[논문]케이블 컨듀잇 구조의 수술용 햅틱 마스터 장치의 개선과 smooth backlash inverse를 이용한 backlash 보정

최우혁; 윤성민; 이민철

doi:10.7746/jkros.2014.9.1.048

케이블 컨듀잇 구조의 수술용 햅틱 마스터 장치의 개선과 smooth backlash inverse를 이용한 backlash 보정
Improvement of surgical haptic master device using cable-conduit and backlash compensation by smooth backlash inverse 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.9 no.1, 2014년, pp.48 - 56

최우혁 (Interdisciplinary Program in Robotics, Pusan National University) , 윤성민 (Mechanical Engineering, Pusan National University) , 이민철 (Department of Mechanical Engineering, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In robotic surgery, a surgeon checks only a surgical site of patient in the progress of surgery by vision and sound information. In order to solve this limited information, the haptic function is necessary. And haptic surgical robot is also necessary to design a haptic master device. The master device for laparoscope operation with cable-conduit was developed in previous research to give haptic function. It suggested a possibility of developing a master device by using the cable-conduit. However, it is very inconvenient to use. Therefore, this paper suggests a new mechanism design structure to solve the problems of the previous work by new forming a new master device. And it has proved that it's usability is better than previous one. Furthermore it has also experimented and analyzed that a backlash of new master device is compensated by smooth backlash inverse algorithm.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 먼저 선행연구의 마스터 장치가 가지는 구조적인 문제점을 지적했다. 선행연구의 마스터 장치의 문제점을 분석하기 위해 사람의 손의 움직임에 대하여 파악했으며, 파악한 움직임을 선행연구의 마스터 장치를 사용해 구현했을 때 마스터 장치의 각 축의 위치가 손의 움직임의 중점이 되는 손목을 교차하지 않는다는 것과 그것으로 인해 발생한 변위차로 인해 불필요한 움직임이 필요하게 된다는 것을 증명했다.
이에 본 연구는 먼저 선행연구의 문제점을 파악하여 손목 중심과 마스터 장치의 각 축의 교차점이 일치하도록 개선하고, backlash 현상에 의한 구동부와 종동부 간의 변위 오차를 보정하기 위한 알고리즘을 본 시스템에 적용하여 마스터 장치의 성능을 개선한다.

가설 설정

하나의 케이블(a)에 장력증가가 일어나 케이블이 당겨지면 당겨진 케이블이 부분적으로 움직인다. 그리고 다른 케이블(b)가 conduit을 통해 구동부에서 종동부로 움직이게 된다.

제안 방법

실험은 yaw, pitch, roll, finger의 세 축에 대하여 무작위 반복운동을 실시한다. 그 후 구동부와 종동부에 부착된 엔코더의 변위 값을 비교하여 backlash 구성 파라미터를 측정한다. 마지막으로 측정된 구성 파라미터를 보정알고리즘에 적용하여 보정된 값을 구동부와 종동부의 값과 비교한다.
그 후 선행연구의 마스터 장치를 조작하기 위해 조작자의 손이 어떤 식으로 움직이는지를 확인하여 문제점을 파악한 후 손목 중심과 마스터 장치의 각 축의 교차점이 한 점에 일치하도록 새로운 설계 방안을 제시한다. 그 후 선행연구와 개선한 마스터 장치의 차이점을 비교 및 분석한다. 또한, 새로운 마스터 장치의 구동부와 종동부사이의 오차인 backlash 현상을 측정하고 이를 backlash보정 알고리즘인 Smooth backlash Inverse를 통해 보정하고 이 알고리즘에 대한 보정성능평가를 실시한다.
이를 위해 먼저 일반적인 사람의 손의 움직임에 대해 분석한다. 그 후 선행연구의 마스터 장치를 조작하기 위해 조작자의 손이 어떤 식으로 움직이는지를 확인하여 문제점을 파악한 후 손목 중심과 마스터 장치의 각 축의 교차점이 한 점에 일치하도록 새로운 설계 방안을 제시한다. 그 후 선행연구와 개선한 마스터 장치의 차이점을 비교 및 분석한다.
이러한 문제점을 yaw, pitch, roll축의 교차점이 조작자의 손목 중심에 오도록 설계함으로서 해결했다. 그리고 마스터 장치의 프레임 내부의 공간을 만들고 그 안에 케이블과 풀리 그리고 컨듀잇 등이 지나가도록 하여 배선의 편의성을 제공했다.
또한, 개선된 마스터 장치를 이용하여 구동부와 종동부 간의 변위 차를 측정하고 각 축의 backlash 구성 파라미터를 측정했다. 그리고 보정 알고리즘인 smooth backlash inverse를 사용하여 보정했다.
그 후 선행연구와 개선한 마스터 장치의 차이점을 비교 및 분석한다. 또한, 새로운 마스터 장치의 구동부와 종동부사이의 오차인 backlash 현상을 측정하고 이를 backlash보정 알고리즘인 Smooth backlash Inverse를 통해 보정하고 이 알고리즘에 대한 보정성능평가를 실시한다.
그 후 구동부와 종동부에 부착된 엔코더의 변위 값을 비교하여 backlash 구성 파라미터를 측정한다. 마지막으로 측정된 구성 파라미터를 보정알고리즘에 적용하여 보정된 값을 구동부와 종동부의 값과 비교한다. 이 때 알고리즘에 적용할 필터를 설계하기 위해 각 축에 대한 c_s값을 FFT를 통해 확인해봤다.
본 장에서는 선행연구의 문제점을 분석하고 그에 대한 대안으로 개선된 마스터 장치를 제안한다.
선행연구와 개선된 마스터 장치를 비교했을 때 roll, yaw, pitch축이 조작자의 손목의 중심을 교차하는 구조이며, 장치의 프레임을 ‘☐’의 형태로 설계하고 내부에 케이블과 풀리가 들어갈 수 있도록 했다.
실험은 yaw, pitch, roll, finger의 세 축에 대하여 무작위 반복운동을 실시한다. 그 후 구동부와 종동부에 부착된 엔코더의 변위 값을 비교하여 backlash 구성 파라미터를 측정한다.
먼저 개선된 마스터 장치의 backlash현상을 알아볼 필요가 있었다. 실험을 위해 마스터 장치와 케이블 그리고 컨트롤 박스로 구성된 시스템 (Fig. 14)을 구축했다. 이때 사용한 케이블과 컨듀잇은 Table 1과 같으며 엔코더는 Autonics사의 E30S4시리즈 (E30S4-1000-6-L-5)를 사용하였다.
위의 선행연구의 문제점을 개선하기 위한 방법으로 각 축의 중심이 조작자의 손목에 올 수 있도록 맞추었다. Fig.
위의 설명한 실험방법을 통해 각 축의 구동부와 종동부의 변위 값을 비교했고, 그를 통해 각 축에 backlash가 발생하는 것과 그의 구성 파라미터를 측정할 수 있었다. Table 2는 각 축의 backlash 구성 파라미터의 수치를 나타낸다.
마지막으로 측정된 구성 파라미터를 보정알고리즘에 적용하여 보정된 값을 구동부와 종동부의 값과 비교한다. 이 때 알고리즘에 적용할 필터를 설계하기 위해 각 축에 대한 c_s값을 FFT를 통해 확인해봤다. 설계한 필터의 cutoff frequency는 0.
이 알고리즘은 backlash inverse에 smooth function을 적용하고 각 방향의 오프셋에 필터를 이용해 불연속적인 오프셋 데이터를 연속적으로 변형해준다. 이는 backlash inverse의 한계를 보완하기 위한 것이다[7].
이를 위해 먼저 일반적인 사람의 손의 움직임에 대해 분석한다. 그 후 선행연구의 마스터 장치를 조작하기 위해 조작자의 손이 어떤 식으로 움직이는지를 확인하여 문제점을 파악한 후 손목 중심과 마스터 장치의 각 축의 교차점이 한 점에 일치하도록 새로운 설계 방안을 제시한다.
제안된 마스터 장치는 기본적으로 구동부와 종동부가 분리되어 있는 구조를 취하고 있다. 그렇기 때문에 backlash가 발생할 수 있다.

대상 데이터

4의 손 그림과 같이 조작자가 선행연구의 마스터장치를 쥐었을 때, 각 축의 위치가 조작자의 손에 어느 쪽에 위치하는지 표시하였다. 개선된 마스터 장치의 구성은 구동부인 마스터 핸들과 종동부인 컨트롤 박스로 구성되어 있다. 선행연구와 개선된 마스터 장치를 비교했을 때 roll, yaw, pitch축이 조작자의 손목의 중심을 교차하는 구조이며, 장치의 프레임을 ‘☐’의 형태로 설계하고 내부에 케이블과 풀리가 들어갈 수 있도록 했다.
14)을 구축했다. 이때 사용한 케이블과 컨듀잇은 Table 1과 같으며 엔코더는 Autonics사의 E30S4시리즈 (E30S4-1000-6-L-5)를 사용하였다. 장치의 특성상 마스터핸들부에 엔코더를 부착하는 것은 시스템의 설계의도에 위반되나 구동부의 정확한 값을 측정하여 실험결과의 정확한 분석을 위해 엔코더를 부착했다.

이론/모형

또한, 개선된 마스터 장치를 이용하여 구동부와 종동부 간의 변위 차를 측정하고 각 축의 backlash 구성 파라미터를 측정했다. 그리고 보정 알고리즘인 smooth backlash inverse를 사용하여 보정했다. 이렇게 보정된 실험 데이터는 대체적으로 영점을 지나는 선형직선의 형태를 띠고 있으나 방향 전환 구간은 발생하는 오차가 여전히 발생하는 문제점이 있었다.
개선된 마스터 장치에도 backlash가 발생할 수 있기 때문에 backlash 보정 알고리즘이 필요하다. 이에 본 논문에서는 cable-conduit구조에 backlash 보정 알고리즘으로써 적용된 사례가 있는 smooth backlash inverse를 사용했다.

성능/효과

7을 보면, 손목을 위로 20도 아래로 40도 움직였을 때 (Fig. 5의 b), 축 중심이 손목관절과 일치하지 않아 손목을 위로 움직일 때 팔을 추가로 약 10도를 추가로 움직여야하고 손목관절을 pitch축에서 약 5.31cm 내려가게 된다. 그리고 아래로 움직일 때는 팔을 약 6.
본 논문에서는 먼저 선행연구의 마스터 장치가 가지는 구조적인 문제점을 지적했다. 선행연구의 마스터 장치의 문제점을 분석하기 위해 사람의 손의 움직임에 대하여 파악했으며, 파악한 움직임을 선행연구의 마스터 장치를 사용해 구현했을 때 마스터 장치의 각 축의 위치가 손의 움직임의 중점이 되는 손목을 교차하지 않는다는 것과 그것으로 인해 발생한 변위차로 인해 불필요한 움직임이 필요하게 된다는 것을 증명했다. 이러한 문제점을 yaw, pitch, roll축의 교차점이 조작자의 손목 중심에 오도록 설계함으로서 해결했다.
23, 24, 25, 26에 나타내었다. 실험결과에서 각 축의 보정 후 데이터는 대체적으로 영점을 지나는 선형직선 (y=x)의 형태를 띠고 있으나 방향 전환 구간은 발생하는 오차에 의해 선형직선의 형태가 아닌 것을 알 수 있다. 이는 비록 완벽한 backlash보정이라 할 수 없으나 방향전환 구간을 제외한 부분은 완벽히 backlash보정이 되었으며, 보정 후 잔여 backlash수치 또한 실험 전의 backlash수치에 비해 감소된 것을 알 수 있다.

후속연구

그렇기 때문에 backlash가 발생할 수 있다. 먼저 개선된 마스터 장치의 backlash현상을 알아볼 필요가 있었다. 실험을 위해 마스터 장치와 케이블 그리고 컨트롤 박스로 구성된 시스템 (Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마스터 장치의 구조는?	이 중 cable-conduit구조를 이용하여 haptic마스터 장치를 개발한 시도가 있었다. 이 연구는 본 연구의 선행연구로서 이 마스터 장치는 센서와 액추에이터를 조인트와 분리가 가능하며, 이에 따라 경량화와 haptic 정보를 전달 할 수 있는 구조이다. 또한, 움직임 전달과 힘 전달 등을 실험적으로 평가하여 haptic이 가능한 마스터장치의 개발 가능성을 제시하였다[4].
	로봇 복강경 수술이란 무엇인가?	로봇 복강경 수술은 작은 절개부를 여러 개 내고 그 구멍을 통해 내시경과 여러 가지 도구를 환자의 환부에 집어 넣어 수술하는 복강경수술에 로봇공학이 접목된 형태이다. 이는 개복수술에 비해 빠른 회복과 낮은 감염율의 이점을 가지고 있다.
	로봇 복강경 수술의 이점은?	로봇 복강경 수술은 작은 절개부를 여러 개 내고 그 구멍을 통해 내시경과 여러 가지 도구를 환자의 환부에 집어 넣어 수술하는 복강경수술에 로봇공학이 접목된 형태이다. 이는 개복수술에 비해 빠른 회복과 낮은 감염율의 이점을 가지고 있다. 또한, 외과의사가 마스터 장치에 앉아서 수술을 집도하는 방식으로 외과의사와 환자간의 수술거리의 제약에 영향을 적게 받는 이점이 있고, 환자에게 정밀한 수술을 제공할 수 있다.

참고문헌 (12)

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상세보기
Cagatay Basdogan, Chih-Hao Ho, and Mandayam A. Srinivasan, "Virtual Environments for Medical Training: Graphical and Haptic Simulation of Laparoscopic Common Bile Duct Exploration", IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, vol. 6, no. 3, september 2001.

상세보기
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원문보기 상세보기
Chi-Yen Kim, Min-Cheol Lee, Tae-Kyung Lee, Seung-Wook Choi, and Min-Kyu Park, "Study for the Indirect Measuring Methord of Operational Force in Surgical Robot Instrument", Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol.16, No.9, pp.840-845, 2010.

원문보기 상세보기
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상세보기
G.Tao, P.V. Kokotovic, "Continuous-Time Adaptive Control of System with Unknown Backlash", IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATIC CONTROL, Vol. 40, NO. 6, JUNE 1995.
Joseph J. Crisco, Wendell M.R. Heard, Ryand R. Rich, David J. Paller, Scott W. Wolfe, "The Mechanical Axes of the Wrist Are Oriented Obliquely to the Anatomical Axes", the journal of bone and joint surgery, Vol. 93, pp.169-177, Jan. 2011.

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표제어: PCR

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