많은 수술들이 제한된 수술 영역 내에서 한 개의 점에 대해 상대적으로 넓고 정밀한 각 운동을 필요로 한다. 예를 들면 복강경 수술에서 내시경 또는 기타 수술도구는 투관침 (trocar)을 통해 환자피부의 작은 절개구에 삽입하여 수술 위치에 도달하는데 절개구의 제한으로 인해 투관침은 삽입점(entry point)을 기준으로 선회운동 한다.
Fig. 3-1은 치과 임플란트 수술에서 각도조절시 고려해야할 사항을 보여준다. 각도 조절시 고려해야 할 사항으로는 임플란트 축과 드릴팁과의 거리(), 임플란트 축과 드릴 축과의 각도(), 그리고 드릴 깊이()이다. Table 3-1에 임플란트 핸드피스의 드릴 직경에 따른 드릴의 회전속도를 나타내었다. 임플란트 홀의 드릴링 작업은 마찰열로 인한 턱뼈의 손상을 막기 위해 한 번에 시술을 하지 않고 드릴직경에 따라 순차적으로 시술한다. 따라서 드릴의 위치가 항상 동일해야 한다. 또한, 초기 각 편차(initial angle deviation, )는 수술이 진행됨에 따라 드릴 축과 임플란트 축의 거리를 더욱 크게 만드 는 원인이 된다. 초기 각 편차는 또한 드릴의 도달 깊이()에도 영향을 주기 때문에 정밀한 위치제어와 초기 각 편차가 없도록 각도 조절하여야 한다.[31]
Fig. 3-2에 각도 조절 방법을 나타내었다. 일반적인 로봇 기구부를 사용할 경우 Fig. 3-2(a)와 같이 회전각()만큼 각도 조절을 하면 목표점으로부터 sin만큼 틀어지게 되어 별도의 보상을 위한 운동을 필요로 한다. 따라서, 이러한 수술 임무를 수행하기 위해서 수술 도구의 회전 운동과 병진 운동이 분리되어야 한다. 이러한 운동을 구현할 수 있는 메커니즘이 RCM(remote center of motion)을 포함하는 가상 중심 메커니즘(VC mechanism)이다. Fig. 3-2(b)와 같이 가상 중심 기구부를 이용한 경우에는 각도조절을 하더라도 수술도구가 항상 목표점을 향하고 있기 때문에 추가적인 위치제어가 용이하
기구부를 분리하는 형태가 일반적이다.
위의 내용으로 임플란트 수술 보조 로봇은 직선 운동과 회전 운동이 분리된 구조가 적합하다. 회전 운동은 가상 중심 메커니즘을 이용하여 제어가 용이하고 구조가 간단하 도록 설계하여야 한다. 식립할 임플란트의 방향과 각도의 오류는 환자의 치유기간을 늘리고, 수술의 실패 원인이 된다.
(a) Distance between two axes(), initial angle deviation() and reached depth()
(b) Starting with tolerated initial angle deviation
(c) Growing distance between two axes during drilling
Fig. 3-1 Components considered in dental implant drilling[33]
Table 3-1 Drilling velocity according to the drill diameter of handpiece(adapted from reference 31)[34-37]
Drill diameter() 2.0 2.7 3.0 3.3
Drilling velocity() 800 20
(a) Angle control in conventional manipulator
2. 2자유도 가상 중심 기구부
가상 중심의 기구부는 최소 침습 수술 로봇이나 수술 로봇 응용분야에서 수술 도구 나 내시경을 조작하고 위치를 결정하기 위해 계속 연구 개발 되어왔다. 지금 널리 대부분 의 가장 중심 기구부가 RCM 고정점 주변에 최소 2개의 회전 자유도를 갖지만, 이러한 기구부는 2개의 1자유도 가상 중심 기구부로 구성된다. Fig. 3-3은 현재까지 의료용 로봇에 사용된 가상 중심 메커니즘을 종류별로 나타내었다. 링크의 끝이 회전조인트에 의해 연결되었다면 링크에서 회전조인트의 축을 포함하는 모든 점들은 축 주위를 회전 한다. 이 경우에는 축 상의 어떤 점들도 RCM 고정점이 될 수 있다.
(a) Single-revolute-joint (b) Circular-prismatic-joint
(c) Parallelogram (d) Synchronous-transmission
(e) Instantaneous VC mechanism
Fig. 3-3 Classification of VC mechanisms[38-39]
시스템의 설치면에서는 능동관절을 이용한 메커니즘이 가장 장점을 가지고 있다.
로봇팔이 어느 곳에 위치하던지 복강경이 복강의 절개 부위를 중심으로 움직이도록 능동 관절이 도와주기 때문에 로봇팔의 초기 위치 설정이 따로 필요없다. 그러나 나머지 메커니즘은 모두 기계적으로 가상의 움직임 중심을 만들어내기 때문에 시스템의 움직임 중심이 절개 부위에 위치하도록 초기 위치 설정이 필요하다. 그러나 능동관절 메커니즘 은 구상관절 메커니즘과 더불어 특이점이 존재하고 2축의 구동기가 서로 결합되어 움직 이는 단점이 있다. 의학 영역에서 사용될 시스템이기 때문에 무엇보다 안전성이 확보되 는 것이 중요하다. 따라서 각도 조절에 필요한 움직임 이외의 움직임 영역이 존재하는 능동관절 메커니즘과 특이점이 존재하는 구상관절 메커니즘은 고려 대상에서 제외되었 다. 이중 평행사변형 메커니즘과 원호 운동 가이드 메커니즘은 기계적으로 거의 유사한 특징을 가지고 있다.
이중 평행사변형 메커니즘이 링크 자체의 움직임이 많은 반면에 원호 운동 가이드 메커니즘은 링크 자체의 움직임이 많지 않다. 하지만, 치과 임플란트 수술 보조 로봇은 링크부의 끝단에 드릴링 경로를 유지할 수 있는 추가적인 자유도가 필요하다. 또한, 치과용 핸드피스의 종류가 다양하기 때문에 평행사변형 기구부는 링크를 구부림으로써 핸드피스를 부착할 수 있는 지그부의 설계가 자유로워진다. 따라서, 치과 임플란트 수술 보조 로봇의 가상 중심 머니퓰레이터로 이중 평행사변형 기구부를 선정하였다. Fig.
3-4은 2자유도의 가상 중심 메카니즘 중 이중 평행사변형 구조이다. 치과 의료용 로봇에 는 구강안의 한정된 시술범위, 드릴팁 중심의 각도조절과 깊이 조절의 연동이 유연해야 한다는 점, 기존의 임플란트 핸드피스를 탈부착 할 수 있는 구조가 되어야 함을 고려하여 이중 평행사변형 구조를 적용하였다.