KR20140136828A - Tele-operation system and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
기계나 장치를 원격지에서 조작 또는 제어하는 원격 조종 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다. To a remote control system for controlling or controlling a machine or a device at a remote place, and a control method thereof.
원격 조종 시스템(Teleoperation system)이란 사람의 센싱과 작업 능력을 사람이 존재하는 공간에서 멀리 떨어진 공간까지 확대시킬 수 있는 메카트로닉스 장치를 의미한다. 이러한 원격 조종 시스템은 마스터 장치(master device)와 슬레이브 장치(slave device)로 이루어지며, 조작자는 마스터 장치를 이용하여 원격지에 위치한 슬레이브 장치를 원격 제어한다. 이때, 마스터 장치는 슬레이브 장치에서 검출된 힘, 위치, 촉감, 온도, 습도 및 조도 등과 같은 각종 물리적 정보에 기초하여 슬레이브 장치의 동작을 원격에서 제어한다.Teleoperation system means a mechatronics device capable of extending a person's sensing and working ability to a space far from the space where the person is present. Such a remote control system is composed of a master device and a slave device, and the operator remotely controls a slave device located at a remote place using the master device. At this time, the master device remotely controls the operation of the slave device based on various physical information such as force, position, touch, temperature, humidity and illuminance detected in the slave device.
원격 조종 시스템의 예로는 수술 로봇 시스템, 우주 항공 원격 시스템, 위험물 처리 로봇, 순찰 로봇, 군사용 로봇(국방 로봇) 등을 들 수 있다.Examples of remote control systems include surgical robot systems, aerospace telemetry systems, hazardous material handling robots, patrol robots, and military robots (military robots).
이 중 수술 로봇 시스템(surgical robot system)은 조작자(주로, 의사)의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터(master) 로봇과 마스터 로봇으로부터 신호를 받아 직접 환자에 대해 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave) 로봇으로 이루어지는데, 통상 슬레이브 로봇은 수술실에, 마스터 로봇은 조작실에 각각 설치하고 마스터 로봇과 슬레이브 로봇을 유, 무선 방식으로 연결하여 원격으로 수술을 진행하게 된다. Among these, a surgical robot system receives signals from a master robot and a master robot that generate and transmit necessary signals by the operation of an operator (mainly a doctor) The slave robot is installed in the operating room, the master robot is installed in the operation room, and the master robot and the slave robot are connected with each other in a wired or wireless manner to perform the operation remotely.
이러한 수술 로봇 시스템과 같은 원격 조종 시스템에서는 원격지에 위치한 슬레이브 장치의 원격 제어를 위해 마스터 장치 및 슬레이브 장치가 상호간에 위치(position) 및 속도(velocity)를 추종해야 한다. 좀 더 상세하게는 조작자의 명령을 입력하기 위한 마스터 조작기 즉, 마스터 장치 측 엔드 이펙터가 작업 수행 시 작업 대상에 직접 작용하는 기능을 가진 부분 즉, 슬레이브 장치 측 엔드 이펙터(예: 수술 로봇 시스템에서 슬레이브 로봇에 마련된 수술 도구)의 위치 및 속도를 추종하거나, 반대로 슬레이브 장치 측 엔드 이펙터가 마스터 장치 측 엔드 이펙터의 위치 및 속도를 추종하는 방식으로 슬레이브 장치에 대한 원격 제어 동작을 수행하게 된다.In a remote control system such as a surgical robot system, a master device and a slave device must follow a position and a velocity for remote control of a slave device located at a remote place. More specifically, a master manipulator for inputting an operator's command, that is, a master device side end effector having a function of directly acting on an object to be operated at the time of performing an operation, that is, a slave device side end effector And the slave device side end effector performs the remote control operation on the slave device in such a manner that the end effector tracks the position and speed of the master device side end effector.
이때, 마스터 장치 측 엔드 이펙터의 위치를 검출하기 위한 위치 센서(예:디지털 장치의 일종인 인코더)와 슬레이브 장치 측 엔드 이펙터의 위치를 검출하기 위한 위치 센서 중 어느 한 쪽의 위치 분해능이 다른 한 쪽의 위치 분해능보다 상대적으로 낮은 경우에 전체적인 위치 센서의 성능은 위치 분해능이 낮은 쪽의 위치 센서에 의해 좌우될 수 있다. 예를 들어, 슬레이브 장치 측에 장착된 위치 센서의 분해능이 마스터 장치 측에 장착된 위치 센서의 분해능보다 2~10배 낮다고 할 때, 마스터-슬레이브 사이의 위치 오차 정보(position error data)에서 슬레이브 장치 측 위치 센서의 분해능 이상의 정확도(precision)는 양자화 오차(quantization error)가 더 커지기 때문에 무의미한 정보가 된다. 특히, 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 센서에 의해 검출된 위치 정보를 이용(미분)하여 속도를 산출할 때에는 미분하는 과정에서 잡음(noise)이 더 커지게 된다. 또한 마스터 장치 측에 장착된 위치 센서의 분해능과 슬레이브 장치 측에 장착된 위치 센서의 분해능이 동일한 경우에도, 수술 로봇 시스템과 같은 원격 조종 시스템에서는 마스터 장치 측 엔드 이펙터의 동작의 크기와 슬레이브 장치 측 엔드 이펙터의 동작의 크기를 기준화시키기 위해 동작 비율(motion scale)을 적용(즉, 동작 스케일링을 수행)하기 때문에 스케일링 후에는 양측 위치 센서의 실제적인 분해능(동작 비율 적용 후의 위치 분해능)이 달라져(어느 한 쪽의 위치 센서의 실제적인 분해능이 더 낮게 나타남) 전술한 문제점(잡음 발생)이 동일하게 발생될 수 있다.At this time, either one of a position sensor (for example, an encoder as a digital device) for detecting the position of the master device side end effector and a position sensor for detecting the position of the slave device side end effector The performance of the entire position sensor can be influenced by the position sensor with a lower position resolution. For example, when the resolution of the position sensor mounted on the slave device side is 2 to 10 times lower than the resolution of the position sensor mounted on the master device side, the position error data between the master- The precision above the resolution of the side position sensor becomes meaningless because the quantization error becomes larger. Particularly, when calculating the speed by using (differentiating) the position information detected by the position sensor having a relatively low position resolution, the noise becomes larger in the differentiation process. Also, even when the resolution of the position sensor mounted on the master device side is the same as the resolution of the position sensor mounted on the slave device side, in the remote control system such as the surgical robot system, Since the motion scale is applied (that is, the motion scaling is performed) to standardize the size of the motion of the effector, the actual resolution of the two position sensors after the scaling (position resolution after application of the motion ratio) The actual resolution of one of the position sensors is lower). The above-described problem (noise generation) may occur equally.
이러한 분해능이 낮은 위치 센서의 양자화로 인해 발생할 수 있는 속도 산출 시의 잡음을 저감시키기 위해 기존에는 위치 분해능이 낮은 위치 센서에 의해 검출된 위치 정보를 1차적으로 필터링(filtering)하는 방식을 채택해 왔다. 위치 정보를 필터링하는 일반적인 방법으로는 저역 통과 필터(low pass filter; LPF)를 이용할 수 있다. 저역 통과 필터는 입력 신호가 계단 모양과 같이 급격하게 변할 때, 그 출력 신호는 부드럽게 증가하여 입력 신호를 향해 포화되는(saturated) 형태로써 RC 회로를 통해 간단하게 구현이 가능하다. 하지만, 저역 통과 필터를 이용하여 위치 분해능이 낮은 위치 센서의 위치 정보를 필터링하는 경우에는 출력 신호(필터링된 신호)가 입력 신호(검출된 위치 정보 신호)에 대해 시간 지연(time delay)을 가질 수 밖에 없다는 문제점이 있다.In order to reduce the noise at the time of speed calculation that can occur due to the quantization of the position sensor having a low resolution, a method of primarily filtering the position information detected by the position sensor with low position resolution has been adopted . As a general method of filtering the position information, a low pass filter (LPF) can be used. When the input signal changes abruptly like a staircase, the output signal smoothly increases and saturates toward the input signal, so that the low pass filter can be implemented simply through the RC circuit. However, when the position information of a position sensor having a low position resolution is filtered using a low pass filter, the output signal (filtered signal) may have a time delay with respect to the input signal (detected position information signal) There is a problem that there is only one.
마스터 장치와 슬레이브 장치가 상호간에 위치 및 속도를 추종해야 하는 원격 조종 시스템에서, 마스터 장치 및 슬레이브 장치 중 위치 분해능이 상대적으로 높은 위치 검출부가 장착된 원격 장치(마스터/슬레이브, 서로 상대 장치)의 엔드 이펙터의 위치 변화량을 기반으로 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부가 장착된 해당 장치(마스터/슬레이브)의 엔드 이펙터의 위치를 예측하고, 해당 장치의 엔드 이펙터의 위치 검출 정보에 기초하여 예측된 위치값의 범위를 조정(제한)함으로써, 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부의 위치 검출 정보를 시간 지연 없이 필터링할 수 있는 원격 조종 시스템 및 그 제어방법을 제안하고자 한다.In a remote control system in which a master device and a slave device are required to follow a position and a speed with respect to each other, a master device and a slave device are connected to a remote device (master / slave, mutual device) (Master / slave) equipped with a position detection unit having a relatively low position resolution based on the positional change amount of the effector, estimates the position of the end effector of the device (master / slave) (Limiting) the position detection information of the position detection unit with a relatively low position resolution, thereby to filter the position detection information of the position detection unit with no time delay, and a control method thereof.
또한 마스터 장치와 슬레이브 장치가 상호간에 위치 및 속도를 추종해야 하는 원격 조종 시스템에서, 마스터 장치 및 슬레이브 장치 중 위치 분해능이 상대적으로 높은 위치 검출부가 장착된 원격 장치(마스터/슬레이브, 서로 상대 장치)의 엔드 이펙터의 위치 변화량을 기반으로 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부가 장착된 해당 장치(마스터/슬레이브)의 엔드 이펙터의 위치를 예측하고, 해당 장치의 엔드 이펙터의 위치 검출 정보에 기초하여 예측된 위치값의 범위를 조정(제한)함으로써, 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부의 양자화로 인해 발생할 수 있는 속도 산출 시의 고주파 잡음을 저감시킬 수 있는 원격 조종 시스템 및 그 제어방법을 제안하고자 한다.In a remote control system in which a master device and a slave device are required to follow the position and speed of each other, a remote device (master / slave, mutual device) equipped with a position detection part having a relatively high position resolution among the master device and the slave device (Master / slave) equipped with a position detector having a relatively low position resolution based on the positional change amount of the end effector, and estimates the position of the end effector (Limit) of a range of values of a position detection unit, thereby reducing a high frequency noise at the time of speed calculation that can be caused by quantization of a position detection unit having a relatively low position resolution, and a control method thereof.
원격 조종 시스템의 제어방법은 조작자의 조작을 위한 마스터 장치 및 조작에 따라 일정 동작 비율(motion scale)로 동작하는 슬레이브 장치를 포함하는 원격 조종 시스템의 제어방법에 있어서, 마스터 장치 및 슬레이브 장치 중 어느 하나의 엔드 이펙터의 위치인 제 1 위치에 대한 검출 정보를 획득하고; 획득된 제 1 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 제 1 위치의 변화량을 산출하고; 마스터 장치 및 슬레이브 장치 중 다른 하나의 엔드 이펙터의 위치인 제 2 위치에 대한 검출 정보를 획득하고; 산출된 제 1 위치의 변화량 및 획득된 제 2 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 제 2 위치를 추정하는 것을 포함하되, 제 2 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능이 제 1 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능에 일정 동작 비율을 적용한 값보다 낮다.A control method of a remote control system includes a master device for an operator's operation and a slave device operating at a certain motion scale according to an operation, the method comprising the steps of: Acquiring detection information for a first position that is a position of an end effector of the first sensor; Calculating a change amount of the first position based on the obtained detection information for the first position; Obtaining detection information on a second position, which is a position of an end effector of the other one of the master device and the slave device; And estimating a second position based on the calculated amount of change of the first position and detection information on the obtained second position, wherein the resolution of the position detecting unit for detecting the second position is It is lower than the value obtained by applying a certain operating ratio to the resolution.
또한 추정된 제 2 위치 정보에 기초하여 마스터 장치의 엔드 이펙터의 동작 또는 슬레이브 장치의 엔드 이펙터의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하고; 생성된 제어신호에 기초하여 마스터 장치의 엔드 이펙터의 동작 또는 슬레이브 장치의 엔드 이펙터의 동작을 제어하는 것을 더 포함한다.And generates a control signal for controlling the operation of the end effector of the master device or the operation of the end effector of the slave device based on the estimated second position information; And controlling the operation of the end effector of the master device or the operation of the end effector of the slave device based on the generated control signal.
또한 제 2 위치를 추정하는 것은: 직전 제어 주기에서의 추정된 제 2 위치 정보에 제 1 위치의 변화량에 일정 동작 비율을 적용한 값을 합산하여 제 2 위치의 추정값 후보를 산출하고; 획득된 제 2 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 산출된 제 2 위치의 추정값 후보의 범위를 제한한다.Estimating the second position includes: calculating a second estimated value candidate by summing the estimated second position information in the immediately preceding control period with a value obtained by applying a predetermined operating ratio to the amount of change of the first position; And limits the range of the estimated value candidate of the second position calculated based on the detected information on the obtained second position.
또한 제 2 위치를 추정하는 것은: 직전 제어 주기에서의 추정된 제 2 위치 정보에 제 1 위치의 변화량에 일정 동작 비율을 적용한 값과 저역 통과 필터를 통과한 제 2 위치 정보에 대한 검출 정보의 변화량의 가중합(weighted sum)을 합산하여 제 2 위치의 추정값 후보를 산출하고; 획득된 제 2 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 산출된 제 2 위치의 추정값 후보의 범위를 제한한다.The estimation of the second position may include: estimating the second position information in the immediately preceding control period by applying a predetermined operation ratio to the amount of change of the first position and a change amount of detection information with respect to the second position information that has passed through the low- Calculating a second estimated value candidate by summing the weighted sum of the second estimated position value; And limits the range of the estimated value candidate of the second position calculated based on the detected information on the obtained second position.
또한 제 2 위치의 추정값 후보의 범위를 제한하는 것은: 산출된 제 2 위치의 추정값 후보가 제 2 위치에 대한 검출 정보를 기준으로 한 제 2 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능의 상한 경계선 및 하한 경계선 사이의 범위 내에 놓인 경우 제 2 위치 추정값 후보를 제 2 위치로 추정한다.The range of the estimated value candidates of the second position is also limited as follows: the estimated value candidate of the calculated second position is the upper limit of the resolution of the position detecting unit for detecting the second position based on the detection information for the second position, The second position estimation value candidate is estimated as the second position.
또한 제 2 위치의 추정값 후보의 범위를 제한하는 것은: 산출된 제 2 위치의 추정값 후보가 제 2 위치에 대한 검출 정보를 기준으로 한 제 2 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능의 상한 경계선 및 하한 경계선 사이의 범위 외에 놓인 경우 제 2 위치 추정값 후보를 기준으로 상한 경계선 및 하한 경계선 중 더 근접한 경계선 상의 값을 제 2 위치로 추정한다.The range of the estimated value candidates of the second position is also limited as follows: the estimated value candidate of the calculated second position is the upper limit of the resolution of the position detecting unit for detecting the second position based on the detection information for the second position, A value on a closer boundary line between the upper boundary line and the lower boundary line is estimated as the second position based on the second position estimation value candidate.
또한 원격 조종 시스템은 수술 로봇 시스템, 우주 항공 원격 시스템, 위험물 처리 로봇, 순찰 로봇 및 군사용 로봇 중 어느 하나이다.Also, the remote control system is any one of a surgical robot system, an aerospace remote system, a hazardous material handling robot, a patrol robot, and a military robot.
원격 조종 시스템은 조작자의 명령 동작을 입력하기 위한 엔드 이펙터 및 명령 동작 입력용 엔드 이펙터의 위치를 검출하는 위치 검출부를 포함하는 마스터 장치; 조작자의 명령 동작에 따른 작업 동작을 일정 동작 비율에 따라 직접 수행하는 엔드 이펙터 및 작업 수행용 엔드 이펙터의 위치를 검출하는 위치 검출부를 포함하는 슬레이브 장치; 및 마스터 장치 및 슬레이브 장치 중 어느 하나의 엔드 이펙터의 위치인 제 1 위치에 대한 검출 정보를 획득하고, 획득된 제 1 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 제 1 위치의 변화량을 산출하고, 마스터 장치 및 슬레이브 장치 중 다른 하나의 엔드 이펙터의 위치인 제 2 위치에 대한 검출 정보를 획득하고, 산출된 제 1 위치의 변화량 및 획득된 제 2 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 제 2 위치를 추정하는 제어부를 포함하되, 제 2 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능이 제 1 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능에 일정 동작 비율을 적용한 값보다 낮다.The remote control system comprising: a master device including an end effector for inputting an instruction operation of an operator and a position detection section for detecting a position of an end effector for inputting a command operation; A slave device including an end effector for directly performing a work operation according to a command operation of an operator according to a certain operation rate and a position detector for detecting a position of an end effector for performing a task; And acquiring detection information for a first position that is a position of an end effector of either the master device or the slave device, calculating a variation amount of the first position based on detection information for the obtained first position, A control unit for obtaining detection information on a second position which is the position of the other end effector of the slave device and estimating a second position based on the calculated amount of change in the first position and detection information on the obtained second position Wherein the resolution of the position detection unit for detecting the second position is lower than a value obtained by applying a predetermined operation ratio to the resolution of the position detection unit for detecting the first position.
또한 제어부는 추정된 제 2 위치 정보에 기초하여 마스터 장치의 엔드 이펙터의 동작 또는 슬레이브 장치의 엔드 이펙터의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하고, 생성된 제어신호에 기초하여 마스터 장치의 엔드 이펙터의 동작 또는 슬레이브 장치의 엔드 이펙터의 동작을 제어한다.Further, the control unit generates a control signal for controlling the operation of the end effector of the master device or the end effector of the slave device based on the estimated second position information, and based on the generated control signal, Or the operation of the end effector of the slave device.
또한 제어부는 직전 제어 주기에서의 추정된 제 2 위치 정보에 제 1 위치의 변화량에 일정 동작 비율을 적용한 값을 합산하여 제 2 위치의 추정값 후보를 산출하고, 획득된 제 2 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 산출된 제 2 위치의 추정값 후보의 범위를 제한하여 제 2 위치를 추정한다.Also, the control unit may calculate the estimated value candidate at the second position by summing the estimated second position information in the immediately preceding control period and the value obtained by applying a predetermined operation ratio to the change amount of the first position, And estimates the second position by limiting the range of the estimated value candidate of the second position calculated based on the second position.
또한 제어부는 직전 제어 주기에서의 추정된 제 2 위치 정보에 제 1 위치의 변화량에 일정 동작 비율을 적용한 값과 저역 통과 필터를 통과한 제 2 위치 정보에 대한 검출 정보의 변화량의 가중합(weighted sum)을 합산하여 제 2 위치의 추정값 후보를 산출하고, 획득된 제 2 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 산출된 제 2 위치의 추정값 후보의 범위를 제한하여 제 2 위치를 추정한다.The control unit may further include a weighted sum of a value obtained by applying a predetermined operation ratio to the amount of change of the first position in the estimated second position information in the previous control cycle and a variation amount of the detected information with respect to the second position information that has passed through the low- ) To calculate the estimated value candidate of the second position, and estimates the second position by limiting the range of the estimated value candidate of the second position calculated based on the obtained detection information for the second position.
또한 제어부는 산출된 제 2 위치의 추정값 후보가 제 2 위치에 대한 검출 정보를 기준으로 한 제 2 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능의 상한 경계선 및 하한 경계선 사이의 범위 내에 놓인 경우 제 2 위치 추정값 후보를 제 2 위치로 추정한다.The control unit may further include a second position estimation value candidate when the calculated estimated position value of the second position is within a range between the upper limit boundary and the lower limit boundary of the resolution of the position detection unit that detects the second position based on the detection information about the second position To the second position.
또한 제어부는 산출된 제 2 위치의 추정값 후보가 제 2 위치에 대한 검출 정보를 기준으로 한 제 2 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능의 상한 경계선 및 하한 경계선 사이의 범위 외에 놓인 경우 제 2 위치 추정값 후보를 기준으로 상한 경계선 및 하한 경계선 중 더 근접한 경계선 상의 값을 제 2 위치로 추정한다.In addition, when the calculated estimated position value of the second position is outside the range between the upper limit boundary and the lower limit boundary of the resolution of the position detection unit that detects the second position with reference to the detection information for the second position, A value on a boundary line that is closer to the upper limit boundary line and the lower limit boundary is estimated as the second position.
또한 원격 조종 시스템은 수술 로봇 시스템, 우주 항공 원격 시스템, 위험물 처리 로봇, 순찰 로봇 및 군사용 로봇 중 어느 하나이다.Also, the remote control system is any one of a surgical robot system, an aerospace remote system, a hazardous material handling robot, a patrol robot, and a military robot.
또한 제 1 위치를 검출하는 위치 검출부 및 제 2 위치를 검출하는 위치 검출부는 인코더(encoder) 및 포텐셔미터(potentiometer) 중 어느 하나이다.The position detecting unit for detecting the first position and the position detecting unit for detecting the second position are any one of an encoder and a potentiometer.
제안된 원격 조종 시스템 및 그 제어방법에 의하면, 마스터 장치와 슬레이브 장치가 상호간에 위치 및 속도를 추종해야 하는 원격 조종 시스템에서, 마스터 장치 및 슬레이브 장치 중 위치 분해능이 상대적으로 높은 위치 검출부가 장착된 원격 장치(마스터/슬레이브, 서로 상대 장치)의 엔드 이펙터의 위치 변화량을 기반으로 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부가 장착된 해당 장치(마스터/슬레이브)의 엔드 이펙터의 위치를 예측하고, 해당 장치의 엔드 이펙터의 위치 검출 정보에 기초하여 예측된 위치값의 범위를 조정(제한)함으로써, 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부의 위치 검출 정보를 시간 지연 없이 필터링할 수 있다.According to the proposed remote control system and its control method, in a remote control system in which a master device and a slave device are required to follow a position and a speed with each other, a master device and a slave device, Estimates the position of the end effector of the corresponding device (master / slave) equipped with the position detection unit having a relatively low position resolution based on the positional change amount of the end effector of the device (master / slave and mutual device) (Limited) the range of the predicted position value based on the position detection information of the effector, it is possible to filter the position detection information of the position detection unit with a relatively low position resolution without a time delay.
또한 제안된 원격 조종 시스템 및 그 제어방법에 의하면, 마스터 장치와 슬레이브 장치가 상호간에 위치 및 속도를 추종해야 하는 원격 조종 시스템에서, 마스터 장치 및 슬레이브 장치 중 위치 분해능이 상대적으로 높은 위치 검출부가 장착된 원격 장치(마스터/슬레이브, 서로 상대 장치)의 엔드 이펙터의 위치 변화량을 기반으로 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부가 장착된 해당 장치(마스터/슬레이브)의 엔드 이펙터의 위치를 예측하고, 해당 장치의 엔드 이펙터의 위치 검출 정보에 기초하여 예측된 위치값의 범위를 조정(제한)함으로써, 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부의 양자화로 인해 발생할 수 있는 속도 산출 시의 고주파 잡음을 저감시킬 수 있다.According to the proposed remote control system and its control method, in the remote control system in which the master device and the slave device are required to follow the position and the speed of each other, a position detector having a relatively high position resolution among the master device and the slave device is mounted (Master / slave) equipped with the position detection unit having a relatively low position resolution based on the positional change amount of the end effector of the remote device (master / slave, mutual device) (Limit) the range of the estimated position value based on the position detection information of the end effector, it is possible to reduce the high frequency noise at the time of velocity calculation that can be caused by the quantization of the position detection unit having a relatively low position resolution.
도 1은 수술 로봇 시스템의 전체 구조를 나타낸 평면도이다.
도 2는 수술 로봇 시스템의 마스터 인터페이스를 나타낸 개념도이다.
도 3은 수술 로봇 시스템의 제어 블록도이다.
도 4는 수술 로봇 시스템의 제어 블록도이다.
도 5는 수술 로봇 시스템의 전체적인 제어 알고리즘을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6a 내지 도 6c는 마스터 로봇의 엔드 이펙터(마스터 조작기)의 위치 변화량을 기반으로 슬레이브 로봇의 엔드 이펙터(수술 도구)의 위치를 추정하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 수술 로봇 시스템의 제어방법을 도시한 흐름도이다.
도 8a는 마스터 로봇의 엔드 이펙터(마스터 조작기)의 위치 변화량을 기반으로 슬레이브 로봇의 엔드 이펙터(수술 도구)의 위치를 추정한 경우, 추정된 수술 도구의 위치를 나타낸 결과 그래프이고, 도 8b는 추정된 수술 도구의 위치를 이용하여 산출한 속도를 나타낸 결과 그래프이다.
도 9은 수술 로봇 시스템의 제어 블록도이다.
도 10은 수술 로봇 시스템의 전체적인 제어 알고리즘을 설명하기 위한 개념도이다.
도 11은 수술 로봇 시스템의 제어방법을 도시한 흐름도이다.
도 12a는 마스터 로봇의 엔드 이펙터(마스터 조작기)의 위치 변화량 및 LPF(저역 통과 필터)를 통과한 슬레이브 로봇의 엔드 이펙터(수술 도구)의 위치 검출 정보의 변화량을 기반으로 슬레이브 로봇의 엔드 이펙터(수술 도구)의 위치를 추정한 경우, 추정된 수술 도구의 위치를 나타낸 결과 그래프이고, 도 12b는 추정된 수술 도구의 위치를 이용하여 산출한 속도를 나타낸 결과 그래프이다.1 is a plan view showing the entire structure of a surgical robot system.
2 is a conceptual diagram showing a master interface of a surgical robot system.
3 is a control block diagram of a surgical robot system.
4 is a control block diagram of a surgical robot system.
5 is a conceptual diagram for explaining the overall control algorithm of the surgical robot system.
6A to 6C are views for explaining a method of estimating the position of the end effector (surgical tool) of the slave robot based on the amount of positional change of the end effector (master manipulator) of the master robot.
7 is a flowchart showing a control method of the surgical robot system.
8A is a graph showing the position of an estimated surgical tool when the position of an end effector (surgical tool) of a slave robot is estimated based on a positional change amount of an end effector (master manipulator) of the master robot, The results are shown in Fig.
9 is a control block diagram of a surgical robot system.
10 is a conceptual diagram for explaining the overall control algorithm of the surgical robot system.
11 is a flowchart showing a control method of the surgical robot system.
12A is a graph showing the relationship between the positional change amount of the end effector (master manipulator) of the master robot and the change amount of the position detection information of the end effector (surgical tool) of the slave robot that has passed through the LPF (low pass filter) FIG. 12B is a graph showing the speed calculated using the estimated position of the surgical tool. FIG. 12B is a graph showing the speed calculated using the estimated position of the surgical tool.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 실시예들에서는 원격 조종 시스템으로서 수술 로봇 시스템을 예로 들어 설명하기로 한다.In the present embodiments, a surgical robot system will be described as an example of a remote control system.
도 1은 수술 로봇 시스템의 전체 구조를 나타낸 평면도이고, 도 2는 수술 로봇 시스템의 마스터 인터페이스를 나타낸 개념도이다.FIG. 1 is a plan view showing the entire structure of a surgical robot system, and FIG. 2 is a conceptual view showing a master interface of a surgical robot system.
도 1 및 도 2를 참조하면, 수술 로봇 시스템은 수술대에 누워있는 환자에게 수술을 행하는 슬레이브 로봇(200)과 슬레이브 로봇(200)을 조작자(주로, 의사)가 원격 조종하는 마스터 로봇(100)을 포함하여 이루어진다. 마스터 로봇(100)과 슬레이브 로봇(200)이 반드시 물리적으로 독립된 별도의 장치로 분리되어야 하는 것은 아니며, 하나로 통합되어 일체형으로 구성될 수 있으며, 이 경우 마스터 인터페이스(110)는 예를 들어 일체형 로봇의 인터페이스 부분에 상응할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, a surgical robot system includes a
마스터 로봇(100)의 마스터 인터페이스(110)는 마스터 조작기(112) 및 표시부(114)를 포함할 수 있고, 슬레이브 로봇(200)은 로봇 암(202), 수술 기구(204), 수술 도구(206), 내시경(208) 및 초음파 프로브(210)를 포함할 수 있다. The
마스터 인터페이스(110)는 조작자가 양손에 각각 파지하여 조작할 수 있도록 마스터 조작기(112)를 구비한다. 조작자는 마스터 조작기(112)를 통해 슬레이브 로봇(200)의 로봇 암(202) 등의 위치 및 기능을 조작한다. 마스터 조작기(112)는 마스터 로봇(100) 측의 엔드 이펙터(End-effector)로서, 도 1 및 2에 예시된 바와 같이 두 개의 핸들로 구현될 수 있으며, 조작자의 핸들 조작에 따른 제어신호가 슬레이브 로봇(200)으로 전송되어 로봇 암(202) 등을 포함하는 슬레이브 로봇(200)의 동작이 제어된다. 조작자의 핸들 조작에 의해 로봇 암(202) 등의 위치 이동, 회전, 절단 작업 등이 수행될 수 있다. The
예를 들어, 마스터 조작기(112)는 메인 핸들(main handle)과 서브 핸들(sub handle)로 이루어질 수 있다. 하나의 핸들만으로 로봇 암(202) 등을 조작할 수도 있고, 서브 핸들을 추가하여 동시에 복수의 수술 도구를 실시간으로 조작할 수도 있다. 메인 핸들 및 서브 핸들은 그 조작 방식에 따라 다양한 기구적 구성을 가질 수 있으며, 예를 들면, 조이스틱 등 3차원적인 움직임을 가질 수 있으면서 슬레이브 로봇(200)의 로봇 암(202), 수술 기구(204) 및 수술 도구(206) 등을 작동시키기 위한 다양한 입력 수단이 사용될 수 있다. 마스터 조작기(112)에는 복수의 링크 및 복수의 관절(링크와 링크의 연결 부위)이 연결된다. 마스터 조작기(112)에 연결되는 복수의 관절 각각에는 마스터 조작기(112)의 위치를 검출하기 위한 위치 검출부(위치 센서)가 장착된다.For example, the
마스터 인터페이스(110)의 표시부(114)에는 내시경(208) 및/또는 초음파 프로브(210)에 의해 입력되는 영상이 화상 이미지로 표시된다. The image input by the
표시부(114)는 하나 이상의 모니터로 구성될 수 있으며, 각 모니터에 수술 시 필요한 정보들이 개별적으로 표시되도록 할 수 있다. 도 1 및 도 2에는 표시부(114)가 세 개의 모니터를 포함하는 경우가 예시되었으나, 모니터의 수량은 표시를 요하는 정보의 유형이나 종류 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다.The
마스터 로봇(100)과 슬레이브 로봇(200)은 유선 통신망 또는 무선 통신망을 통해 상호 결합되어 제어신호, 내시경(208)을 통해 입력된 내시경 영상 및 초음파 프로브(210)를 통해 입력된 초음파 영상 등이 상대방으로 전송될 수 있다. 만일, 마스터 인터페이스(110)에 구비된 두 개의 핸들에 의한 두 개의 제어신호 예를 들어, 로봇 암(202)에 결합된 수술 기구(204)의 위치 조정을 위한 제어신호와 로봇 암(202)에 결합된 내시경(208) 또는 초음파 프로브(210)의 위치 조정을 위한 제어신호가 동시에 또는 유사한 시점에서 전송될 필요가 있는 경우, 각 제어신호는 상호 독립적으로 슬레이브 로봇(200)으로 전송될 수 있다. The
여기서, 각 제어신호가 “독립적으로” 전송된다는 것은 제어신호 간에 서로 간섭을 주지 않으며, 어느 하나의 제어신호가 다른 하나의 신호에 영향을 미치지 않음을 의미한다. 이처럼, 복수의 제어신호가 서로 독립적으로 전송되도록 하기 위해서는, 각 제어신호의 생성 단계에서 각 제어신호에 대한 헤더 정보를 부가하여 전송시키거나, 각 제어신호가 그 생성 순서에 따라 전송되도록 하거나, 또는 각 제어신호의 전송 순서에 관하여 미리 우선 순위를 정해 놓고 그에 따라 전송되도록 하는 등 다양한 방식이 이용될 수 있다. 이 경우, 각 제어신호가 전송되는 전송 경로가 독립적으로 구비되도록 함으로써 각 제어신호 간에 간섭이 근본적으로 방지되도록 할 수도 있을 것이다.Here, the fact that each control signal is transmitted "independently" means that the control signals do not interfere with each other, and that any one control signal does not affect the other signal. In order to transmit a plurality of control signals independently of each other, header information for each control signal is added and transmitted in the generation of each control signal, or each control signal is transmitted in accordance with the generation order, A variety of schemes may be used, such as prioritizing the transmission order of each control signal and transmitting the priority order. In this case, the transmission paths through which the respective control signals are transmitted may be provided independently so that interference between the respective control signals may be fundamentally prevented.
슬레이브 로봇(200)의 로봇 암(202)은 다자유도를 가지며 구동되도록 구현될 수 있다. 로봇 암(202)은 복수의 링크(202a) 및 복수의 관절(202b)로 이루어진다. 로봇 암(202)의 단부에는 수술 기구(surgical instruments, 204), 내시경(208) 및 초음파 프로브(210)가 장착된다. 또한 수술 기구(204)의 단부에는 클램프(clamp), 그래스퍼(grasper), 가위(scissors), 스테이플러(stapler), 블레이드(blade), 니들(needle), 니들 홀더(needle holder) 등 수술에 필요한 각종 수술 도구(surgical tool, 206) 즉, 엔드 이펙터를 장착하여 수술을 수행한다. 로봇 암(202)의 단부에 장착되는 내시경(208) 및 초음파 프로브(210) 역시 슬레이브 로봇(200) 측의 엔드 이펙터로 볼 수 있으나, 이하에서는 설명의 편의상 슬레이브 로봇(200) 측의 엔드 이펙터로서 수술 도구(206)만을 예로 들어 설명하기로 한다.The
내시경(208)으로는 로봇 수술에서 주로 사용되는 복강경 이외에 흉강경, 관절경 및 비경 등 다양한 수술용 내시경이 사용될 수 있다.As the
도 1에서는 복수의 삽입구(multi-ports)-복수의 로봇 암(multi-robot arm)-복수의 수술 기구(multi-surgical instruments)-복수의 수술 도구(multi- surgical tools) 형태의 슬레이브 로봇(200)을 예로 들어 설명하였으나, 이외에도 하나의 삽입구(single-port)-복수의 로봇 암(multi-robot arm)-복수의 수술 기구(multi-surgical instruments)-복수의 수술 도구(multi- surgical tools) 형태의 슬레이브 로봇, 하나의 삽입구(single-port)-하나의 로봇 암(single-robot arm)-복수의 수술 기구(multi-surgical instruments)-복수의 수술 도구(multi- surgical tools) 형태의 슬레이브 로봇 등 다양한 형태의 슬레이브 로봇을 포함하는 수술 로봇 시스템에 대해 본 발명이 적용될 수 있다.In FIG. 1, a plurality of slave robots 200 (in the form of multi-ports), a plurality of robot arms, a plurality of surgical instruments, and a plurality of slave tools A single-port, a multi-robot arm, a multi-surgical instrument, a plurality of surgical tools, A single-port robot, a single-robot arm, a multi-surgical instrument, a slave robot in the form of a plurality of surgical tools, etc. The present invention can be applied to a surgical robot system including various types of slave robots.
도 3은 수술 로봇 시스템의 제어 블록도이다.3 is a control block diagram of a surgical robot system.
도 3에 도시한 바와 같이, 수술 로봇 시스템은 마스터 로봇(100A) 및 슬레이브 로봇(200A)을 포함하여 이루어진다.As shown in Fig. 3, the surgical robot system includes a
본 실시예에서는 마스터 로봇(100A) 측의 엔드 이펙터인 마스터 조작기(112)의 위치를 검출하는 위치 검출부(120A)의 위치 분해능이 슬레이브 로봇(200A) 측의 엔드 이펙터인 수술 도구(206)의 위치를 검출하는 위치 검출부(220A)의 위치 분해능보다 높은 경우를 예로 들어 설명하기로 한다. 이때, 위치 분해능이 상대적으로 높은 위치 검출부가 장착되는 엔드 이펙터의 위치(여기서는, 마스터 조작기의 위치)를 “제 1 위치”로, 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부가 장착되는 엔드 이펙터의 위치(여기서는, 수술 도구의 위치)를 “제 2 위치”로 정의하기로 한다.The positional resolution of the
마스터 로봇(100A)은 제 1 위치 검출부(120A), 제 1 속도 검출부(125A), 저장부(130A), 마스터 제어부(140A), 통신부(150A) 및 표시부(114A)를 포함할 수 있다.The
제 1 위치 검출부(120A)는 마스터 조작기(112)에 연결되는 복수의 관절 각각에 장착되어 마스터 조작기(112)의 위치, 좀 더 자세하게는 마스터 조작기(112)에 연결되는 관절의 위치(회전 각도)를 검출한다. 여기서, “제 1 위치”란 전술한 바와 같이, 위치 분해능이 상대적으로 높은 위치 검출부가 장착되는 엔드 이펙터의 위치를 의미하므로, 본 실시예에서는 마스터 조작기(112)의 위치를 검출하는 제 1 위치 검출부(120A)의 위치 분해능이 수술 도구(206)의 위치를 검출하는 제 2 위치 검출부(220A)의 위치 분해능보다 높은 경우를 전제한다. 제 1 위치 검출부(120A)로는 인코더(encoder), 포텐셔미터(potentiometer) 등이 이용될 수 있으며, 이외에도 마스터 조작기(112)의 위치에 대한 정보를 검출할 수 있는 디지털 장치라면 어떠한 장치라도 사용 가능함은 물론이다.The first
제 1 속도 검출부(125A)는 마스터 조작기(112)에 연결되는 복수의 관절 각각에 장착되어 마스터 조작기(112)의 속도, 좀 더 자세하게는 마스터 조작기(112)에 연결되는 관절의 속도(회전 속도)를 검출한다. 여기서, “제 1 속도”란 위치 분해능이 상대적으로 높은 위치 검출부가 장착된 엔드 이펙터의 속도를 의미한다. 제 1 속도 검출부(125A)로는 타코미터(tachometer) 등이 이용될 수 있다. 본 실시예에서는 마스터 조작기(112)의 속도를 제 1 속도 검출부(125A)를 이용하여 검출하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 별도의 속도 검출부(속도 센서)를 이용하지 않고, 제 1 위치 검출부(예: 인코더)의 출력값을 미분하여 마스터 조작기(112)의 속도를 산출하고, 산출된 속도 정보를 이용하는 것도 가능하다.The
저장부(130A)는 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부가 장착된 엔드 이펙터의 위치(제 2 위치)를 추정하는데 필요한 정보 및 제 2 위치 추정부(141A)에서 수행된 제 2 위치 추정의 결과가 저장되는 메모리로, 저장부(130A) 내에는 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부(제 2 위치 검출부)의 위치 분해능 정보 및 제 2 위치 추정 과정에서 추정된 제 2 위치 정보 등이 저장된다. The
또한 저장부(130A)는 수술 이전에 촬영된 엑스-레이(X-ray) 영상, 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상 및 자기공명영상(MRI) 등의 다양한 참조 영상 등을 저장할 수 있다.In addition, the
마스터 제어부(140A)는 수술 로봇 시스템의 전반적인 동작을 제어하기 위한 프로세서로, 마스터 제어부(140A)는 다시 제 2 위치 추정부(141A), 제어신호 생성부(145A) 및 영상 처리부(146A)를 포함한다.The
제 2 위치 추정부(141A) 또는 무지연 필터부(141A)는 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부 즉, 제 2 위치 검출부(220A)의 위치 검출 정보를 시간 지연 없이 필터링하기 위한 구성부로, 제 2 위치 추정부(141A)는 다시 제 1 위치 변화량 산출부(142A), 제 2 위치 추정값 후보 산출부(143A), 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144A)를 포함한다.The second
제 1 위치 변화량 산출부(142A)는 제 1 위치 검출부(120A)로부터 제 1 위치 검출 정보(…, r[k-1], r[k])를 수신하고, 수신된 제 1 위치 검출 정보(…, r[k-1], r[k])를 이용하여 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])을 산출한다. 여기서, [k], [k-1]은 샘플링 인덱스(sampling index)를 나타내는데, k는 현재 제어 주기를 의미하고 k-1은 직전 제어 주기를 의미한다. 또한 r[k]는 현재 제어 주기(k)에서 제 1 위치 검출부(120A)를 통해 검출된 제 1 위치 검출 정보이고, r[k-1]은 직전 제어 주기(k-1)에서 제 1 위치 검출부(120A)를 통해 검출된 제 1 위치 검출 정보이다. 따라서, 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])은 현재 제어 주기에서의 제 1 위치 검출 정보(r[k])에서 직전 제어 주기에서의 제 1 위치 검출 정보(r[k-1])를 뺀 값을 의미한다. 제 1 위치 변화량 산출부(142A)는 산출된 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])을 제 2 위치 추정값 후보 산출부(143A)로 전달한다.The first position change
제 2 위치 추정값 후보 산출부(143A)는 제 1 위치 변화량 산출부(142A)로부터 수신한 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])에 기초하여 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 산출한다. 제 2 위치 추정값 후보를 산출할 때, 추정하고자 하는 제 2 위치(위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부가 장착된 엔드 이펙터의 위치)는 제 1 위치(위치 분해능이 상대적으로 높은 위치 검출부가 장착된 엔드 이펙터의 위치)와 연동하여 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])만큼 이동했다고 전제한다. 즉, 제 2 위치로 추정될 수 있는 값(제 2 위치 추정값 후보, xc[k])은 직전 제어 주기(k-1)에서 추정된 제 2 위치(x[k-1])에서 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])만큼 이동한 값이라고 예측한다. 결과적으로, 제 2 위치 추정값 후보 산출부(143A)는 직전 제어 주기에서 추정된 제 2 위치(x[k-1]) 및 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])을 합산하여 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 산출한다. 즉, 제 2 위치 추정값 후보 산출부(143A)는 아래의 [수학식 1]을 이용하여 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 산출할 수 있다.The second position estimation value
[수학식 1][Equation 1]
제 2 위치 추정값 후보 산출부(143A)는 산출된 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144A)로 전달한다.The second position estimation value
제 2 위치 추정값 후보 제한부(144A)는 제 2 위치 검출부(220A)를 통해 검출된 제 2 위치 검출 정보(y[k])에 기초하여 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제한한다. 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제한하고자 할 때 즉, 최종적으로 추정된 제 2 위치를 획득하고자 할 때, 추정된 제 2 위치(위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부가 장착된 엔드 이펙터가 실제 존재한다고 추정된 위치)는 y[k]±Δ/2 이내에 존재하는 것으로 전제한다. 여기서, y[k]는 제 2 위치 검출 정보이고, Δ는 제 2 위치 검출부(220A)의 위치 분해능이며, 위치 분해능이란 위치 검출부(위치 센서)가 어떠한 위치 검출값을 주변 값들과 구분할 수 있는 능력의 척도 즉, 인접한 두 개의 점을 별개의 것으로 구별할 수 있는 최소 거리를 의미한다. 위치 분해능은 두 점 사이의 거리 또는 각도(밀리미터 또는 라디안 단위)로서 나타내며, 이 값이 작을수록 분해능이 크다는 것을 의미한다. The second position estimation value
즉, 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144A)는 아래의 [수학식 2]를 이용하여 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제한할 수 있다.That is, the second position estimation value
[수학식 2]&Quot; (2) "
여기서, 이다.here, to be.
위 식의 의미를 살펴보면, 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144A)는 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제 2 위치 검출 정보(y[k])에 기초하여 제한하되, 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])가 y[k]±Δ/2의 범위 내에 존재하면 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 그대로 제 2 위치 추정값(추정된 제 2 위치, x[k])으로 산출한다. 한편, 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144A)는 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])가 제 2 위치 검출 정보(y[k])±Δ/2의 범위 외에 존재하면 y[k]+Δ/2 또는 y[k]-Δ/2를 제 2 위치 추정값(추정된 제 2 위치, x[k])으로 산출한다. 즉, 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144A)는 현재 제어 주기인 k에서의 제 2 위치 검출 정보(y[k])에 Δ/2를 더한 값(y[k]+Δ/2)을 상한(upper limit)으로, 제 2 위치 검출 정보(y[k])에서 Δ/2를 뺀 값(y[k]-Δ/2)값을 하한(lower limit)으로 하여 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제한한다.The second position estimation value
이상에서는 제 1 위치 검출부(120A)의 위치 분해능이 제 2 위치 검출부(220A)의 위치 분해능보다 상대적으로 높고, 마스터 로봇(100A)과 슬레이브 로봇(200A) 간에 별도의 동작 비율(motion scale)을 적용하지 않는 경우를 예로 들어 설명하였다.The position resolution of the
하지만, 마스터 로봇 측에 장착된 위치 검출부의 위치 분해능과 슬레이브 로봇 측에 장착된 위치 검출부의 위치 분해능이 동일한 경우에도 수술 로봇 시스템에서는 일반적으로 마스터 로봇 측 엔드 이펙터(마스터 조작기)의 동작의 크기와 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터(수술 도구)의 동작의 크기를 기준화시키기 위해 동작 비율(motion scale)을 적용(즉, 동작 스케일링을 수행)하기 때문에 스케일링 후에는 양측 위치 검출부의 실제적인 분해능(동작 비율 적용 후의 위치 분해능, 이하 “표준화 분해능(normalized resolution)”이라 함)이 달라져(어느 한 쪽의 위치 검출의 실제적인 위치 분해능이 더 낮게 나타남) 표준화 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부에 의해 검출된 위치 정보를 이용하여 속도를 산출할 때 고주파 잡음이 발생할 수 있다는 점은 앞서 언급한 바 있다.However, even when the position resolution of the position detection unit mounted on the master robot side is the same as the position resolution of the position detection unit mounted on the slave robot side, the operation amount of the end effector (master manipulator) Since the motion scale is applied (i.e., motion scaling is performed) in order to standardize the size of the motion of the robot side end effector (surgical tool), the actual resolution of the both side position detection units after the scaling (I.e., the actual position resolution of the position detection is lower), and the position information detected by the position detection unit having a relatively low standardization resolution is used (hereinafter referred to as " normalized resolution " The fact that high-frequency noise can be generated when calculating the velocity There was a bar.
여기서, 동작 비율을 적용한다는 것은 마스터 대(對) 슬레이브의 일정 동작 비율이 5:1이라고 할 때 마스터 로봇 측 엔드 이펙터의 위치 정보에 1/5을 곱한 값과 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터의 위치 정보를 이용하여 양측 엔드 이펙터들의 동작을 제어하거나, 마스터 로봇 측 엔드 이펙터의 위치 정보와 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터의 위치 정보에 5를 곱한 값을 이용하여 양측 엔드 이펙터들의 동작을 제어하는 것을 의미한다.Here, the application of the operation ratio means that a value obtained by multiplying the position information of the end effector of the master robot by 1/5 and the position information of the end effector of the slave robot when the constant operation ratio of the master to slave is 5: Means controlling the operation of both end effectors by using the value of the position information of the master robot side end effector and the position information of the slave robot side end effector multiplied by five.
예를 들어, 마스터 로봇 측에 장착된 위치 검출부의 위치 분해능과 슬레이브 로봇 측에 장착된 위치 검출부의 위치 분해능이 동일하고 마스터 대(對) 슬레이브의 동작 비율(motion scale)이 5:1이라고 할 때 슬레이브 로봇 측에 장착된 위치 검출부의 표준화 분해능이 마스터 로봇 측에 장착된 위치 검출부의 표준화 분해능보다 5배 낮아지는데, 이때에는 아래의 두 가지 방식으로 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터의 위치를 추정할 수 있다.For example, assuming that the position resolution of the position detection unit mounted on the master robot side is the same as the position resolution of the position detection unit mounted on the slave robot and the motion scale of the master to slave is 5: 1 The standardization resolution of the position detector mounted on the slave robot side is lower than the standardization resolution of the position detector mounted on the master robot side. In this case, the position of the slave robot side end effector can be estimated by the following two methods.
첫 번째로, 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터의 위치를 추정할 때(즉, 전술한 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용할 때), 마스터 로봇 측 엔드 이펙터의 위치 정보에 1/5을 곱한 값을 이용함으로써 마스터 로봇 및 슬레이브 로봇 측의 모든 위치 정보가 슬레이브 로봇 기준의 스케일(scale)을 갖도록 한다(슬레이브 로봇 기준 표준화 수행). 즉, [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용할 때 마스터 로봇 측 엔드 이펙터의 위치 검출 정보인 r[k-1] 및 r[k]에 각각 1/5을 곱한 값을 이용하여 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터의 위치를 추정할 수 있다.First, when estimating the position of the slave robot side end effector (that is, when using the above-described [Expression 1] and [Expression 2]), the position information of the end effector on the master robot side is multiplied by 1/5 Value, all the position information of the master robot and the slave robot are made to have the scale of the slave robot standard (slave robot standardization is performed). That is, by using the values obtained by multiplying r [k-1] and r [k], which are the position detection information of the end effector of the master robot side, by 1/5 when using [Expression 1] and [Expression 2] The position of the side end effector can be estimated.
두 번째로, 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터의 위치를 추정할 때(즉, 전술한 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용할 때), 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터의 위치 정보에 5를 곱한 값을 이용함으로써 마스터 로봇 및 슬레이브 로봇 측의 모든 위치 정보가 마스터 로봇 기준의 스케일을 갖도록 한다(마스터 로봇 기준 표준화 수행). 즉, [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용할 때 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터의 위치 검출 정보인 y[k], 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터의 위치 추정값 후보인 xc[k], 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터의 추정된 위치 정보인 x[k]에 각각 5를 곱한 값을 이용하여 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터의 위치를 추정할 수 있다.Secondly, when estimating the position of the slave robot side end effector (that is, when using Equations (1) and (2) described above), the value obtained by multiplying the position information of the slave robot side end effector by 5 So that all the positional information of the master robot and the slave robot side have the scale of the master robot standard (performing standardization of the master robot standard). That is, y [k], which is the position detection information of the slave robot side end effector, x c [k], which is a position estimation value candidate of the slave robot side end effector when using [Expression 1] and [ It is possible to estimate the position of the slave robot side end effector by multiplying x [k], which is estimated position information of the end effector, by 5, respectively.
제어신호 생성부(145A)는 제 2 위치 추정부(141A)를 통해 추정된 제 2 위치 정보(x[k])를 이용하여 마스터-슬레이브 사이의 위치 오차 정보를 산출한다. 또한 제어신호 생성부(145A)는 제 2 위치 추정부(141A)를 통해 추정된 제 2 위치 정보(x[k]) 및 아래의 [수학식 3]을 이용하여 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터(수술 도구)의 속도(v[k])를 산출하거나, [수학식 3]을 통해 산출된 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터(수술 도구)의 속도(v[k])에 LPF(저역 통과 필터)를 적용하여 아래의 [수학식 4]로 표현되는 저역 통과 필터링된 수술 도구(206)의 속도()를 획득할 수 있다.The
[수학식 3]&Quot; (3) "
[수학식 4]&Quot; (4) "
여기서, T는 수술 로봇 시스템의 제어 주기(샘플링 시간)을 나타낸다.Here, T represents the control period (sampling time) of the surgical robot system.
즉, 제어신호 생성부(145A)는 제 2 위치 추정부(141A)를 통해 추정된 제 2 위치 정보에 기초하여 마스터-슬레이브 사이의 위치 오차 정보, 슬레이브 로봇 측 수술 도구(206)의 속도(v[k]) 또는 저역 통과 필터링된 수술 도구(206)의 속도()를 산출하고, 산출된 정보들에 기초하여 슬레이브 로봇(200) 즉, 수술 도구(206)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성한다. That is, the control
영상 처리부(146A)는 슬레이브 로봇(200A)의 영상 정보 획득부(225A), 예를 들어 내시경(208) 및/또는 초음파 프로브(210)로부터 입력된 영상을 화상 이미지로 출력하기 위해 입력된 영상에 대한 처리를 수행한다. 여기서, 영상 처리의 예로는 촬영된 영상의 확대, 축소, 회전, 이동, 편집 및 필터링 등을 들 수 있다.The
통신부(150A)는 유선 통신망 또는 무선 통신망을 통해 마스터 제어부(140A) 및 슬레이브 로봇(200A)의 통신부(250A)에 연결되어 데이터를 송수신하는 통신 회로로, 제어신호 생성부(145A)를 통해 생성된 제어신호를 슬레이브 로봇(200A)으로 송신하거나, 제 1 위치 검출부(120A)를 통해 검출된 제 1 위치에 대한 검출 정보, 영상 정보 획득부(225A)를 통해 획득된 영상 정보(내시경 영상 정보 및/또는 초음파 영상 정보) 등을 슬레이브 로봇(200A)으로부터 수신할 수 있다.The
표시부(114A)는 슬레이브 로봇(200)의 내시경(208)으로부터 전달된 내시경 영상에 상응하는 화상 이미지, 슬레이브 로봇(200)의 초음파 프로브(210)로부터 전달된 초음파 영상에 상응하는 화상 이미지 또는 저장부(130A)에 저장되어 있는 수술 이전에 촬영된 엑스-레이(X-ray) 영상, 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상 및 자기공명영상(MRI) 등의 다양한 참조 영상 등을 시각(視覺)적 정보로 출력한다. The
슬레이브 로봇(200A)은 마스터 로봇(100A)으로부터 수신한 제어신호에 따라 로봇 암(202)을 동작시켜 직접 환자에 대해 수술에 필요한 조작을 가한다. 이러한 슬레이브 로봇(200A)은 도 3에 도시한 바와 같이, 제 2 위치 검출부(220A), 영상 정보 획득부(225A), 저장부(230A), 슬레이브 제어부(240A), 통신부(250A) 및 구동부(260A)를 포함할 수 있다.The
제 2 위치 검출부(220A)는 로봇 암(202)을 이루는 복수의 관절(202b) 각각에 장착되어 로봇 암(202)에 연결되는 수술 도구(206)의 위치, 좀 더 자세하게는 수술 도구(206)에 연결되는 관절의 위치(회전 각도)를 검출한다. 여기서, "제 2 위치"란 전술한 바와 같이, 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부가 장착되는 엔드 이펙터의 위치를 의미하므로, 본 실시예에서는 수술 도구(206)의 위치를 검출하는 제 2 위치 검출부(220A)의 위치 분해능이 마스터 조작기(112)의 위치를 검출하는 제 1 위치 검출부(120A)의 위치 분해능보다 낮은 경우를 전제한다. 제 2 위치 검출부(220A)로는 인코더(encoder), 포텐셔미터(potentiometer) 등이 이용될 수 있으며, 이외에도 수술 도구(206)의 위치에 대한 정보를 검출할 수 있는 디지털 장치라면 어떠한 장치라도 사용 가능함은 물론이다. The second
영상 정보 획득부(225A)는 환자의 체내로 삽입되어 이동하면서 내장장기(內臟臟器)나 체강(體腔) 내부를 촬영하여 수술 부위의 영상 정보를 획득한다. 영상 정보 획득부(225A)는 내시경(208) 및 초음파 프로브(210) 등으로 구현될 수 있다. 영상 정보 획득부(225A)를 통해 획득된 영상 정보는 슬레이브 제어부(240A) 내의 영상 처리부(247A)로 전달되어 영상 처리 과정을 거치거나, 영상 처리 과정 없이 통신부(250A)를 통해 마스터 로봇(100A)으로 전송될 수 있다.The image
저장부(230A)는 슬레이브 로봇(200A)의 동작을 제어하는데 필요한 정보 및 알고리즘 등을 저장한다. 예를 들면, 저장부(230A) 내에는 제 2 위치 검출부(220A)를 통해 검출된 수술 도구(206)의 위치 검출 정보 및 영상 정보 획득부(225A)를 통해 획득된 수술 부위에 대한 영상 정보가 저장된다.The
슬레이브 제어부(240A)는 슬레이브 로봇(200)을 이루는 각종 구성요소들을 연결하고 슬레이브 로봇(200)의 동작을 제어하기 위한 프로세서로, 제 2 위치 검출부(220A)에서 검출한 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터(수술 도구)의 위치 검출 정보 및 영상 정보 획득부(225A)에서 획득된 수술 부위의 영상 정보를 통신부(250A)를 통해 마스터 로봇(100A)으로 전송하거나, 마스터 제어부(140A) 내 제어신호 생성부(145A)에서 생성된 제어신호를 통신부(250A)를 통해 수신하여 구동부(260A)로 전달하는 역할을 수행한다. 또한 슬레이브 제어부(240A)는 영상 정보 획득부(225A)를 통해 획득된 수술 부위의 영상에 대한 처리를 수행하는 영상 처리부(247A)를 포함할 수 있다. 여기서, 영상 처리의 예로는 촬영된 영상의 확대, 축소, 회전, 이동, 편집 및 필터링 등을 들 수 있다. 슬레이브 제어부(240A) 내에서 수행되는 영상 처리 과정은 경우에 따라 생략될 수도 있다. The
통신부(250A)는 유선 통신망 또는 무선 통신망을 통해 슬레이브 제어부(240A) 및 마스터 로봇(100A)의 통신부(150A)에 연결되어 데이터를 송수신하는 통신 회로로, 마스터 로봇(100A)로부터 추정된 제 2 위치 정보가 반영된 제어신호를 수신하거나, 제 2 위치 검출부(220A)를 통해 검출된 제 2 위치에 대한 검출 정보, 영상 정보 획득부(225A)를 통해 획득된 영상 정보(내시경 영상 정보 및/또는 초음파 영상 정보) 등을 마스터 로봇(100A)으로 송신할 수 있다.The
구동부(260A)는 로봇 암(202)을 이루는 복수의 관절(202b) 각각에 전기 또는 유압에 의한 동력을 전달하기 위한 모터 등의 액추에이터로, 마스터 제어부(140A)로부터 전달된 (토크) 제어신호에 따라 각 관절들을 회전 구동한다. 이때, 마스터 제어부(140A)로부터 수신한 제어신호는 무지연 필터부(141A)를 통해 추정된 제 2 위치 정보에 기초하여 생성된 제어신호이다.The driving
이상에서는, 도 3을 참조하여 일실시예에 따른 수술 로봇 시스템의 마스터 로봇(100A) 및 슬레이브 로봇(200B)의 제어 구성을 설명하였다. 도 3은 마스터 로봇(100A)의 마스터 제어부(140A)가 제 1 위치 변화량 산출부(142A), 제 2 위치 추정값 후보 산출부(143A) 및 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144A)로 이루어지는 제 2 위치 추정부(141A)를 포함하는 경우를 도시하고 있으나, 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 위치 변화량 산출부(242B), 제 2 위치 추정값 후보 산출부(243B) 및 제 2 위치 추정값 후보 제한부(244B)로 이루어지는 제 2 위치 추정부(241B)가 슬레이브 로봇(200B)의 슬레이브 제어부(240B) 내에 포함되도록 구성하는 것도 가능하다. 도 4에 도시된 실시예의 경우, 슬레이브 제어부(240B)가 제 2 위치에 대한 추정 과정을 수행하므로, 슬레이브 로봇(200B) 측 저장부(230B) 내에 제 2 위치를 추정하는데 필요한 정보(제 2 위치 검출부의 위치 분해능 정보) 및 제 2 위치 추정부(241B)에서 수행된 제 2 위치 추정의 결과(추정된 제 2 위치 정보)가 저장될 수 있다. 이때, 슬레이브 제어부(240B) 내 제 2 위치 추정부(241B)에서 추정된 제 2 위치 정보는 통신부(250B, 150B)를 통해 마스터 제어부(140B) 내 제어신호 생성부(145B)로 전달되고, 제어신호 생성부(145B)는 수신된 제 2 위치 정보에 기초하여 슬레이브 로봇(200)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하게 된다.The control configuration of the
도 4에 도시된 수술 로봇 시스템의 구성은 도 3에 도시된 수술 로봇 시스템의 구성과 비교해 볼 때, 제 2 위치 추정부(241B)가 마스터 제어부(140B)가 아닌 슬레이브 제어부(240B) 내에 마련된다는 점에서만 차이가 있고, 그 외의 다른 구성 요소들은 도 3에 도시된 수술 로봇 시스템의 구성 요소들과 동일하므로, 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.The configuration of the surgical robot system shown in FIG. 4 is different from that of the surgical robot system shown in FIG. 3 in that the
도 5는 수술 로봇 시스템의 전체적인 제어 알고리즘을 설명하기 위한 개념도이고, 도 6a 내지 도 6c는 마스터 로봇의 엔드 이펙터(마스터 조작기)의 위치 변화량을 기반으로 슬레이브 로봇의 엔드 이펙터(수술 도구)의 위치를 추정하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining the overall control algorithm of the surgical robot system. FIGS. 6A to 6C show positions of end effectors (surgical tools) of the slave robot based on the positional change amounts of the end effectors And Fig.
도 5에 도시한 “A” 영역(도 5에서 이점 쇄선으로 도시한 영역)은 제 1 위치(위치 분해능이 상대적으로 높은 위치 검출부가 장착되는 엔드 이펙터의 위치, 위의 실시예에서는 마스터 조작기의 위치)의 변화량을 기반으로 제 2 위치(위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부가 장착되는 엔드 이펙터의 위치, 위의 실시예에서는 수술 도구의 위치)를 추정하는 과정을 나타낸 부분이다.The area " A " shown in Fig. 5 (the area indicated by chain double-dashed lines in Fig. 5) is located at the first position (the position of the end effector on which the position detection unit with a relatively high position resolution is mounted, (The position of the end effector on which the position detection unit with a relatively low position resolution is mounted, the position of the surgical tool in the above embodiment) based on the amount of change of the position of the end effector.
도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 수술이 시작되어 마스터 조작기(112)의 조작자(수술 로봇 시스템을 사용하는 의사)가 수술 동작을 위해 마스터 조작기(112)를 조작하면 마스터 조작기(112)의 위치에 관한 검출 정보 즉, 제 1 위치 검출 정보(…, r[k-1], r[k])가 획득된다. 이 획득된 제 1 위치 검출 정보(…, r[k-1], r[k])를 이용하여 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])을 산출한다. 여기서, k는 현재 제어 주기를 의미하고 k-1은 직전 제어 주기를 의미한다. 5, when the operation is first started and an operator (doctor using the surgical robot system) of the
다음으로, 직전 제어 주기(k-1)에서 추정된 제 2 위치(x[k-1])에 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])을 합산하여 현재 제어 주기에서의 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 산출한다.Next, the first position change amount r [k] -r [k-1] is added to the second position x [k-1] estimated in the immediately preceding control period k-1, (X c [k]) of the second position estimation value candidates.
이후 슬레이브 로봇(200) 측에서 전송된 수술 도구(206)의 위치에 관한 검출 정보 즉, 제 2 위치 검출 정보(y[k])에 기초하여 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제한하여 최종적으로 제 2 위치 추정값(추정된 제 2 위치, x[k])를 획득한다.Then, based on the detection information related to the position of the
제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])을 기반으로 제 2 위치 추정값(x[k])을 획득하는 과정(제 2 위치를 추정하는 과정)을 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.The process of estimating the second position (obtaining the second position estimate x [k]) based on the first position change amount r [k] -r [k-1] Will be described in more detail with reference to FIG.
제 2 위치를 추정하는 과정은 전술한 바와 같이, ①제 2 위치 추정값이 될 수 있는 후보(제 2 위치 추정값 후보, xc[k])를 산출하는 단계(첫 번째 단계)와, ②산출된 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제한하는 단계(두 번째 단계)를 포함하여 이루어진다.The process of estimating the second position includes the steps of (1) calculating a candidate (second position estimation value candidate, x c [k]) that can be a second position estimation value (first step), And a step of limiting the range of the second position estimation value candidates x c [k] (second step).
첫 번째로, 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 산출하는 단계에서는 추정하고자 하는 제 2 위치가 제 1 위치와 연동하여 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])만큼 이동했다고 전제한다. First, the second candidate position estimate (x c [k]) a second position at which the first position change amount in association with the first position, to be estimated calculating the (r [k] -r [k -1] ).
즉, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이 직전 제어 주기(k-1)에서 추정된 제 2 위치(x[k-1])에 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])을 합산하여 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 산출한다. That is, as shown in Figs. 6A to 6C, the first position variation r [k] -r [k-1] at the second position x [k-1] estimated in the previous control period k- ]) To calculate the second position estimate value candidate x c [k].
두 번째로, 산출된 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제한하는 단계 에서는 추정된 제 2 위치(x[k])가 y[k]±Δ/2 이내에 존재하는 것으로 전제한다. 여기서, y[k]는 제 2 위치 검출 정보를, Δ는 위치 분해능이 상대적으로 낮은 제 2 위치 검출부(220A)의 위치 분해능을 의미한다.Second, in the step of limiting the range of the calculated second position estimation value candidate x c [k], it is assumed that the estimated second position x [k] exists within y [k] ± Δ / do. Here, y [k] denotes the second position detection information, and [Delta] denotes the position resolution of the
즉, 산출된 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])가 제 2 위치 검출 정보(y[k])를 기준으로 한 제 2 위치 검출부(220A)의 위치 분해능의 상한 경계선(y[k]+Δ/2) 과 하한 경계선(y[k]-Δ/2) 사이의 범위 외에 놓인 경우 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])가 아닌 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 기준으로 더 근접한 경계선(상한 또는 하한) 상의 값을 최종적인 추정된 제 2 위치(x[k])로 판단한다.That is, if the calculated second position estimation value candidate xc [k] is the upper limit boundary y [k] + y of the position resolution of the second
본 실시예에서는 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 현재 제어 주기(k)에서의 제 2 위치 검출 정보가 99이고(y[k]=99), 제 2 위치 검출부(220A)의 위치 분해능이 1인 경우(Δ=1)를 예로 들어 설명하기로 한다. 이 경우, 추정된 제 2 위치(제 2 위치 추정값, x[k])는 제 2 위치 검출 정보(y[k])를 기준으로 한 제 2 위치 검출부(220A)의 위치 분해능의 상한 경계선(y[k]+Δ/2) 과 하한 경계선(y[k]-Δ/2)의 범위 내 즉, 98.5~99.5 범위 내에 존재해야 한다(99-1/2≤x[k]≤99+1/2). 이때, 직전 제어 주기(k-1)에서의 제 2 위치 검출 정보(y[k-1])와 현재 제어 주기(k)에서의 제 2 위치 검출 정보(y[k])가 동일한 값(y[k-1]=y[k]=99)으로 도시된 것은 제 2 위치 검출부(220A)의 위치 분해능이 제 1 위치 검출부(120A)의 위치 분해능보다 상대적으로 낮아, 이전 제어 주기(k-1)에서의 실제 제 2 위치와 현재 제어 주기(k)에서의 실제 제 2 위치가 서로 다른 경우에도 제 2 위치 검출부(220A)가 이 두 개의 검출 정보(y[k-1], y[k])를 서로 다른 값으로 구분하지 못하는 것을 의미한다.6A to 6C, the second position detection information in the current control period k is 99 (y [k] = 99), and the position resolution of the second
도 6a에 도시된 바와 같이, 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 크기가 제 2 y[k]±Δ/2 이내(y[k]를 기준으로 한 제 2 위치 검출부의 위치 분해능의 상한 경계선과 하한 경계선의 범위 내)에 존재하는 경우(98.5≤xc[k]≤99.5)에는 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])가 그대로 추정된 제 2 위치(x[k])가 된다(xc[k]= x[k]).6A, when the magnitude of the second position estimation value candidate x c [k] is within the second y [k] +/-? / 2 (y [k] for present in the upper boundary of the range and a lower limit boundary) (98.5≤x c [k] ≤99.5 ) , the second position estimate value candidates (x c [k]) is the estimated as the second position (x [k] ) (X c [k] = x [k]).
또한 도 6b에 도시된 바와 같이, 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 크기가 제 2 위치 검출 정보(y[k])에서 Δ/2를 뺀 값보다 작은 경우(xc[k]가 y[k]를 기준으로 한 제 2 위치 검출부의 위치 분해능의 하한 경계선 밖에 놓인 경우, xc[k]<98.5)에는 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])가 아닌 추정된 제 2 위치가 될 수 있는 하한 경계선 값인 98.5가 추정된 제 2 위치(x[k])가 된다(x[k]= y[k]-Δ/2=98.5).6B, when the magnitude of the second position estimation value candidate x c [k] is smaller than the value obtained by subtracting? / 2 from the second position detection information y [k] (x c [k ] is y if [k] is placed the lower boundary of the position resolution of the second position detector by out, x c [k] <98.5) is the estimated other than the second position estimate value candidates (x c [k]) K] = y [k] - [Delta] / 2 = 98.5), which is the lower limit boundary value that can be the second position.
또한 도 6c에 도시된 바와 같이, 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 크기가 제 2 위치 검출 정보(y[k])에서 Δ/2를 더한 값보다 큰 경우(xc[k]가 y[k]를 기준으로 한 제 2 위치 검출부의 위치 분해능의 상한 경계선 밖에 놓인 경우, xc[k]>99.5)에는 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])가 아닌 추정된 제 2 위치가 될 수 있는 상한 경계선 값인 99.5가 추정된 제 2 위치(x[k])가 된다(x[k]= y[k]+Δ/2=99.5).6C, when the magnitude of the second position estimation value candidate x c [k] is larger than the value obtained by adding Δ / 2 in the second position detection information y [k] (x c [k] ] is y if [k] is placed a second position the upper limit boundary of the position resolution of the detection are based only, x c [k]> 99.5) is the estimated non-second position estimate candidates (x c [k]) The upper limit boundary value 99.5, which can be the 2 position, becomes the estimated second position x [k] (x [k] = y [k] +? / 2 = 99.5).
다시 도 5에 관한 설명으로 돌아와, 전술한 과정을 거쳐 추정된 제 2 위치(x[k])를 새로운 제 2 위치 추정값(x[k])으로 갱신한다.Returning to the description of FIG. 5, the estimated second position x [k] is updated to the new second estimated position x [k] through the above-described process.
이 추정된 제 2 위치(x[k])에 기초하여 조작자가 조작하기를 원하는 수술 도구(206)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하고, 생성된 제어신호를 통해 슬레이브 로봇(200)을 제어하게 된다.Generates a control signal for controlling the operation of the
도 7은 수술 로봇 시스템의 제어방법을 도시한 흐름도이다. 7 is a flowchart showing a control method of the surgical robot system.
본 실시예의 동작설명을 위한 초기조건으로서, 마스터 로봇(100A) 측의 엔드 이펙터인 마스터 조작기(112)의 위치를 검출하는 위치 검출부(120A)의 위치 분해능이 슬레이브 로봇(200A) 측의 엔드 이펙터인 수술 도구(206)의 위치를 검출하는 위치 검출부(220A)의 위치 분해능보다 높은 것으로 전제한다. 이때, 위치 분해능이 상대적으로 높은 위치 검출부가 장착되는 마스터 조작기(112)의 위치를 “제 1 위치”로, 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부가 장착되는 수술 도구(206)의 위치를 “제 2 위치”로 정의하기로 한다. 또한 저장부(130A)에는 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부(제 2 위치 검출부)가 장착된 수술 도구(206)의 위치 추정을 수행하기 위한 사전 정보로서, 위치 분해능이 상대적으로 낮은 제 2 위치 검출부(220A)의 위치 분해능 정보 및 직전 제어 주기(k-1)의 위치 추정 과정에서 추정된 제 2 위치 정보(x[k-1]) 등이 저장된다. The positional resolution of the
먼저 수술이 시작되어 마스터 조작기(112)의 조작자(수술 로봇 시스템을 사용하는 의사)가 수술 동작을 위해 마스터 조작기(112)를 통해 일정한 동작을 취하면 마스터 로봇(100A)의 제 1 위치 검출부(120A)는 마스터 로봇 측 엔드 이펙터인 마스터 조작기(112)의 위치 정보(…, r[k-1], r[k])를 검출하고, 검출된 마스터 조작기(112)의 위치 정보(…, r[k-1], r[k])를 마스터 제어부(140A)로 전송한다(310). When the operation is first started and an operator of the master manipulator 112 (physician using the surgical robot system) performs a certain operation through the
다음으로, 마스터 제어부(140A)의 제 2 위치 추정부(141A) 내의 제 1 위치 변화량 산출부(142A)는 제 1 위치 검출부(120A)로부터 획득된 마스터 조작기(112)의 위치 검출 정보(…, r[k-1], r[k])를 이용하여 마스터 조작기(112)의 위치 변화량(r[k]-r[k-1])을 산출한다(320).Next, the first position change
이후, 슬레이브 로봇(200A)의 제 2 위치 검출부(220A)는 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터인 수술 도구(206)의 위치 정보(y[k])를 검출하고, 검출된 수술 도구(206)의 위치 검출 정보(y[k])를 슬레이브 제어부(240A)로 전송한다(330). 슬레이브 제어부(240A)는 수신한 수술 도구(206)의 위치 검출 정보(y[k])를 통신부(250A, 150A)를 통해 마스터 제어부(140A)로 전송한다.The
다음으로, 제 2 위치 추정부(141A) 내의 제 2 위치 추정값 후보 산출부(143A)는 직전 제어 주기(k-1)에서 추정된 수술 도구(206)의 위치(x[k-1]) 및 동작 320에서 산출된 마스터 조작기(112)의 위치 변화량(r[k]-r[k-1])을 합산하여 수술 도구(206)의 위치 추정값 후보(xc[k])를 산출한다(340). 제 2 위치 추정값 후보 산출부(143A)는 산출된 수술 도구(206)의 위치 추정값 후보(xc[k])를 제 2 위치 추정부(141A) 내의 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144A)로 전달한다.Next, the second position estimation value
이후, 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144A)는 제 2 위치 검출부(220A)를 통해 검출된 수술 도구(206)의 위치 검출 정보(y[k])에 기초하여 동작 340에서 산출된 수술 도구(206)의 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제한한다(350). 이때, 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144A)는 수술 도구(206)의 위치 추정값 후보(xc[k])가 수술 도구(206)의 y[k]±Δ/2(여기서, y[k]는 제 2 위치 검출 정보이고, Δ는 제 2 위치 검출부의 위치 분해능임)의 범위 내에 존재하면 수술 도구(206)의 위치 추정값 후보(xc[k])를 그대로 수술 도구(206)의 위치 추정값(추정된 수술 도구의 위치, x[k])으로 산출하고, 수술 도구(206)의 위치 추정값 후보(xc[k])가 y[k]±Δ/2의 범위 외에 존재하면 수술 도구(206)의 위치 검출 정보(y[k])에 Δ/2를 더한 값(y[k]+Δ/2, 상한) 또는 수술 도구(206)의 위치 검출 정보(y[k])에서 Δ/2를 뺀 값(y[k]-Δ/2, 하한)를 수술 도구(206)의 위치 추정값(추정된 수술 도구의 위치, x[k])으로 산출한다. The second position estimation value
다음으로, 전술한 과정을 거쳐 추정된 수술 도구(206)의 위치(x[k])를 저장부(140A)에 저장하여, 새로운 수술 도구(206)의 위치 추정값(x[k])으로 갱신한다(360).Next, the position (x [k]) of the
이후, 마스터 제어부(140A) 내의 제어신호 생성부(145A)는 제 2 위치 추정부(141A)를 통해 추정된 수술 도구(206)의 위치 정보(x[k])에 기초하여 슬레이브 로봇(200) 즉, 수술 도구(206), 내시경(208) 및 초음파 프로브(210)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성한다(370). The control
다음으로, 마스터 제어부(140A)는 동작 370에서 생성된 제어신호에 기초하여 슬레이브 로봇(200)의 동작을 제어한다(380).Next, the
도 8a는 마스터 로봇의 엔드 이펙터(마스터 조작기)의 위치 변화량을 기반으로 슬레이브 로봇의 엔드 이펙터(수술 도구)의 위치를 추정한 경우, 추정된 수술 도구의 위치를 나타낸 결과 그래프이고, 도 8b는 추정된 수술 도구의 위치를 이용하여 산출한 속도를 나타낸 결과 그래프이다. 8A is a graph showing the position of an estimated surgical tool when the position of an end effector (surgical tool) of a slave robot is estimated based on a positional change amount of an end effector (master manipulator) of the master robot, The results are shown in Fig.
도 8a 및 도 8b는 마스터 로봇(100A)의 마스터 조작기(112)에 장착된 제 1 위치 검출부(120A)의 위치 분해능이 0.009㎜이고 슬레이브 로봇(200A)의 수술 도구(206)에 장착된 제 2 위치 검출부(220A)의 위치 분해능이 0.050㎜로, 수술 도구(206)에 장착된 제 2 위치 검출부(220A)의 위치 분해능이 마스터 조작기(112)에 장착된 제 1 위치 검출부(120A)의 위치 분해능보다 5배 정도 낮은 조건 하에서 실험이 진행된 경우의 결과를 도시하고 있다.8A and 8B show the positional resolution of the first
도 8a에 도시된 그래프에서 가로축은 시간(단위: 초[s])을, 세로축은 마스터 조작기(112) 및 수술 도구(206)의 z 방향 위치 정보(단위: 미터[m])를 나타낸다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 제 2 위치 검출부(220A)를 통해 검출된 슬레이브 로봇(200A)의 수술 도구(206)의 위치 검출 정보 신호(y[k], 도 8a에서 ‘’로 도시된 선)는 계단 또는 지그재그(zigzag) 패턴으로 나타나지만 마스터 조작기(112)의 위치 변화량을 기반으로 추정된 수술 도구(206)의 위치 정보 신호(x[k], 도 8a에서 ‘’로 도시된 선)는 위치 분해능이 상대적으로 높은 제 1 위치 검출부(120A)를 통해 검출된 마스터 로봇(100A)의 마스터 조작기(112)의 위치 검출 정보 신호(r[k], 도 8a에서 ‘’로 도시된 선)와 유사하게 거의 곧게 펴진 직선 패턴으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 도 8a에 도시된 그래프에서, 마스터 조작기(112)의 위치 변화량을 기반으로 추정된 수술 도구(206)의 위치 정보 신호(x[k], 도 8a에서 ‘’로 도시된 선)가 제 2 위치 검출부(220A)를 통해 검출된 수술 도구(206)의 위치 검출 정보 신호(y[k], 도 8a에서 ‘’로 도시된 선)를 관통하는 형태로 나타나는데, 이는 추정된 수술 도구(206)의 위치 정보 신호(x[k], 도 8a에서 ‘’로 도시된 선)가 수술 도구(206)의 위치 검출 정보 신호(y[k], 도 8a에서 ‘’로 도시된 선)에 대해 시간 지연을 갖지 않거나 매우 작은 시간 지연을 갖는다는 것을 의미한다.8A, the horizontal axis represents time (unit: second [s]) and the vertical axis represents position information (unit: meter [m]) of the
한편, 도 8b에 도시된 그래프에서 가로축은 시간(단위: 초[s])을, 세로축은 수술 도구(206)의 속도 정보(단위: 미터 퍼 세컨드[m/s])를 나타낸다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 슬레이브 로봇(200A)의 수술 도구(206)의 위치 검출 정보 신호(y[k])를 이용(미분)하여 산출된 수술 도구(206)의 속도 정보 신호(도 8b에서 가는 실선으로 도시된 선)에는 톱니 형상의 잡음이 발생하지만 마스터 조작기(112)의 위치 변화량을 기반으로 추정된 수술 도구(206)의 위치 정보 신호(x[k])를 이용하여 산출된 수술 도구(206)의 속도 정보 신호(도 8b에서 굵은 실선으로 도시된 선)는 잡음이 상당 부분 감소하였음을 확인할 수 있다.On the other hand, in the graph shown in FIG. 8B, the abscissa indicates time (unit: second [s]) and the ordinate indicates speed information (unit: meter per second [m / s]) of the
도 9은 수술 로봇 시스템의 제어 블록도이다. 9 is a control block diagram of a surgical robot system.
도 9에 도시된 바와 같이, 수술 로봇 시스템은 도 3에 도시한 수술 로봇 시스템과 비교해 볼 때, 슬레이브 로봇(200C)의 슬레이브 제어부(240C) 내에 저역 통과 필터부(245C) 및 필터링된 신호 변화량 산출부(246C)가 추가된 점에서 도 3에 도시된 수술 로봇 시스템과 차이가 있다.As shown in FIG. 9, in comparison with the surgical robot system shown in FIG. 3, the surgical robot system includes a
여기서는 동일한 명칭과 동일한 도면 부호를 사용하고 있는 구성 요소에 대해서는 설명을 생략하고(단, 도면 부호에서 번호 뒤에 병기된 A, B, C는 각 실시예를 구별하기 위한 것임), 도 9에 추가적으로 도시된 저역 통과 필터부(245C), 필터링된 신호 변화량 산출부(246C)의 구성 및 이 구성 요소들(245C, 246C)에 의해 그 기능이 변화되는 마스터 제어부(140C) 내 제 2 위치 추정부(141C)의 구성에 대해서만 설명하기로 한다.In the following description, the components having the same names and the same reference numerals are not described (the reference numerals A, B, and C after the numerals in the reference numerals are used to distinguish each embodiment)
도 9에 도시된 바와 같이, 마스터 제어부(140C) 내 제 2 위치 추정부(141C) 또는 제 2 위치 추정부(141C)는 상대적으로 분해능이 낮은 위치 검출부 즉, 제 2 위치 검출부(220C)의 위치 검출 정보를 시간 지연 없이 필터링하기 위한 구성부로, 제 2 위치 추정부(141C)는 다시 제 1 위치 변화량 산출부(142C), 제 2 위치 추정값 후보 산출부(143C), 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144C)를 포함한다.9, the second
제 1 위치 변화량 산출부(142C)는 제 1 위치 검출부(120C)로부터 제 1 위치 검출 정보(…, r[k-1], r[k])를 수신하고, 수신된 제 1 위치 검출 정보를 이용하여 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])을 산출한다. 제 1 위치 변화량 산출부(142C)는 산출된 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])을 제 2 위치 추정값 후보 산출부(143C)로 전달한다.The first position change
제 2 위치 추정값 후보 산출부(143C)는 제 1 위치 변화량 산출부(142C)로부터 수신한 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1]) 및 필터링된 신호 변화량 산출부(246C)로부터 수신한 저역 통과 필터부(245C)를 통과한 제 2 위치 검출 정보(, )의 변화량()에 기초하여 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 산출한다. 제 2 위치 추정값 후보를 산출할 때, 추정하고자 하는 제 2 위치(위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부가 장착된 엔드 이펙터의 위치)는 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])과 저역 통과 필터부(245C)를 통과한 제 2 위치 검출 정보의 변화량()의 비중합만큼 이동했다고 전제한다. 즉, 제 2 위치로 추정될 수 있는 값(제 2 위치 추정값 후보, xc[k])은 직전 제어 주기(k-1)에서 추정된 제 2 위치(x[k-1])에서 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])과 저역 통과 필터부(245C)를 통과한 제 2 위치 검출 정보의 변화량()의 비중합만큼 이동한 값이라고 예측한다. 결과적으로, 제 2 위치 추정값 후보 산출부(143C)는 직전 제어 주기에서 추정된 제 2 위치(x[k-1])에 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])과 저역 통과 필터부(245C)를 통과한 제 2 위치 검출 정보의 변화량()의 비중합()을 합산하여 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 산출한다. The second position estimation value
즉, 제 2 위치 추정값 후보 산출부(143C)는 아래의 [수학식 5]를 이용하여 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 산출할 수 있다.That is, the second position estimation value
[수학식 5]&Quot; (5) "
여기서, α는 0에서 1 사이의 값을 가지는 가중치(weighting factor)로써, α의 크기 조정을 통해 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])과 저역 통과 필터링된 제 2 위치 검출 정보의 변화량()의 비중을 설정할 수 있다. 제 2 위치에 대한 추정 시 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 나타내는 위의 [수학식 5]에서 항 는 추정된 제 2 위치 정보 신호(x[k])가 검출된 제 2 위치 정보 신호(y[k])에 대해 가지는 시간 지연을 제거하는 역할을 수행하는 반면, 항 에 의해서는 시간 지연이 발생할 수도 있다. 즉, α가 0에 가까울수록 시간 지연이 크게 발생하므로, 시간 지연은 줄이면서도 원래의 신호 크기(제 2 위치 검출 정보)가 거의 그대로 보존될 수 있도록 α를 조정하는 것이 바람직하다.Here, α is a weighting factor having a value between 0 and 1, and is a weighting factor having a first positional change amount r [k] -r [k-1] and a low- The amount of change in detected information ( ) Can be set. In Equation (5), which represents the second position estimation value candidate (x c [k]) upon estimation for the second position, K] for the detected second position information signal x [k] while the second position information signal y [k] Time delay may occur. That is, as α approaches 0, a large time delay occurs. Therefore, it is desirable to adjust α so that the original signal size (second position detection information) can be almost preserved while reducing the time delay.
제 2 위치 추정값 후보 산출부(143C)는 산출된 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144C)로 전달한다. 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144C)는 제 2 위치 검출부(220C)를 통해 검출된 제 2 위치 검출 정보(y[k])에 기초하여 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제한한다. 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제한하고자 할 때 즉, 최종적으로 추정된 제 2 위치를 획득하고자 할 때, 추정된 제 2 위치(위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부가 장착된 엔드 이펙터가 실제 존재한다고 추정된 위치)는 y[k]±Δ/2 이내에 존재하는 것으로 전제한다. 여기서, y[k]는 제 2 위치 검출 정보이고, Δ는 제 2 위치 검출부(220C)의 위치 분해능을 의미한다.The second position estimation value
제 2 위치 추정값 후보 제한부(144C)는 아래의 [수학식 6]을 이용하여 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제한할 수 있다.The second position estimation value
[수학식 6]&Quot; (6) "
여기서, 이다.here, to be.
위 식의 의미를 살펴보면, 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144C)는 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제 2 위치 검출 정보(y[k])에 기초하여 제한하되, 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])가 y[k]±Δ/2의 범위 내에 존재하면 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 그대로 제 2 위치 추정값(추정된 제 2 위치, x[k])으로 산출한다. 한편, 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144C)는 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])가 y[k]±Δ/2의 범위 외에 존재하면 제 2 위치 검출 정보(y[k])에 Δ/2를 더한 값(y[k]+Δ/2) 또는 제 2 위치 검출 정보(y[k])에서 Δ/2를 뺀 값(y[k]-Δ/2)를 제 2 위치 추정값(추정된 제 2 위치, x[k])으로 산출한다. 즉, 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144C)는 현재 제어 주기인 k에서의 제 2 위치 검출 정보(y[k])에 Δ/2를 더한 값(y[k]+Δ/2)을 상한(upper limit)으로, 제 2 위치 검출 정보(y[k])에서 Δ/2를 뺀 값(y[k]-Δ/2)값을 하한(lower limit)으로 하여 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제한한다.The second position estimation value
제어신호 생성부(145C)는 제 2 위치 추정부(141C)를 통해 추정된 제 2 위치 정보(x[k])에 기초하여 마스터-슬레이브 사이의 위치 오차 정보, 슬레이브 로봇 측 수술 도구(206)의 속도(v[k]) 또는 저역 통과 필터링된 수술 도구(206)의 속도()를 산출하고, 산출된 정보들에 기초하여 슬레이브 로봇(200) 즉, 수술 도구(206)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성한다. The control
또한 도 9에 도시된 바와 같이, 슬레이브 로봇(200C) 내의 슬레이브 제어부(240C)는 저역 통과 필터부(245C) 및 필터링된 신호 변화량 산출부(246C)를 포함한다.9, the
저역 통과 필터부(245C)는 위치 분해능이 상대적으로 낮은 제 2 위치 검출부(220C)로부터 제 2 위치 검출 정보(…, y[k-1], y[k])를 수신하고, 수신된 제 2 위치 검출 정보(…, y[k-1], y[k])의 주파수의 저역 부분을 통과시킨다. 제어 주기(샘플링 시간) T로 동작하는 수술 로봇 시스템에서 저역 통과 필터부(245C)는 아래의 [수학식 7]을 이용하여 제 2 위치 검출 정보(y[k])의 주파수의 저역 부분을 통과시킬 수 있다. The low
[수학식 7]&Quot; (7) "
여기서, 는 현재 제어 주기(k)에서 검출된 제 2 위치 검출 정보(y[k])를 저역 통과시킨 정보이고, 는 직전 제어 주기(k-1)에서 검출된 제 2 위치 검출 정보(y[k-1])를 저역 통과시킨 정보이고, f는 저역 통과 필터링 시의 차단 주파수(cut-off frequency, 필터에서 통과 대역과 차단 대역의 경계가 되는 주파수)이다. 저역 통과 필터부(245C)는 저역 통과 필터링된 제 2 위치 검출 정보(, )를 필터링된 신호 변화량 산출부(246C)로 전달한다.here, Is information obtained by passing the second position detection information y [k] detected in the current control period (k) Is information obtained by low-pass- ing the second position detection information y [k-1] detected in the immediately preceding control period (k-1), f is a cut-off frequency at the low- Frequency that is the boundary between the band and the cutoff band). The low-
필터링된 신호 변화량 산출부(246C)는 저역 통과 필터부(245C)로부터 저역 통과 필터링된 제 2 위치 검출 정보(, )를 수신하고, 저역 통과 필터링된 제 2 위치 검출 정보를 이용하여 저역 통과 필터링된 신호의 변화량()을 산출한다. 슬레이브 제어부(240C)는 산출된 저역 통과 필터링된 신호의 변화량()을 통신부(250C, 150C)를 통해 마스터 제어부(140C)로 전송한다.The filtered signal variation
이상에서는, 도 9를 참조하여 다른 실시예에 따른 수술 로봇 시스템의 마스터 로봇(100C) 및 슬레이브 로봇(200B)의 제어 구성을 설명하였다. 도 9는 마스터 로봇(100C)의 마스터 제어부(140C)가 제 1 위치 변화량 산출부(142C), 제 2 위치 추정값 후보 산출부(143C) 및 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144C)로 이루어지는 무지연 필터부(141A)를 포함하는 경우를 도시하고 있으나, 제 1 위치 변화량 산출부, 제 2 위치 추정값 후보 산출부 및 제 2 위치 추정값 후보 제한부로 이루어지는 제 2 위치 추정부가 슬레이브 로봇(200C)의 슬레이브 제어부(240C) 내에 포함되도록 구성하는 것도 가능하다.The control configuration of the master robot 100C and the
도 10은 수술 로봇 시스템의 전체적인 제어 알고리즘을 설명하기 위한 개념도이다.10 is a conceptual diagram for explaining the overall control algorithm of the surgical robot system.
도 10에 도시한 “B” 영역(도 10에서 이점 쇄선으로 도시한 영역)은 제 1 위치(위치 분해능이 상대적으로 높은 위치 검출부가 장착되는 엔드 이펙터의 위치, 위의 실시예에서는 마스터 조작기의 위치)의 변화량 및 저역 통과 필터링된 제 2 위치 검출 정보의 변화량을 기반으로 제 2 위치(위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부가 장착되는 엔드 이펙터의 위치, 위의 실시예에서는 수술 도구의 위치)를 추정하는 과정을 나타낸 부분이다.10 shows the position of the end effector on which the position detection unit with a relatively high position resolution is mounted, the position of the master manipulator in the above embodiment (the position (The position of the end effector on which the position detection unit with a relatively low position resolution is mounted, the position of the surgical tool in the above embodiment) based on the change amount of the first position detection information and the change amount of the low- .
도 10에 도시된 바와 같이, 먼저 수술이 시작되어 마스터 조작기(112)의 조작자(수술 로봇 시스템을 사용하는 의사)가 수술 동작을 위해 마스터 조작기(112)를 조작하면 마스터 조작기(112)의 위치에 관한 검출 정보 즉, 제 1 위치 검출 정보(…, r[k-1], r[k])가 획득된다. 이 획득된 제 1 위치 검출 정보(…, r[k-1], r[k])를 이용하여 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])을 산출한다. 여기서, k는 현재 제어 주기를 의미하고 k-1은 직전 제어 주기를 의미한다. 10, when the operation is first started and the operator of the master manipulator 112 (doctor using the surgical robot system) operates the
다음으로, 직전 제어 주기(k-1)에서 추정된 제 2 위치(x[k-1])에 제 1 위치 변화량(r[k]-r[k-1])과 저역 통과 필터링된 제 2 위치 검출 정보의 변화량()의 비중합()을 합산하여 현재 제어 주기에서의 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 산출한다.Next, a first position change amount r [k] -r [k-1] at a second position x [k-1] estimated in the immediately preceding control period k- The amount of change in position detection information ) Of the weighted sum of ) To calculate a second position estimation value candidate (x c [k]) in the current control cycle.
이후 슬레이브 로봇(200) 측에서 전송된 수술 도구(206)의 위치에 관한 검출 정보 즉, 제 2 위치 검출 정보(y[k])에 기초하여 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제한하여 최종적으로 제 2 위치 추정값(추정된 제 2 위치, x[k])를 획득한다. 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제한하는 단계에서는 추정된 제 2 위치(x[k])가 y[k]±Δ/2 이내에 존재하는 것으로 전제한다. 여기서, y[k]는 제 2 위치 검출 정보를, Δ는 위치 분해능이 상대적으로 낮은 제 2 위치 검출부(220C)의 위치 분해능을 의미한다.Then, based on the detection information related to the position of the
즉, 산출된 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])가 제 2 위치 검출 정보(y[k])를 기준으로 한 제 2 위치 검출부(220A)의 위치 분해능의 상한 경계선(y[k]+Δ/2)과 하한 경계선(y[k]-Δ/2) 사이의 범위 외에 놓인 경우 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])가 아닌 제 2 위치 추정값 후보(xc[k])를 기준으로 더 근접한 경계선(상한 또는 하한) 상의 값을 최종적인 추정된 제 2 위치(x[k])로 판단한다.That is, the second position estimate value candidates (x c [k]) and a second position detection information (y [k]) to a second position location resolution upper border of the detector (220A) on the basis (y [k] calculated (X c [k]) that is not the second position estimation value candidate x c [k] when it lies outside the range between the lower limit boundary line (y [k] -Δ / (Upper limit or lower limit) as the final estimated second position (x [k]) based on the boundary line (upper limit or lower limit).
다시 도 10에 관한 설명으로 돌아와, 전술한 과정을 거쳐 추정된 제 2 위치(x[k])를 새로운 제 2 위치 추정값(x[k])으로 갱신한다.Returning to the description of FIG. 10, the second position (x [k]) estimated through the above process is updated with the new second position estimate x [k].
이 추정된 제 2 위치(x[k])에 기초하여 조작자가 조작하기를 원하는 수술 도구(206)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하고, 생성된 제어신호를 통해 슬레이브 로봇(200)을 제어하게 된다.Generates a control signal for controlling the operation of the
도 11은 수술 로봇 시스템의 제어방법을 도시한 흐름도이다.11 is a flowchart showing a control method of the surgical robot system.
본 실시예의 동작설명을 위한 초기조건으로서, 마스터 로봇(100C) 측의 엔드 이펙터인 마스터 조작기(112)의 위치를 검출하는 위치 검출부(120C)의 위치 분해능이 슬레이브 로봇(200C) 측의 엔드 이펙터인 수술 도구(206)의 위치를 검출하는 위치 검출부(220C)의 위치 분해능보다 높은 것으로 전제한다. 이때, 위치 분해능이 상대적으로 높은 위치 검출부가 장착되는 마스터 조작기(112)의 위치를 “제 1 위치”로, 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부가 장착되는 수술 도구(206)의 위치를 “제 2 위치”로 정의하기로 한다. 또한 저장부(130A)에는 위치 분해능이 상대적으로 낮은 위치 검출부(제 2 위치 검출부)가 장착된 수술 도구(206)의 위치 추정을 수행하기 위한 사전 정보로서, 위치 분해능이 상대적으로 낮은 제 2 위치 검출부(220A)의 위치 분해능 정보 및 직전 제어 주기(k-1)의 위치 추정 과정에서 추정된 제 2 위치 정보(x[k-1]) 등이 저장된다. The positional resolution of the
먼저 수술이 시작되어 마스터 조작기(112)의 조작자(수술 로봇 시스템을 사용하는 의사)가 수술 동작을 위해 마스터 조작기(112)를 통해 일정한 동작을 취하면 마스터 로봇(100C)의 제 1 위치 검출부(120C)는 마스터 로봇 측 엔드 이펙터인 마스터 조작기(112)의 위치 정보(…, r[k-1], r[k])를 검출하고, 검출된 마스터 조작기(112)의 위치 정보(…, r[k-1], r[k])를 마스터 제어부(140C)로 전송한다(410). First, when the operation is started and an operator (physician using the surgical robot system) of the
다음으로, 마스터 제어부(140C)의 제 2 위치 추정부(141C) 내의 제 1 위치 변화량 산출부(142C)는 제 1 위치 검출부(120C)로부터 획득된 마스터 조작기(112)의 위치 검출 정보(…, r[k-1], r[k])를 이용하여 마스터 조작기(112)의 위치 변화량(r[k]-r[k-1])을 산출한다(420).Next, the first position change
이후, 슬레이브 로봇(200A)의 제 2 위치 검출부(220A)는 슬레이브 로봇 측 엔드 이펙터인 수술 도구(206)의 위치 정보(y[k])를 검출하고, 검출된 수술 도구(206)의 위치 검출 정보(y[k])를 슬레이브 제어부(240C)로 전송한다. 슬레이브 제어부(240C) 내 저역 통과 필터부(245C)는 수신된 수술 도구(206)의 위치 검출 정보(y[k])의 주파수의 저역 부분을 통과시킨다. 저역 통과 필터부(245C)는 필터링된 신호(, )를 필터링된 신호 변화량 산출부(246C)로 전달한다. 필터링된 신호 변화량 산출부(246C)는 저역 통과 필터링된 제 2 위치 검출 정보를 이용하여 저역 통과 필터링된 신호의 변화량()을 산출한다. 슬레이브 제어부(240C)는 수신한 수술 도구(206)의 위치 검출 정보(y[k])및 산출된 저역 통과 필터링된 신호의 변화량()을 통신부(250C, 150C)를 통해 마스터 제어부(140C)로 전송한다.The
다음으로, 제 2 위치 추정부(141C) 내의 제 2 위치 추정값 후보 산출부(143C)는 직전 제어 주기(k-1)에서 추정된 수술 도구(206)의 위치(x[k-1])에 동작 420에서 산출된 마스터 조작기(112)의 위치 변화량(r[k]-r[k-1])과 동작 430에서 획득한 저역 통과 필터링된 수술 도구(206)의 위치 검출 정보의 변화량()의 비중합을 합산하여 수술 도구(206)의 위치 추정값 후보(xc[k])를 산출한다(440). 제 2 위치 추정값 후보 산출부(143C)는 산출된 수술 도구(206)의 위치 추정값 후보(xc[k])를 제 2 위치 추정부(141C) 내의 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144C)로 전달한다.Next, the second position estimation value
이후, 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144C)는 제 2 위치 검출부(220C)를 통해 검출된 수술 도구(206)의 위치 검출 정보(y[k])에 기초하여 동작 440에서 산출된 수술 도구(206)의 위치 추정값 후보(xc[k])의 범위를 제한한다(450). 이때, 제 2 위치 추정값 후보 제한부(144C)는 수술 도구(206)의 위치 추정값 후보(xc[k])가 y[k]±Δ/2(여기서, y[k]는 제 2 위치 검출 정보이고, Δ는 제 2 위치 검출부의 위치 분해능임)의 범위 내에 존재하면 수술 도구(206)의 위치 추정값 후보(xc[k])를 그대로 수술 도구(206)의 위치 추정값(추정된 수술 도구의 위치, x[k])으로 산출하고, 수술 도구(206)의 위치 추정값 후보(xc[k])가 y[k]±Δ/2의 범위 외에 존재하면 수술 도구(206)의 위치 검출 정보(y[k])에 Δ/2를 더한 값(y[k]+Δ/2, 상한) 또는 수술 도구(206)의 위치 검출 정보(y[k])에서 Δ/2를 뺀 값(y[k]-Δ/2, 하한)를 수술 도구(206)의 위치 추정값(추정된 수술 도구의 위치, x[k])으로 산출한다. The second position estimation value
다음으로, 전술한 과정을 거쳐 추정된 수술 도구(206)의 위치(x[k])를 저장부(140C)에 저장하여, 새로운 수술 도구(206)의 위치 추정값(x[k])으로 갱신한다(460).Next, the position x [k] of the
이후, 마스터 제어부(140C) 내의 제어신호 생성부(145C)는 제 2 위치 추정부(141C)를 통해 추정된 수술 도구(206)의 위치 정보(x[k])에 기초하여 슬레이브 로봇(200) 즉, 수술 도구(206)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성한다(470). The control
다음으로, 마스터 제어부(140C)는 동작 470에서 생성된 제어신호에 기초하여 슬레이브 로봇(200)의 동작을 제어한다(480).Next, the
도 12a는 마스터 로봇의 엔드 이펙터(마스터 조작기)의 위치 변화량 및 LPF(저역 통과 필터)를 통과한 슬레이브 로봇의 엔드 이펙터(수술 도구)의 위치 검출 정보의 변화량을 기반으로 슬레이브 로봇의 엔드 이펙터(수술 도구)의 위치를 추정한 경우, 추정된 수술 도구의 위치를 나타낸 결과 그래프이고, 도 12b는 추정된 수술 도구의 위치를 이용하여 산출한 속도를 나타낸 결과 그래프이다.12A is a graph showing the relationship between the positional change amount of the end effector (master manipulator) of the master robot and the change amount of the position detection information of the end effector (surgical tool) of the slave robot that has passed through the LPF (low pass filter) FIG. 12B is a graph showing the speed calculated using the estimated position of the surgical tool. FIG. 12B is a graph showing the speed calculated using the estimated position of the surgical tool.
도 12a 및 도 12b는 마스터 로봇(100C)의 마스터 조작기(112)에 장착된 제 1 위치 검출부(120C)의 위치 분해능이 0.009㎜이고 슬레이브 로봇(200A)의 수술 도구(206)에 장착된 제 2 위치 검출부(220C)의 위치 분해능이 0.050㎜로, 수술 도구(206)에 장착된 제 2 위치 검출부(220C)의 위치 분해능이 마스터 조작기(112)에 장착된 제 1 위치 검출부(120C)의 위치 분해능보다 5배 정도 낮고, 마스터 조작기(112)의 위치 변화량과 및 저역 통과 필터부(245C)를 통과한 수술 도구(206)의 위치 검출 정보의 변화량의 비중을 설정하기 위한 가중치 α가 0.6인 조건 하에서 실험이 진행된 경우의 결과를 도시하고 있다. 12A and 12B are views showing the positional resolution of the first
도 12a에 도시된 그래프에서 가로축은 시간(단위: 초[s])을, 세로축은 마스터 조작기(112) 및 수술 도구(206)의 z 방향 위치 정보(단위: 미터[m])를 나타낸다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 제 2 위치 검출부(220C)를 통해 검출된 슬레이브 로봇(200C)의 수술 도구(206)의 위치 검출 정보 신호(y[k], 도 12a에서 ‘’로 도시된 선)는 계단 또는 지그재그(zigzag) 패턴으로 나타나지만 마스터 조작기(112)의 위치 변화량 및 LPF를 통과한 수술 도구(206)의 위치 검출 정보의 변화량을 기반으로 추정된 수술 도구(206)의 위치 정보 신호(x[k], 도 12a에서 ‘’로 도시된 선)는 위치 분해능이 상대적으로 높은 제 1 위치 검출부(120C)를 통해 검출된 마스터 로봇(100A)의 마스터 조작기(112)의 위치 검출 정보 신호(r[k], 도 12a에서 ‘’로 도시된 선)와 유사하게 거의 곧게 펴진 직선 패턴으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 도 12a에 도시된 그래프에서, 마스터 조작기(112)의 위치 변화량을 기반으로 추정된 수술 도구(206)의 위치 정보 신호(x[k], 도 12a에서 ‘’로 도시된 선)가 제 2 위치 검출부(220C)를 통해 검출된 수술 도구(206)의 위치 검출 정보 신호(y[k], 도 12a에서 ‘’로 도시된 선)의 상측에서 접하는 형태로 나타나는데, 이는 추정된 수술 도구(206)의 위치 정보 신호(x[k], 도 12a에서 ‘’로 도시된 선)가 수술 도구(206)의 위치 검출 정보 신호(y[k], 도 12a에서 ‘’로 도시된 선)에 대해 어느 정도의 시간 지연을 갖는다는 것을 의미한다.12A, the horizontal axis represents time (unit: second [s]) and the vertical axis represents position information (unit: meter [m]) of the
한편, 도 12b에 도시된 그래프에서 가로축은 시간(단위: 초[s])을, 세로축은 수술 도구(206)의 속도 정보(단위: 미터 퍼 세컨드[m/s])를 나타낸다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 슬레이브 로봇(200C)의 수술 도구(206)의 위치 검출 정보 신호(y[k])를 이용(미분)하여 산출된 수술 도구(206)의 속도 정보 신호(도 12b에서 가는 실선으로 도시된 선)에는 톱니 형상의 잡음이 발생하지만 마스터 조작기(112)의 위치 변화량 및 LPF를 통과한 수술 도구(206)의 위치 검출 정보의 변화량을 기반으로 추정된 수술 도구(206)의 위치 정보 신호(x[k])를 이용하여 산출된 수술 도구(206)의 속도 정보 신호(도 12b에서 굵은 실선으로 도시된 선)는 잡음이 상당 부분 감소하였음을 확인할 수 있다.On the other hand, in the graph shown in FIG. 12B, the horizontal axis represents time (unit: second [s]), and the vertical axis represents speed information (unit: meter per second [m / s]) of the
전술한 실시예들에서는 원격 조종 시스템으로서 수술 로봇 시스템을 예로 들어 설명하였으나, 이외에도 우주 항공 원격 시스템, 위험물 처리 로봇, 순찰 로봇, 군사용 로봇(국방 로봇) 등 다양한 형태의 원격 조종 시스템에 대해 개시된 발명이 적용될 수 있다.Although the surgical robot system has been described as an example of the remote control system in the above embodiments, the invention disclosed in various types of remote control systems such as an aerospace remote system, a dangerous goods processing robot, a patrol robot, a military robot (defense robot) Can be applied.
100 : 마스터 로봇 112 : 마스터 조작기
120A, 120B, 120C : 제 1 위치 검출부
140A, 140B, 140C : 마스터 제어부
141A, 141B, 141C : 제 2 위치 추정부(무지연 필터부)
100 : 마스터 로봇 112 : 마스터 조작기
200 : 슬레이브 로봇 206 : 수술 도구
220A, 220B, 220C : 제 2 위치 검출부
240A, 240B, 240C : 슬레이브 제어부100: Master robot 112: Master manipulator
120A, 120B, and 120C:
140A, 140B, 140C:
141A, 141B, 141C: second position estimating unit (non-delaying filter unit)
100: Master robot 112: Master manipulator
200: Slave robot 206: Surgical tool
220A, 220B, and 220C:
240A, 240B, 240C: a slave control unit
Claims (15)
상기 마스터 장치 및 상기 슬레이브 장치 중 어느 하나의 엔드 이펙터의 위치인 제 1 위치에 대한 검출 정보를 획득하고;
상기 획득된 제 1 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 상기 제 1 위치의 변화량을 산출하고;
상기 마스터 장치 및 상기 슬레이브 장치 중 다른 하나의 엔드 이펙터의 위치인 제 2 위치에 대한 검출 정보를 획득하고;
상기 산출된 제 1 위치의 변화량 및 상기 획득된 제 2 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 상기 제 2 위치를 추정하는 것을 포함하되,
상기 제 2 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능이 상기 제 1 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능에 상기 일정 동작 비율을 적용한 값보다 낮은 원격 조종 시스템의 제어방법.A control method of a remote control system including a master device for an operator's operation and a slave device operating at a certain motion scale according to the operation,
Obtain detection information for a first position that is a position of an end effector of either the master device or the slave device;
Calculating a change amount of the first position based on the obtained detection information for the first position;
Obtaining detection information for a second position that is a position of the end effector of the other one of the master device and the slave device;
Estimating the second position based on the calculated amount of change in the first position and detection information on the obtained second position,
Wherein the resolution of the position detection unit for detecting the second position is lower than the value obtained by applying the predetermined operation ratio to the resolution of the position detection unit for detecting the first position.
상기 추정된 제 2 위치 정보에 기초하여 상기 마스터 장치의 엔드 이펙터의 동작 또는 상기 슬레이브 장치의 엔드 이펙터의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하고;
상기 생성된 제어신호에 기초하여 상기 마스터 장치의 엔드 이펙터의 동작 또는 상기 슬레이브 장치의 엔드 이펙터의 동작을 제어하는 것을 더 포함하는 원격 조종 시스템의 제어방법.The method according to claim 1,
Generating a control signal for controlling the operation of the end effector of the master device or the operation of the end effector of the slave device based on the estimated second position information;
And controlling the operation of the end effector of the master device or the operation of the end effector of the slave device based on the generated control signal.
직전 제어 주기에서의 상기 추정된 제 2 위치 정보에 상기 제 1 위치의 변화량에 상기 일정 동작 비율을 적용한 값을 합산하여 상기 제 2 위치의 추정값 후보를 산출하고;
상기 획득된 제 2 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 상기 산출된 제 2 위치의 추정값 후보의 범위를 제한하는 원격 조종 시스템의 제어방법.2. The method of claim 1, wherein estimating the second position comprises:
Calculating an estimated value candidate of the second position by summing the estimated second position information in the previous control cycle with a value obtained by applying the predetermined operation ratio to the change amount of the first position;
And limits the range of the estimated value candidate of the calculated second position based on the obtained detection information for the second position.
직전 제어 주기에서의 상기 추정된 제 2 위치 정보에 상기 제 1 위치의 변화량에 상기 일정 동작 비율을 적용한 값과 저역 통과 필터를 통과한 상기 제 2 위치 정보에 대한 검출 정보의 변화량의 가중합(weighted sum)을 합산하여 상기 제 2 위치의 추정값 후보를 산출하고;
상기 획득된 제 2 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 상기 산출된 제 2 위치의 추정값 후보의 범위를 제한하는 원격 조종 시스템의 제어방법.2. The method of claim 1, wherein estimating the second position comprises:
A weighted sum of a value obtained by applying the predetermined operation ratio to the amount of change of the first position in the estimated second position information in the immediately preceding control cycle and a variation amount of the detected information with respect to the second position information passed through the low- sum) to calculate the estimated value candidate of the second position;
And limits the range of the estimated value candidate of the calculated second position based on the obtained detection information for the second position.
상기 산출된 제 2 위치의 추정값 후보가 상기 제 2 위치에 대한 검출 정보를 기준으로 한 상기 제 2 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능의 상한 경계선 및 하한 경계선 사이의 범위 내에 놓인 경우 상기 제 2 위치 추정값 후보를 상기 제 2 위치로 추정하는 원격 조종 시스템의 제어방법.5. The method of claim 3 or 4, wherein limiting the range of the estimated value candidate of the second position comprises:
When the estimated value candidate of the calculated second position is within a range between an upper limit boundary and a lower limit boundary of the resolution of the position detection unit that detects the second position with reference to detection information for the second position, And estimating the candidate as the second position.
상기 산출된 제 2 위치의 추정값 후보가 상기 제 2 위치에 대한 검출 정보를 기준으로 한 상기 제 2 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능의 상한 경계선 및 하한 경계선 사이의 범위 외에 놓인 경우 상기 제 2 위치 추정값 후보를 기준으로 상기 상한 경계선 및 상기 하한 경계선 중 더 근접한 경계선 상의 값을 상기 제 2 위치로 추정하는 원격 조종 시스템의 제어방법.5. The method of claim 3 or 4, wherein limiting the range of the estimated value candidate of the second position comprises:
When the estimated value candidate of the calculated second position lies outside the range between the upper limit boundary and the lower limit boundary of the resolution of the position detecting section that detects the second position with reference to the detection information for the second position, And estimates a value on a boundary line that is closer to the upper limit boundary line and the lower limit boundary line as the second position based on the candidate.
상기 원격 조종 시스템은 수술 로봇 시스템, 우주 항공 원격 시스템, 위험물 처리 로봇, 순찰 로봇 및 군사용 로봇 중 어느 하나인 원격 조종 시스템의 제어방법.The method according to claim 1,
Wherein the remote control system is any one of a surgical robot system, an aerospace remote system, a dangerous goods processing robot, a patrol robot, and a military robot.
상기 조작자의 명령 동작에 따른 작업 동작을 일정 동작 비율에 따라 직접 수행하는 엔드 이펙터 및 상기 작업 수행용 엔드 이펙터의 위치를 검출하는 위치 검출부를 포함하는 슬레이브 장치; 및
상기 마스터 장치 및 상기 슬레이브 장치 중 어느 하나의 엔드 이펙터의 위치인 제 1 위치에 대한 검출 정보를 획득하고, 상기 획득된 제 1 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 상기 제 1 위치의 변화량을 산출하고, 상기 마스터 장치 및 상기 슬레이브 장치 중 다른 하나의 엔드 이펙터의 위치인 제 2 위치에 대한 검출 정보를 획득하고, 상기 산출된 제 1 위치의 변화량 및 상기 획득된 제 2 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 상기 제 2 위치를 추정하는 제어부를 포함하되,
상기 제 2 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능이 상기 제 1 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능에 상기 일정 동작 비율을 적용한 값보다 낮은 원격 조종 시스템.A master device including an end effector for inputting an instruction operation of an operator and a position detection section for detecting a position of the end effector for command operation input;
A slave device including an end effector for directly performing a work operation according to a command operation of the operator according to a certain operation ratio and a position detector for detecting a position of the end effector for performing a task; And
Acquiring detection information for a first position, which is a position of an end effector of either the master device or the slave device, calculating a change amount of the first position based on detection information for the obtained first position, Acquiring detection information for a second position, which is a position of an end effector of the other one of the master device and the slave device, based on the calculated amount of change of the first position and detection information for the obtained second position, And a controller for estimating a second position,
Wherein the resolution of the position detection unit for detecting the second position is lower than a value obtained by applying the predetermined operation ratio to the resolution of the position detection unit for detecting the first position.
상기 제어부는 상기 추정된 제 2 위치 정보에 기초하여 상기 마스터 장치의 엔드 이펙터의 동작 또는 상기 슬레이브 장치의 엔드 이펙터의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하고, 상기 생성된 제어신호에 기초하여 상기 마스터 장치의 엔드 이펙터의 동작 또는 상기 슬레이브 장치의 엔드 이펙터의 동작을 제어하는 원격 조종 시스템.9. The method of claim 8,
The control unit generates a control signal for controlling the operation of the end effector of the master device or the operation of the end effector of the slave device based on the estimated second position information, A remote control system for controlling the operation of an end effector of an apparatus or the operation of an end effector of the slave apparatus.
상기 제어부는 직전 제어 주기에서의 상기 추정된 제 2 위치 정보에 상기 제 1 위치의 변화량에 상기 일정 동작 비율을 적용한 값을 합산하여 상기 제 2 위치의 추정값 후보를 산출하고, 상기 획득된 제 2 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 상기 산출된 제 2 위치의 추정값 후보의 범위를 제한하여 상기 제 2 위치를 추정하는 원격 조종 시스템.9. The method of claim 8,
Wherein the control unit calculates the estimated value candidate of the second position by summing the estimated second position information in the previous control cycle with a value obtained by applying the predetermined operation ratio to the change amount of the first position, And estimating the second position by limiting the calculated range of the estimated value candidate of the second position.
상기 제어부는 직전 제어 주기에서의 상기 추정된 제 2 위치 정보에 상기 제 1 위치의 변화량에 상기 일정 동작 비율을 적용한 값과 저역 통과 필터를 통과한 상기 제 2 위치 정보에 대한 검출 정보의 변화량의 가중합(weighted sum)을 합산하여 상기 제 2 위치의 추정값 후보를 산출하고, 상기 획득된 제 2 위치에 대한 검출 정보에 기초하여 상기 산출된 제 2 위치의 추정값 후보의 범위를 제한하여 상기 제 2 위치를 추정하는 원격 조종 시스템.9. The method of claim 8,
Wherein the control unit calculates a weighted sum of a value obtained by applying the predetermined operation ratio to the amount of change of the first position in the estimated second position information in the previous control cycle and a variation amount of the detected information with respect to the second position information passed through the low- Calculating an estimated value candidate of the second position by summing a weighted sum of the estimated positions of the first position and the second position, and limiting the range of the estimated value candidate of the calculated second position based on the detected information on the obtained second position, The remote control system.
상기 제어부는 상기 산출된 제 2 위치의 추정값 후보가 상기 제 2 위치에 대한 검출 정보를 기준으로 한 상기 제 2 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능의 상한 경계선 및 하한 경계선 사이의 범위 내에 놓인 경우 상기 제 2 위치 추정값 후보를 상기 제 2 위치로 추정하는 원격 조종 시스템.The method according to claim 10 or 11,
When the estimated value candidate of the calculated second position is within a range between the upper limit and lower limit of the resolution of the position detecting unit for detecting the second position with reference to the detection information for the second position, And estimates the two-position estimation value candidate as the second position.
상기 제어부는 상기 산출된 제 2 위치의 추정값 후보가 상기 제 2 위치에 대한 검출 정보를 기준으로 한 상기 제 2 위치를 검출하는 위치 검출부의 분해능의 상한 경계선 및 하한 경계선 사이의 범위 외에 놓인 경우 상기 제 2 위치 추정값 후보를 기준으로 상기 상한 경계선 및 상기 하한 경계선 중 더 근접한 경계선 상의 값을 상기 제 2 위치로 추정하는 원격 조종 시스템.The method according to claim 10 or 11,
When the estimated value candidate of the calculated second position is located outside the range between the upper limit and lower limit of the resolution of the position detecting unit for detecting the second position with reference to the detection information for the second position, Estimates a value on a boundary line that is closer to the upper limit boundary line and the lower limit boundary line as the second position based on the 2-position estimation value candidate.
상기 원격 조종 시스템은 수술 로봇 시스템, 우주 항공 원격 시스템, 위험물 처리 로봇, 순찰 로봇 및 군사용 로봇 중 어느 하나인 원격 조종 시스템.9. The method of claim 8,
Wherein the remote control system is any one of a surgical robot system, an aerospace remote system, a hazardous material handling robot, a patrol robot, and a military robot.
상기 제 1 위치를 검출하는 위치 검출부 및 상기 제 2 위치를 검출하는 위치 검출부는 인코더(encoder) 및 포텐셔미터(potentiometer) 중 어느 하나인 원격 조종 시스템.9. The method of claim 8,
Wherein the position detecting unit for detecting the first position and the position detecting unit for detecting the second position are any one of an encoder and a potentiometer.
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KR20130057379A KR20140136828A (en) | 2013-05-21 | 2013-05-21 | Tele-operation system and control method thereof |
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---|---|---|---|---|
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CN112711254A (en) * | 2020-12-14 | 2021-04-27 | 深圳市优必选科技股份有限公司 | Inspection robot control method and device, storage medium and intelligent equipment |
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2013
- 2013-05-21 KR KR20130057379A patent/KR20140136828A/en not_active Application Discontinuation
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