초음파센서 기반 자동 조명로봇 시스템과 스프링 백본 마이크로 내시경

Abstract

본 논문의 주제는 크게 초음파 센서를 이용한 자동수술조명로봇과 스프링 백본 구조의 마이크로 내시경으로 구성된다. 수술방에서 수술조명은 수술 부위의 정확한 진단 및 치료를 위해 요구되는 중요한 장치이다. 그 동안 많은 타입의 수술조명들이 개발되었으나 대부분의 수술조명시스템은 수동적인 시스템이다. 그림자가 생기지 않게 하거나 원하는 위치에 조명을 비추기 위해서 수술자를 따라서 조명기구의 위치를 바꾸거나 다른 사람이 조명의 위치를 조정해 주어야 하는 불편함이 생긴다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 수술자의 움직임을 초음파센서로 감지해서 자동으로 움직여주는 조명로봇을 개발한다. (X, Y, Z, Yaw, Pitch) 위치를 제어할 수 있고, 충분한 활동반경을 가지기 위해 5자유도 시리얼 타입 매니퓰레이터 시스템이 고안된다. 세 개의 초음파 센서를 이용해서 수술자의 위치와 방위가 측정 가능하며, 측정된 데이터는 메인 콘트롤부로 보내지고 이것으로 인해 조명로봇이 수술자의 위치를 자동추적 할 수 있다. 제안된 자동 수술조명시스템의 성능을 확인하기 위해 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증한다. 두 번째 주제는 스프링 백본 구조의 마이크로 내시경이다. 좁고 협소한 공간에서 효과적인 수술을 위해 기존의 로봇형태와는 다른 많은 매니퓰레이터들이 고안되었다. 이러한 기구들의 특징은 유연한 구조로 인해 기존 로봇들이 할 수 없는 코끼리 코나 뱀 같은 움직임이 가능하다. 본 연구에서는 기존 연구와는 차별적으로 스프링 백본과 와이어를 이용한 마이크로 내시경 기구를 개발한다. 제안하는 새로운 내시경은 스프링의 특성상 Z축으로의 모션이 더해져서 3자유도의 움직임이 가능하다. 간단한 기하학적 해석을 통해 백본과 와이어 구조에 보편적으로 적용할 수 있는 기구학을 제안한다. 주어진 내시경 말단 두 방향에서의 회전과 길이 변화에 대하여 입력인 각 와이어의 길이를 결정하는 역기구학 알고리즘을 유도한다. 제안된 역기구학을 확인하기 위해 그래픽 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증한다.; There are two main subjects in this works, which are categorized as auto surgery illuminator robot using ultra sonic sensor and spring backbone micro endoscope. In operation room, surgery illuminator is very important tool for accuracy diagnosis to the affected part and cure. Therefore many type of surgery illuminator are developed. But most surgery illumination systems have been developed as passive system. Therefore, sometimes it is inconvenient to relocate the position of the illumination system as the surgeon changes his pose. To cope with such problem, this study develops an auto-illumination system that is autonomously tracking the surgeon's movement. A 5-DOF serial type manipulator system that can control (X, Y, Z, Yaw, Pitch) position and secure enough workspace is developed. Using three ultrasonic sensors, the surgeon's position and orientation could be measured from measured data. The measured data is sent to the main control system so that the robot can be auto-tracking the target. Finally, performance of the developed auto-illuminating system was verified through a preliminary experiment in the operating room environment. Another subject is spring backbone micro endoscope. For effective surgery in narrow and limited space, many manipulators are developing that different to existed structure. These devices can motion like elephant nose or snake unlike the existing robots. This study develops a mechanism that uses spring backbone and wires. This study propose the new type endoscope that has Z axis motion for spring structure, therefore it has 3 degree of freedom. And general kinematics for backbone structure is proposed using simple geographic analysis. The inverse kinematics that determines each wire length, input, for the rotation and length change of two directions on the given end-effecter of endoscope is also derived. Finally, execute simulation and experiments for verify this inverse kinematics.