다중 센서 기반의 위치 및 자세 추정 방법을 이용한 레이저 치료 로봇 시스템 개발에 관한 연구

Abstract

본 연구의 목표는 기존의 피부과 치료용 레이저 조사 부위의 균일성을 크게 향상시킴으로써 레이저 치료의 효과를 높이는 레이저 치료 로봇 시스템을 개발하는 것이다. 레이저의 특성 상 눈에 보이지 않아 시술자가 실수로 중복으로 조사하거나 누락시키는 경우가 있다. 또한 장시간에 걸친 치료로 인하여 의사의 피로도가 증가하는 경우, 치료의 정확도에 직접적인 영향을 주는 인적오류를 증가시키게 된다. 따라서 센서를 이용해 치료할 부위를 자동으로 검출하고 피부 표면 정보를 인식하여 자동으로 레이저 치료를 진행하는 레이저 치료 로봇 시스템을 개발함으로써 인적 오류에 의한 레이저 사용의 부작용을 줄이고자 하였다. 본 연구에서 개발된 6축 레이저 조사 로봇 시스템은 크게 두 가지의 시스템으로 나누어진다. 하나는 피부 표면 정보를 얻는 센서 피드백 시스템이고, 다른 하나는 치료용 레이저 기구를 움직여 레이저 조사를 가능하게 하는 로봇 팔 시스템이다. 센서 피드백 시스템과 치료용 레이저 기구는 6축 로봇 팔의 말단 장치(End effector)에 부착되어 있는 형태이며 센서 피드백 시스템은 영상 센서와 레이저 거리 센서를 이용하여 치료 부위의 6자유도(3-DOF Positions and 3-DOF Orientations)의 정보를 얻는다. 레이저 치료 로봇 시스템을 검증하기 위하여 실험을 진행하였다. 먼저, 피부 면에서 치료 부위의 위치와 자세를 정확히 파악하고 레이저 기기를 이동시키는지에 대한 정확도를 확인하였고 시술자가 설정한 임의의 치료 범위에 대해 레이저를 균일하게 조사하는지 평가하였다. 이 과정을 통하여 시스템의 보완이 필요한 부분을 파악하였고 향후 개발 방향을 확립할 수 있었다. 본 연구에서 제시한 레이저 치료 로봇은 효과적인 피부과 치료를 하는데 기여할 수 있을 것이다. 또한 단일 영상 카메라와 레이저 거리 센서를 이용하여 3차원 환경 정보를 얻고 그에 맞게 로봇을 제어하는 방법에 있어 크게 기여할 수 있을 것이다.

The goal of this study is to develop a laser treatment robot system which enhance the effect of laser treatment by improving the uniformity of laser emission region. Traditional dermatologic laser treatment has a drawback which is difficult for the practitioner to trace the location of the laser irradiation spot because of the characteristics of the laser. This is the one of the significant cause of the omission and overexposure of the laser treatment sites. In addition, the fatigue of the practitioners from the treatment over a long period of time may cause increase human errors that have a direct effect on the uniformity of the laser emission region. To avoid the side effects of laser treatment from the human error and decrease the fatigue of the practitioners, the laser treatment robot system which distributes the laser emission uniformly and tracks of the laser emission is proposed. A laser treatment robot system developed on this study is divided into two major subsystems. One is a sensor feedback system for receiving information of skin surface, and the other is a 6 axis robot arm system which enables positioning of a laser treatment device. A sensor feed back system and a laser treatment device are attached to the end-effector of a six axis robot arm and sensor feedback system is to estimate the skin surface in a 6-DOF (3-DOF positions and 3-DOF orientations) information by using the vision sensor and the one-dimensional laser distance sensor. Experiments were proceeded to verify the performance of the robot system. The overall system accuracy was evaluated by comparing the coordinate of the robot end-effector with the reference coordinates of the target objects placed in an arbitrary position and orientation. In addition, the system was evaluated whether the system distributes the laser uniformly for an arbitrary shape. By conducting the process, the shortcoming of the system was recognized and the future improvement direction was established. The laser treatment robot system proposed in this study will contribute to the effective treatment in laser-related surgery. Moreover, this research will make a significant contribution of estimation of three dimensional information of surroundings for robot control.