 식 (1)과 같다.

이와 같이, 수술도구는 앞선 슬라이더 설계시 IMU센서를 부착하여 가속도 및 각가속도를 직접 측정하고, 식 (1)의 가속도(

)에 직접 대입하여 추정된 접촉력을 구할 수 있다. 이렇게 구해진 추정된 접촉력은 슬라이더에 부착된 힘 또는 압력 센서 등을 통해 측정된 수술도구에 작용한 힘과 서로 비교하여 에러를 최소화시킨 최종 추정된 힘으로 출력될 수 있다.

10: 수술도구
1: 가이드클립 1s: 센서 11: 가이드홀더
2: 슬라이더 2s: 센서
10s: 가속도감지수단
SW: 접촉력 산출프로그램
100: 메인컴퓨터
110: 제어프로그램
200: 슬레이브컴퓨터
300: 모션제어기
400: 로봇팔

Claims (12)

1. 슬레이브 로봇팔의 말단에 설치되어 수술도구를 이동시키는 슬라이더와, 상기 수술도구의 이동을 안내하는 가이드클립을 포함하는 수술용 로봇에서 수술도구가 장기에 접촉되는 힘 또는 토크를 시술자에게 전달하는 접촉력을 측정하는 장치에 있어서,
   상기 가이드클립 안쪽의 수술도구와 대향되는 면에 수술도구가 장기와 접촉되었을 때 받는 힘 또는 압력을 감지하기 위한 센서를 설치하고,
   상기 센서에서 감지된 힘이나 압력으로부터 수술도구의 피봇(pivot) 움직임에 의해 장기에 접촉되는 접촉력을 산출하는 접촉력 산출프로그램을 구비한 것을 특징으로 하는 다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 장치
2. 제1항에 있어서,
   상기 슬라이더와 수술도구의 결합 부분에는 힘 또는 압력을 감지하기 위한 센서가 더 구비되고, 상기 센서에서 감지된 힘이나 압력으로부터 수술도구가 신체의 내부를 향한 방향으로 이동할 때 장기에 접촉되는 접촉력을 접촉력 산출프로그램을 통해 산출하는 것을 특징으로 하는 다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 장치
3. 제1항에 있어서,
   상기 슬라이더의 일측에는 슬라이더의 6축 가속도 및 각가속도를 측정하여 가속도를 감지하는 가속도감지수단을 구비하고, 상기 접촉력 산출프로그램은 상기 가속도감지수단에서 감지된 가속도를 이용하여 접촉력을 보정하는 것을 특징으로 하는 다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 장치
4. 제1항에 있어서,
   상기 센서는 힘센서 또는 압력센서인 것을 특징으로 하는 다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 장치
5. 제1항에 있어서,
   상기 접촉력 산출프로그램은 로봇의 구동을 제어하는 메인 컴퓨터에 설치되고,
   상기 슬라이더를 작동시키는 액추에이터에 공급되는 전원을 제어하고 메인 컴퓨터와 통신하는 모션제어기와, 모션제어기를 제어하는 제어프로그램을 포함하는 것을 특징으로 하는 다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 장치
   
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 가속도감지수단은 관성감지센서인 것을 특징으로 하는 다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 장치
7. 제3항에 있어서,
   상기 수술도구가 장기와 접촉되는 접촉력(τ_e)은 아래의 수학식
   

   

   
   으로 구해지는 것을 특징으로 하는 다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 장치
   여기서, K_tn은 명목 토크 계수, I_a는 전류, J_n은 명목 관성,

   

   는 가속도
8. 슬레이브 로봇팔의 말단에 설치되어 수술도구를 이동시키는 슬라이더와, 상기 수술도구가 신체의 내부를 향해 이동하는 것을 안내하는 가이드클립을 포함하는 수술용 로봇에서, 상기 가이드클립 안쪽의 수술도구와 대향되는 면에 수술도구가 장기와 접촉되었을 때 받는 힘 또는 압력을 감지하기 위한 센서를 설치하고, 상기 센서에서 감지된 힘이나 압력으로부터 수술도구의 피봇(pivot) 움직임에 의해 장기에 접촉되는 접촉력을 산출하는 접촉력 산출프로그램을 구비한 수술도구의 힘 또는 토크 측정 장치를 이용한 접촉력 측정 방법에 있어서,
   상기 센서가 수술도구의 피봇 이동하여 장기와 접촉될 때 작용하는 힘 또는 압력을 감지하는 단계;
   감지된 힘 또는 압력 정보를 상기 접촉력 산출프로그램에서 연산하여 수술도구의 접촉력을 산출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 방법
9. 제8항에 있어서,
   상기 슬라이더와 수술도구의 결합 부분에 설치된 센서에서 감지된 힘이나 압력으로부터 수술도구가 신체의 깊이 방향으로 이동할 때 장기에 접촉되는 접촉력을 산출하는 깊이 방향 접촉력 산출단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 방법
10. 제8항에 있어서,
    상기 슬라이더의 일측에 설치된 가속도감지수단으로부터 감지된 가속도를 이용하여 접촉력을 보정하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 방법
11. 제10항에 있어서,
    상기 접촉력 산출프로그램에서 산출되는 수술도구가 장기와 접촉되는 접촉력(τ_e)은 아래의 수식에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 방법
    

    

    
    여기서, K_tn은 명목 토크 계수, I_a는 전류, J_n은 명목 관성,

    

    는 가속도
12. 제8항에 있어서,
    상기 센서는 힘센서 또는 압력센서인 것을 특징으로 하는 다자유도 수술도구의 힘 또는 토크를 로봇팔의 슬라이더에서 측정하는 방법

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