Friction-model-based estimation of interaction force between tissues and a surgical robot instrument

Abstract

본 연구의 주제는 최소침습로봇수술에서 햅틱 피드백을 의사에게 제공하기 위해 수술도구 말단의 상호작용 힘을 추정하는 기존 방법에 대해 마찰 모델에 기반하여 추정 정확성을 높이기 위한 방법이다. 먼저, 최소침습수술의 특징을 바탕으로 기존의 부정확한 힘 추정이 햅틱 피드백을 통해 의사에게 전달될 때 왜 의사의 시술을 방해할 수 있는 지에 대한 기본적인 문제정의에서 출발한다. 그리고 수술도구 말단과 환경 사이에서 발생하는 상호작용을 추정하기 위한 기존 연구에 대해 설명하며 기 개발된 힘 추정방법이 어떤 요인에 의한 영향으로 추정 오차를 보이는 지를 가정하여 모델화하고, 해당 모델을 실험적으로 분석한다. 스트레인 게이지를 이용해 수술도구의 구동토크를 추정하는 과정에서 발생하는 오차를 줄이기 위해 스트레인 발생 분포를 개선하기 위해 풀리 형상을 개선하고 스트레인 신호를 캘리브레이션하는 과정에서 발생하는 오차를 줄이기 위한 새 캘리브레이션 장치도 구축한다.

그러나 추정 오차의 주된 원인은 스트레인 게이지를 이용한 구동토크의 추정보다는 구동토크를 이용해 상호작용 힘을 추정하는 과정에서 고려되어야 하는 마찰력이라는 결론을 얻게 된다. 또한 기존에 적용된 마찰모델에 비해 추정 오차가 나타내는 특성이 더 복잡하다는 것을 확인하고, 이를 토대로 수술도구의 보다 정교한 마찰모델에 기반한 힘 추정 방법의 필요성을 제기한다. 이어, 관련 연구들에 대한 조사를 바탕으로 수술도구의 모델링 전략을 세우게 되는데, 기존에 유사한 시스템에 이미 매우 정교한 마찰모델을 적용한 연구들이 있음을 확인하게 된다. 하지만 실제 시술 환경에서 시간이 지남에 따라 변화하는 모델 파라미터를 실시간으로 추정해야 하는 조건을 고려했을 때 파라미터의 개수가 적으면서도 본 시스템의 마찰특성을 보다 효율적으로 나타낼 수 있는 모델이 필요하다고 보고, 수술도구 특정한 구조 및 외력에 따라 달라지는 마찰력, 탄성구간의 형태 등 실험적으로 확인된 추정오차의 특성들을 반영하여 마찰력을 모델화한다. 또한 파라미터 추정의 효율성을 높이기 위해 완성된 마찰모델에서 실험적으로 영향이 작은 파라미터들을 확인하여 파라미터 추정에서 제외한다.

마지막으로 추정 정확성을 검증하기 위한 단일 자유도 자유 운동 실험 및 접촉 운동을 실험을 수행하고 힘 추정 정확성을 기존 방법과 비교한다. 결론적으로, 본 논문에서 제시하는 마찰모델을 이용해 추정한 추정 정확성은 기존 마찰 모델을 이용해 추정한 추정 정확성과 큰 차이가 나지 않았고, 실제 측정된 상호작용 힘의 파형과 큰 차이를 보였다. 이는 텐던의 비선형적 탄성을 정확하게 반영하지 않은 점과, 마찰의 비등방성을 무시한 점, 그리고 내부 풀리의 유격이나 관성, 수술도구 축의 탄성 등 여러 비선형 요소들, 또한 오프라인 추정에 의한 파라미터 추정의 부정확성에 따른 결과로 추정된다. 그러나 이를 모두 정교하게 모델화하려면 그만큼 모델 파라미터의 개수가 많아지게 되고, 이들 파라미터의 추정은 측정 불가능한 외력이 가해지지 않는 상태, 즉 자유운동에서만 이루어지게 된다. 그러나 의사의 임의적 동작에 의해 자유운동 데이터가 제한적으로 얻어지는 실제 시술 상황을 고려할 때, 이렇게 파라미터의 개수가 많아지는 것은 바람직하지 않다. 따라서 본 마찰모델은 실제로 측정되는 상호작용 힘 신호에 대한 통계적 분석을 바탕으로 추정 오차를 유발하는 주요한 특성만 최소한으로 반영되도록 개선될 필요가 있다.