차세대 수술 로봇을 위한 전기신호식 수술 로봇 제어 시스템 개발 연구

Abstract

기존의 개복 수술에 비해 최소 침습 수술은 많은 장점이 있다. 하지만 기존 복강경 도구를 이용한 최소 침습 수술의 한계를 극복하고자 로봇을 이용한 복강경 수술이 널리 시행되고 있다. 하지만 대표적인 복강경 수술 로봇인 다빈치 로봇의 경우 엔드이펙터의 집게가 다양한 자세에서 균일한 힘을 내지 못하는 것이 다른 연구진에 의해 밝혀졌다. 본 연구에서는 이를 가설로 두고 이를 구체적인 실험으로 규명하였으며, 문제의 원인이 금속 줄로 제어되는 엔드이펙터 때문임을 증명하였다. 이를 위해 엔드이펙터의 집는 힘, 자세에 따른 커넥터 각도, 전달 토크를 새로이 고안한 토크전달시스템으로 측정하였다. 측정 결과 의사의 균일한 의도에도 불구하고 27가지 자세에서 세가지 엔드이펙터가 모두 다른 힘을 내었으며 최소 1.84배에서 최대 3.37배의 차이가 나는 것을 확인하였다. 이러한 단점을 극복하고자 본 연구에서는 두 가지 측면에서 해결책을 제시하였다. 첫째로, 다빈치의 엔드이펙터 내부 메커니즘을 분석하여 엔드이펙터의 다양한 자세에서 균일한 힘을 내기 위한 보상 힘을 제시하는 모델을 개발하였다. 모델에서 계산되는 값과 실제 값을 비교하여 검증하였다. 토크전달시스템을 통해 얻은 파라미터로부터 10.69-16.25%의 오차 범위 내에서 예측 집는 힘을 계산하는 결과를 도출하였다. 본 모델을 이용하면 기존 다빈치 시스템의 구조적 문제를 소프트웨어적으로 극복하는데 도움을 줄 수 있다. 또한 의사는 엔드이펙터 집게에 작용하는 실제 힘에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 마스터 인터페이스에 압력 센서 등이 구비되면 집는 힘을 원하는 대로 조정할 수도 있어서 수술 도중 발생할 수 있는 사고를 미연에 방지 할 수 있다. 둘째로, 다빈치 시스템의 구조적 문제를 근본적으로 해결하기 위하여 새로운 수술 로봇 엔드이펙터 시스템, Surgical-Operation-By-Wire (SOBW)를 개발하였다. 6축 로봇팔을 사용하여 새로운 엔드이펙터와 함께 수술에 쓰일 수 있는 추가의 자유도를 갖추었다. 제안된 수술 로봇 시스템은 항공우주공학기술에 널리 쓰이는 Hands-On-Throttle-And-Stick (HOTAS)을 활용하여 6축 힘/토크 센서가 추가된 iHOTAS 인터페이스를 통해 제어된다. 집게의 반응시간이 0.2초로 계산되었고, 본 시스템을 처음 접하는 참가자가 술기 테스트에서 평균 176초안에 수행하여 300초 컷오프 타임안에 수행할 수 있게 시스템이 잘 구성되었음을 확인하였다. 또한 시스템의 동작 범위는 11,157.0 cm3으로 계산되었다. 다양한 검증을 통해 제안된 수술 로봇 시스템이 실제 수술에 충분히 쓰일 수 있음을 확인하였다.