Combinable Dual-Arm Positioning Robot

Abstract

본 논문은 작동 모드를 전환하여 1개의 무거운 도구 또는 최대 2개의 가벼운 도구를 위치시킬 수 있는 결합 가능한 듀얼 암 위치 조정 로봇에 관하여 다룬다. 오늘날 수술실에서는 다양한 수술 도구가 사용되고 있고, 수술 보조자가 해당 도구들을 잡고 있다. 그러나 손으로 잡고 있기 때문에 수술 도구의 흔들림을 유발하거나 수술 피로도를 높이게 된다. 또한 수술 로봇의 경우, 대부분 수술 도구에 비해 무거워 위치 조정에 어려움이 있다. 내시경 및 리트랙터를 포함한 수술 도구 및 수술 로봇을 위치시키고 유지하기 위하여 다양한 유형의 홀더 및 상업용 협동 로봇 암이 사용되어왔다. 그러나 이러한 위치 조정 암은 일반적으로 한번에 하나의 도구만을 수용할 수 있어 내시경 갑상선 절제술과 같이 여러 도구 또는 무게가 다른 도구들은 사용하는 경우에 하나 이상의 위치 조정 장치가 필요하다. 또한 무거운 수술 로봇을 홀딩하기 위한 위치 조정 장치를 찾는 것과 한정적 공간을 가지고 있는 수술실에 설치하는 것은 어려운 문제이다. 본 논문에서는 모드를 전환하며, 두 개의 도구 또는 하나의 비교적 무거운 도구를 위치 조정할 수 있는 한 몸 기반의 듀얼 암 위치 조정 로봇을 제안한다. 제안된 로봇은 2 개의 팔이 장착된 Selective Compliance Assembly Robot Arm(SCARA) 형태의 로봇으로서 도구의 무게와 개수에 따라 3가지 모드 중 하나의 모드로 동작한다. 싱글 모드는 하나의 팔을 사용하고, 듀얼 모드는 두 팔을 독립적으로 사용하며, 콤바인 모드는 평행사변형 링크 구조로 두 팔을 결합하여 두 배의 강성을 제공할 수 있다. 또한 적은 노력으로 신속하게 작동 모드를 전환할 수 있다. 제안된 시스템의 성능은 수술 도구의 자유도와 관련된 강성 실험을 통해 평가된다. 실험 결과는 제안된 로봇에서 모드 전환 시의 강성 변화를 보여준다. 싱글 모드와 듀얼 모드에 비해 콤바인 모드에서는 팔의 수평, 요, 그리고 피치 운동에서 강성이 두 배가 될 수 있었다. 이는 콤바인 모드가 외력에 대해 더 큰 저항을 가질 수 있음을 나타낸다. 제안된 로봇은 모드 전환을 통해 두 개의 수술 도구 또는 한 개의 상대적으로 무거운 수술 도구를 위치 조정할 수 있다. 하나의 팔은 최대 9 kg의 도구를 위치시킬 수 있으며, 두 팔은 결합하여 최대 18 kg의 도구를 위치시킬 수 있다. 이는 제안된 로봇이 수술에 사용되는 도구 혹은 로봇의 무게를 수용할 수 있음을 나타내며, 상업용 협동 로봇 암의 가반하중 범위와 유사하다.| This paper discusses the combinable dual-arm positioning robot capable of positioning either one heavy instrument or up to two light instruments by switching operational modes. Various surgical instruments are used in the operating room, and surgical assistants hold them during surgery. However, since these surgical instruments are manually held, they can lead to instrument shaking and increased surgical fatigue. Furthermore, as surgical robots are generally heavier than surgical instruments, it is difficult to hold the position. Various types of holders and commercial collaborative robot arms have been employed to position and hold surgical instruments or robots, including endoscopes and retractors. However, as these positioning arms can typically accommodate only one instrument at a time, more than one positioning device is necessary when multiple instruments or different-weight instruments are employed, such as in endoscopic thyroidectomy. Furthermore, it is difficult to find and set up a proper positioning device as surgical robots are heavy. In this paper, we propose a one-body dual-arm positioning robot that is capable of holding two instruments or one relatively heavy instrument by switching the mode. The proposed robot is a type of selective compliance articulated robot arm (SCARA) with two arms. Depending on the weight and number of instruments, the robot can operate in one of three different modes. Single mode uses one arm, dual mode uses two arms independently, and combined mode integrates the two arms by a parallelogram linkage structure to provide twice the stiffness while satisfying the workspace requirements for surgery. Furthermore, the design allows for switching between operational modes quickly and with little effort. The proposed robot was evaluated through a series of experiments on the stiffness, which is related to the degree of freedom of the surgical instrument. The experimental results showed the stiffness change on mode switches. These indicate an increase in the stiffness of the combined mode. Compared to the single mode and dual mode, the stiffness was doubled in horizontal, yaw, and pitch motions in the combined mode. Therefore, the combined mode is twice as rigid against external force, and the proposed robot is capable of holding two instruments or one relatively heavy instrument by switching the mode. One arm can position up to 9 kg of an instrument, and two arms can combine to position up to 18 kg. This indicates that the proposed robot can accommodate the weight of the instrument or robot used in surgery, which is similar to the payload range of commercial collaborative robot arms.