KR20130073103A

KR20130073103A - 수술 로봇 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR20130073103A
Application number: KR1020110140778A
Authority: KR
Inventors: 이광규; 권웅; 노경식
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-07-03
Also published as: US9658605B2; JP6113493B2; JP2013132747A; KR101901580B1; US20130116706A1

Abstract

수술 도구가 장착된 로봇 암에 작용하는 외력을 산출하고; 절개공의 중심점이 설정되면 로봇 암에 작용하는 외력을 필터링하고; 절개공의 중심점으로부터 벗어난 수술 도구가 절개공의 중심점으로 복귀하도록 하는 가상력을 산출하고; 산출된 가상력을 필터링된 외력에 추가하여 로봇 암의 움직임을 제어함으로써, 수술 로봇의 컴팩트(compact) 설계가 가능하도록 하여 수술 로봇의 부피를 감소시킬 수 있다.

Description

수술 로봇 및 그 제어 방법{SURGICAL ROBOT AND CONTROL METHOD THEREOF}

최소 침습 수술에 이용되는 수술 로봇 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

최소 침습 수술(Minimal Invasive Surgery)이란 환부의 크기를 최소화하는 수술을 통칭하는 것으로서 복강경(Laparoscopic Surgery) 수술이나, 수술 로봇을 이용한 수술이 최소 침습 수술의 대표적인 예이다. 최소 침습 수술은 인체의 일부(예: 복부)에 큰 절개창을 열고 시행하는 개복 수술과 달리, 복부에 0.5㎝~1.5㎝ 크기의 작은 구멍(절개공 또는 침습구)을 여러 개 내고, 절개공을 통해 비디오 카메라와 각종 기구들을 넣은 후 영상을 보면서 시행하는 수술 방법이다.

이러한 최소 침습 수술은 개복 수술과 달리 수술 후 통증이 적고, 장 운동의 조기 회복 및 음식물의 조기 섭취가 가능하며 입원 기간이 짧고 정상 상태로의 복귀가 빠르며 절개 범위가 좁아 미용 효과가 우수하다는 장점을 가진다. 이러한 장점으로 인해 최소 침습 수술은 담낭 절재술, 전립선 암 수술, 탈장 교정술 등에 사용되고 있고 그 분야를 점점 더 넓혀가고 있는 추세이다.

수술 로봇(surgical robot)은 의사의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터(master) 로봇과, 마스터 로봇으로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave) 로봇으로 이루어지며, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇을 통합하여 구성하거나, 각각 별도의 장치로 구성하여 수술실에 배치하게 된다.

슬레이브 로봇에는 수술을 위한 조작을 위해 로봇 암(arm)을 구비하게 되며, 로봇 암의 선단부에는 수술 도구(surgical instruments)가 장착된다. 로봇 암의 선단에 수술 도구를 장착하여 수술을 수행하게 되면 로봇 암의 움직임에 따라 수술 도구도 같이 움직이게 된다.

수술 로봇을 이용한 최소 침습 수술의 경우, 사용자(조작자, 주로 의사)가 직접 손으로 수술 도구가 장착된 로봇 암을 잡고 움직여 수술 도구를 절개공으로 삽입하고 수술하고자 하는 영역으로 위치시키는 수동 위치 선정 모드(Manual Positioning Mode)와 조작자가 마스터 로봇을 이용해 환자의 체내에 삽입된 수술 도구를 원격 조작하는 원격 조작 모드(Teleoperation Mode)가 존재한다. 위의 두 가지 모드에서 공통적으로 로봇 암에 장착된 수술 도구가 절개공을 침해하지 않도록 하기 위해서는 로봇 암(또는 수술 도구)에 대한 제한적인 움직임 제어가 필수적이다. 이러한 수술 도구의 제한적인 움직임이 만족되지 않는 경우 절개공이 확장되거나 부수적인 환부의 출혈 등으로 이어져 인체의 피부에 손상을 입힐 우려가 있다.

따라서, 로봇 암의 선단에 장착되는 수술 도구는 소정 위치에 가상의 회동 중심점을 설정하고 이 점을 중심으로 수술 도구가 회동하도록 로봇 암을 제어하게 되는데, 이러한 가상의 중심점을 '원격 중심' 또는 'RCM(Remote Center of Motion)'이라 한다.

절개공의 위치를 수술 도구의 병진(translational) 움직임 및 회전(rotational) 움직임에 대해 고정시키고, 이 점을 RCM으로 보장하기 위해 기존에는 로봇 암의 링크 구조를 평행사변형 구조(4절 링크 구조)로 설계하였다. 4절 링크 구조에서의 각 링크는 움직임이나 배치(configuration)에 상관없이 구조적으로 반드시 한 점을 지나도록 되어 있어 수동 위치 선정 모드와 원격 조정 모드에서 모두 별도의 조치없이 RCM의 구현이 가능하다.

로봇 암의 RCM을 구현하는 방식은 크게 '패시브 타입(passive type)'과 '액티브 타입(active type)'으로 구분할 수 있다. 패시브 타입은 기구적인 구조를 이용하여 로봇 암의 RCM을 구현하는 방식이고, 액티브 타입은 제어 알고리즘을 이용하여 로봇 암의 RCM을 구현하는 방식이다.

전술한 4절 링크 구조를 이용하여 RCM을 구현하는 방식은 패시브 타입으로, 이는 로봇 암을 지지하는 수술 로봇의 부피를 증가시키는 문제점이 있다. 또한 복수의 수술 로봇으로 수술 로봇 시스템을 구성하는 경우, 전체 시스템의 부피가 커져 넓은 공간을 점유하게 되며 이로 인해 작업 공간(workspace)이 협소해지고 수술 작업 중 수술 로봇 간의 충돌 위험성이 높아지는 문제점이 있다.

패시브 타입으로 기구적인 구조를 이용하여 로봇 암의 RCM을 구현하는 것이 아니라 액티브 타입으로 제어 알고리즘을 이용하여 로봇 암의 RCM을 구현함으로써 수술 로봇의 컴팩트(compact) 설계가 가능하도록 하여 수술 로봇의 부피를 감소시킬 수 있는 수술 로봇 및 그 제어 방법을 제안하고자 한다.

또한 액티브 타입의 RCM 구현 방식을 통해 수술 로봇(또는 수술 로봇 시스템)의 컴팩트 설계가 가능하도록 함으로써 기존 범용 직렬형 로봇의 수술 로봇 분야로의 활용 가능성을 제공할 수 있는 수술 로봇 및 그 제어 방법을 제안하고자 한다.

또한 사용자(조작자)가 직접 손으로 수술 도구가 장착된 로봇 암을 잡고 움직여 수술 도구를 절개공으로 삽입하고 수술하고자 하는 영역으로 위치시키는 수동 위치 선정 모드에서, 로봇 암에 장착된 수술 도구가 절개공을 침해하지 않도록 하기 위해 로봇 암(또는 수술 도구)의 제한적인 움직임을 보장할 수 있는 수술 로봇 및 그 제어 방법을 제안하고자 한다.

이를 위해 본 발명의 일 측면은 수술 도구가 장착된 로봇 암에 작용하는 외력을 산출하고; 절개공의 중심점이 설정되면 로봇 암에 작용하는 외력을 필터링하고; 절개공의 중심점으로부터 벗어난 수술 도구가 절개공의 중심점으로 복귀하도록 하는 가상력을 산출하고; 산출된 가상력을 필터링된 외력에 추가하여 로봇 암의 움직임을 제어한다.

또한 로봇 암의 움직임을 제어하는 것은 사용자가 손으로 수술 도구가 장착된 로봇 암을 잡고 움직여 수술 도구를 절개공으로 삽입하고 수술하고자 하는 영역으로 위치시키는 수동 위치 선정 모드에서 수행된다.

또한 로봇 암에 작용하는 외력을 산출하는 것은: 힘/토크 센서를 이용하여 수술 로봇의 동작과 관련된 관절부를 이루는 각 회전 관절에 작용하는 토크 정보를 검출하고; 검출된 토크 정보에서 아래의 [수학식 1]을 통해 산출되는 외력이 작용하지 않는 상황에서 로봇 암이 현재 위치 또는 현재 움직임을 유지하는데 필요한 회전 관절의 토크 정보를 빼서 실제로 외부에서 로봇 암에 가한 외력에 의한 회전 관절의 토크 정보를 산출한다.

[수학식 1]

여기서, q는 회전 관절의 회전 각도, M은 inertia matrix, c는 Coriolis 및 Centrifugal Force, g는 중력을 의미한다.

또한 로봇 암에 작용하는 외력을 필터링하는 것은 외부에서 로봇 암에 가한 외력에 의한 회전 관절의 토크 정보에서 수술 도구 상에 존재하는 원격 중심이 절개공의 중심점을 벗어나도록 하는 토크 정보를 제거하는 것이다.

또한 가상력을 산출하는 것은: 절개공의 중심점과 원격 중심 사이에 가상 스프링 및 가상 댐퍼를 장착하고; 절개공의 중심점과 원격 중심 사이의 편차를 산출하고; 산출된 편차, 가상 스프링의 스티프니스(stiffness) 및 가상 댐퍼의 계수를 이용하여 가상력을 산출한다.

본 발명의 일 측면은 수술 로봇의 동작과 관련된 관절부를 이루는 각 회전 관절에 작용하는 토크 정보를 검출하는 힘/토크 센서; 및 수술 도구가 장착된 로봇 암에 작용하는 외력을 산출하고, 절개공의 중심점이 설정되면 로봇 암에 작용하는 외력을 필터링하고, 절개공의 중심점으로부터 벗어난 수술 도구가 절개공의 중심점으로 복귀하도록 하는 가상력을 산출하고, 산출된 가상력을 필터링된 외력에 추가하여 로봇 암의 움직임을 제어하는 제어부를 포함한다.

또한 제어부는 사용자가 손으로 수술 도구가 장착된 로봇 암을 잡고 움직여 수술 도구를 절개공으로 삽입하고 수술하고자 하는 영역으로 위치시키는 수동 위치 선정 모드에서 로봇 암의 움직임을 제어한다.

또한 제어부는 힘/토크 센서로부터 수술 로봇의 동작과 관련된 관절부를 이루는 각 회전 관절에 작용하는 토크 정보를 입력 받고, 검출된 토크 정보에서 아래의 [수학식 1]을 통해 산출되는 외력이 작용하지 않는 상황에서 로봇 암이 현재 위치 또는 현재 움직임을 유지하는데 필요한 회전 관절의 토크 정보를 빼서 실제로 외부에서 로봇 암에 가한 외력에 의한 회전 관절의 토크 정보를 산출한다.

[수학식 1]

또한 제어부는 외부에서 로봇 암에 가한 외력에 의한 회전 관절의 토크 정보에서 수술 도구 상에 존재하는 원격 중심이 절개공의 중심점을 벗어나도록 하는 토크 정보를 제거하여 로봇 암에 작용하는 외력을 필터링한다.

또한 제어부는 절개공의 중심점과 원격 중심 사이에 가상 스프링 및 가상 댐퍼를 장착하고, 절개공의 중심점과 원격 중심 사이의 편차를 산출하고, 산출된 편차, 가상 스프링의 스티프니스(stiffness) 및 가상 댐퍼의 계수를 이용하여 가상력을 산출한다.

제안된 수술 로봇 및 그 제어 방법에 의하면, 패시브 타입으로 기구적인 구조를 이용하여 로봇 암의 RCM을 구현하는 것이 아니라 액티브 타입으로 제어 알고리즘을 이용하여 로봇 암의 RCM을 구현함으로써 수술 로봇의 컴팩트(compact) 설계가 가능하도록 하여 수술 로봇의 부피를 감소시킬 수 있다.

또한 제안된 수술 로봇 및 그 제어 방법에 의하면, 액티브 타입의 RCM 구현 방식을 통해 수술 로봇(또는 수술 로봇 시스템)의 컴팩트 설계가 가능하도록 함으로써 기존 범용 직렬형 로봇의 수술 로봇 분야로의 활용 가능성을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수술 로봇의 제어 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수술 로봇에 구현된 수동 위치 선정 모드 시 로봇 암의 움직임을 제어하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수술 로봇의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 도 3 에 도시된 절개공의 중심점을 설정하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 외력을 필터링하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수술 로봇의 제어 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수술 로봇은 입력부(110), 힘/토크 센서(120), 제어부(130), 저장부(140), 서보 제어부(150), 구동부(160) 및 회전 각도 검출부(170)를 포함한다.

입력부(110)는 사용자(조작자)가 수술 로봇의 동작 명령(예: 작업 명령 등)을 입력하기 위한 것으로, 사용자 인터페이스(UI)나 원격 조작기 등으로 구성할 수 있다. 또한 입력부(110)는 조작자가 절개공의 중심점(도 2의 Pc)의 위치를 설정하기 위한 키보드(keyboard), 페달(pedal) 또는 풋스위치(footswitch), 마우스(mouse) 등의 장치를 포함할 수 있다.

힘/토크 센서(120)는 수술 로봇의 동작(작업)과 관련된 관절부(예: 어깨 관절부, 팔꿈치 관절부, 손목 관절부 등)에 장착되어, 관절부를 이루는 각 회전 관절에 작용하는 힘과 모멘트(토크)를 검출한다. 힘/토크 센서(120)로는 병진 3방향의 힘(Fx, Fy, Fz)과 회전 3방향의 모멘트(Mx, My, Mz)를 검출하는 6축 힘/토크 센서(6-Axis Force-Torque Sensor)가 이용될 수 있다.

제어부(130)는 수술 로봇의 전반적인 동작을 제어하는 컨트롤러로, 제어부(130)는 수술 도구(210)가 장착된 로봇 암에 작용하는 외력을 산출하고, 절개공의 중심점(Pc)이 설정되면 로봇 암에 작용하는 외력을 필터링하고, 절개공의 중심점(Pc)으로부터 벗어난 수술 도구(210)가 절개공의 중심점(Pc)으로 복귀하도록 하는 가상력을 산출하고, 산출된 가상력을 필터링된 외력에 추가하여 로봇 암의 움직임을 제어한다.

저장부(140)는 수동 위치 선정 모드 시, 수술 로봇이 로봇 암(또는 수술 도구)에 대한 제한적인 움직임 제어를 수행하기 위해 필요로 하는 사전 정보 및 제한적인 움직임 제어의 수행 과정에서 발생하는 정보들을 저장하기 위한 메모리로, 저장부(140)에는 로봇 암 및 로봇 암에 부착된 수술 도구(210)의 cad 정보, 절개공의 중심점 설정 과정에서 순기구학(Forward Kinematics)을 이용하여 산출되는 절개공의 중심점(Pc)의 위치 및 방향 정보 등이 저장된다.

도 4를 참조하여, 저장부(140)에 저장되는 절개공(220)에 대한 정보에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에서는 로봇 암에 대한 제한적인 움직임 제어를 수행하기 위해 필요로 하는 사전 정보 및 제한적인 움직임 제어의 수행 과정에서 발생하는 정보들을 저장하기 위한 저장부(140)가 별도로 마련되는 구성을 예로 들어 설명하였으나, 저장부(140)의 구성을 채용하지 않고 제어부(130) 내의 내부 메모리에 제한적인 움직임 제어를 수행하기 위해 필요로 하는 사전 정보 등을 저장하도록 구성할 수도 있다.

서보 제어부(150)는 제어부(130)로부터 전달된 목표 관절 토크(τd)에 대응하는 토크 제어 신호를 수술 로봇의 동작과 관련된 관절부의 각 회전 관절을 회전 구동하는 구동부(160)에 출력한다.

구동부(160)는 관절부를 이루는 각 회전 관절에 전기 또는 유압에 의한 동력을 전달하기 위한 모터 등의 액추에이터로, 서보 제어부(150)로부터 전달된 토크 제어 신호에 따라 수술 로봇의 동작과 관련된 관절부의 각 회전 관절을 회전 구동한다.

회전 각도 검출부(170)는 수술 로봇의 동작과 관련된 관절부에 마련된 각 회전 관절을 회전 구동하기 위해 설치된 액추에이터(구동부)의 회전 각도를 검출하기 위한 것으로, 회전 각도 검출부(170)로는 엔코더(encoder)가 이용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수술 로봇에 구현된 수동 위치 선정 모드 시 로봇 암의 움직임을 제어하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 사용자(조작자)가 직접 손으로 수술 도구(210)가 장착된 로봇 암을 잡고 움직여 수술 도구(210)를 절개공(220)으로 삽입하고 수술하고자 하는 영역으로 위치시키는 수동 위치 선정 모드(Manual Positioning Mode)에서, 로봇 암에 장착된 수술 도구(210)가 절개공(220)을 침해하지 않도록 로봇 암의 움직임을 제어하는 방법을 제안한다.

먼저, 사용자가 손으로 수술 도구(210)가 부착된 로봇 암(미도시)을 잡고 움직여 로봇 암에 부착된 수술 도구(210)의 말단이 절개공의 중심점(Pc)에 위치하도록 하고, 수술 도구(210)의 길이 방향이 절개공(220)의 면에 수직이 되도록 위치시킨다. 다음으로, 사용자가 페달이나 마우스 등의 입력부(110)를 조작함으로써 수술 도구(210)의 말단의 현재(입력부 조작 시점에서의) 위치를 절개공의 중심점의 위치로 설정한다. 이렇게 설정된 절개공의 중심점(Pc)은 수술 로봇(로봇 암)의 외부에 존재하는 점으로서, 로봇 암의 움직임과 상관없이 로봇 암에 부착된 수술 도구(210) 위의 원격 중심(Prcm)과 일치해야 한다.

로봇 암에 부착된 수술 도구(210)의 말단이 절개공의 중심점(Pc)에 위치하도록 하고, 수술 도구(210)의 길이 방향이 절개공(220)의 면에 수직이 되도록 위치시킨다.

수동 위치 선정 모드에서 절개공의 중심점(Pc)이 설정되기 전에는 사용자가 로봇 암에 가하는 힘을 관절부에 장착된 힘/토크 센서(120)를 통해 검출하고, 검출 정보(힘의 크기와 방향)를 이용하여 로봇 암의 움직임을 제어한다. 즉, 절개공의 중심점(Pc)이 설정되기 전까지는 사용자가 자유롭게 로봇 암을 잡고 움직일 수 있고, 로봇 암의 움직임을 제한할 필요가 없다. 하지만, 일단 절개공의 중심점(Pc)의 위치가 설정되면 사용자가 로봇 암에 가하는 힘에서 현재의 절개공의 중심점(Pc)의 위치를 벗어나도록 하는 힘 부분을 필터링(filtering)한다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이 수술 도구(210)에 가상 슬라이더(230)를 장착하고 설정된 절개공의 중심점(Pc)과 수술 도구(210) 상의 가상 슬라이더(230) 사이에 가상 스프링(240)과 가상 댐퍼(250)를 장착하여 절개공의 중심점(Pc)로부터 벗어난 수술 도구(210)가 절개공의 중심점(Pc)의 위치로 복귀하도록 하는 가상의 복원력(가상의 복원력은 도 2에 도시된 화살표 방향으로 작용함)을 산출한다. 필터링된 사용자의 힘(외력)에 산출된 가상의 복원력을 반영하고, 가상의 복원력이 반영된 필터링된 외력에 기초하여 로봇 암을 움직임으로써, 로봇 암에 부착된 수술 도구(210) 상의 원격 중심(Prcm)이 반드시 절개공의 중심점(Pc)을 통과하도록 제어할 수 있다.

이하에서는 도 3을 중심으로 하고 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 수술 로봇의 제어 방법을 설명하도록 한다.

본 발명의 실시예의 동작설명을 위한 초기조건으로서, 저장부(140)에는 수술 로봇이 로봇 암(또는 수술 도구)에 대한 제한적인 움직임 제어를 수행하기 위해 필요로 하는 사전 정보로서, 로봇 암 및 로봇 암에 부착된 수술 도구(210)의 cad 정보가 미리 저장되어 있는 것을 전제한다.

입력부(110)를 통해 사용자로부터 수술 로봇의 동작 명령이 입력되면 수술 도구(210)를 절개공(220)으로 삽입하고 수술하고자 하는 영역으로 위치시키는 수동 위치 선정 모드가 시작된다.

수동 위치 선정 모드가 시작되면 제어부(130)는 힘/토크 센서(120)로부터 관절부를 이루는 각 회전 관절에 작용하는 힘/토크 정보를 입력 받고, 입력된 힘/토크 정보를 이용하여 로봇 암에 작용하는 외력을 산출한다(310).

여기서, 외력을 산출한다는 것은 수술 로봇(보다 정확하게는 로봇 암)이 현재 위치 또는 현재 움직임을 유지하는데 필요한 토크 이외의 사용자 또는 환경에 의해 관절부에 작용하는 힘/토크를 산출하는 것을 의미한다.

힘/토크 센서(120)에 결합되는 로봇 암 및 그 로봇 암에 결합되는 수술 도구(210)는 각자 고유한 질량을 가지므로, 힘/토크 센서(120)는 외부에서 발생하는 순수한 외력뿐만 아니라, 로봇 암 및 그 로봇 암에 결합되는 수술 도구(210)의 질량에 의하여 발생하는 내부의 간접적인 힘/토크 정보도 검출하게 된다. 또한 수술 로봇이 천천히 움직이는 경우과 달리 수술 로봇의 움직임이 빨라지게 되면 관성력이 발생된다. 따라서, 힘/토크 센서(120)에 전달되는 내부의 간접적인 힘/토크 정보에는 관성력에 의한 힘/토크 정보가 포함된다.

즉, 수술 로봇이 작업을 수행하는 동안 힘/토크 센서(120)는 순수 외력에 의한 힘/토크 정보 뿐만 아니라 로봇 암 및 수술 도구(210)의 질량과 움직임에 따른 관성에 의해 발생하는 간접적인 힘/토크 정보를 같이 검출한다. 따라서, 로봇 암 및 수술 도구(210)의 질량과 움직임에 따른 관성에 의해 발생하는 간접적인 힘/토크 정보를 산출하고, 힘/토크 센서(120)에서 검출된 힘/토크 정보에서 산출된 간접적인 힘/토크 정보를 뺀 값을 순수한 외력에 의한 힘/토크 정보로 간주하고 이를 바탕으로 로봇 암의 움직임을 제어해야 한다.

제어부(130)는 로봇 암 및 로봇 암에 부착된 수술 도구(210)의 캐드 정보(cad data)로부터 로봇 암을 모델링하고, 이로부터 로봇 암이 현재 위치 또는 현재 움직임을 유지하는데 필요한 토크 정보를 산출한다. 즉, 제어부(130)는 외력이 작용하지 않는 상황에서 현재 위치 또는 현재 움직임을 유지하는데 필요한 회전 관절의 토크 정보(τcalculated)를 아래의 [수학식 1]을 이용하여 산출한다.

[수학식 1]

힘/토크 센서(120)를 이용하여 검출된 회전관절에 작용하는 토크 정보(τmeasured)에서 현재 위치 또는 현재 움직임을 유지하는데 필요한 회전 관절의 토크 정보(τcalculated)를 뺀 값은 실제로 외부에서 로봇 암에 가한 외력에 의한 회전관절의 토크 정보(τexternal)에 해당하며, 아래의 [수학식 2]와 같은 관계가 성립한다.

[수학식 2]

사용자는 직접 손을 이용하여 로봇 암에 외력을 가함으로써, 로봇 암에 부착된 수술 도구(210)를 원하는 위치로 움직일 수 있다. 이후 사용자는 로봇 암에 부착된 수술 도구(210)의 말단을 절개공의 중심점(Pc)에 위치시키고, 수술 도구(210)의 길이 방향이 절개공(220)의 면에 수직이 되도록 위치시킨 후 키보드 또는 페달이나 마우스 등의 입력부(110)를 조작함으로써 수술 도구(210)의 말단의 현재(입력부 조작 시점에서의) 위치를 절개공의 중심점의 위치로 설정한다.

이 때, 제어부(130)는 순기구학(Forwqrd Kinematics)을 이용하여 수술 도구(210)의 말단의 위치 및 방향을 산출하고, 산출된 수술 도구(210)의 말단의 위치 및 방향을 절개공의 중심점(Pc)의 위치 및 방향으로 간주하고 이를 저장부(140)에 저장한다. 도 4를 참조하여, 저장부(140)에 저장되는 절개공(220)에 대한 정보에 대해 설명하면 다음과 같다.

Pc: 절개공(220)의 면 위에 존재하고, 3차원상의 절개공(220)의 중심점을 나타낸다.

C1, C2 : 각각 3차원 상의 벡터로, 서로 직교정규(orthonormal)하며 절개공(220)의 면을 가로지르는 기본 벡터(basis vector)이다.

Prcm : 원격 중심(Remote Center of Motion)으로 수술 도구(210) 상에 존재하며, 절개공(220)의 면과 수술 도구(210)의 교차점을 의미한다. 키보드 또는 페달이나 마우스 등의 입력부(110)의 조작 시(절개공의 중심점 설정 시), Prcm과 Pc는 일치한다(Prcm=Pc).

Po : 수술 도구(210)의 끝점으로, 키보드 또는 페달이나 마우스 등의 입력부(110)의 조작 시, Po, Prcm 및 Pc는 일치한다(Po=Prcm=Pc).

Pi : 수술 도구(210)와 로봇 암이 연결되는 점, 또는 수술 도구(210)가 절개공(220)으로 침습할 수 있는 한계점을 나타낸다.

다시 도 3의 동작 320으로 돌아와, 제어부(130)는 절개공의 중심점(Pc)이 설정되었는가 여부를 판단한다(320).

아직 절개공의 중심점(Pc)이 설정되지 않은 것으로 판단되면(320에서의 '아니오') 제어부(130)는 외력에 순응하여 수술 로봇(로봇 암)의 움직임을 제어한다(360). 제어부(130)는 로봇 암이 현재 유지하기 위한 중력 토크 정보(τg(q))에 [수학식 2]를 통해 산출된 실제로 외부에서 로봇 암에 가한 외력에 의한 회전관절의 토크 정보(τexternal)를 더해 목표 관절 토크(τd)를 산출하여 서보 제어부(150)에 출력한다. 이 때, 필요한 경우 [수학식 1]을 통해 산출된 토크 정보(τcalculated)는 로우 패스 필터링(Low Pass Filtering)될 수 있다. 목표 관절 토크(τd)는 아래의 [수학식 3]으로 표현할 수 있다.

[수학식 3]

여기서, α는 양의 상수(positive constant)이다.

또한 로봇 암의 과도한 움직임을 방지하기 위해 다음의 [수학식 4]와 같이 제동항(damping term)을 추가하는 것도 가능하다.

[수학식 4]

여기서, b는 감쇠 계수(damping coefficient)이고 양의 스칼라(positive scalar)이다.

다시 도 3의 동작 320으로 돌아와, 절개공의 중심점(Pc)이 설정된 것으로 판단되면(320에서의 '예') 제어부(130)는 외력을 필터링한다(330).

여기서, 외력을 필터링한다는 것은 [수학식 2]를 통해 산출된 실제로 외부에서 로봇 암에 가한 외력에 의한 회전관절의 토크 정보(τexternal)에서 절개공의 중심점(Pc)과 원격 중심(Prcm) 사이의 편차(deviation)를 증가시키는데 기여하는 토크를 제거하는 것을 의미한다.

외력을 필터링하기 위해, 먼저 제어부(130)는 아래의 [수학식 5]를 이용하여 lambda(λ)를 산출한다.

[수학식 5]

여기서, C3는 절개공(220)의 면을 가로지르는 기본 벡터 C1, C2의 직교정규(orthonormal) 벡터이다(도 5 참조).

다음으로, 제어부(130)는 아래의 [수학식 6]을 이용하여 원격 중심(Prcm)에서의 자코비언 행렬(Jacobian Matrix, Jrcm)을 산출한다.

[수학식 6]

이후, 제어부(130)는 아래의 [수학식 7]을 이용하여 제한 자코비언 행렬(Constraint Jacobian Matrix, Jc)을 산출한다.

[수학식 7]

이후, 제어부(130)는 아래의 [수학식 7]을 이용하여 필터링된 외력 토크(τexternal.filtered)를 산출한다.

[수학식 8]

여기서, 필터링된 외력 토크(τexternal.filtered)는 [수학식 2]를 통해 산출된 외력 토크(τexternal)에서 원격 중심(Prcm)을 절개공의 중심점(Pc)으로부터 벗어나도록 하는(원격 중심을 C1, C2 방향으로 움직이도록 하는) 토크 성분이 제거된 토크이다.

다시 도 3으로 돌아와, 외력을 필터링한 이후에 제어부(130)는 절개공의 중심점(Pc)과 원격 중심(Prcm) 사이의 편차 및 가상 복원력을 산출한다(350).

먼저, 제어부(130)는 아래의 [수학식 9]를 이용하여 절개공의 중심점(Pc)과 원격 중심(Prcm) 사이의 편차(ercm)를 산출한다.

[수학식 9]

다음으로, 제어부(130)는 아래의 [수학식 10]를 이용하여 절개공의 중심점(Pc)로부터 벗어난 수술 도구(210)가 절개공의 중심점(Pc)의 위치로 복귀하도록 하는 가상의 복원력(τc)을 산출한다.

[수학식 10]

여기서, K는 가상 스프링(240)의 스티프니스(stiffness)를, D는 안정화를 이한 가상 댐퍼(250)의 계수를 나타낸다.

제어부(130)는 가상 복원력(τc)의 산출이 완료되었으면 산출된 가상 복원력(τc)을 필터링된 외력 토크(τexternal.filtered)에 반영한다(350).

이후 제어부(130)는 외력에 순응하여 수술 로봇(로봇 암)의 움직임을 제어한다(360). 제어부(130)는 목표 관절 토크(τd)를 산출하기 위한 [수학식 4]의 외력 토크(τexternal) 대신 필터링된 외력 토크(τexternal.filtered)를 대입하고, [수학식 4]에 가상 복원력(τc)을 더해 로봇 암에 대한 제한적인 움직임 제어 조건(절개공 제한 조건)을 가진 수동 위치 선정 모드에서의 목표 관절 토크(τd)를 산출하여 서보 제어부(150)에 출력한다. 절개공의 중심점(Pc)이 설정된 이후의 목표 관절 토크(τd)는 아래의 [수학식 11]로 표현할 수 있다.

[수학식 11]

다음으로, 제어부(130)는 수동 위치 선정이 완료되었는가 여부를 판단한다(370). 제어부(130)는 입력부(110)를 통해 사용자로부터 수동 위치 선정 완료 신호가 입력되면 수동 위치 선정이 완료된 것으로 판단한다.

수동 위치 선정이 완료되지 않았으면(370에서의 '아니오') 제어부(130)는 아래의 [수학식 12]를 이용하여 원격 중심(Prcm)의 위치를 갱신하고, 동작 340으로 리턴하여 계속적으로 절개공의 중심점(Pc)로부터 벗어난 수술 도구(210)가 절개공의 중심점(Pc)의 위치로 복귀하도록 하는 가상의 복원력을 산출하면서 로봇 암이 제한적인 움직임을 가지도록 제어한다.

[수학식 12]

한편, 수동 위치 선정이 완료되었으면(370에서의 '예') 제어부(130)는 수술 로봇의 수동 위치 선정 모드를 종료한다.

110 : 입력부 120 : 힘/토크 센서
130 : 제어부 140 : 저장부
150 : 서보 제어부 160 : 구동부
170 : 회전 각도 검출부 210 : 수술 도구
220 : 절개공(침습구) 230 : 가상 슬라이더
240 : 가상 스프링 250 : 가상 댐퍼
Prcm : 원격 중심(RCM) Pc : 절개공의 중심점

Claims

수술 도구가 장착된 로봇 암에 작용하는 외력을 산출하고;
절개공의 중심점이 설정되면 상기 로봇 암에 작용하는 외력을 필터링하고;
상기 절개공의 중심점으로부터 벗어난 상기 수술 도구가 상기 절개공의 중심점으로 복귀하도록 하는 가상력을 산출하고;
상기 산출된 가상력을 상기 필터링된 외력에 추가하여 상기 로봇 암의 움직임을 제어하는 수술 로봇의 제어 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 로봇 암의 움직임을 제어하는 것은 사용자가 손으로 상기 수술 도구가 장착된 상기 로봇 암을 잡고 움직여 상기 수술 도구를 상기 절개공으로 삽입하고 수술하고자 하는 영역으로 위치시키는 수동 위치 선정 모드에서 수행되는 수술 로봇의 제어 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 로봇 암에 작용하는 외력을 산출하는 것은:
힘/토크 센서를 이용하여 상기 수술 로봇의 동작과 관련된 관절부를 이루는 각 회전 관절에 작용하는 토크 정보를 검출하고;
상기 검출된 토크 정보에서 아래의 [수학식 1]을 통해 산출되는 상기 외력이 작용하지 않는 상황에서 상기 로봇 암이 현재 위치 또는 현재 움직임을 유지하는데 필요한 회전 관절의 토크 정보를 빼서 실제로 외부에서 상기 로봇 암에 가한 외력에 의한 상기 회전 관절의 토크 정보를 산출하는 수술 로봇의 제어 방법.
[수학식 1]

여기서, q는 회전 관절의 회전 각도, M은 inertia matrix, c는 Coriolis 및 Centrifugal Force, g는 중력을 의미한다.
제 3 항에 있어서, 상기 로봇 암에 작용하는 외력을 필터링하는 것은 상기 외부에서 상기 로봇 암에 가한 외력에 의한 상기 회전 관절의 토크 정보에서 상기 수술 도구 상에 존재하는 원격 중심이 상기 절개공의 중심점을 벗어나도록 하는 토크 정보를 제거하는 것인 수술 로봇의 제어 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 가상력을 산출하는 것은:
상기 절개공의 중심점과 상기 원격 중심 사이에 가상 스프링 및 가상 댐퍼를 장착하고;
상기 절개공의 중심점과 상기 원격 중심 사이의 편차를 산출하고;
상기 산출된 편차, 상기 가상 스프링의 스티프니스(stiffness) 및 상기 가상 댐퍼의 계수를 이용하여 상기 가상력을 산출하는 수술 로봇의 제어 방법.
수술 로봇의 동작과 관련된 관절부를 이루는 각 회전 관절에 작용하는 토크 정보를 검출하는 힘/토크 센서; 및
상기 수술 도구가 장착된 로봇 암에 작용하는 외력을 산출하고, 절개공의 중심점이 설정되면 상기 로봇 암에 작용하는 외력을 필터링하고, 상기 절개공의 중심점으로부터 벗어난 상기 수술 도구가 상기 절개공의 중심점으로 복귀하도록 하는 가상력을 산출하고, 상기 산출된 가상력을 상기 필터링된 외력에 추가하여 상기 로봇 암의 움직임을 제어하는 제어부를 포함하는 수술 로봇.
제 6 항에 있어서, 상기 제어부는 사용자가 손으로 상기 수술 도구가 장착된 상기 로봇 암을 잡고 움직여 상기 수술 도구를 상기 절개공으로 삽입하고 수술하고자 하는 영역으로 위치시키는 수동 위치 선정 모드에서 상기 로봇 암의 움직임을 제어하는 수술 로봇.
제 7 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 힘/토크 센서로부터 상기 수술 로봇의 동작과 관련된 관절부를 이루는 각 회전 관절에 작용하는 토크 정보를 입력 받고, 상기 검출된 토크 정보에서 아래의 [수학식 1]을 통해 산출되는 상기 외력이 작용하지 않는 상황에서 상기 로봇 암이 현재 위치 또는 현재 움직임을 유지하는데 필요한 회전 관절의 토크 정보를 빼서 실제로 외부에서 상기 로봇 암에 가한 외력에 의한 상기 회전 관절의 토크 정보를 산출하는 수술 로봇.
[수학식 1]

여기서, q는 회전 관절의 회전 각도, M은 inertia matrix, c는 Coriolis 및 Centrifugal Force, g는 중력을 의미한다.
제 8 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 외부에서 상기 로봇 암에 가한 외력에 의한 상기 회전 관절의 토크 정보에서 상기 수술 도구 상에 존재하는 원격 중심이 상기 절개공의 중심점을 벗어나도록 하는 토크 정보를 제거하여 상기 로봇 암에 작용하는 외력을 필터링하는 수술 로봇.
제 9 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 절개공의 중심점과 상기 원격 중심 사이에 가상 스프링 및 가상 댐퍼를 장착하고, 절개공의 중심점과 상기 원격 중심 사이의 편차를 산출하고, 산출된 편차, 상기 가상 스프링의 스티프니스(stiffness) 및 상기 가상 댐퍼의 계수를 이용하여 상기 가상력을 산출하는 수술 로봇.