Active-steering catheters and haptic masters are being developed for remote manipulation of catheters to reduce radiation exposure to physicians, and improve the accuracy of interventional procedures using catheters. Conventional master devices manipulate only the bending angle of the catheter. This causes a problem that the manipulation direction of the operator is different from the direction of the motion of the catheter. Intuitive manipulation can be possible by matching the orientation of the tip of the catheter with the orientation of the handle of the haptic master. This thesis proposes a haptic master with 3-axis gimbal structure for active-steering catheter robot. Three-dimensional orientation of a handle of the haptic master is expressed by rotational joints of 2-DOF. A rotational joint of 1-DOF is added for redundancy to evade the operator’s hand. The effect of the procedure can be increased by controlling the force applied by the catheter to the body tissues. A 3-axis force sensor is attached to the handle to receive the force input. The maximum required torques are computed by considering the torque for outputting the force to the operator, the torque for gravity compensation, and the torque for enduring the inertia. The motors are selected to have greater output torques than the computed maximum torques. Topology optimization is performed by static analysis simulation to reduce the manipulation inertia of the haptic interface. The safety factor of the haptic interface is at least 7.1 and the maximum deformation is 1mm. A control method that matches the orientation of the tip of the catheter with the orientation of the handle is proposed using the relation between the orientation of the tip of the catheter, the orientation of the imaging device, and the orientation of the handle of the haptic master. Gravity compensation is conducted to reduce the resistance of the manipulation. The maximum force felt by the operator after gravity compensation is 0.7N. A possibility of collision between the link and the operator’s hand exists. Distance measurement sensor is attached and the artificial potential field is generated to control the rotation of the links to evade the operator’s hand and prevent the collision. The proposed control method is implemented and tested with experiments in the virtual environment. Intuitiveness of the manipulation, helpfulness of the haptic master are verified through a questionnaire survey of experts with the virtual environment.
카테터를 이용한 중재시술에서 시술자의 방사능 피폭을 저감하고, 수술의 정확도를 향상시키고자 로봇 카테터 시스템이 개발되고 있다. 로봇 카테터 시스템은 능동 조향 카테터 로봇과 이를 원격으로 조작하는 마스터 장치로 이루어져 있다. 기존의 마스터 장치들은 카테터의 굽힘 각도만 입력하는 방식으로 조작자의 카테터 조작 방향과 화면에서 보여지는 카테터의 동작 방향이 달라지는 문제가 있다. 카테터 선단부의 오리엔테이션과 조작부의 오리엔테이션을 항상 일치시키면 직관적인 조작이 가능하다. 본 논문에서는 능동 조향 카테터 로봇을 위한 3축 짐벌 구조의 햅틱 마스터 장치를 제안한다. 2자유도의 회전 관절로 조작부의 3차원의 방향을 표현한다. 1자유도의 회전 관절을 추가하여 조작자 손의 거동범위를 확보한다. 카테터가 인체 조직에 가하는 힘을 조절하면 시술효과를 증대할 수 있다. 따라서, 조작부에 3축 힘 센서를 부착하고 조작자가 가하는 힘을 입력한다. 중력 보상을 위한 토크, 조작자에게 힘을 출력하기 위한 토크, 관성을 견디기 위한 토크로 구분하여 최대 필요토크를 계산하고 모터의 요구사양을 결정하였다. 조작 관성을 낮추고자 정적 해석 시뮬레이션을 통해 위상 최적화를 수행하였다. 설계된 햅틱 마스터 장치의 안전계수는 최소 7.1 이상, 최대 변형은 1mm 이하를 만족한다. 카테터 선단부의 오리엔테이션, 영상장비의 오리엔테이션, 조작부의 오리엔테이션의 관계식을 이용하여 카테터 선단부의 오리엔테이션과 조작부의 오리엔테이션을 일치시키는 제어 방법을 제안하였다. 조작의 저항감을 줄이기 위한 중력 보상을 수행한 결과, 조작자에게 느껴지는 최대 힘은 0.7N이다. 조작자의 손과 햅틱 마스터의 링크가 충돌할 가능성이 있다. 조작자 손의 거동 범위를 확보하기 위해 거리 측정 센서를 부착하고 가상의 역장을 생성하여 링크들을 회전시켜 조작자의 손을 회피한다. 또한, 제안한 제어 방법들을 구현하고 가상환경과 연동한 후 전문의 설문조사를 통해 조작의 편의성, 유용성을 검증하였다.
