손동작 영상획득을 이용한 무구속(無拘束) 마스터 시스템 기반의 수술로봇 :Non-restraint master system based surgical robotics using hand motion capture

장익규

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자료유형: 학위논문

저자정보: 장익규 (강원대학교, 강원대학교 대학원)

발행연도: 2013

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

손동작 영상획득을 이용한 최소침습수술로봇무구속 마스터 인터페이스

장익규 의공학회지 2016.01 학술저널

2013

손동작 영상획득을 이용한 무구속(無拘束) 마스터 시스템 기반의 수술로봇

장익규 전자통신공학 2013.01 학위논문

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상용 수술 로봇은 크게 수술을 수행하는 슬레이브 수술도구 부분과 수술자가 손동작을 입력하는 마스터 부분으로 나뉜다. 이러한 구조는 마스터에서 입력하는 상대적으로 크기가 큰 손동작을 슬레이브의 작고 정밀한 움직임의 로봇 동작에 대응시켜 수술의 정확도를 향상할 수 있었고 복잡한 복강경 수술 동작을 기구학적으로 해결하여 직관적인 최소 침습적 수술을 가능하게 하였다. 그러나 이 방법은 복잡하고 커다란 기계식 마스터 인터페이스가 손에 접촉되어 있어 자유로운 움직임을 저해하였다. 원인은 기계식 마스터 인터페이스가 가지고 있는 동작 특이점 발생과 손동작의 방향에 따라 힘의 저항이 일정하지 않음으로 인한 등방성(Isotropy) 결여, 관절의 회전운동 제한, 마스터와 슬레이브 동작의 커플링 문제 등에 기인하고 이를 극복하기 위한 연구들이 여러 분야에서 이루어 졌지만 극복하는데 한계가 있었다.
기존의 무구속 동작측정 방법 중에서 마커가 없는 일반 비디오를 이용한 동작 분석 방법은 다양한 환경에 대해서 포인트의 위치가 가변적이므로 정확한 결과를 얻기 힘들었다. 초음파 태그 부착을 이용한 동작분석은 배터리, 초음파 발생을 위한 회로를 손에 장착해야 한다. 자기식 모션센서는 공간적 해상도가 낮아 손에 여러 개의 마커를 근접하여 부착하기 곤란하였고, 자이로 센서는 손동작의 방위각를 알 수 있지만 정확한 병진 동작을 알기 위해서 추가적으로 센서가 필요하며 상대적으로 큰 오차를 보였다. 키넥트와 같은 적외선 카메라는 마커를 사용하지 않음으로 정확성에 한계가 있었고 닌텐도 위모트와 같은 적외선 센서는 프레임율이 낮고 자체 발광형의 마커를 사용해야 하므로 배터리가 장착된 마커를 착용해야 한다. 이러한 단점들을 극복하기 위해서 소형 반사 마커와 고속 적외선 카메라를 이용한 동작분석에 많은 연구들이 있었지만 수술로봇의 마스터 시스템에는 활용되지 못하였다.
이 논문에서는 마스터에서 기계식 마스터 인터페이스를 사용하지 않고 고속 적외선 카메라로 소형의 반사형 마커를 부착한 손의 위치를 검출, 동작정보를 연산, 실시간 전달하여 슬레이브 수술도구를 제어하는 무구속 마스터 시스템을 제안 및 구현하였고 이를 이용하여 생체외(in vitro)실험을 실행 하였다. 이를 통해 정확성과 사용가능성을 확인할 수 있었다.

Commonly used surgical robots are divided master part which senses surgeon’s surgical hand motion and slave part which operate the surgical instrument. These structures have been contributed to increase accuracy by corresponding relatively large hand motion to small slave surgical robotic motion and to be able to operate non-invasive, intuitive surgical motion by solving the complex kinematic issue of laparoscopic surgery. However these systems disturb the natural hand motion because of contacting with complex and huge mechanic master interface. The reason why is that mechanic master interface has motion singularity which depends on the direction of hand motion, isotropy deficiency problem from irregular resistance, joint rotation range limitation and master salve motion coupling problem. In order to overcome these problems a number of researches have been carried out but there are many limitations. Among the existed non-restraint motion measurement methods, maker-less ordinary video motion analyses are not accurate because variable environment causes position vibration. Ultra-sonic tag attached hand motion analysis needs circuit, battery for the ultra-sonic generation. Magnetic motion sensor has low spatial-resolution thus difficult to attach close to each maker, gyro sensor is effective to know orientation angle but additional sensor is required to know the translation and has relatively high error occur. Infra-red camera, such as marker-less Kinect had limitation of accuracy and large invisible area, infra-red sensor such as Nintendo wiimote has low temporal resolution also required active maker which needs battery. In order to overcome these weaknesses, small maker and high frame rate infra-red cameras are applied to the researches however not in the surgical master system.
In this thesis, we suggested and implemented non-restraint master system and processed in vitro test without the mechanic master interface by using high speed, marker based infra-red cameras then we obtained hand position measurement data, motion information by calculation then we transfer control data by real-time to control the slave surgical instrument. Through these result we could confirm the accuracy and feasibility of the system.

1. 서론 13
1.1. 수술로봇과 마스터 시스템 13
1.2. 마스터 시스템의 요구사항 14
1.3. 논문구성 15
2. 기존연구 및 문제제기 15
2.1. 일반 마스터 시스템의 기계식 메커니즘 15
2.2. 수술용 마스터 시스템의 기계식 메커니즘 16
2.3. 일반 마스터 시스템의 무구속 메커니즘 23
2.4. 기계식 및 무구속 방식의 비교 25
2.5. 조작성 한계의 원인 32
3. 수술용 무구속 마스터 시스템 34
3.1. 수술용 마스터 시스템의 무구속 메커니즘 34
3.2. H/W 시스템구성 34
3.3. S/W 시스템 구성 42
3.4. 라벨링과 포인트 트레킹 45
3.5. 칼만필터를 이용한 무구속 마스터 포인트 추정 50
3.6. 지역좌표계 생성 및 손목 메커니즘 구현 67
3.7. 슬레이브 로봇의 정역기구학 및 모션 리타겟팅 81
3.8. 리타겟팅을 이용한 5자유도 7자유도 범용 무구속 마스터 시스템 86
3.9. 슬레이브 로봇 S/W 89
3.10. 네트워크 성능을 고려한 메시지 구조 90
3.11. 마스터, 슬레이브 움직임 대응을 위한 좌표계 일치 93
3.12. 일시정지, 동작재개 방식 구현 98
3.13. 생체외(in vitro)실험 완료 101
4. 결론 103

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