정적 평형 구조를 지니는 적층형 병렬 메커니즘의 설계 및 의료 로봇 시스템으로의 응용

Abstract

본 논문은 적층형 중력보상 메커니즘을 사용한 의료로봇 시스템에 대한 설계 및 적용에 대한 연구를 수행하였다. 적층형 메커니즘은 5-bar와 이중 평행사변형이 서로 적층되어 있으며, 일반적인 N-자유도의 메커니즘을 설계할 수 있다. 모든 구동기 또는 센서를 기저부에 장착하기 용이한 구조를 가진다. 중력 보상은 무게 추와 스프링을 사용하는 두 가지 방법이 있다. 첫 번째로, 적층형 메커니즘의 구조와 기구학에 대하여 기술한 후 무게추와 스프링을 기반으로 하는 중력 보상 메커니즘의 정적 모델에 대한 분석을 수행하였다. 그리고 전체 작업공간에서의 중력보상에 대하여 적층형 메커니즘의 선형 기하 특성으로부터 이상적인 개회로 안정성을 가진다는 것을 일반적인 강성 모델을 활용하여 확인하였다. 두 번째로, 중력 보상을 가지는 3자유도 적층형 메커니즘을 사용한 이과 수술용 드릴 홀더를 제안한다. 동역학 시뮬레이션을 통해 무게추를 사용한 중력 보상 방식보다 스프링을 사용한 중력 보상 방식이 관성에 의한 토크가 적게 발생한다는 사실을 확인하였다. 그리고 EMG 센서를 활용하여 직접 손으로 드릴 작업을 수행하는 것과 제안하는 메커니즘으로 수행 했을 경우 스프링 중력 보상 메커니즘을 사용하면 피로도가 적게 나타나는 것을 확인하였다. 마지막으로, 경구강 수술로봇 시스템을 제안한다. 이 시스템은 마스터와 슬레이브 장치로 구성되어 있으며, 적층형 메커니즘을 기반으로 설계되었다. 기저부에 모터 또는 엔코더와 같은 센서를 장착하기 용이하다. 또한, 이 시스템은 무게추를 사용하여 중력 보상을 하였으며, 소용량 모터를 사용할 수 있다는 장점을 가진다. 다양한 실험을 통해 성능을 검증하였다.