This thesis develops a new haptic interface hardware system which is suitable for implementing the characteristics of endoscopy training. Endoscopic haptic devices with 4 DOF and 3 DOF are developed and the haptic interface system including the haptic device, the motor driver, the host computer with a control board, and Graphic User Interface (GUI) is implemented. The 3 DOF haptic device is designed with one prismatic joint and two revolute joints to provide endoscopic motions. The 4 DOF haptic device that improves defects of the 3 DOF haptic device and implements even roll motion of endoscopy is developed. Motor torques are transmitted using wire-driven mechanism which provides large torques and back drivability. Kinematics, inverse kinematics, and Jacobian matrix are derived. The central axes of each DOF are designed to intersect at one point, and this makes the equations of kinematics and inverse kinematics simple. Performance indexes such as continuous and maximum exertable force and torques, workspace, sensitivity, and inertia of each joint are measured. Frequency response tests such as bandwidth and phase are performed. Experiments to measure bandwidth of the 3 DOF PHANToM are performed to compare developed devices with commercial ones.
많은 시간과 비용이 드는 기존의 의료 훈련 방법을 보완할 수 있는 가상 의료 훈련 시뮬레이터에 대한 연구가 현재 활발히 이루어지고 있다. 본 연구는 이러한 가상 시뮬레이터에 있어서 힘을 반향하는 햅틱 장치에 관한 연구로서 내시경 시술의 특성을 잘 구현할 수 있는 새로운 햅틱 인터페이스 하드웨어 시스템을 개발하였다.
1자유도의 직선운동과 2자유도의 회전운동을 갖는 3자유도의 장치와 Roll motion까지 구현할 수 있는 4자유도 햅틱 장치를 설계했고, 반력 구현을 위해 Back drivability가 있고 Backlash가 없으며 충분한 반력 재현이 가능한 Wire-driven Mechanism을 사용하였다. Kinematics, inverse kinematics, 그리고 Jacobian matrix를 계산하였고, 각 자유도의 중심 축이 한 점에서 교차하게 설계함으로써 앞의 계산이 간단하게 하였다.
실험을 통해 Exertable Force 및 Bandwidth, Workspace, Phase 등을 측정함으로써 개발된 장치가 기존의 상용 햅틱 장치보다 내시경 시술 시뮬레이터에 더 적합함을 알 수 있었다. 또한 가상의 변형 가능한 물체와 상호작용이 가능한 Haptic interface system을 구성하였다
