본 논문은 관절 구조를 갖춘 와이어 구동 수술용 로봇 팔에 대한 전방기구학 모델과 역기구학 해를 포함하는 경로 생성 알고리즘을 제시한다. 제안된 방법은 단일 포트 수술(single-port surgery)을 위한 와이어 구동 수술용 로봇에 적용되었다. 이 로봇은 단일 포트 내 작업 공간에 적합하도록 이중 세그먼트를 갖는 뱀과 같은 형태의 로봇 팔과, 강성을 확보하기 위한 관절 구조를 가진다. 모델의 정확도는 매우 중요한데, 이는 소형 수술용 로봇 팔은 대개 개루프 제어로 구동되기 때문이다. 연속체 로봇 본체를 기술하고 제어하기 위해서는 곡률 모델이 널리 사용된다. 그러나 제안한 모델은 관절 구조를 갖춘 연속체 로봇 팔과는 상당히 달라 구동 와이어의 늘어짐(slack) 또는 관절 강성의 감소를 초래할 수 있다. 실제 하드웨어 구조에 부합하도록 프레임 변환(frame transformation) 방법을 통해 정확한 전방기구학 모델을 도출하였다. 관절 구조에 대해서는 대칭 곡률 모델과 달리 비대칭(asymmetric) 모델로부터, 관절 공간(joint space)에서 와이어 길이 공간(wire-length space)으로의 역기구학 모델을 결정하였다. 경로 생성 알고리즘은 개루프 제어(open-loop control)에서 각 구동기(actuator)로 전송할 명령을 생성해야 한다. 작업 공간(task space)에서 관절 공간(joint space)으로의 역기구학을 해결하는 두 가지 실시간 경로 생성 알고리즘을 설계하고, 시뮬레이션 및 실험을 통해 비교하였다. 한 알고리즘은 순차 이차계획법(sequential quadratic programming, SQP)을 이용한 최적화 방법이며, 다른 알고리즘은 PID(비례-적분-미분; Proportional-Integral-Derivative) 제어 알고리즘을 활용한 미분 기구학(differential kinematics)을 사용한다. 각 알고리즘의 장점과 한계에 대해 논의한다.

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