This dissertation presents a new design and analysis of a haptic interface for endoscopy simulation. The proposed haptic interface is designed to complement the limitations of the current interfaces.
The interface has two separated mechanisms. The two mechanisms provide decoupled two degrees-of-freedom haptic feedback. The translational mechanism has a radial arrangement of 8 grippers. The grippers rotate around the center of the mechanism. The endoscope is gripped only in the gripping sec-tion. The gripping motion of the gripper works without any actuator. The endoscope is free to rotate in the translational mechanism. The translational mechanism has low apparent mass and friction as the heavy parts and friction source are placed near the center of the rotation.
The rotational mechanism has a box module containing multiple rotating columns. The box module rotates together with the endoscope. The columns in the box module do not resist to the translational movement of the endoscope. This mechanism enables minimum resistance in the translational direction while effectively transmitting the rotational feedback torque.
Studies about static and dynamic analyses, apparent mass, apparent inertia, apparent friction, resis-tive force, resistive torque, backlash, maximum haptic feedback, force bandwidth, and transfer function model are carried out. The haptic interface keeps up with the current researches about workspace, feed-back force and torque, and compactness. The haptic interface has a bandwidth better than that of several current haptic interfaces. Static and dynamic analyses reveal the characteristics of the interface, and they are utilized to estimate the haptic feedback on user’s hand. Transfer function model of each mechanism is estimated based on its bodeplot. The proposed haptic interface has the intermediate position in comparison to the performances of the current interfaces.
본 학위논문에서는 기존의 방식과는 다른 새로운 구조를 갖는 소화기 내시경 시뮬레이션을 위한 햅틱 인터페이스를 설계하고 제작하였다. 기존의 햅틱 인터페이스들의 특징을 분석하여, 기존 인터페이스들의 한계점을 극복 할 수 있는 새로운 구조를 이용하였다. 제작한 햅틱 인터페이스는 독립된 2개의 메커니즘을 통해 독립된 2자유도의 햅틱 감각을 제공한다.
직선방향 햅틱 감각을 제공하는 직선반력 제공부는 기존에 널리 쓰이는 선형 수송 시스템(linear carriage system)을 변형하여, 같은 원리로 작동하되 무한대의 작업공간을 갖도록 하였다. 8개의 그리퍼가 방사형으로 배치되어 내시경과의 연결과 해제를 반복하는 구조이다. 회전방향 햅틱 감각을 위한 회전반력 제공부는 회전가능한 기둥들이 작은 상자 모듈 안에 설치되어 내시경과 접촉하는 구조이다. 이 기둥들은 내시경으로 회전방향 햅틱 감각을 제공하는 동안 내시경의 직선방향 움직임이 자유롭도록 해준다.
햅틱 인터페이스의 성능 요건으로서 작업공간, 햅틱 피드백의 크기, 작은 저항력, 이동성, 힘 대역폭을 제시하였다. 각각의 요건들을 실험을 통해 분석하였고 각 항목에 대해 만족스러운 결과를 보였다. 인터페이스는 590mm x 450mm x 465mm의 크기이며 메커니즘과 구동장비만의 무게는 13.8kg이다. 최대 출력 피드백은 직선방향으로 19.9N, 회전방향으로 0.416mNm이다. 직선부의 최대 저항 힘은 1.63N이고, 회전부의 최대 저항 토크는 0.130mNm이다. 직선부와 회전부 각각의 힘 대역폭은 26.8Hz와 34.3Hz로 최소 요건인 20Hz를 만족한다.
성능 요건 중에서 작은 저항력은 기존의 인터페이스들이 성능 요건으로서 다루지 않았던 새로운 요소이지만 인터페이스 성능에는 크게 영향을 미칠 수 있는 요소이다. 내시경과 인터페이스 사이에 미끄러짐에 대한 분석 역시 기존 연구에서 고려하지 않았지만, 본 학위논문에서는 다루었다. 또한 정적 분석과 동적 분석을 통해서 인터페이스가 사용자에게 피드백을 전달하는 과정을 해석하였다.
제안하는 인터페이스는 대표적인 두 가지의 기존 인터페이스들과 비교하였을 때 중간적인 특징을 가지며 기존 인터페이스들의 큰 단점들을 보완하는 성능을 보인다.
