Super-microsurgical Robot capable of FBG-based Force Sensing for Soft Tissue Interaction

Abstract

초미세수술은 외부 직경이 0.3 mm에서 0.8 mm 사이인 미세한 혈관, 림프관, 말초 신경의 문합을 가능하게 하여 림프부종 치료 및 연조직 재건에 혁신을 가져왔다. 하지만 초미세수술은 매우 숙련된 외과의만이 수행할 수 있는 매우 까다로운 수술이다. 현재 개발된 수술 로봇들은 외과 의사의 움직임을 정밀하게 보조할 수 있으며, 많은 연구 그룹에서 이를 초미세수술에도 활용하려고 시도하고 있다. 하지만 로봇을 활용한 초미세수술은 수술 도구와 연조직 사이의 조작력을 측정하는 힘 센서가 필요하다. 초미세수술의 경우 시각적 피드백만으로는 수술 도구와 연조직간의 상호작용을 감지하기 어렵기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 연조직 조작을 위한 FBG 기반 힘 센싱이 가능한 초미세수술로봇을 제안하였다. 힘 센서를 개발하기에 앞서, 초미세수술에 적합한 힘 센서의 설계 요구사항을 수립하였다. 또한 겸자장치의 턱에 위치한 3-DOF의 힘을 측정할 수 있는 힘 센서를 개발하였으며, 이는 베이스, 유연기구, 그리퍼와 FBG센서들로 구성된다. 초미세수술에서 발생하는 미세한 힘을 높고 균형 잡힌 분해능으로 측정하기 위해 CBPM을 활용한 새로운 유연기구 구조를 제안하였으며, 센서에 가해지는 힘과 FBG센서의 파장의 편이 사이의 관계를 도출하기 위해 실제 힘이 가해지는 지점을 고려한 시스템 모델링을 진행하였다. 또한 설계된 센서의 타당성을 증명하기 위해 유한요소해석을 활용한 시뮬레이션을 수행하였다. 센서에 가해지는 힘 범위 내에서의 센서의 안전성, FBG 센서의 길이 선정 및 부착의 타당성, 센서의 사전 성능 평가를 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 개발된 3-DOF 힘 센서는 힘과 온도에 대한 보정을 진행하였으며 그 결과를 평가하였다. 그 결과, x, y, z축에 따른 힘 센서의 분해능은 각각 0.87 mN, 1.10 mN, 1.71 mN으로 매우 높고 균형 잡힌 분해능을 얻을 수 있었으며, RMSE 값은 각각 13.5 mN (0.61%), 24.9 mN (0.59%), 7.2 mN (0.67%)로 매우 높은 정확도를 보였다. 또한, 온도변화에 따른 힘 측정이 보상됨을 확인하였으며 x, y, z축에 따른 RMSE 값은 5.04 mN, 7.24 mN, 4.74 mN으로 온도 변화에도 불구하고 매우 높은 힘 측정 정확도를 보였다. 개발된 3-DOF 힘 센서 2개를 활용하여 파지힘, 3축의 조작힘, 그리고 회전 토크를 포함한 5-DOF F/T와 온도 변화를 변환행렬을 통해 계산하는 방법을 제시하였다. 또한, 개발된 로봇의 소독 가능성을 확보하기 위해 탈착이 가능한 새로운 관절형 겸자장치를 개발하였으며, 정밀한 구동 및 정확한 힘 측정을 위해 tendon-driven 방식의 관절형 겸자장치에서 주로 발생하는 모션 커플링 문제를 해결하기 위한 손목 메커니즘의 최적설계를 진행하였다.|Supermicrosurgery has revolutionized lymphedema treatment and soft tissue reconstruction by enabling anastomosis of small blood or lymphatic vessels and peripheral nerves with an outer diameter between 0.3 mm and 0.8 mm. However, it is a challenging surgical technique that only very skilled surgeons can perform. Currently, developed surgical robots can precisely assist surgeons' movements, and many research groups are trying to utilize them for supermicrosurgery. However, a force sensor that measures manipulation forces between a surgical tool and soft tissue is required for robot-assisted supermicrosugery. Because in the case of supermicrosurgery, it is difficult to detect the interaction of surgical tools and soft tissue using only visual feedback. Therefore, this study proposes a supermicrosurgical robot capable of FBG-based force sensing for soft tissue interaction is proposed. Before developing the force sensor, the design requirements for a force sensor suitable for supermicrosurgery were established. A 3-DOF force sensor located in the forceps jaw was developed, consisting of base, flexure, grasper, and FBG sensors. To accurately measure the interaction forces with the high and balanced resolution, a novel flexure structure utilizing CBPM was proposed, and a system modeling considering the actual loading point was conducted to derive the relationship between the applied force and the wavelength shift of the FBG sensors. FEM analysis was performed to verify the feasibility of the designed sensor. The safety of the sensor within the applied force range, the suitability of FBG sensor length and attachment, and the preliminary performance evaluation of the sensor were verified through simulation. The developed 3-DOF force sensor is calibrated for force and temperature change, and the results of the designed sensor were evaluated. The resolutions along the x, y, and z axes were 0.87 mN, 1.10 mN, and 1.71 mN, respectively, demonstrating high and balanced resolution. The RMSE values were 13.5 mN, 24.9 mN, and 7.2 mN along the x, y, and z axes, respectively, indicating high accuracy. Furthermore, the compensation of force measurement for temperature variations was confirmed, and the RMSE values along the x, y, and z axes were 5.04 mN, 7.24 mN, and 4.74 mN, respectively, demonstrating high accuracy in force measurement despite temperature variations. A 5-DOF F/T, including grasping force, triaxial manipulation force, and rotational torque, along with temperature change, can be obtained by utilizing two of the developed 3-DOF force sensors and the transformation matrix. A new detachable articulated forceps was developed to ensure the sterilizability of the developed surgical robot. Furthermore, the optimal design of the wrist mechanism using a wire path length calculation model was conducted to address motion coupling issues inherent in tendon-driven articulated forceps for precise operation and accurate force measurement.