수술용 로봇 다빈치의 리서치 킷을 이용한 오픈 소스 플랫폼 개발에 관련된 논문

얼마전에 저는 복강경 수술 로봇 분야의 세계 1위이자 현재로서는 유일한 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치(daVinci)를 이야기한 적이 있습니다.[바로가기] 다빈치라는 로봇이 가지는 여러가지 장점이 많겠지만, 가장 큰 장점은 복강경 수술 로봇 시장을 독점적으로 지배하고 있다는 것이지요ㅠㅠ. 그래서 이미 수술하는 의료진이 이 다빈치라는 로봇이 교과서처럼 적응해서 어떤 수술용 로봇이든 다빈치와 비교된다는 점입니다.ㅠㅠ. 뭐 아무튼 그런 다빈치를 연구하다보면 항상 나타나는 것이 dVRK(daVinci Research Kit)이라는 것입니다. 물론 현재의 다빈치가 아니라, 지금 다빈치는 Xi버젼으로 4세대 로봇인데, 1세대... 초창기 시절 로봇 하드웨어를 가지고 수술용 로봇을 연구할 수 있는 킷이 바로 dVRK입니다. 우리나라에도 Intuitive Surgical이 서울대에 하나 보급한 것으로 알고 있습니다. 아무튼 요 dVRK는 재미있게도 몇 몇 대학을 중심으로 오픈소스로 개발되고 있습니다. ^^

재목도 Open-Source가 들어가 있지요. 심지어 이 논문을 읽다보면 회로도부터 다 Open되어 있다는 것을 알 수 있습니다. 특히 이 논문을 통해 마스터-슬레이브 관계로 움직이는 (물론 대표적으로는 수술용 로봇) 로봇의 소프트웨어적 플랫폼의 구축이 어떻게 되는지를 누군가 먼저 제시한 것을 학습해 볼 수 있다는 것이 큰 장점이지요. 특히 저자들 중에는 Simon DiMaio라는 분이 있는데, 놀랍게도 Intuitive Surgical의 연구원입니다. 헉~~

dVRK는 저렇게 생겼습니다.^^. 팔 두개, 조종하는 팔 두개, 관련 회로들... 끝입니다^^. 그러나 소프트웨어나 알고리즘을 공부하는 이들에게는 너무 유용한 기구지요. 특히 상용품으로 실제 환자에 사용되던 제품이니 말이죠^^

해당 논문에서 보여주는 플랫폼은 일단, Intuitive Surgical이 제공하는 하드웨어와 논문의 연구원들이 개발하여 공개하고 있는 FPGA와 I/O, 모터 Amplifier들이며, 또한 오픈 소스가 탑재된 Linux PC입니다. 그리고 이 PC와 FPGA 보드는 IEEE-1394 (Firewire) 통신으로 연결되어 있다고 합니다.

전체 구성은 하나의 PC가 IEEE1394 통신으로 마스터 팔 두개와 슬레이브 팔 두개에 체인 방식으로 통신을 하든지 혹은 한 쌍씩 나눠 가져 PC2대로 통신을 하도록 되어 있는 형태입니다. 그리고, FPGA와 함께 모터를 다루기 위한 4ch 제어기 QLA가 팔 하나에 두 쌍씩 연결되게 됩니다.

이런 방식을 논문에서는 centralized computation and distributed I/O 방식이라고 설명하고 있습니다.

기구적 구성은 환자의 몸속에 들어가는 기구물을 조종하는 팔인 PSM(Patient Side Manipulator)와 의사가 PSM을 조종하기 위해 움직이는 조종간 역할을 하는 MTM(Master Tool Manipulator), 그리고 여러 추가적 설정이나 동작을 조종하는 Footpedals과 카메라 영상을 3D로 보는 HRSV(High Resolution Stereo Vision)으로 이루어져 있습니다. 기능과 디자인, 형태는 다를 지 몰라도 복강경 수술용 로봇은 모두 위와 같은 형태를 가지고 있습니다.^^

이제 하드웨어적인 구조를 보면 4ch DC 모터 제어기인 QLA(Quad Linear Amplifier)와 컨트롤 PC와 통신 등의 역할을 담당하는 FPGA 제어기가 있습니다. 이 하드웨어 파트의 여러 소스들은

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Public SVN/Trac repository

Project Main

Robotics Infrastructure Development Project

OpenSource

Boards Design

OpenSource

Firmware

OpenSource

Software

에 오픈되어 있습니다. 물론 통합적으로 소개하는 페이지는 [바로가기]에 있으며, [바로가기]에 가면 좀 더 프로젝트의 다양한 이야기를 볼 수 있습니다. 

위 소스들을 따라가면 정말 거의 전부를 다~ 오픈했다는 것을 알 수 있습니다.

이런 회로도까지 말이죠^^

dVRK의 I/O device의 블럭 다이어그램은 간결한 편입니다.

그리고 논문에서는 tele-operation robot의 control archietecture까지 이쁘게~ 제시하고 있습니다. 이 논문은 자신들의 목적을 적확하게 이야기합니다.

We present our work to develop a telerobotics research platform that provides complete access to all levels of control via open-source custom electronics and software.

수술용 로봇과 같이 조작자와 작업하는 로봇간의 거리가 먼경우를 telerobotics라고 합니다. 이 논문은 그런 로봇의 연구 플랫폼을 제시하고 있습니다. 그것도 정말 잘 ~~ 말이죠. 아무튼 로봇을 공부하는 분들이라면 살짝꿍 요런 사람들의 성과를 소스코드 레벨까지 한 번 들여다 보는 것도 좋은 것 같습니다.^^ 아 마지막으로 논문을 첨부합니다.

open source surgical robot dvrk 2013.pdf