KR101358669B1 - Apparatus for measuring force or torque of multi-DOFs gripper device on a slider of robot arms and method of the same - Google Patents

Apparatus for measuring force or torque of multi-DOFs gripper device on a slider of robot arms and method of the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 그리퍼와 접촉 대상 사이의 접촉력(힘 또는 토크)을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 신체 내부에 삽입되는 그리퍼에 센서를 직접 부착하지 않고, 외부에 설치된 센서에서 감지된 그리퍼로 전달되는 토크를 통해 접촉력을 측정할 수 있게 한 다자유도 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크를 측정하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for measuring the contact force (force or torque) between a gripper and a contact object, the present invention does not directly attach a sensor to a gripper inserted into the body, but is transmitted to a gripper sensed by an externally installed sensor An apparatus and method for measuring a force or torque at a slider of a robot arm of a multi-degree of freedom gripper device that enables the contact force to be measured through the torque being provided.

Description

다자유도 그리퍼의 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}Apparatus for measuring force or torque of multi-DOFs gripper device on a slider of robot arms and method of the same}

본 발명은 그리퍼(gripper)와 접촉 대상 사이의 접촉력(힘 또는 토크)을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다자유도 그리퍼의 힘 또는 토크를 측정하기 위하여 그리퍼에 센서를 직접 부착하지 않고, 로봇팔의 슬라이더에 센서를 부착하여 접촉력을 간접 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for measuring the contact force (force or torque) between a gripper and a contact object, and more particularly, a sensor is directly connected to the gripper to measure the force or torque of the multiple degree of freedom gripper. An apparatus and a method for indirectly measuring contact force by attaching a sensor to a slider of a robot arm without attaching the same.

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 최소 침습(最小侵襲) 수술이 많이 사용되고 있다.There are many changes in medical technology as the technology develops, and surgery is one of various medical technologies. Surgery is a medical act of incision and stitching of the skin. All of the existing surgeries have pain after recovery and surgical stimulation after recovery, and it takes a long time to return to daily life after surgery. Recently, minimally invasive surgery has been widely used to minimize post-operative pain by minimizing the incision site and to reduce the time to return to daily life after surgery.

최소침습 수술은 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 분제를 해결하기 위한 방안으로 최근에는 로봇을 이용한 수술 방법이 많이 사용되고 있다.Minimally invasive surgery involves the insertion of an observation device called an endoscope and a small surgical device into the body and looking at the internal organs displayed on the monitor. However, this surgical method is performed in a very narrow area, so the operator has to operate the surgical device with the correct position and the correct force and speed, which puts a lot of pressure on the operator. Surgical methods are widely used.

최소침습 수술을 위한 로봇을 통상적으로 최소침습 수술로봇이라 칭하며, 이는 환자의 몸 안에 수술도구가 부착된 로봇팔과 내시경 카메라가 부착된 로봇팔을 삽입하고, 시술자는 마스터 콘솔에 앉아서 3차원 영상을 보면서 환자 몸에 삽입된 수술도구를 원격으로 조종하여 수술을 수행하는 것이다. 수술이 성공적으로 이루어질 수 있기 위해서는 정확하게 수술 대상 부분을 포함하여 주변 상황을 정확하게 확인할 수 있어야 하지만, 현재 상용화되어 판매 중인 수술로봇은 복강경 CCD 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.A robot for minimally invasive surgery is commonly referred to as a minimally invasive surgical robot, which inserts a robot arm with surgical instruments attached to it and a robot arm with an endoscope camera attached to it, and the operator sits at the master console and displays a 3D image. Looking at the remote control of the surgical instruments inserted into the patient's body is to perform the operation. In order for the operation to be successful, it is necessary to accurately check the surrounding conditions including the surgical target part.However, the surgical robot currently on the market can visually check the surgical part situation only by video feedback through a laparoscopic CCD camera. It is very difficult to distinguish visually invisible areas from hidden tissues such as blood vessels, nerves, and cancer cells, so that the interaction force between the slave robot and the internal organs of the human body is measured and the doctor can accurately contact the force (force or torque, It's very important to give feedback so that you don't damage unnecessary parts.

이와 같이 슬레이브 로봇 팔의 그리퍼와 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 것은 그리퍼 안쪽의 접촉면에 직접 센서를 부착하여 측정을 하는 것이고, 로봇팔에 부착된 슬라이더에서 측정하는 방법들은 접촉면에서 떨어진 인체 외부의 특정 위치에 센서를 설치하여 측정을 하는 것이다.As such, the technique used to measure the interaction force between the gripper of the slave robot arm and the surrounding environment is measured near the end of the surgical tool or on a slider attached to the trocar or robot arm as shown in FIG. The method to use is used. The measurement at the part adjacent to the end of the surgical tool is to attach the sensor directly to the contact surface inside the gripper, and the measurement at the slider attached to the robot arm is to install the sensor at a specific position outside the body away from the contact surface. To take measurements.

이러한 힘 측정 기술로 특허문헌 1내지 3이 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. Patent Documents 1 to 3 as such a force measurement technology. Patent document 1 measures a strain strain at the end of a surgical instrument using an optical sensor called a diffraction grating sensor (FBG, Fiber Bragg Grating), and the FBG reflects and effectively changes the wavelength of light that changes in response to strain strain. It affects the index of refraction and the grating cycle to detect the reflected wavelength and to detect the deformation. This is a direct measurement of the interaction force with the environment through the deformation of the optical sensor at the end of the surgical instrument.

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. Patent document 2 attaches a modular force sensor composed of a strain gauge to a distal tube link portion of an end portion of a surgical tool. Is to measure the contact force directly.

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 부착하여, 환자 몸 밖의 물체와 슬레이브 암과의 상호작용 힘을 측정하고, 이를 통해 환자 몸 외부와 내부에서 발생되는 힘을 분류하는데 사용하는 것이다. Patent document 3 uses a strain gauge or the like to directly measure the contact force acting at the end of a surgical tool, and has a six-axis force / coaxial force on a joint before the first joint of a slave arm having a parallel structure and operated by a master device. By attaching a torque sensor, it measures the force of interaction between an object outside the patient's body and the slave arm and uses it to classify the force generated outside and inside the patient's body.

수술용 로봇에서 힘 피드백을 위한 기술로는 비특허문헌 1 및 2가 있다. 비특허문헌 1은 그리퍼(gripper) 단부에 저항센서(resistive senser)를 부착하여 단부에서 직접 접촉력을 측정하는 기술이고, 비특허문헌 2는 수술용 그리퍼 단부에 스트레인 게이지 센서를 부착하여 단부에서 직접 접촉력을 측정하는 기술이다.Non-patent documents 1 and 2 are techniques for force feedback in a surgical robot. Non-Patent Literature 1 is a technique of measuring a contact force directly at the end by attaching a resistive sensor to the gripper end, and Non-Patent Literature 2 is attaching a strain gauge sensor to the end of the surgical gripper and attaching a strain gauge sensor directly to the end. It is a technique to measure.

이러한 종래의 기술들은 수술도구 그리퍼 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 설치함으로서 불필요한 제작비 및 자원의 낭비를 초래하는 문제가 있다.These conventional techniques have the following problems as a method of measuring the force by attaching a sensor to the surface of the surgical tool gripper. That is, a high current flows to the end of the surgical tool for ablation in the surgical procedure. The high current may damage the sensor, and the sensor may be damaged even during sterilization by high temperature and high pressure. In addition, the surgical tool is a consumable that has to be discarded when a certain number of times or more is used, thereby causing a problem of unnecessary waste of manufacturing cost and resources by installing a sensor on the surgical tool that is discarded.

1. 미국 공개특허 제2010/0250000호(2010.09.30)1. US Patent Publication No. 2010/0250000 (2010.09.30) 2. 미국 등록특허 제07752920호(2010.07.13)2. United States Patent No. 07552920 (July 13, 2010) 3. 미국 공개특허 제2009/0248038(2009.10.01)3. United States Patent Application Publication No. 2009/0248038 (2009.10.01)

1. G. Tholey, et, al., ""A Modular, Automated Laparoscopic Grasper with Three-Dimensional Force Measurement Capability,"" IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Roma, Italy, 10-14, Apr., 2007.1. G. Tholey, et, al., "A Modular, Automated Laparoscopic Grasper with Three-Dimensional Force Measurement Capability," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Roma, Italy, 10-14, Apr., 2007. 2. G. S. Fischer, et, al., ""Ischemia and Force Sensing Surgical Instruments for Augmenting Available Surgeon Information,"" Int. Conf. on Biomedical Robotics and Biomechatronics, Feb., 20062. G. S. Fischer, et, al., "" Ischemia and Force Sensing Surgical Instruments for Augmenting Available Surgeon Information, "Int. Conf. on Biomedical Robotics and Biomechatronics, Feb., 2006

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로서, 수술용 도구의 단부에서 힘을 측정하는 방식의 한계점을 극복하기 위해 로봇팔의 슬라이더에 센서를 부착하여 힘을 측정할 수 있게 한 다자유도 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크를 측정하기 위한 장치를 제공하고자 한다.The present invention has been developed to solve the problems of the prior art as described above, to overcome the limitations of the method of measuring the force at the end of the surgical instrument to attach the sensor to the slider of the robot arm to measure the force An object is to provide a device for measuring force or torque at the slider of a robot arm of a multi-degree of freedom gripper device.

즉, 본 발명은 높은 전류에 의한 영향을 받지 않고, 고온 고압으로 소독을 하지 않아도 되며, 반복하여 사용할 수 있는 시술 부위의 외부에서 그리퍼의 접촉력을 측정할 수 있게 한 것으로서, 그리퍼를 구동시키는 동력을 전달하는 슬라이더에 센서를 부착하여, 슬라이더가 구동할 때 가해지는 힘이나 토크를 측정함에 의해 그리퍼의 접촉력을 감지할 수 있게 한 다자유도 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 장치 및 방법을 제공하고자 한다.That is, the present invention is not affected by high current, does not need to be sterilized by high temperature and high pressure, and it is possible to measure the contact force of the gripper on the outside of the treatment site that can be used repeatedly, and thus the power to drive the gripper Apparatus and method for measuring force or torque in a slider of a robot arm of a multiple degree of freedom gripper device by attaching a sensor to a transmitting slider to detect the contact force of the gripper by measuring the force or torque applied when the slider is driven. To provide.

상기의 해결하려는 과제를 위한 본 발명은 말단에 그리퍼가 부착된 슬레이브 로봇팔과 내시경 카메라가 부착된 슬레이브 로봇팔을 포함하고, 슬라이더의 이동에 의해 구동되는 구동체의 구동에 의해 그리퍼가 장기에 접촉되는 힘 또는 토크를 의사에게 전달하는 접촉력 측정하는 장치에 있어서, 슬라이더에 의해 밀리거나 당겨져 그리퍼를 작동시키는 구동체와 슬라이더 사이에 힘 또는 압력을 감지하기 위한 센서를 설치하고, 센서에서 감지된 힘이나 압력으로부터 그리퍼가 장기에 접촉되는 접촉력을 산출하는 접촉력 산출프로그램을 구비한 것을 특징으로 한다. The present invention for solving the above problems includes a slave robot arm with a gripper attached to the end and a slave robot arm with an endoscope camera attached, the gripper is in contact with the organs by the drive of the drive body driven by the movement of the slider A device for measuring contact force that transmits a force or torque to a doctor, comprising: installing a sensor for sensing a force or pressure between a slider and a driving body that is pushed or pulled by a slider to operate a gripper, And a contact force calculation program for calculating a contact force for the gripper to contact the organ from the pressure.

또한, 본 발명은 슬라이더의 작동에 의해 구동되는 구동체를 다양하게 변형하여 실시 할 수 있으나 바람직하게는 와이어로 구성하고, 슬라이더의 이동에 의해 와이어가 긴장 또는 이완되어 그리퍼가 작동되며, 이렇게 작동하는 슬라이더와 와이어 사이의 힘 또는 압력을 센서에서 감지하여 그리퍼의 접촉력을 감지할 수 있게 하는 것이다. In addition, the present invention can be carried out by variously modifying the drive body driven by the operation of the slider, but preferably constituted by a wire, the gripper is operated by the tension or relaxation of the wire by the movement of the slider, thus operating The force or pressure between the slider and the wire is sensed by the sensor so that the gripper's contact force can be detected.

본 발명을 구성하는 센서로는 다양한 것을 선택하여 사용될 수 있으나 힘센서 또는 압력센서인 것이 바람직하다.The sensor constituting the present invention can be used in a variety of selection, but preferably a force sensor or a pressure sensor.

또한, 본 발명의 산출프로그램은 다양하게 변형하여 실시할 수 있으나, 바람직한 예로, 그리퍼가 장기와 접촉되는 접촉력(τe)은 다음과 같은 수학식In addition, the calculation program of the present invention may be implemented in various modifications, but in a preferred embodiment, the contact force (τ e ) at which the gripper is in contact with the organ is expressed by the following equation.

Figure 112012040436329-pat00001
으로부터 구해진다.
Figure 112012040436329-pat00001
Obtained from

접촉력 산출프로그램은 마찰보상수단을 구비할 수 있고, 와이어 구동방식에서 와이어를 비선형 스프링으로 모델링하면, 접촉힘(fg)는 다음과 같은 동역학 방정식The contact force calculation program may include friction compensation means, and when the wire is modeled as a nonlinear spring in the wire driving method, the contact force f g is given by the following dynamic equation.

Figure 112012040436329-pat00002
으로 표현된다.
Figure 112012040436329-pat00002
.

본 발명의 다른 일 양상은 상기와 같이 구성된 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 장치를 이용한 접촉력 측정 방법으로서, 센서가 슬라이더의 이동에 의해 구동체와의 사이에 작용하는 힘 또는 압력을 감지하는 단계; 감지된 힘 또는 압력 정보를 접촉력 산출프로그램에서 연산하여 그리퍼의 접촉력을 산출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.Another aspect of the present invention is a contact force measuring method using a force or torque measuring device in the slider of the robot arm of the gripper device configured as described above, the sensor is applied to the force or pressure acting between the drive and the moving body by the slider movement. Sensing; And calculating the contact force of the gripper by calculating the detected force or pressure information in the contact force calculation program.

본 발명은 신체의 내부에 삽입된 그리퍼에 센서를 설치하지 않고 신체 외부의 로봇팔의 그리퍼 구동수단에 센서를 설치하여 그리퍼의 접촉력을 추정하여 산출할 수 있게 함으로서 센서를 그리퍼에 설치할 때 발생될 수 있는 문제를 해결할 수 있다. 즉, 그리퍼의 접촉력을 감지하기 위한 수단인 센서들이 신체의 외부에 설치되어 있으므로 수술 과정에서 수술 도구에 인가되는 고 전류에 의해 센서가 손상되는 것을 방지할 수 있고, 센서가 수술도구와 분리되어 있으므로 센서가 고온 고압에 노출되지 않아 보호될 수 있을 뿐만 아니라, 수술 도구의 폐기시에도 센서들을 사용할 수 있어 불필요한 제작비 및 자원의 낭비를 방지할 수 있는 효과가 있는 것이다. The present invention can be generated when the sensor is installed in the gripper by estimating and calculating the contact force of the gripper by installing the sensor on the gripper driving means of the robot arm outside the body without installing the sensor on the gripper inserted into the body. You can solve the problem. That is, since the sensors, which are means for detecting the contact force of the gripper, are installed on the outside of the body, it is possible to prevent the sensor from being damaged by the high current applied to the surgical tool during the surgery, and the sensor is separated from the surgical tool. Not only can the sensor be protected by exposure to high temperature and high pressure, but it can also be used to dispose of surgical instruments, thereby preventing unnecessary waste of manufacturing costs and resources.

도 1은 본 발명에 의한 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 장치의 구성도.
도 2는 수술용 로봇팔 제어시스템의 구성도.
도 3은 수술용 로봇팔 제어시스템에서의 신호 흐름도.
도 4는 슬라이더에 의해 작동되는 그리퍼를 구비한 로봇팔의 일예의 사시도.
도 5는 와이어 구동 방식의 그리퍼 구동수단의 구성도.
도 6은 반력 관측기(reaction torque observer)를 이용한 슬레이브 제어기를 위한 블록선도.
도 7은 도 6에 도시한 제어기에서 반력 관측기의 구성도.
도 8은 통상의 슬레이브 로봇팔의 그리퍼와 주변 환경 사이의 상호작용 힘을 측정하는 부위를 표시한 그림.
1 is a block diagram of a force or torque measuring device in the slider of the robot arm of the gripper device according to the present invention.
2 is a block diagram of a robotic arm control system for surgery.
3 is a signal flow diagram in a surgical robot arm control system.
4 is a perspective view of an example of a robot arm with a gripper actuated by a slider;
5 is a configuration diagram of a gripper driving means of a wire driving method.
6 is a block diagram for a slave controller using a reaction torque observer.
7 is a block diagram of a reaction force observer in the controller shown in FIG.
8 is a view showing a portion for measuring the interaction force between the gripper and the surrounding environment of a conventional slave robot arm.

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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. In the drawings of the present invention, the sizes and dimensions of the structures are enlarged or reduced from the actual size in order to clarify the present invention, and the known structures are omitted so as to reveal the characteristic features, and the present invention is not limited to the drawings . DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail to avoid obscuring the subject matter of the present invention.

본 발명은 신체의 외부에서 신체 내부에서 작동되는 그리퍼의 접촉력을 측정할 수 있게 한 것으로서, 그리퍼(1)를 작동시키는 구동수단(10)에 센서(S)를 설치하고 센서로부터 감지된 정보로부터 그리퍼(1)의 접촉력을 감지할 수 있게 한 것이다. The present invention enables to measure the contact force of the gripper to operate inside the body from the outside of the body, the sensor (S) is installed in the drive means 10 for operating the gripper 1 and the gripper from the information detected from the sensor The contact force of (1) can be detected.

구동수단(10)은 다양하게 변형하여 실시할 수 있으나 액추에이터에 의해 이동되는 슬라이더(2)와, 슬라이더(2)에 의해 밀리거나 당겨져 그리퍼(1)를 작동시키는 구동체(3)로 이루어질 수 있다. 상기 구동체(3)는 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것이고, 이미 의료용 로봇에서 많이 사용되고 잇는 것 중 어느 하나를 선택하여 구성될 수 있으나 바람직하게는 와이어로 구성될 수 있다. 즉, 슬라이더(2)가 수평으로 이동함에 따라 와이어가 긴장 또는 이완되어 그리퍼(1)가 작동되는 와이어 방식을 사용할 수 있으며, 이러한 와이어 방식의 구동체(3)를 구비한 그리퍼 구동수단(10)의 구성은 도 5에 도시한 바와 같고, 이러한 구성은 이미 알려진 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. The driving means 10 may be implemented by various modifications, but may include a slider 2 which is moved by an actuator and a driving body 3 which is pushed or pulled by the slider 2 to operate the gripper 1. . The driving body 3 may be implemented by various modifications, and may be configured by selecting any one that is already used in many medical robots, but preferably, may be made of a wire. That is, as the slider 2 moves horizontally, the wire may be tensioned or relaxed to use a wire method in which the gripper 1 is operated, and the gripper driving means 10 having the wire type drive body 3. The configuration of is as shown in Figure 5, this configuration is already known and a detailed description thereof will be omitted.

본 발명에 의한 접촉력 측정 장치를 구비한 의료용 로봇은 통상의 의료용 로봇과 동일 유사한 그리퍼의 접촉력을 산출하기 위한 구성과 관련되지 않은 부분에 대한 설명은 생략한다. In the medical robot having a contact force measuring device according to the present invention, description of parts not related to the configuration for calculating the contact force of grippers similar to those of a general medical robot will be omitted.

상기 그리퍼(1)는 도 1 및 도 4에 도시한 바와 같이 로봇팔(11)에 자유롭게 움직일 수 있도록 연결되어 있고, 구동수단(10)에 의해 작동되며, 구동수단의 관절부분에 설치된 센서(S)에서 감지된 힘이나 압력으로부터 그리퍼가 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. As shown in FIGS. 1 and 4, the gripper 1 is connected to the robot arm 11 so as to be free to move, and is operated by the driving means 10 and installed at a joint portion of the driving means. There is a contact force calculation program (SW) for calculating a contact force for the gripper to contact the organ from the force or pressure sensed in the). The contact force calculation program SW may be installed in the main computer 100 installed outside the robot or in the slave computer 200 provided in the robot, but is preferably installed in the main computer 100.

상기 센서(S)는 그리퍼 구동수단(10)의 관절 부분 또는 슬라이더(2)와 구동체 사이에 작용하는 힘이나 압력을 감지할 수 있는 종류의 센서이면 어느 것이나 적용 가능하지만 바람직하게는 힘센서 또는 압력센서가 있다. The sensor S may be any type of sensor capable of detecting a force or pressure acting between the joint portion of the gripper driving means 10 or the slider 2 and the driving body, but is preferably a force sensor or There is a pressure sensor.

통상적인 의료용 로봇과 동일 유사하지만 본 발명의 접촉력 측정 장치를 구비한 로봇은 슬라이더(2)를 작동시키는 액추에이터에 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. Similar to a conventional medical robot, but having a contact force measuring device of the present invention, the robot controls the motion controller 300 for controlling the power supplied to the actuator for operating the slider 2 and communicating with the main computer, and the motion controller. It includes a control program 110, the motion controller 300 also controls the driving of an actuator, such as a motor installed in the robot arm.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 장치를 이용한 접촉력 측정 장치를 이용한 접촉력 측정 방법은 센서가 그리퍼 구동수단의 작동시 발생되는 힘 또는 압력을 감지하는 단계; 감지된 힘 또는 압력 정보를 접촉력 산출프로그램에서 연산하여 그리퍼의 접촉력을 산출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다. A contact force measuring method using a contact force measuring device using a force or torque measuring device in the slider of the robot arm of the gripper device according to the present invention configured as described above comprises the steps of: sensing a force or pressure generated when the sensor operates the gripper drive means; And calculating the contact force of the gripper by calculating the detected force or pressure information in the contact force calculation program.

이하, 본 발명의 일 실시예를 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in more detail.

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, 로봇팔에는 슬레이브 로봇팔 인터페이스를 구비하고 있다. 로봇팔 인터페이스는 로봇팔에 그리퍼를 연결시키기 위한 수단으로 전술한 구동수단(10)이 될 수 있다. Surgical slave robot system of the present invention is similar to the conventional surgical robot, as shown in Figure 1 and 2, the main control main computer 100 separated from the robot, the slave computer 200 provided in the robot ), The robot arm is provided with a slave robot arm interface. The robot arm interface may be the driving means 10 described above as a means for connecting the gripper to the robot arm.

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.In addition, the robot according to the present invention controls the actuators such as each motor, reads the encoder signal attached to the motor, supplies electricity to each part and communicates with the main computer, and C language It is made of a computer programming language such as, and has a control program 110 for transmitting a command directly to the motion controller, reading motor state information such as encoder signals or outputting a control signal for moving the motor.

도 3에는 전체 시스템의 데이터 흐름을 보여주는 소프트웨어의 흐름도이다. 구동수단(10)의 일예인 슬라이더(2)와 구동체(3) 사이에 부착된 힘 또는 압력 센서(S) 등은 프로그램 내부에서 콜백 함수에 의해 실시간으로 데이터를 수집하며, 슬레이브 컴퓨터(200)에 부착된 NI-DAQ 보드를 통해 정보를 전달하게 된다. 모션제어기(300)는 메인 컴퓨터(100)와 TCP 등의 통신 프로토콜을 이용하여 정보를 교환하며, 제어프로그램(110)의 명령어를 통해 실시간으로 모터 등의 움직임 또는 엔코더 신호를 포함하는 모터의 상태를 요청한다.3 is a flow chart of the software showing the data flow of the overall system. The force or pressure sensor S attached between the slider 2 and the driving body 3, which is an example of the driving means 10, collects data in real time by a callback function within the program, and the slave computer 200. Information is communicated through the NI-DAQ board attached to it. The motion controller 300 exchanges information with the main computer 100 using a communication protocol such as TCP, and in real time through a command of the control program 110, the state of the motor including the movement of the motor or the encoder signal. request.

도 4는 수술용 슬레이브 로봇팔의 모습을 도시한 것으로, 좌측의 전체 모습에서 점선 부분이 구동수단(10)(슬라이더, 이하, "슬라이더"라 칭함). 우측에 확대하여 도시한 바와 같이, 슬라이더(2)는 그리퍼 모션을 위해 복수가 구비되어 있고 각 슬라이더(2)들은 구동체(3)를 구동시키며 구동체(3)와 슬라이더(2) 사이에는 센서(S)가 설치되어 있다. Figure 4 shows the appearance of a surgical slave robot arm, the dotted line portion in the overall view of the left side driving means 10 (slider, hereinafter referred to as "slider"). As shown enlarged on the right side, the slider 2 is provided with a plurality for gripper motion, and each of the sliders 2 drives the driving body 3, and a sensor between the driving body 3 and the slider 2 is provided. (S) is provided.

그리퍼(1)의 구동 방식으로는 와이어가 많이 사용되고 있으므로, 이하 와이어를 구동체로 설명한다. 액추에이터(구동기)에서 슬라이더로 동력이 전달되고, 수술 도구를 그리퍼에 결합하면 와이어에 슬라이더의 힘이 작용하여 그리퍼로 동력이 전달되고 그리퍼가 작동하게 된다. Since a lot of wires are used as a drive system of the gripper 1, the wire will be described as a drive body. Power is transferred from the actuator to the slider, and when the surgical tool is coupled to the gripper, the force of the slider acts on the wire to transfer power to the gripper and activate the gripper.

도 5에 슬라이더와 와이어로 구성된 그리퍼 구동수단의 작동원리를 설명하기 위한 구성도를 도시하였다. 슬라이더가 와이어를 당기거나 미는 힘 또는 압력을 센서를 통해 측정하면 그리퍼로 전달되는 토크를 알 수 있고, 역으로 그리퍼가 주변 환경과의 상호작용을 통해 발생되는 힘이나 압력이 와이퍼를 통해 센서에 전달되므로 이 주변 환경에 의한 접촉력 변화도 감지할 수 있는 것이다.5 is a configuration diagram for explaining the operation principle of the gripper driving means composed of a slider and a wire. Measuring the force or pressure the slider pulls or pushes through the sensor tells you the torque that is transmitted to the gripper, and conversely, the force or pressure generated by the gripper's interaction with the surroundings is transmitted to the sensor through the wiper. Therefore, changes in contact force caused by the surrounding environment can be detected.

그리퍼로 전달되는 동력은 슬라이더의 이동에 의한 와이어 구동에 의해 이루어지며, 이때 마찰이 발생될 수 있으므로 마찰로 인한 마찰 보상을 고려해야 한다. 마찰 모델링은 모델 기반의 마찰 보상을 필요로 하며, 질량, 스프링, 마찰과 같은 기계적인 마찰 모델로 표현이 가능하다. 도 5에서처럼 와이어 구동 방식은 액추에이터, 와이어, 그리퍼로 구성되어 있다. 여기서 와이어를 비선형 스프링으로 모델링을 하면, 아래의 수학식 (1)과 같은 동역학 방정식으로 표현이 가능하다.The power transmitted to the gripper is driven by a wire driven by the movement of the slider. At this time, friction may be generated and friction compensation due to friction should be considered. Friction modeling requires model-based friction compensation and can be represented by mechanical friction models such as mass, spring, and friction. As shown in FIG. 5, the wire driving method includes an actuator, a wire, and a gripper. In this case, when the wire is modeled as a nonlinear spring, it can be represented by a dynamic equation such as Equation (1) below.

Figure 112012040436329-pat00003
(1)
Figure 112012040436329-pat00003
(One)

여기서, θ는 각도, m은 질량, c는 감쇠 계수, ffric은 마찰력, fk는 와이어를 통해 전달되는 힘, Kwire는 와이어의 힘-변위 계수, fa는 구동기에 의해 발생된 힘, fg는 관절에 작용하는 접촉 힘이다.Where θ is the angle, m is the mass, c is the damping coefficient, f fric is the friction force, f k is the force transmitted through the wire , K wire is the force-displacement coefficient of the wire, f a is the force generated by the driver, f g is the contact force acting on the joint.

액추에이터의 변위가 오직 와이어 구동에만 이용될 때, 마찰은 변위로부터 추정될 수 있고 액추에이터에서의 마찰 ffric1은 0이 되고, 그리퍼에서의 마찰 ffric2은 쿨롱 모델로 가정하고, fa를 측정하면 fg를 구할 수 있다.When the displacement of the actuator only only be used a wire drive, friction when friction f fric1 in can be estimated and the actuator from the displacement is 0, the friction f fric2 of the gripper is assuming Coulomb model, and measures the f a f g can be obtained.

도 6은 반력 관측기(reaction torque observer)를 이용한 슬레이브 제어기를 위한 블록선도이다. 메인컴퓨터로부터 조작자의 힘(Fh)과 위치(Xm)가 슬레이브 제어기로 들어오면, 각각은 추정된 접촉력(

Figure 112012040436329-pat00004
)과 슬레이브의 위치(Xs)와의 차이가 각각의 제어기를 통과하며 합쳐지고, 각각의 모터로 전송된다. 이때 전류(Ia)와 로봇의 위치 정보가 반력 관측기로 입력되어, 추정된 힘을 출력하게 된다. 위치 및 힘 제어기는 각각 PD 제어 또는 P 제어를 사용하였고, Ka는 전압 변환 이득이고, Kt는 모터 상수이다. 반력 관측기는 외란 관측기의 개념을 이용한 것으로, 마스터-슬레이브 시스템에서 이를 통해 슬레이브 주변 환경과의 상호작용으로 발생하는 반력(Fe), 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.6 is a block diagram for a slave controller using a reaction torque observer. When the operator's force (F h ) and position (X m ) from the main computer enter the slave controller, each assumes an estimated contact force (
Figure 112012040436329-pat00004
) And the position of the slave (X s ) are combined through each controller and transmitted to each motor. At this time, the current I a and the position information of the robot are input to the reaction force observer, and output the estimated force. The position and force controllers used PD control or P control, respectively, Ka is the voltage conversion gain and Kt is the motor constant. The reaction force observer uses the concept of the disturbance observer, and in this, the master-slave system can estimate the reaction force (F e ), that is, the contact force generated by the interaction with the slave environment. Assuming that the component due to parameter change or friction is negligibly small, the contact force can be considered disturbance and can be expressed in the same structure as the disturbance observer.

도 7은 도 6의 반력 관측기를 자세히 표현한 것으로, 속도 제어기 기반의 반력 관측기를 이용한 슬레이브 그리퍼를 위한 블록선도 있다. 이 반력 관측기는 속도 정보를 이용하여 접촉력을 추정하는 것으로, 여기서

Figure 112012040436329-pat00005
은 반력 관측기의 주파수 대역을 나타내며 샘플링 시간에 따라 일반적인 힘 센서의 제한된 주파수 대역보다 더 넓은 주파수 대역을 가질 수 있다. 속도 정보는 위치 정보를 미분하고 저역 통과 필터를 통해 얻을 수 있다. 여기서,
Figure 112012040436329-pat00006
는 저역 통과 필터의 차단 주파수를 나타낸다.FIG. 7 illustrates the reaction force observer of FIG. 6 in detail, and there is also a block line for the slave gripper using the speed controller based reaction force observer. This reaction force observer uses velocity information to estimate the contact force, where
Figure 112012040436329-pat00005
Represents the frequency band of the reaction force observer and may have a wider frequency band than the limited frequency band of a typical force sensor depending on the sampling time. Velocity information can be differentiated from position information and obtained through a low pass filter. here,
Figure 112012040436329-pat00006
Denotes the cutoff frequency of the low pass filter.

이렇게 추정된 접촉력은 아래 수학식(2)와 같이 구할 수 있다.The estimated contact force can be obtained as in Equation (2) below.

Figure 112012040436329-pat00007
(2)
Figure 112012040436329-pat00007
(2)

그리퍼는 동력을 전달해주는 슬라이더의 액추에이터의 엔코더 신호를 통해 속도 정보를 얻고, 센서를 통해 전달되는 힘을 직접 측정한다. 속도 정보는 식 (2)에서

Figure 112012040436329-pat00008
에 입력이 되고, 이를 통해 추정된 접촉력을 얻을 수 있다. 이렇게 구해진 추정된 접촉력은 앞서 설명한 바와 같이 직접 측정된 힘과 서로 비교하여 에러를 최소화시킨 최종 추정된 힘으로 출력되게 된다.The gripper obtains velocity information from the encoder's actuator signal, which transmits power, and directly measures the force transmitted through the sensor. Velocity information is given by (2)
Figure 112012040436329-pat00008
It is input to, and the estimated contact force can be obtained through this. The estimated contact force thus obtained is output as the final estimated force which minimizes the error compared with the directly measured force as described above.

1: 그리퍼
10: 그리퍼 구동수단
2: 슬라이더
3: 구동체
11, 12: 로봇팔
S: 센서
SW: 접촉력 산출프로그램
100: 메인컴퓨터
110: 제어프로그램
200: 슬레이브컴퓨터
300: 모션제어기
1: gripper
10: gripper driving means
2: Slider
3: driving body
11, 12: robot arm
S: sensor
SW: contact force calculation program
100: main computer
110: control program
200: slave computer
300: motion controller

Claims (13)

말단에 그리퍼가 부착된 슬레이브 로봇팔과 내시경 카메라가 부착된 슬레이브 로봇팔을 포함하고, 구동수단에 의해 작동되는 상기 그리퍼가 장기에 접촉되는 힘 또는 토크를 시술자에게 전달하는 접촉력을 측정하는 장치에 있어서,
상기 구동수단은 액추에이터에 의해 작동되는 슬라이더와 상기 그리퍼를 작동시키는 구동체로 이루어지고,
상기 그리퍼를 작동시키는 과정에서 발생되는 힘 또는 압력을 감지하기 위한 센서를 상기 구동수단의 슬라이더와 구동체 사이에 설치하고,
상기 센서에서 감지된 힘이나 압력으로부터 상기 그리퍼가 장기에 접촉되는 접촉력을 산출하는 접촉력 산출프로그램을 구비한 것을 특징으로 하는 다자유도 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 장치.
In the device for measuring the contact force for transmitting a force or torque to the operator, the slave robot arm with a gripper attached to the distal end and the slave robot arm with an endoscope camera, the gripper actuated by the driving means to the organ ,
The driving means is composed of a slider operated by an actuator and a driving body for operating the gripper,
A sensor for sensing a force or pressure generated during the operation of the gripper is installed between the slider and the driving body of the driving means,
And a contact force calculation program for calculating a contact force for contacting the gripper with the organ from the force or pressure sensed by the sensor.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 구동체는 와이어이고, 상기 슬라이더의 이동에 의해 와이어가 긴장 또는 이완되어 그리퍼가 작동되는 것을 특징으로 하는 다자유도 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 장치.
The method of claim 1,
The driving body is a wire, the force or torque measuring device in the slider of the robot arm of the multi-degree of freedom gripper device, characterized in that the gripper is operated by the tension or relaxation of the wire by the movement of the slider.
제1항에 있어서,
상기 센서는 힘센서 또는 압력센서인 것을 특징으로 하는 다자유도 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 장치
The method of claim 1,
The force or torque measuring device in the slider of the robot arm of the multi-degree of freedom gripper device, characterized in that the sensor is a force sensor or a pressure sensor
제1항에 있어서,
상기 접촉력 산출프로그램은 로봇의 구동을 제어하는 메인 컴퓨터에 설치되고,
상기 슬라이더를 작동시키는 액추에이터에 공급되는 전원을 제어하고 메인 컴퓨터와 통신하는 모션제어기와, 상기 모션제어기를 제어하는 제어프로그램을 포함하는 것을 특징으로 하는 다자유도 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 장치.
The method of claim 1,
The contact force calculation program is installed in the main computer that controls the driving of the robot,
A motion controller for controlling power supplied to an actuator for operating the slider and communicating with a main computer; and a control program for controlling the motion controller. Torque measuring device.
제1항에 있어서,
상기 그리퍼가 장기와 접촉되는 접촉력(τe)은 다음 수학식
Figure 112013090161162-pat00009

으로 구해지는 것을 특징으로 하는 다자유도 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 장치.
The method of claim 1,
The contact force τ e for contacting the gripper with the organ is expressed by the following equation.
Figure 112013090161162-pat00009

Force or torque measuring device in the slider of the robot arm of the multiple degree of freedom gripper device, characterized in that obtained.
제1항에 있어서,
상기 접촉력 산출프로그램은 마찰보상수단을 구비하고 있으며,
마찰 보상된 접촉힘(fg)은 다음 수학식
Figure 112013090161162-pat00010

으로 구해지는 것을 특징으로 하는 다자유도 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 장치.
여기서 θ는 각도, m은 질량, c는 감쇠 계수, ffric은 마찰력, fk는 와이어를 통해 전달되는 힘, kwire는 와이어의 힘-변위 계수, fa는 구동기에 의해 발생된 힘, fg는 관절에 작용하는 접촉힘.
The method of claim 1,
The contact force calculation program is provided with friction compensation means,
The friction compensated contact force f g is given by
Figure 112013090161162-pat00010

Force or torque measuring device in the slider of the robot arm of the multiple degree of freedom gripper device, characterized in that obtained.
Where θ is the angle, m is the mass, c is the damping coefficient, f fric is the friction force, f k is the force transmitted through the wire , k wire is the force-displacement coefficient of the wire, f a is the force generated by the driver, f g is the contact force acting on the joint.
말단에 그리퍼가 부착된 슬레이브 로봇팔과 내시경 카메라가 부착된 슬레이브 로봇팔을 포함하고, 상기 그리퍼 구동수단의 슬라이더와 그리퍼를 작동시키는 구동체 사이에 센서를 설치하고, 상기 그리퍼 구동수단은 액추에이터에 의해 작동되는 슬라이더와 상기 그리퍼를 작동시키는 구동체로 이루어지고, 상기 센서에서 감지된 힘이나 압력으로부터 그리퍼가 장기에 접촉되는 접촉력을 산출하는 접촉력 산출프로그램을 구비한 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 장치를 이용한 접촉력 측정 방법에 있어서,
상기 센서가 그리퍼 구동수단의 구동시 작용하는 힘 또는 압력을 감지하는 단계;
감지된 힘 또는 압력 정보를 접촉력 산출프로그램에서 연산하여 상기 그리퍼의 접촉력을 산출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다자유도 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크를 측정 방법.
And a slave robot arm having a gripper attached to the distal end and a slave robot arm having an endoscope camera mounted thereon, wherein a sensor is installed between the slider of the gripper driving means and the driving body for operating the gripper, and the gripper driving means is driven by an actuator. Force or torque at the slider of the robot arm of the gripper device, comprising a slider that is operated and a driving body for operating the gripper, and having a contact force calculation program that calculates a contact force for the gripper to contact the organ from the force or pressure sensed by the sensor. In the contact force measuring method using a measuring device,
Sensing by the sensor a force or pressure acting upon driving of the gripper driving means;
And calculating the contact force of the gripper by calculating the detected force or pressure information in a contact force calculation program.
삭제delete 제8항에 있어서,
상기 구동체는 와이어이고, 상기 슬라이더의 이동에 의해 와이어가 긴장 또는 이완되어 그리퍼가 작동되며, 상기 센서에서 감지된 슬라이더와 와이어 사이의 힘 또는 압력으로부터 그리퍼의 접촉력을 산출하는 것을 특징으로 하는 다자유도 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 방법.
9. The method of claim 8,
The drive body is a wire, and the wire is tensioned or relaxed by the movement of the slider to operate the gripper, and the gripper calculates the contact force of the gripper from the force or pressure between the slider and the wire sensed by the sensor. Method of measuring force or torque at the slider of the robot arm of the road gripper device.
제8항에 있어서,
상기 센서는 힘센서 또는 압력센서인 것을 특징으로 하는 다자유도 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 방법.
9. The method of claim 8,
The sensor is a force sensor or a pressure sensor, characterized in that the force or torque measuring method in the slider of the robot arm of the multi-degree of freedom gripper device.
제8항에 있어서,
상기 그리퍼가 장기와 접촉되는 접촉력(τe)은 다음 수학식
Figure 112013090161162-pat00011

으로 구해지는 것을 특징으로 하는 다자유도 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 방법.
9. The method of claim 8,
The contact force τ e for contacting the gripper with the organ is expressed by the following equation.
Figure 112013090161162-pat00011

Force or torque measurement method in the slider of the robot arm of the multiple degree of freedom gripper device, characterized in that obtained.
제8항에 있어서,
상기 접촉력 산출프로그램에서는 마찰보상 과정을 더 수행하고, 이 과정에서 마찰 보상된 접촉힘(fg)은 다음 수학식
Figure 112013090161162-pat00012

으로 구해지는 것을 특징으로 하는 다자유도 그리퍼 장치의 로봇팔의 슬라이더에서 힘 또는 토크 측정 방법.
여기서 θ는 각도, m은 질량, c는 감쇠 계수, ffric은 마찰력, fk는 와이어를 통해 전달되는 힘, kwire는 와이어의 힘-변위 계수, fa는 구동기에 의해 발생된 힘, fg는 관절에 작용하는 접촉힘.

9. The method of claim 8,
In the contact force calculation program, a friction compensation process is further performed, and in this process, the frictionally compensated contact force f g is represented by the following equation.
Figure 112013090161162-pat00012

Force or torque measurement method in the slider of the robot arm of the multiple degree of freedom gripper device, characterized in that obtained.
Where θ is the angle, m is the mass, c is the damping coefficient, f fric is the friction force, f k is the force transmitted through the wire , k wire is the force-displacement coefficient of the wire, f a is the force generated by the driver, f g is the contact force acting on the joint.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110507388A (en) * 2019-08-07 2019-11-29 深圳市罗伯医疗科技有限公司 A kind of flexible mechanical arm and interior mirror assembly
US20210060793A1 (en) * 2019-09-03 2021-03-04 Shanghai Flexiv Robotics Technology Co., Ltd. Robotic arm and robot
CN117257467B (en) * 2023-11-16 2024-02-06 北京云力境安科技有限公司 Endoscope operation force determination device, computer device and readable storage medium

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4696501A (en) * 1986-01-30 1987-09-29 Honeywell Inc. Robot gripper
KR20090094234A (en) * 2006-10-25 2009-09-04 더 유럽피안 애토믹 에너지 커뮤니티(이유알에이티오엠), 리프레젠티드 바이 더 유럽피안 커미션 Force estimation for a minimally invasive robotic surgery system
KR20110043662A (en) * 2008-07-16 2011-04-27 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드 Backend mechanism for four-cable wrist
KR20120022521A (en) * 2010-09-01 2012-03-12 주식회사 이턴 Coupling structure and zero point calibration method of surgical instrument

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4696501A (en) * 1986-01-30 1987-09-29 Honeywell Inc. Robot gripper
KR20090094234A (en) * 2006-10-25 2009-09-04 더 유럽피안 애토믹 에너지 커뮤니티(이유알에이티오엠), 리프레젠티드 바이 더 유럽피안 커미션 Force estimation for a minimally invasive robotic surgery system
KR20110043662A (en) * 2008-07-16 2011-04-27 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드 Backend mechanism for four-cable wrist
KR20120022521A (en) * 2010-09-01 2012-03-12 주식회사 이턴 Coupling structure and zero point calibration method of surgical instrument

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210015112A (en) 2019-07-31 2021-02-10 고건실 Multi-Axis Force Sensor and Multi-Axis Force Detecting Forceps

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