KR20140110685A - 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법 - Google Patents

싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법 Download PDF

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KR20140110685A
KR20140110685A KR1020130080810A KR20130080810A KR20140110685A KR 20140110685 A KR20140110685 A KR 20140110685A KR 1020130080810 A KR1020130080810 A KR 1020130080810A KR 20130080810 A KR20130080810 A KR 20130080810A KR 20140110685 A KR20140110685 A KR 20140110685A
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최현도
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삼성전자주식회사
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Abstract

엘보우(elbow)와 엔드 이펙터를 갖는 수술 도구를 포함하는 슬레이브 장치 및 상기 슬레이브 장치의 동작을 제어하는 마스터 장치를 포함하는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법에 있어서, 임의의 위치에 가상침습포트(Virtual Incision Port)를 설정하는 단계, 상기 엔드 이펙터의 동작 위치를 설정하는 단계, 설정된 상기 가상침습포트의 위치와 엔드 이펙터의 동작 위치를 이용하여 상기 엘보우(elbow)의 목표 위치를 연산하는 단계, 연산된 상기 엘보우(elbow)의 목표 위치를 이용하여 상기 엘보우(elbow)를 이동시키는 각 관절의 이동 각도를 산출하는 단계 및 연산된 상기 엘보우(elbow) 목표 위치 및 상기 엔드 이펙터의 동작 위치를 이용하여 상기 엔드 이펙터를 이동시키는 각 관절 이동 각도를 산출하는 단계를 포함한다.

Description

싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법{Method for controlling of single port surgical robot}
싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법이 개시된다. 더욱 상세하게는, 멀티 포트 수술 로봇과 같은 직관적인 조작이 가능한 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법이 개시된다.
최소 침습 수술(Minimal Invasive Surgery)이란 환부의 크기를 최소화하는 수술을 통칭한다. 최소 침습 수술은 인체의 일부(예: 복부)에 큰 절개창을 열고 시행하는 개복 수술과는 달리, 인체에 0.5㎝∼1.5㎝ 크기의 적어도 하나의 절개공(또는 침습구)을 형성하고, 이 절개공을 통해 내시경과 각종 수술도구들을 넣은 후 영상을 보면서 시행하는 수술 방법이다.
이러한 최소 침습 수술은 개복 수술과는 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 갖는다. 이와 같은 장점으로 인하여 최소 침습 수술은 담낭 절제술, 전립선암 수술, 탈장 교정술 등에 사용되고 있고 그 분야를 점점 더 넓혀가고 있는 추세이다.
일반적으로 최소 침습 수술에 이용되는 수술 로봇은 마스터 장치와 슬레이브 장치를 포함한다. 마스터 장치는 의사의 조작에 따른 제어신호를 생성하여 슬레이브 장치로 전송하고, 슬레이브 장치는 마스터 장치로부터 제어신호를 수신하여 수술에 필요한 조작을 환자에게 가하게 되며, 마스터 장치와 슬레이브 장치를 통합하여 구성하거나, 각각 별도의 장치로 구성하여 수술실에 배치한 상태에서 수술을 진행하고 있다.
이러한 수술 로봇은 크게 환자 신체에 여러 개의 침습구를 형성하여 각각의 침습구에 수술 도구를 하나씩 삽입하여 시술하는 멀티 포트 수술 로봇과 하나의 침습구를 형성하고, 형성된 하나의 침습구에 다수 개의 수술 도구를 한꺼번에 삽입하여 시술하는 싱글 포트 수술 로봇을 포함한다. 여기에서, 싱글 포트 수술 로봇은 멀티 포트 수술 로봇과 비교하여 하나의 침습구를 형성하므로, 환부가 협소하고 회복기간이 빠른 이점이 있어 최근 각광받고 있다.
그러나, 하나의 침습구에 다수 개의 수술 도구를 삽입하여 수술 동작을 수행해야하므로, 싱글 포트 수술은 멀티 포트 수술에 비해 움직임에 제약이 따른다. 즉, 싱글 포트 수술 로봇은 침습구에 설정된 가상의 중심점을 꼭지점으로 하는 원뿔형 작업공간(conical workspace) 내에서만 동작하도록 제어될 수 있다. 이러한 가상의 중심점을 "RCM(Remote Center of Motion)"이라 한다. RCM을 환자의 침습구와 일치시키게 되면, 침습구 상의 외부에 위치한 로봇 암에 어떠한 움직임이 발생하더라도, 환자 체내에 삽입된 수술 도구는 원뿔형 작업공간 내에서만 움직인다. 이에 따라, 로봇 암이 움직임으로 인해 수술 도구가 삽입되는 침습구가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 이와 같이 하나의 침습구에 다수 개의 수술 도구를 삽입하여 수술 동작을 수행함에 있어서, 각 수술 도구의 엔드 이펙터가 서로 충돌하지 않고 특정 수술 부위를 향하도록 하여 조작자로 하여금 직접 손으로 수술을 수행하는 것처럼 조작하는 것이 가능하도록 수술 도구의 샤프트에 손목이나 팔꿈치에 상응하는 관절 기능을 부여할 수 있다.
멀티 포트 수술 로봇을 조작하는 것과 같은 직관적인 조작이 가능한 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법을 제공하는 것이다.
엘보우(elbow)와 엔드 이펙터를 갖는 수술 도구를 포함하는 슬레이브 장치 및 상기 슬레이브 장치의 동작을 제어하는 마스터 장치를 포함하는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법에 있어서, 임의의 위치에 가상침습포트(Virtual Incision Port)를 설정하는 단계, 상기 엔드 이펙터의 동작 위치를 설정하는 단계, 설정된 상기 가상침습포트의 위치와 엔드 이펙터의 동작 위치를 이용하여 상기 엘보우(elbow)의 목표 위치를 연산하는 단계, 연산된 상기 엘보우(elbow)의 목표 위치를 이용하여 상기 엘보우(elbow)를 이동시키는 각 관절의 이동 각도를 산출하는 단계 및 연산된 상기 엘보우(elbow) 목표 위치 및 상기 엔드 이펙터의 동작 위치를 이용하여 상기 엔드 이펙터를 이동시키는 각 관절 이동 각도를 산출하는 단계를 포함한다.
도 1은 싱글 포트 수술 로봇의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 싱글 포트 수술 로봇의 수술 도구가 환자 신체 내부로 삽입된 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 싱글 포트 수술 로봇의 수술 도구 각 부분의 자유도(DOF)를 도시한 도면이다.
도 4는 5 자유도(DOF)를 갖는 로봇 암을 도시한 도면이다.
도 5는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법에 대한 일 예를 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 6은 가상침습포트(virtual incision port)를 이용한 엘보우(elbow) 위치 연산 원리를 도시한 도면이다.
도 7은 엔드 이펙터의 동작 위치 및 엘보우(elbow)의 목표 위치를 이용한 가상침습포트(virtual incision port) 위치 산출 원리를 도시한 도면이다.
도 8은 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법에 대한 다른 예를 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 9는 엔드 이펙터의 동작 위치에 대하여 도달 가능한 엘보우(elbow)의 목표 위치를 탐색하는 원리를 도시한 도면이다.
도 10은 가상침습포트(virtual incision port)가 환자 신체 외부 및 내부에 위치하는 각각의 경우에 대한 엘보우(elbow)의 이동 범위를 도시한 도면이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
개시된 발명은 싱글 포트 수술 로봇에 적용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 싱글 포트 수술 로봇은 다수 개의 수술 도구를 하나의 침습구를 통해 환자의 복강 내로 삽입하여 수술 동작을 수행하는 수술 로봇을 말하며, 이는 다수 개의 침습구를 형성하고, 각각의 침습구로 하나의 수술 도구를 삽입하는 멀티 포트 수술 로봇과는 반대의 개념으로 볼 수 있다.
도 1은 싱글 포트 수술 로봇의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 싱글 포트 수술 로봇의 수술 도구를 도시한 도면이며, 도 3은 싱글 포트 수술 로봇의 수술 도구가 환자 신체 내부로 삽입된 상태를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 싱글 포트 수술 로봇은 크게 수술대에 누워있는 환자(P)에게 수술을 행하는 슬레이브 장치(200)와 조작자(예로써, 의사)의 조작을 통해 슬레이브 장치(200)를 원격으로 제어하는 마스터 장치(100)를 포함할 수 있다. 이때, 환자(P) 측에는 조작자를 보조할 보조자가 한 명 이상 위치할 수 있다.
여기에서, 조작자를 보조한다는 것은 환자(P)가 위치하는 실제 공간에서 조작자의 조작에 의해 이루어지는 수술 작업을 보조하는 것을 의미할 수 있으며, 예를 들어, 사용되는 수술 도구의 교체 등이 이에 해당될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 수술 종류에 따라 수술 작업에 다양한 수술 도구가 사용될 수 있는데, 슬레이브 장치(200)의 로봇 암(210) 갯 수, 한 번에 장착되는 수술 도구의 갯 수가 제한적일 수 있고, 또한, 침습구가 하나이므로 환자(P)의 복강 내로 삽입될 수 있는 수술 도구의 갯 수 등이 제한적일 수 있다.
이에 따라, 수술 작업이 진행되는 과정에서 수술 도구를 교체할 필요가 있는 경우, 조작자는 환자(P) 측에 위치한 보조자에게 수술 도구의 교체를 지시하고, 보조자는 조작자의 지시에 따라 환자(P) 복강 내로 삽입된 수술 도구를 꺼내어 다른 수술 도구로 교체하여 삽입하는 등의 수술 도구 교체 작업을 수행할 수 있다.
마스터 장치(100)와 슬레이브 장치(200)는 물리적으로 독립된 별도의 장치로 분리 구성될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 예로써 하나로 통합된 일체형 장치로 구성되는 것 역시 가능할 것이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 마스터 장치(100)는 입력부(110) 및 표시부(120)를 포함할 수 있다.
입력부(110)는 수술 로봇의 동작 모드를 선택하는 명령, 슬레이브 장치(200)의 로봇 암(210), 수술 도구(220) 및 촬영부(230) 등의 동작을 원격으로 제어하기 위한 명령 등을 조작자로부터 입력받을 수 있는 구성을 의미하며, 본 실시 예에서 입력부(110)로 햅틱 디바이스, 클러치 페달, 스위치, 버튼 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 예로써 음성 인식 디바이스 등과 같은 구성도 사용될 수 있다. 이하 설명에서는 입력부(110)로 햅틱 디바이스가 사용된 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 입력부(110)로는 상술한 다양한 수단이 사용될 수 있음은 자명하다.
도 1에서는 입력부(110)가 두 개의 핸들(111, 113)을 포함하는 것으로 도시하고 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과할 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 하나의 핸들을 포함할 수도 있고 또는 세 개 이상의 핸들을 포함하는 것 역시 가능할 것이다.
조작자는 양손으로 두 개의 핸들(111, 113)을 각각 움직임으로써, 슬레이브 장치(200)의 로봇 암(210)의 동작을 제어할 수 있다. 즉, 조작자가 입력부(110)를 조작하면, 제어부(130)는 제어 신호 생성부(131)를 이용하여 조작된 입력부(110)의 상태 정보에 대응되는 제어 신호를 생성하고, 통신부(140)를 통해 슬레이브 장치(200)로 생성한 제어 신호를 전송할 수 있다.
마스터 장치(100)의 표시부(120)에는 촬영부(230)를 통해 수집된 환자(P) 신체 내부에 대한 실제 영상 및 환자의 수술 전 의료 영상에 대한 3차원 영상 등이 화상 이미지로 표시될 수 있다. 이를 위해, 마스터 장치(100)는 슬레이브 장치(200)로부터 전송되는 영상 데이터를 수신 및 처리하여 표시부(120)로 출력하기 위한 영상 처리부(133)를 포함할 수 있다. 여기에서, "영상 데이터"는 전술한 바와 같이, 촬영부(230)를 통해 수집된 실제 영상, 환자의 수술 전 의료 영상을 이용하여 생성한 3차원 영상 등을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
표시부(120)는 하나 이상의 모니터로 구성될 수 있으며, 각 모니터에 수술 시 필요한 정보들이 개별적으로 표시되도록 구현할 수 있다. 예를 들어, 표시부(120)가 세 개의 모니터로 구성된 경우, 이중 하나의 모니터에는 촬영부(230)를 통해 수집된 실제 영상, 환자의 수술 전 의료 영상을 이용하여 생성한 3차원 영상 등이 표시되고, 다른 두 개의 모니터에는 각각 슬레이브 장치(200)의 동작 상태에 관한 정보 및 환자 정보 등이 표시되도록 구현할 수 있다. 다른 예로, 복수의 모니터 동일한 영상이 표시되도록 구현할 수 있으며, 이때, 각각의 모니터마다 동일한 영상이 표시될 수도 있고, 복수의 모니터 전체에 하나의 영상이 표시될 수도 있다. 또한, 모니터의 수량은 표시를 요하는 정보의 유형이나 종류 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다. 상술한 표시부(120)는 예로써, LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode) 등으로 구현될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
여기에서, "환자 정보"는 환자의 상태를 나타내는 정보일 수 있으며, 예를 들어, 체온, 맥박, 호흡 및 혈압 등과 같은 생체 정보일 수 있다. 이러한 생체 정보를 마스터 장치(100)로 제공하기 위해 후술할 슬레이브 장치(200)는 체온 측정 모듈, 맥박 측정 모듈, 호흡 측정 모듈, 혈압 측정 모듈 등을 포함하는 생체 정보 측정 유닛을 더 포함할 수 있다. 이를 위해, 마스터 장치(100)는 슬레이브 장치(200)로부터 전송되는 생체 정보를 수신 및 처리하여 표시부(120)로 출력하기 위한 신호 처리부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
슬레이브 장치(200)는 복수의 로봇 암(210), 로봇 암(210) 단부에 장착된 수술 도구(surgical instruments)(220)를 포함할 수 있다. 이때, 도 1에 도시하지는 않았으나, 복수의 로봇 암(210)이 결합되는 몸체(미도시)를 구비할 수 있으며, 몸체(미도시)는 복수의 로봇 암(210)을 고정 및 지지할 수 있다.
또한, 도 1에 자세하게 도시하지는 않았으나, 복수의 로봇 암(210)은 각각 복수의 링크 및 복수의 관절을 포함할 수 있으며, 각 관절은 링크와 링크를 연결하며, 1 자유도(Degree Of Freedom;DOF) 이상을 가질 수 있다. 자유도(Degree Of Freedom: DOF)란 기구학(Kinematics) 또는 역기구학(Inverse Kinematics)에서의 자유도를 말한다. 기구의 자유도란 기구의 독립적인 운동의 수, 또는 각 링크 간의 상대 위치의 독립된 운동을 결정하는 변수의 수를 말한다. 예를 들어, x축, y축, z축으로 이루어진 3차원 공간상의 물체는, 물체의 공간적인 위치를 결정하기 위한 3 자유도(각 축에서의 위치)와, 물체의 공간적인 자세(orientation)를 결정하기 위한 3 자유도(각 축에 대한 회전 각도) 중에서 하나 이상의 자유도를 갖는다. 구체적으로, 물체가 각각의 축을 따라 이동 가능하고, 각각의 축을 기준으로 회전 가능하다고 한다면, 이 물체는 6 자유도를 갖는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시 예에 따른 수술 도구(220)는 샤프트(221) 및 샤프트(221) 말단에 결합된 엔드 이펙터(225)를 포함할 수 있다.
샤프트(221)는 일방향으로 연장된 직선 형상으로 형성되며, 통상 원통형 등 관(管)형 부재를 사용함으로써, 엔드 이펙터(225)로 조작자에 의한 제어 신호에 따른 구동력이 전달되도록 엔드 이펙터(225)의 각 부분에 연결된 풀리 와이어가 샤프트(221) 내에 수용되도록 한다. 이에 따라, 조작자의 조작에 의해 생성된 제어 신호가 수신되면, 수신된 제어 신호는 풀리 와이어를 통해 엔드 이펙터(225)의 각 부분에 전달되고, 엔드 이펙터(225)는 동작할 수 있게 되는 것이다.
본 실시 예에 따른 수술 도구(220)의 샤프트(221)는 도 3과 같이, 그 중간에 형성된 엘보우(elbow)(223)를 포함할 수 있다. 엘보우(elbow)(223)는 직선형 부재인 샤프트(221)가 소정 각도로 구부러질 수 있도록 하는 팔꿈치 역할을 하는 구성이다.
싱글 포트 수술 로봇은 멀티 포트 수술 로봇과는 달리 도 2와 같이 하나의 침습구에 복수의 수술 도구(220) 및 내시경(230)을 모두 삽입하여 수술 동작을 수행하기 때문에, 멀티 포트 수술 로봇에서처럼 직선형인 수술 도구를 사용하는 경우 각 수술 도구(220)의 엔드 이펙터(225)가 모두 특정 수술 부위로 향하도록 조작하는 것은 용이하지 않다. 따라서, 도 3과 같이, 엘보우(elbow)(223)가 마련된 샤프트(221)를 포함하는 수술 도구(220)를 사용함으로써 엘보우(elbow)(223)를 중심으로 구부러진 샤프트(221) 말단에 결합된 엔드 이펙터(225)가 특정 수술 부위를 향하도록 조작하는 것을 용이하게 할 수 있다.
또한, 본 실시 예에 따른 수술 도구(220)는 도 3에 도시한 바와 같이, 6 자유도(DOF)를 갖는 메커니즘으로 구동될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 엔드 이펙터(225)로 그립퍼(gripper)를 사용하는 수술 도구(220)의 경우, 샤프트(221)는 롤(roll) 방향으로 회전하는 1 자유도(DOF)를, 엘보우(elbow)(223)는 피치(pitch) 방향 및 롤(roll) 방향으로 회전하는 2 자유도(DOF)를, 손목부(wrist)(224)는 요(yaw) 방향 및 피치(pitch) 방향 또는 피치(pitch) 방향 및 롤(roll) 방향으로 회전하는 2 자유도(DOF)를, 엔드 이펙터(225)는 그립핑(gripping)하는 1 자유도(DOF)를 갖도록 하여 총 6 자유도(DOF)의 메커니즘으로 구동될 수 있다.
또한, 엔드 이펙터(225)는 수술 도구(220)에서 환자(P)의 수술 부위에 실제로 작용하는 부분을 의미하는 것으로, 예로써, 클램프, 그래스퍼, 가위, 스태플러, 바늘 홀더, 메스, 절단 블레이드 등을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 수술에 필요한 공지된 도구라면 어떤 것이든 사용 가능할 것이다.
한편, 본 실시 예에 따른 싱글 포트 수술 로봇에는 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 결정하기 위하여 1 자유도(DOF)를 갖는 5개의 관절이 마련될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에서, "1 자유도(DOF)를 갖는 5개의 관절"은 크게 엘보우(elbow)(223) 및 엔드 이펙터(225)의 x, y, z 좌표 상에서의 위치를 결정하기 위한 1 자유도(DOF)를 갖는 3개의 관절과 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 결정하기 위한 1 자유도(DOF)를 갖는 2개의 관절을 포함할 수 있다. 이때, 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 결정하기 위한 2 자유도(DOF)는 선택적으로 적용될 수 있는 여자유도(redundancy)에 해당될 수 있다.
구체적으로, 도 4에 도시한 바와 같이, 수술 도구(220)를 장착한 로봇 암(210)은 RCM(Remote Center of Motion)을 수직으로 관통하는 제1축을 기준으로 회전 운동하는 1 자유도(DOF)를 갖는 제1관절, 제1축과 수직인 제2축으로부터 α각만큼 이동한 제2-1축을 기준으로 회전 운동하는 1 자유도(DOF)를 갖는 제2관절, 수술 도구(220)의 샤프트(221) 중심인 제3축과 평행한 방향으로 직선 운동하는 1 자유도(DOF)를 갖는 제3관절을 포함하는 3개의 관절과 제3축을 중심으로 회전 운동하는 1 자유도(DOF)를 갖는 제4관절 및 엘보우(elbow)(223)를 기준 원점으로 회전 운동하는 1 자유도(DOF)를 갖는 제5관절을 포함하는 2개의 관절을 포함할 수 있다.
즉, 본 실시 예에서는 제1관절, 제2관절 및 제3관절 각각의 이동 각도를 산출 및 적용하여 엘보우(elbow)(223)를 목표 위치로 이동시키고, 제4관절 및 제5관절 각각의 이동 각도를 산출 및 적용하여 엔드 이펙터(225)를 세부적인 동작 위치로 이동시킬 수 있다.
싱글 포트 수술 로봇과 같은 수술 로봇을 이용한 수술 작업 시, 조작자는 수술 로봇의 엔드 이펙터의 동작을 원격으로 조종한다. 이때, 수술 로봇은 엔드 이펙터가 조작자의 조작에 따라 동작하도록 다수의 관절을 구동시켜야한다. 즉, 조작자가 원하는 엔드 이펙터의 동작 위치에 대한 정보를 조작을 통해 전달하면 수술 로봇은 전달된 위치에 대한 관절의 이동 각도를 계산하고, 계산된 이동 각도로 각 관절을 이동시킴으로써, 결과적으로 엔드 이펙터를 조작자가 원하는 위치로 이동시킬 수 있다. 이와 같이, 위치 정보가 주어질 때 대응되는 관절의 이동 각도를 연산하는 것을 역기구학(Inverse Kinematics)이라 한다.
일반적으로 이를 풀기 위해 자코비안(Jacobian)을 이용하거나 수술 로봇의 형태적 특성을 분석하여 풀게 된다. 전자의 방법은 일반적인 해법의 틀을 제공하긴 하지만 오차가 누적되며, 해당 로봇에 최적화되어 있지 못한 단점이 있고, 후자의 방법은 일반적인 해법의 틀은 없지만, 해당 로봇에 최적화된 해법을 얻을 수 있는 장점이 있다. 본 실시 예는 상술한 후자의 방법과 같이, 로봇의 기구적 특성을 분석하고, 역기구학(Inverse Kinematics)에 적용하여 엔드 이펙터를 효과적으로 제어하는 방법을 제공한다. 이를 위해, 본 실시 예에서는 실제로는 존재하지 않는 가상침습포트 위치를 설정하고, 설정된 가상침습포트 위치와 엔드 이펙터 동작 위치를 연결하는 직선상에 엘보우(elbow)의 위치하도록 하여 실제로는 구부러진 수술 도구지만 직선형의 수술 도구를 이용하여 조작하는 것 같이 직관적인 조작이 가능하도록 하는 것이다.
도 5는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법에 대한 일 예를 순차적으로 도시한 흐름도이다.
우선, 도 6에 도시한 바와 같이, 임의의 위치에 가상침습포트(Virtual Incision Port:VIP)를 설정한다(S501). 여기에서, 가상침습포트(VIP)는 실제로는 존재하지 않는 가상의 침습 포트이며, 가상의 RCM(Remote Center of Motion)일 수 있다. 여기에서, "RCM(Remote Center of Motion)"은 침습구에 설정된 가상의 중심점을 의미하며(도 2 참조), 침습구로 삽입된 수술 도구(220)들은 RCM을 꼭지점으로 하는 원뿔형 작업공간(conical workspace) 내에서만 동작하도록 제어될 수 있다. 즉, 도 2와 같이, RCM을 환자의 침습구와 일치시키게 되면, 침습구 상의 외부에 위치한 로봇 암에 어떠한 움직임이 발생하더라도, 환자 체내에 삽입된 수술 도구(220)는 원뿔형 작업공간 내에서만 움직인다. 이에 따라, 로봇 암이 움직임으로 인해 수술 도구가 삽입되는 침습구가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 가상침습포트(VIP)의 위치는 3차원 좌표 상의 한 점(xv, yv, zv)일 수 있다. 본 실시 예에서 가상침습포트(VIP)를 설정하는 단계는 다음과 같은 방법을 통해 수행될 수 있으나, 그 방법이 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
첫 번째로, 조작자가 경험에 의존하여 직관적으로 설정하는 방법이 있을 수 있다. 이에 대하여, 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
일 실시 예로, 조작자가 환자(P) 신체 내부의 수술 부위를 고려하여 환자(P)의 몸에 마커(marker)를 부착하고, 환자(P)를 촬영한 영상으로부터 상술한 마커(marker)를 검출한 후, 검출된 마커(marker)의 위치를 연산하고, 연산된 마커(marker)의 위치를 가상침습포트(VIP)로 설정할 수 있다. 이때, 상술한 마커(marker)는 환자(P)의 신체 외부 또는 내부에 부착될 수 있다.
다른 실시 예로, 조작자가 환자(P)의 상태 및 수술 부위를 확인할 수 있도록 환자(P)의 신체 외부 및 신체 내부를 표시하는 화면 즉, 도 1에 도시한 표시부(120)를 통해 입력되는 위치를 가상침습포트(VIP)로 설정하는 방법으로서, 예를 들어, 표시부(120) 상에서 조작자가 직접 가상침습포트(VIP)를 선택하여 설정하는 것이다. 이때, 표시부(120)가 터치 스크린(touch screen)인 경우 조작자는 표시부(120)를 직접 터치하여 가상침습포트(VIP)를 설정할 수 있으며, 일반 디스플레이 장치인 경우 마우스 등과 같은 입력 장치를 이용하여 가상침습포트(VIP)를 설정할 수 있다.
두 번째로, 로봇 암(210)의 각 관절들이 갖는 가동각 범위를 이용하는 방법으로서, 초기에 로봇 암(210)의 각 관절을 가동각의 중간값으로 이동시킨 다음, 즉, 로봇 암(210)의 자세를 초기 자세로 만든 다음, 해당 지점에서의 가상침습포트(VIP) 위치를 구하는 방법을 사용할 수 있다.
구체적으로는 설명하면, 각 관절의 이동 각도는 알고 있으므로, 각 관절의 이동 각도를 정기구학(forward Kinematics)에 적용하여 엔드 이펙터(225)의 동작 위치 및 엘보우(223)의 목표 위치를 연산할 수 있다. 또한, 엔드 이펙터(225)로부터 엘보우(223)까지의 길이 및 엘보우(223)로부터 가상침습포트(VIP)까지의 길이는 사전에 설정한 상수 파라미터이다. 이와 같이, 연산된 엔드 이펙터(225)의 동작 위치와 엘보우(223)의 목표 위치 및 엔드 이펙터(225)로부터 엘보우(223)까지의 길이와 엘보우(223)로부터 가상침습포트(VIP)까지의 길이를 아래의 [수학식 1] 및 [수학식 2]에 대입하여 가상침습포트(VIP)의 위치를 구할 수 있을 것이다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기에서, R은 실제침습포트 위치, V는 가상침습포트 위치, E는 엘보우(elbow) 목표 위치, W는 엔드 이펙터 동작 위치를 각각 나타낸다. 이때, 엔드 이펙터(225)로부터 엘보우(elbow)(223)까지의 길이(
Figure pat00003
) 및 엘보우(elbow)(223)로부터 가상침습포트(VIP)까지의 길이(
Figure pat00004
)는 상수 파라미터로서, 사전에 주어질 수 있다.
다음, 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 설정한다(S503).
이때, 엔드 이펙터(225)의 동작 위치는 마스터 장치(100)로부터 수신된 제어 신호에 따라 설정할 수 있다. 즉, 조작자가 마스터 장치(100)의 입력부(110)를 조작함에 따라, 조작자가 원하는 엔드 이펙터(225)의 동작 위치에 대응되는 제어 신호가 생성되어 마스터 장치(100)로부터 슬레이브 장치(200)로 전송될 수 있다. 여기에서, "동작 위치"는 조작자가 원하는 엔드 이펙터(225)의 실제 작용 위치를 의미할 수 있다. 또한, 엔드 이펙터(225)의 동작 위치는 전술한 가상침습포트(VIP)와 마찬가지로 3차원 좌표 상의 한 점(xw, yw, zw)(도 6 참조)일 수 있다.
다음, 설정된 가상침습포트(VIP) 위치와 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 이용하여 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치를 연산한다(S505). 여기에서, "목표 위치"는 엔드 이펙터(225)를 동작 위치로 이동시키기 위하여 엘보우(elbow)(223)가 도달해야하는 위치를 의미할 수 있다.
이때, 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치를 연산하는 단계는 도 6에 도시한 바와 같이, 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치가 가상침습포트(VIP)의 위치와 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 연결하는 선(600) 상에 존재하도록 수행될 수 있다. 이에 따라, 가상침습포트(VIP)의 위치와 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치 및 엔드 이펙터(225)의 동작 위치는 일직선상에 존재하게 되어, 마치 가상침습포트(VIP)를 통해 직선 형태의 수술 도구(220)가 삽입된 것과 같은 상태가 된다. 따라서, 조작자는 실제로는 엘보우(elbow)(223)에 의해 꺾인 수술 도구(220)를 직선 형태의 수술 도구(220)를 조작하는 것처럼 직관적으로 조작할 수 있게 되는 것이다.
또한, 상술한 바와 같이, 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치가 가상침습포트(VIP)의 위치와 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 연결하는 선(600) 상에 존재하도록 결정함으로써, 엘보우(elbow)(223)는 도 6에 도시한 보장 범위(610)를 벗어나지 않게 되어 엘보우(elbow)(223)의 움직임에 따라 내부 장기 및 주변 조직 등이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 여기에서, "보장 범위"는 엘보우(elbow)(223)가 주변의 장기 및 조직 등에 손상을 가하지 않고 움직일 수 있는 범위를 의미할 수 있다.
이때, 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치는 아래의 [수학식 3] 및 [수학식 4]를 이용하여 연산할 수 있다.
Figure pat00005
Figure pat00006
여기에서, R은 실제침습포트 위치, V는 설정된 가상침습포트 위치, E는 연산된 엘보우(elbow) 목표 위치, W는 설정된 엔드 이펙터 동작 위치를 각각 나타내며, 이때, 엔드 이펙터(225)로부터 엘보우(elbow)(223)까지의 길이(
Figure pat00007
)는 상수 파라미터로서 사전이 주어질 수 있다. 상술한 [수학식 3] 및 [수학식 4]를 통해 연산된 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치는 3차원 좌표 상의 한 점(xE, yE, zE)(도 6 참조)일 수 있다.
다음, 연산된 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치를 이용하여 엘보우(elbow)(223)를 목표 위치로 이동시키기 위한 각 관절의 이동 각도를 산출한다(S507). 이때, 각 관절의 이동 각도를 산출하는 단계는 연산된 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치를 역기구학(Inverse Kinematics)에 적용함으로써 수행될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에서, 역기구학(Inverse Kinematics)을 이용하여 해를 구하는 자세한 방법은 공지된 기술이므로 여기에서는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.본 단계를 수행함에 따라 엘보우(elbow)(223)를 목표 위치로 이동시키기 위한 제1관절, 제2관절 및 제3관절 각각의 이동 각도인 q1, q2, q3(도 6 참조)를 산출할 수 있다.
다음, 연산된 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치 및 설정된 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 이용하여 엔드 이펙터(225)를 동작 위치로 이동시키기 위한 각 관절 즉, 제4관절 및 제5관절 각각의 이동 각도인 q4, q5(도 6 참조)를 산출한다(S509). 이때, 각 관절의 이동 각도를 산출하는 단계는 상술한 바와 마찬가지로 연산된 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치 및 설정된 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 역기구학(Inverse Kinematics)에 적용함으로써 수행될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 본 실시 예는 가상침습포트(VIP) 위치를 설정하고, 설정된 가상침습포트(VIP) 위치와 조작자에 의해 설정된 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 연결하는 직선상에 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치가 존재하도록 함으로써, 흡사 가상침습포트(VIP)로 직선형의 수술 도구가 삽입된 상태가 될 수 있다. 이는, 멀티 포트 수술 로봇에서 사용되던 직선형 수술 도구와 동일한 형태이며, 이에 따라, 조작자는 실제로는 구부러진 수술 도구(220)이지만 멀티 포트 수술 로봇에서 직선형 수술 도구를 통해 수술하는 것과 같은 느낌으로 조작이 가능하므로, 기존의 멀티 포트 수술 로봇을 사용하던 조작자들이 쉽게 적응할 수 있다.
또한, 본 실시 예는 가상침습포트(VIP)를 설정하고, 설정된 가상침습포트(VIP)로 직선형의 수술 도구를 삽입한 것처럼 수술 작업을 수행할 수 있음에 따라, 기존의 멀티 포트 수술 로봇을 이용한 수술 작업 절차와 동일한 절차로 수술 작업을 수행할 수 있으므로, 기존의 멀티 포트 수술 로봇에 익숙한 조작자들이 쉽게 적응할 수 있다.
한편, 지금까지 단일 로봇 암(210)에 대해서만 설명하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 2개 이상의 로봇 암(210)의 경우에서도 마찬가지로 적용 가능함은 자명할 것이다. 이때, 복수의 로봇 암(210)의 경우 각각의 로봇 암(210)마다 가상침습포트를 설정해도 되고 또는, 복수의 로봇 암(210)이 하나의 가상침습포트를 공유하는 것도 가능할 것이다.
또한, 전술한 가상침습포트(VIP)의 위치는 고정될 수도 있지만, 동적으로 변경되는 것도 가능하다. 이후에서는, 위치가 동적으로 변경되는 가상침습포트(VIP)를 이용한 제어 방법에 대하여 설명한다.
도 8은 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법에 대한 다른 예를 순차적으로 도시한 흐름도이다. 여기에서, 상술한 예에 기재된 내용과 중복되는 부분에 대한 설명은 생략한다.
임의의 위치에 가상침습포트(Virtual Incision Port:VIP)를 설정하고(S801), 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 설정한 후(S803), 설정된 가상침습포트(VIP) 위치와 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 이용하여 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치를 연산한다(S805). 이때, 임의의 가상침습포트(VIP)는 상술한 바와 같이 다양한 방법을 통해 설정될 수 있고, 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치는 상술한 [수학식 3] 및 [수학식 4]를 이용하여 연산할 수 있다.
다음, 연산된 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치를 역기구학(Inverse Kinematics) 방식에 적용하여 엘보우(elbow)(223)를 목표 위치로 이동시키기 위한 각 관절 즉, 제1관절, 제2관절 및 제3관절 각각의 이동 각도 q1, q2, q3(도 6 참조)를 산출한다(S807).
이후, 산출된 각 관절의 이동 각도 q1, q2, q3이 유효한지를 판단한다(S809). 이때, 각 관절의 이동 각도 q1, q2, q3이 유효한지는 q1, q2 및 q3이 각각 제1관절의 가동각 범위, 제2관절의 가동각 범위 및 제3관절의 가동각 범위 내에 포함되는지 여부로 판단할 수 있다.
판단 후, q1, q2, q3이 각각 제1관절, 제2관절 및 제3관절의 가동각 범위 내에 포함되지 않아 유효한 이동 각도가 아닌 경우, 설정된 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 기준으로 도달 가능한 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치를 탐색하고, 탐색된 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치를 이용하여 다시 제1관절, 제2관절 및 제3관절의 이동 각도인 q1, q2, q3를 산출한다(S811). 이때, 도달 가능한 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치를 탐색하는 것은 설정된 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 기준으로 엔드 이펙터(225)로부터 엘보우(elbow)(223)까지의 길이를 반지름으로 하는 구의 표면에 포함되는 모든 점의 위치를 탐색하는 것을 의미할 수 있다.
도 9를 참조하여 설명하면, 엔드 이펙터(225)로부터 엘보우(elbow)(223)까지의 길이(r)는 사전에 주어져 있고, 엔드 이펙터(225)의 동작 위치 역시 설정된 상태이므로, 엔드 이펙터(225)를 기준으로 엔드 이펙터(225)로부터 엘보우(elbow)(223)까지의 길이(r)를 반지름으로 하는 구의 표면(900)이 엘보우(elbow)(223)가 도달할 수 있는 목표 위치의 전체 집합에 해당한다. 이에 따라, 도 9와 같은 극좌표(polar coordinate)상에서 엔드 이펙터(225)로부터 엘보우(elbow)(223)까지의 길이는 고정된 상태에서 θ 및 φ를 변화시킴으로써, 도달 가능한 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치를 탐색할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 방법으로 도달 가능한 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치를 탐색하는 방법도 있지만, 엔드 이펙터(225)의 동작 위치에 대한 복수 개의 엘보우(elbow)(223) 목표 위치 중 유효한 관절의 이동 각도를 산출할 수 있는 엘보우(elbow)(223) 목표 위치를 선별하여 대응되는 엔드 이펙터(225)의 동작 위치와 매칭시켜 생성한 3차원 룩업테이블(Look Up Table:LUT)을 이용하여 설정된 엔드 이펙터(225)의 동작 위치에 대한 다양한 엘보우(elbow)(223) 목표 위치를 선택하도록 구현하는 것도 가능하다.
구체적으로 설명하면, 엔드 이펙터(225)의 동작 제어를 위한 각 관절 즉, 제1관절, 제2관절, 제3관절, 제4관절 및 제5관절 각각의 가동각 범위를 입력으로 정기구학(forward Kinematics)을 통해 가능한 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 모두 구한다. 이후, 구해진 모든 엔드 이펙터(225)의 동작 위치에 대하여 도달 가능한 모든 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치를 탐색하고, 탐색된 모든 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치를 입력으로 역기구학(Inverse Kinematics)을 통해 각 관절의 이동 각도인 q1, q2, q3, q4, q5를 구하고, 유효한 경우에 한하여 대응되는 엔드 이펙터(225)의 동작 위치와 매칭시켜 3차원 룩업테이블(Look Up Table:LUT)에 저장한다.
다음, 다시 산출된 제1관절, 제2관절 및 제3관절의 이동 각도인 q1, q2, q3가 유효한지를 판단한 후(S813), 유효하지 않으면 단계 S811로 다시 돌아가 도달 가능한 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치를 탐색하고(또는 룩업테이블(LUT)에서 대응되는 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치를 선택하고), 탐색된(또는 선택된) 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치를 이용하여 다시 제1관절, 제2관절 및 제3관절의 이동 각도인 q1, q2, q3를 산출한다. 본 단계 S811 및 S813은 산출된 모든 이동 각도가 유효할 때까지 반복 수행될 수 있다.
이후, 모든 이동 각도가 유효하면, 해당되는 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치와 설정된 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 이용하여 새로운 가상침습포트(VIP) 위치를 설정한다(S815). 이때, 새로운 가상침습포트(VIP) 위치는 상술한 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용하여 구할 수 있다.
설정된 새로운 가상침습포트(VIP) 위치와 설정된 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 이용하여 다시 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치를 연산하고(S805), 연산된 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치를 이용하여 해당 관절의 이동 각도를 각각 산출한 후(S807), 산출된 각 관절의 이동 각도가 유효한지를 판단한다(S809). 산출된 각 관절의 이동 각도가 유효하지 않으면, 또다시 도달 가능한 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치를 탐색하고(또는 룩업테이블(LUT)에서 대응되는 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치를 선택하고), 탐색된(또는 선택된) 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치를 이용하여 다시 제1관절, 제2관절 및 제3관절의 이동 각도인 q1, q2, q3를 산출한다(S811).
한편, 유효 여부를 판단한 후, 모든 이동 각도가 유효하면 연산된 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치 또는 새롭게 탐색된 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치와 설정된 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 역기구학(Inverse Kinematics) 방식에 적용하여 엔드 이펙터(225)를 동작 위치로 이동시키기 위한 각 관절 즉, 제4관절 및 제5관절 각각의 이동 각도 q4, q5(도 6 참조)를 산출한다(S817).
이후, 산출된 제4관절 및 제5관절의 이동 각도 q4 및 q5가 유효한지를 판단한다(S819). 이때에도 상술한 바와 마찬가지로, q4 및 q5가 각각 제4관절의 가동각 범위 및 제5관절의 가동각 범위 내에 포함되는지 여부로 판단할 수 있다. 유효 여부 판단 후, 유효하지 않으면 또다시 도달 가능한 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치를 탐색하고(또는 룩업테이블(LUT)에서 대응되는 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치를 선택하고), 탐색된(또는 선택된) 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치를 이용하여 다시 제1관절, 제2관절 및 제3관절의 이동 각도인 q1, q2, q3를 산출하고(S811), 산출된 이동 각도가 유효한지를 판단한 후(S813), 유효하면 탐색된 엘보우(elbow)(223)의 다른 목표 위치와 설정된 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 이용하여 새로운 가상침습포트(VIP) 위치를 다시 설정한(S815) 후, 설정된 새로운 가상침습포트(VIP) 위치와 설정된 엔드 이펙터(225)의 동작 위치를 이용하여 다시 엘보우(elbow)(223)의 목표 위치를 연산한다(S805). 이러한 과정들은 산출된 각 관절의 이동 각도가 모두 유효할 때까지 반복될 수 있다.
한편, 상술한 단계 S815와 같이, 새로운 가상침습포트(VIP) 위치를 설정할 때, 엘보우(elbow)(223)로부터 가상침습포트(VIP)까지의 길이는 사전에 임의로 주어질 수 있다. 즉, 엘보우(elbow)(223)로부터 가상침습포트(VIP)까지의 길이를 조절하여 가상침습포트(VIP)가 환자(P)의 복강 내부 또는 복강 외부에 위치하도록 설정될 수 있다. 이때, 가상침습포트(VIP)가 복강 내부에 위치하느냐, 복강 외부에 위치하느냐에 따라, 엘보우(elbow)(223)의 이동 범위가 달라질 수 있다.
즉, 가상침습포트의 위치가 변경될 때마다 엘보우(elbow)(223)는 변경되는 가상침습포트와 엔드 이펙터(225)를 연결하는 직선상에 위치하도록 이동해야하는데, 도 10에 도시한 바와 같이, 가상침습포트가 복강 외부에 위치하는 경우(VIP1)와 가상침습포트가 복강 내부에 위치하는 경우(VIP2)를 비교해보면, 엘보우(elbow)(223)의 이동 거리는 가상침습포트가 복강 내부에 위치하는 경우(VIP2)에 더 짧아진다(d1 > d2). 즉, 엘보우(elbow)(223)의 이동 범위가 작아지는 것이다. 이와 같이, 엘보우(elbow)(223)의 이동 범위를 작게 함으로써, 작업 공간이 협소한 환자(P)의 신체 내부에서 동작하는 것이 용이하며, 움직임에 따라 환자(P) 신체 내부의 장기 또는 주변 조직에 손상을 가할 수 있는 사고를 방지할 수 있다.
상술한 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법은 기록매체에 저장된 후 소정의 장치, 예를 들면, 싱글 포트 수술 로봇 시스템과 결합하여 수행될 수 있다. 여기에서 "기록매체"는 하드 디스크, 비디오 테이프, CD, VCD, DVD 등과 같은 자기 또는 광 기록매체이거나 또는 오프라인 또는 온라인상에 구축된 클라이언트 또는 서버 컴퓨터의 데이터베이스일 수도 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
이상 본 발명을 구체적인 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 마스터 장치
110 : 입력부
111, 113 : 핸들
120 : 표시부
200 : 슬레이브 장치
210 : 로봇 암
220 : 수술 도구
221 : 샤프트
223 : 엘보우(elbow)
225 : 엔드 이펙터
230 : 내시경

Claims (25)

  1. 엘보우(elbow)와 엔드 이펙터를 갖는 수술 도구를 포함하는 슬레이브 장치 및 상기 슬레이브 장치의 동작을 제어하는 마스터 장치를 포함하는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법에 있어서,
    임의의 위치에 가상침습포트(Virtual Incision Port)를 설정하는 단계;
    상기 엔드 이펙터의 동작 위치를 설정하는 단계;
    설정된 상기 가상침습포트의 위치와 엔드 이펙터의 동작 위치를 이용하여 상기 엘보우의 목표 위치를 연산하는 단계;
    연산된 상기 엘보우의 목표 위치를 이용하여 상기 엘보우를 이동시키는 각 관절의 이동 각도를 산출하는 단계; 및
    연산된 상기 엘보우 목표 위치 및 상기 엔드 이펙터의 동작 위치를 이용하여 상기 엔드 이펙터를 이동시키는 각 관절 이동 각도를 산출하는 단계
    를 포함하는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엘보우의 목표 위치를 연산하는 단계는,
    상기 엘보우의 목표 위치가 상기 가상침습포트의 위치와 상기 엔드 이펙터의 동작 위치를 연결하는 직선상에 존재하도록 수행되는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 엘보우의 목표 위치를 연산하는 단계는, 하기 수식
    Figure pat00008
    ,
    Figure pat00009

    (여기에서, R은 실제침습포트 위치, V는 가상침습포트 위치, E는 엘보우 목표 위치, W는 엔드 이펙터 동작 위치를 각각 나타낸다.)
    을 이용하여 수행되는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실제침습포트 위치, 가상침습포트 위치, 엘보우 목표 위치 및 엔드 이펙터 동작 위치는 각각 3차원 좌표 상의 한 점인 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 엔드 이펙터의 동작 위치를 설정하는 단계는,
    상기 마스터 장치로부터 제어 신호를 입력받아 수행되는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가상침습포트를 설정하는 단계는,
    상기 가상침습포트의 위치가 환자의 신체 표면, 신체 외부 또는 신체 내부에 존재하도록 수행되는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가상침습포트를 설정하는 단계에서,
    상기 가상침습포트는 환자 신체에 부착된 마커(marker)를 검출하고, 검출된 마커(marker)의 위치를 연산하여 설정되는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가상침습포트를 설정하는 단계에서,
    상기 가상침습포트는 상기 마스터 장치의 표시부를 통해 입력되는 위치로 설정되는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가상침습포트를 설정하는 단계는,
    상기 수술 도구가 장착된 로봇 암의 각 관절을 가동각의 중간값으로 이동시키는 단계;
    상기 각 관절의 이동 각도를 이용하여 상기 엘보우의 목표 위치 및 상기 엔드 이펙터의 동작 위치를 연산하는 단계
    를 포함하는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가상침습포트는 상기 연산된 엘보우의 목표 위치와 엔드 이펙터의 동작 위치 및 하기 수식
    Figure pat00010

    Figure pat00011

    (여기에서, R은 실제침습포트 위치, V는 가상침습포트 위치, E는 엘보우(elbow) 목표 위치, W는 엔드 이펙터 동작 위치를 각각 나타낸다.)
    을 이용하여 설정되는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 엘보우를 이동시키는 각 관절의 이동 각도를 산출하는 단계 이후에,
    산출된 상기 각 관절의 이동 각도가 유효한지를 판단하는 단계를 더 포함하는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 각 관절의 이동 각도가 유효한지를 판단하는 단계는,
    상기 각 관절의 이동 각도가 각각 해당 관절의 가동각 범위 내에 속하는지를 판단하여 수행되는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 각 관절의 이동 각도가 유효한지를 판단하는 단계 이후, 각 관절의 이동 각도가 유효한 경우에는,
    연산된 상기 엘보우의 목표 위치 및 상기 엔드 이펙터의 동작 위치를 이용하여 상기 엔드 이펙터를 이동시키는 각 관절 이동 각도를 산출하는 단계로 이동하는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 각 관절의 이동 각도가 유효한지를 판단하는 단계 이후, 각 관절의 이동 각도가 유효하지 않은 경우에는,
    상기 설정된 엔드 이펙터의 동작 위치를 기준으로 도달 가능한 엘보우의 다른 목표 위치를 탐색하는 단계;
    탐색된 엘보우의 다른 목표 위치를 이용하여 상기 엘보우를 이동시키는 각 관절의 이동 각도를 다시 산출하는 단계; 및
    다시 산출된 각 관절의 이동 각도가 유효한지를 판단하는 단계
    를 수행하는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 엘보우의 다른 목표 위치를 탐색하는 단계는,
    상기 설정된 엔드 이펙터의 동작 위치를 기준으로 상기 엔드 이펙터로부터 상기 엘보우까지의 길이를 반지름으로 하는 구의 표면에 포함된 모든 점의 집합을 이용하여 수행되는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 엘보우의 다른 목표 위치를 탐색하는 단계는,
    상기 엔드 이펙터의 동작 위치에 대하여 도달 가능한 엘보우의 목표 위치 중 유효한 엘보우의 목표 위치를 대응되는 엔드 이펙터의 동작 위치와 매칭시켜 저장한 3차원 룩업테이블(Look-Up Table)을 이용하여 수행되는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 다시 산출된 각 관절의 이동 각도가 유효한지를 판단하는 단계 이후에, 다시 산출된 각 관절의 이동 각도가 유효한 경우에는,
    상기 탐색된 엘보우의 다른 목표 위치 및 상기 엔드 이펙터의 동작 위치를 이용하여 새로운 가상침습포트 위치를 설정하는 단계를 수행하는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 새로운 가상침습포트 위치를 설정하는 단계 이후에,
    설정된 상기 새로운 가상침습포트 위치와 상기 엔드 이펙터의 동작 위치를 이용하여 상기 엘보우의 목표 위치를 연산하는 단계를 수행하는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 새로운 가상침습포트 위치를 설정하는 단계는, 하기 수식
    Figure pat00012

    Figure pat00013

    (여기에서, R은 실제침습포트 위치, V는 가상침습포트 위치, E는 엘보우(elbow) 목표 위치, W는 엔드 이펙터 동작 위치를 각각 나타낸다.)
    을 이용하여 수행되는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 다시 산출된 각 관절의 이동 각도가 유효한지를 판단하는 단계 이후에, 다시 산출된 각 관절의 이동 각도가 유효하지 않은 경우에는,
    상기 엘보우의 다른 목표 위치를 다시 탐색하고, 탐색된 엘보우의 다른 목표 위치를 이용하여 상기 엘보우를 이동시키는 각 관절의 이동 각도를 다시 산출하는 단계를 수행하는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 엔드 이펙터를 이동시키는 각 관절의 이동 각도를 산출하는 단계 이후에,
    산출된 상기 각 관절의 이동 각도가 유효한지를 판단하는 단계
    를 더 포함하는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 각 관절의 이동 각도가 유효한지를 판단하는 단계 이후, 각 관절의 이동 각도가 유효하지 않은 경우에는,
    상기 설정된 엔드 이펙터의 동작 위치를 기준으로 도달 가능한 엘보우의 다른 목표 위치를 탐색하는 단계;
    탐색된 엘보우의 다른 목표 위치를 이용하여 상기 엘보우를 이동시키는 각 관절의 이동 각도를 다시 산출하는 단계; 및
    다시 산출된 각 관절의 이동 각도가 유효한지를 판단하는 단계
    를 수행하는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 엘보우의 다른 목표 위치를 탐색하는 단계는,
    상기 설정된 엔드 이펙터의 동작 위치를 기준으로 상기 엔드 이펙터로부터 상기 엘보우까지의 길이를 반지름으로 하는 구의 표면에 포함된 모든 점의 집합을 이용하여 수행되는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 다시 산출된 각 관절의 이동 각도가 유효한지를 판단하는 단계 이후에, 다시 산출된 각 관절의 이동 각도가 유효한 경우에는,
    상기 탐색된 엘보우의 다른 목표 위치 및 상기 엔드 이펙터의 동작 위치를 이용하여 새로운 가상침습포트 위치를 설정하는 단계를 수행하는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 다시 산출된 각 관절의 이동 각도가 유효한지를 판단하는 단계 이후에, 다시 산출된 각 관절의 이동 각도가 유효하지 않은 경우에는,
    상기 엘보우의 다른 목표 위치를 다시 탐색하고, 탐색된 엘보우의 다른 목표 위치를 이용하여 상기 엘보우를 이동시키는 각 관절의 이동 각도를 다시 산출하는 단계를 수행하는 싱글 포트 수술 로봇의 제어 방법.
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