Development of a New Single Port Surgery Robot with Increased Torque and Workspace

Abstract

This paper presents the development of a new single port surgery robot, Plat spring driven mech-anism equipped robot for single port LAparoscopic Surgery (PLAS), with plate spring driven mechanism. Recently, the number of single port laparoscopic surgery (SILS) that can easily conceal postoperative scars is increasing, and robotic SILS platforms are being developed for solving inconvenient maneuverability of manual SILS. However, the drive mechanism of most robotic SILS platforms existing consists of wire, therefore cannot afford to deliver sufficient force, and the wire is mechanically deformed, thus causing negative effects on movement accuracy. Due to this limitation, a precious operation cannot be conducted by using conventional robotic SILS platforms. Accuracy and force are reduced as the workspace is ex-panding. The purpose of proposed robot is to increase tissue handling force of forceps by using plate spring driven mechanism, and to conduct more stable and precious operations in an expanded area. Eval-uations of PLAS were performed and its feasibility as a new effective robotic SILS platform was proved ⓒ 2013 DGISTI. INTRODUCTION 1 -- 1.1 Introduction to Single Incision Laparoscopic Surgery (SILS) 1 -- 1.2 Previous researches of robotic SILS 5 -- 1.3 Advantages and disadvantages of current SILS robots 7 -- 1.4 Plate spring driven mechanism 10 -- 1.5 Research contents and goals 13 -- II. DESIGN 15 -- 2.1 Ideal robotic SILS platform 15 -- 2.2 New robotic SILS platform 17 -- 2.1.1 Force requirement 18 -- 2.1.2 Considerations on work Space and degree of freedom 19 -- 2.3 Mechanical implementation of joints 23 -- III. DIRECT AND INVERSE POSITION ANALYSIS 36 -- 3.1 Direct Kinematics 40 -- 3.2 Inverse Kinematics 41 -- IV. VELOCITY AND JACOBIAN ANALYSIS 45 -- 4.1 Direct and Inverse Velocity Problem 47 -- 4.2 Singularity Analysis 48 -- V. EXPERIMENTAL METHODS AND RESULTS 49 -- 5.1 Measuring forces and results 49 -- 5.2 Assessment for reliability of movements and its results 57 -- VI. CONCLUSION AND FURTHER WORKS 61본 연구에서는 판 스프링을 구동 메커니즘으로 하는 새로운 형태의 단일공복강경 수술 로봇을 개발하였다. 최근, 복부에 3~5개의 상처를 남기는 기존의 복강경 수술의 대안으로 수술 후 상처를 쉽게 숨길 수 있는 배꼽을 통한 단일 공 복강경 수술(single port laparoscopic surgery)의 수요가 증가하는 추세이다. 하지만 단일 공 복강경 수술은 내시경과 두 개의 겸자(forceps)가 단 하나의 침습 구로 삽입되어 시술 중 도구간의 충돌을 피하기 어려우며, 작업 공간을 확보하기도 힘들다. 이러한 문제를 해결하기 위해 여러 가지 단일 공 복강경 수술 로봇이 개발 되고 있지만 수술을 하기에 충분한 힘을 전달하지 못하는 문제가 있다. 이 논문에서는 위와 같은 문제를 해결하고, 수술에 필요한 충분한 힘과 넓은 작업영역을 확보하기 위해 판 스프링으로 구동되는 단일 공 수술로봇을 설계, 제작한 후 성능평가를 실시했다. 국내에서는 처음 개발되는 Y 타입 단일 공 수술로봇을 개발하기 위해 매뉴얼 단일 공 복강경 수술의 임상적인 제한 사항과 기존에 개발된 단일 공 복강경 수술로봇의 장단점을 심도 있게 분석하여 기구 설계에 적용시켰다. 특히 의사들의 현장 경험과 의견을 수용하여 기구설계에 적극 반영하였으며, 기존 단일 공 수술 로봇들보다 넓은 작업공간을 갖는 단일 공 수술 로봇을 개발할 수 있었다. ⓒ 2013 DGISTMasterdCollectio