안구 및 재건 수술을 위한 새로운 기계적 모션 스케일 가능한 로봇 구조

Abstract

안구수술과 재건수술은 높은 정확도와 안정적인 움직임을 요구하는 어려운 난이도를 가지는 미세수술이다. 미세 수술의 한계를 극복하기 위해 로봇을 사용하는 여러 연구가 수행되고, 정확도와 손떨림 문제에서 유의미한 결과를 보였다. 그러나 기개발된 미세수술로봇들은 작업 영역과 정확도 성능이 특정 작업에 특화되어 있기 때문에 여러 수술에 적용할 수 없다. 범용성은 수술특화형 도구의 개발만으로도 다양한 수술에 적용할 수 있기 때문에 비용대비 이득과 시장 보급력에 있어 강점을 가지게 되므로 미세수술의 보급화를 위해서는 범용 미세수술로봇 플랫폼이 필요하다. 본 연구에서는 다수의 미세 수술 중 안구 수술과 재건 수술의 동작을 수행할 수 있는 새로운 미세수술 로봇암의 구조를 제안한다. 그리고 기존 미세수술의 분석을 통해 미세수술로봇이 가져야할 평가지표를 정의하고, 기존의 미세 수술 로봇들의 구조를 분석하여 평가지표에 부합되는지를 확인한다. 끝으로 제안하는 이중 델타 구조를 기구학적으로 쉽게 풀이할 수 있는 좌표계 합성 방법을 제시한다. 본 연구의 기여는 아래와 같다. 첫번째로 미세수술 로봇암에 적용된 구조는 이중 델타 구조(DDS)라 부르며, 기계적 모션 스케일 변수(δ)에 따라 수술도구 끝단의 정확도와 접근 가능한 작업영역을 조정할 수 있다. 이는 2개의 병렬형 델타구조를 직렬형 지렛대 구조로 연결함으로써 기구적인 모션 스케일 조정을 수행하는 원리를 사용한다. 두번째로 안구와 재건 수술에서 요구하는 조건들을 분석 후 로봇이 가져야 할 평가지표를 정의하였다. 그리고, 이를 사용하여 기존 연구들의 구조들과 제안하는 구조를 분석한다. 세번째로 이중 델타 구조가 가지는 여유자유도를 쉽게 제어할 수 있도록 기계적 모션 스케일 조정 변수를 포함한 자코비안 행렬을 제시한다. 제안된 자코비안 행렬은 기계적 모션 스케일 변수와 Pivot 점의 위치에 따른 조작성(Manipulability)을 고유값을 통해 검증한다. 그리고 기계적 모션 스케일 변수의 변화에 따른 등방성(Isotropy)의 변화에 대하여 분석을 한다. 그리고 1mm 내의 미세영역에서도 기계적 모션 스케일이 효과적인지를 현미경 관측 실험을 통해 검증한다. 실험 결과 기계적 모션 스케일의 조정에 따라 정확도와 정밀도가 대략 35% 개선되는 것을 확인함으로써 구조의 효용성을 확인하였다. 최종적으로 이중 델타 구조는 큰 동작과 정밀한 동작을 조절하여 필요에 따라 원하는 성능을 극대화할 수 있음을 증명하였고, 이는 사람의 손과 같이 동작의 스케일이 빈번히 전환되는 다양한 산업 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.