후두수술로봇 시스템을 위한 내시경 홀더 메커니즘 설계 및 이더캣 통신 기반 제어기 개발

Abstract

전 세계적으로 로봇을 이용한 수술 시스템은 정밀성, 정확성, 안정성을 바탕으로 의료 시장에서 큰 발전을 이루고 있다. 현재 로봇 수술 시스템의 가장 대표적인 예시인 다빈치 로봇 시스템은 다양한 임상 분야에서 활발하게 사용되고 있다. 미세침습, 최소절개술 등 비교적 작은 영역에서도 사용되는 다빈치 로봇 시스템은 인후과 수술에도 이용되고 있지만, 수술 로봇 팔 특유의 특징인 크기 때문에 다른 임상과에 비해서는 사용하기 어려운 점이 있다. 한양대학교에서는 이러한 어려운 점을 보완하기 위하여 후두 수술 로봇 시스템을 연구개발하고 있다. 본 논문의 목적은 한양대학교에서 연구 중인 기존의 후두 수술 로봇 시스템의 문제점 및 필요한 기능들을 보완 및 추가하는데 있다. 특히 본 연구는 마스터-슬레이브 시스템의 전체 제어기 설계 및 내시경 홀더 메커니즘의 원격제어 분야에 중점을 둔다. 기존에 개발된 내시경 홀더 메커니즘은 위치 제어를 위해서 수술자가 직접 회전 관절을 제어하는 수동형이었다. 이러한 내시경 홀더 메커니즘을 수동형에서 모터로 구동하는 능동형 타입으로 바꾸었다. 추가적으로 Safe Torque Off(STO)기능을 사용하여 수술자가 수동형 및 능동형을 선택하여 제어할 수 있게 하였다. 또한 풋 스위치 시스템을 사용하여 마스터-슬레이브 제어 시 듀얼 로봇 암 및 내시경 홀더 메커니즘을 선택하는 기능을 추가하였다. 기존 후두 수술 로봇 시스템의 마스터-슬레이브 장치는 USB 및 UDP/IP 통신을 기반으로 하여 제어하였다. 그러나 기존 통신을 기반으로 한 제어 시 슬레이브 장치의 말단에 작은 진동이 존재하였다. 이러한 문제를 개선하기 위하여 마스터-슬레이브 장치에 TCP/IP 및 EtherCAT 통신을 기반으로 한 실시간 제어기를 구상하였다. 결과적으로 보다 부드러운 슬레이브 장치의 제어가 가능하게 되었다. 본 연구에서 개발된 후두 수술 로봇 시스템의 성능은 마네킹 모델을 사용하여 그 효용성을 확인하였다.| Globally, robotic surgical systems are making great progress in the medical market based on precision, accuracy and stability. The da Vinci robot system, which is the most representative example of the robot surgery system, is actively used in various clinical fields. The da Vinci robot system, which is used in a relatively small area such as micro-invasive surgery and minimally invasive surgery, is also used in throat surgery, but it is difficult to use it compared to other clinical departments due to the characteristic feature of the surgical robot arm. Hanyang University is researching and developing a laryngeal surgical robotic system to overcome these difficulties. The purpose of this thesis is to supplement and add the problems and necessary functions of the laryngeal surgical robotic system under study at Hanyang University. In particular, this thesis focuses on the overall controller design of the master-slave system and the remote control of the endoscope holder mechanism. The conventional endoscope holder mechanism was a passive type in which the operator directly controls the rotational joint for position control. The endoscope holder mechanism was changed from an active type to a passive type to a motor type. In addition, the Safe Torque Off (STO) function allows the surgeon to choose between passive and active control. We also added the function to select the dual robotic arm and endoscope holder mechanism for master-slave control using the foot switch functions. The master-slave device of the existing laryngeal surgical robotic system was controlled based on USB and UDP/IP communication. However, there was a small vibration at the end of the slave device when controlling based on existing communication. To solve this problem, a real-time controller based on TCP/IP and EtherCAT communication is designed in the master-slave device. As a result, more sophisticated slave devices can be controlled. The performance of the laryngeal surgical robotic system developed in this thesis was verified by using a mannequin model.; Globally, robotic surgical systems are making great progress in the medical market based on precision, accuracy and stability. The da Vinci robot system, which is the most representative example of the robot surgery system, is actively used in various clinical fields. The da Vinci robot system, which is used in a relatively small area such as micro-invasive surgery and minimally invasive surgery, is also used in throat surgery, but it is difficult to use it compared to other clinical departments due to the characteristic feature of the surgical robot arm. Hanyang University is researching and developing a laryngeal surgical robotic system to overcome these difficulties. The purpose of this thesis is to supplement and add the problems and necessary functions of the laryngeal surgical robotic system under study at Hanyang University. In particular, this thesis focuses on the overall controller design of the master-slave system and the remote control of the endoscope holder mechanism. The conventional endoscope holder mechanism was a passive type in which the operator directly controls the rotational joint for position control. The endoscope holder mechanism was changed from an active type to a passive type to a motor type. In addition, the Safe Torque Off (STO) function allows the surgeon to choose between passive and active control. We also added the function to select the dual robotic arm and endoscope holder mechanism for master-slave control using the foot switch functions. The master-slave device of the existing laryngeal surgical robotic system was controlled based on USB and UDP/IP communication. However, there was a small vibration at the end of the slave device when controlling based on existing communication. To solve this problem, a real-time controller based on TCP/IP and EtherCAT communication is designed in the master-slave device. As a result, more sophisticated slave devices can be controlled. The performance of the laryngeal surgical robotic system developed in this thesis was verified by using a mannequin model.