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양방향 텔레스코픽 메커니즘을 지닌 수술로봇용 엔드이펙터의 직접교시
장유창(Y. Q. Zhang),김민효(M. H. Kim),진상록(S. R. Jin) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.5월
복강경 수술용 로봇이 원활한 원격 중심 운동을 하기 위해 엔드 이펙터는 독립적으로 장착된 수술도구의 전후진 운동을 수행할 수 있어야 한다. 전후진 운동을 구현할 수 있는 메커니즘 중 텔레스코픽 구조는 움직임에 따라 기구부가 접혀 컴팩트한 설계가 가능하다. 복강경 수술 시 수술도구는 삽입 방향에 전진하는 힘과 반대로 후진하는 힘이 모두 필요하다. 일반적인 텔레스코픽 구조는 중력 반대 방향으로 끌어올리는 힘만 가할 수 있고 반대 방향은 중력에 의해 수동적으로 구동하는 방식이다. 본 연구에서는 와이어가 양방향으로 서로 연결되어 전후진 방향 모두 힘을 가할 수 있는 양방향 텔레스코픽 구조를 지닌 수술로봇용 엔드이펙터를 소개한다. 더불어 수술을 집도하는 의사나 간호사가 별도의 사용법 학습 없이 가장 직관적으로 로봇을 조작하는 방법은 직접교시이다. 직접 손으로 로봇에 힘을 가하여 원하는 방향으로 로봇을 움직이는 방법이다. 먼저 중력에 의해 발생하는 토크와 마찰력에 의해 발생하는 토크를 수학적으로 모델링한다. 마찰력에 의해 발생하는 토크는 히스테레시스 현상을 지니고 있어 LuGre 모델을 기반으로 실험을 통한 토크 모델을 도출한다. 다양한 조건에서 반복적인 실험을 통해 실험적으로 모델의 파라미터를 구하고 이를 바탕으로 양방향 텔레스코픽 메커니즘을 지닌 엔드이펙터의 부드러운 직접 교시를 위한 Force-free 제어를 구성한다. 별도의 힘 센서나 토크 센서 없이 모터에 변화하는 전류를 바탕으로 제어를 설계한다. 검증실험을 통해 엔드이펙터의 구동 성능을 평가하고 수술보조로봇의 매니퓰레이터 끝단에 장착하여 활용한다. 돼지를 이용한 동물실험을 수행하면서 충수절제술과 담낭절제술을 성공적으로 보조하며 수술을 마쳤다.
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