초소형 연속체 로봇의 유연성 분포가 작업 성능에 미치는 영향에 대한 고찰

Abstract

연속체 수술 로봇은 휘어지는 관절이 연속적으로 결합되어 있기에, 기본 관절 로봇에 비해 유연하게 움직일 수 있다. 이러한 특성으로 인해, 복잡한 신체 내부에서 의료적으로의 사용이 고려되어 디자인과 성능에 대한 연구가 진행되었고, 다양한 디자인이 제시되었다. 그러나, 조작 성능을 위해 여러 개의 관절을 사용해야 한다는 문제점이 존재했다. 여러 개의 관절을 사용하면, 구동 방식을 위해 매니퓰레이터 자체의 크기가 커질 수 있기 때문이다. 크기가 커지게 되면 작은 크기를 요구하는 시술에 사용될 수 없게 되기 때문에, 본 논문에서는 하나의 굽힘 관절만을 가지고 관절의 길이에 따른 유연성 분포를 달리함으로써, 성능을 향상할 수 있는 디자인을 제시하고자 하였다. 먼저, 관절의 길이에 따라 유연성 분포가 달라지는 굽힘 관절에, 말단 효과 장치의 방향성을 보장하기 위하여 말단부에 경첩 관절을 부착하고, 말단 구동 장치로 제어되는 기본 구조를 제시하였다. 경첩 관절이 역학적인 연결 없이 움직일 수 있다는 특성을 이용하여, 매니퓰레이터의 크기를 키우지 않고 효과적으로 방향을 조절할 수 있도록 하였다. 기본 구조를 바탕으로 유연성 분포는 기존 균일 유연성 구조를 제외하고 일정 곡률을 갖는 디자인, 선형 곡률을 갖는 디자인, 그리고 분리형 균일 유연성 디자인을 선정하였으며, 역학 모델을 분석하여 각 디자인의 성능에 대한 분석 및 비교를 진행하였다. 기존의 균일 유연성을 갖는 디자인은 마찰과 구동 방식으로 인해 근위부의 높은 유연성을 가지기 때문에, 제시된 다른 디자인은 모두 말단부의 높은 유연성을 갖게끔 선정되었다. 성능에 대한 지표는 로봇 공학에서 대표적인 지표로 사용되는 접근성과 조작도를 통해 분석하였다. 각각 접근성은 선정된 작업 구조와 각 디자인이 갖는 작업 영역의 교집합으로 분석되었고, 조작도는 작업 공간의 평면에 목표로 하는 표적을 설정하여 현재 로봇 매니퓰레이터의 형상에서 그 표적에 얼만큼 접근 가능한지에 대한 지표와, 표적이 갖는 법선 벡터와 말단 효과 장치가 갖는 방향의 차이를 지표로 사용하였다. 분석 및 비교의 결과, 실제 의료 환경과 비슷하게 삽입되는 입구가 제한된 영역을 가질 경우, 기존의 균일 유연성을 가진 디자인에 비교하여 말단부 높은 유연성을 갖는 타 디자인의 성능이 우수하다는 것을 보였다. 하나의 관절 내에서 큰 차이를 보였기 때문에, 차후 의료용으로 사용되기 위하여 작은 크기의 연속체 로봇 매니퓰레이터를 개발하는데 기반 기술이 될 수 있을 것으로 기대된다.;The presented study investigated the effects of non-uniform compliance distribution on the performance of slender continuum manipulators, especially on the reachability and dexterity within a confined space with limited entry, a common situation in minimally invasive surgery. Each of the reachability and dexterity is evaluated in terms of two metrics: the portion of reachable internal area and the maximum range of reachable boundary targets for reachability, while the number of possible configurations at each reachable boundary target and the deviation from the normal vector at the target. A set of simulation studies, based on the mechanics model of continuum manipulators, first shows that the previous approach employing uniform distribution results in proximally higher curvature under actuation loading due to the friction effect between tendon actuators and the robot structure, which unfortunately leads to relatively poor performance. The studies also demonstrated that non-uniform distributions, increasing compliance toward the distal end, improves both reachability and dexterity even with the same tip angle as the uniform design. Thus, achieving distally higher curvature behavior through a non-uniform compliance design is necessary, especially for ultra-minimally invasive surgical instruments. According to the study results, a distribution enabling a constant curvature at the maximal actuation input could be a base design for such a desired curvature behavior. Furthermore, it has also been confirmed that, although the best reachability doesn't always guarantee the best dexterity, further increasing compliance toward the distal results in better performance than the base design. Therefore, the non-uniform compliance distribution proposed in this study can be an essential design consideration to improve the performance of a continuum manipulator in confined spaces, keeping its small form factor. The future work includes optimizing compliance distribution given task requirements.