Various haptic devices have been developed to provide haptic feedback in gastrointestinal endoscopic simulation. The previously developed haptic feedback device satisfied the required force and torque, but the haptic interface was large and the haptic bandwidth was under 20Hz, or the size and inertia were reduced, but the required torque and reaction were not satisfied. In this paper, an interface that reduces the size and inertia of the device is designed while satisfying the required torque and forces. To satisfy the required torque, the eccentric rotational mechanism is used to maintain low friction force. To maintain low friction force, contact between endoscope and eccentric guide was modelled as of flexible and rigid body to calculate friction force. The path of the guide was optimized considering the friction caused by the resiliency of the endoscope. The contact of the endoscope with the rollers was modelled as contact between the rigid and the elastomer to determine the optimum number and the shape of the rollers. In the case of translational force, the existing device has been improved. The mechanism implemented using six pins and one bush has been modified to enable one pin to be actuated. Design parameters are specified to minimize resistance due to friction with the cam. Rotational resist torque is minimized by optimizing the position and size of the rollers.
Experiments have shown that for eccentric rotational device can provide 0.28 Nm. Analyze the cause of no torque amplification is not available. The torque bandwidth of an eccentric rotational device meets the requirements at 30 Hz. In the case of translational part, 40 pins and 8 bushes were reduced compared to conventional devices. Overall rotational inertia was reduced by 30%. Force bandwidth is 58 Hz, which is about twice as much as conventional devices. For translational friction force is 1.2 N, down 0.4 N from the conventional devices. Rotational resist torque is 0.12 Nm a similar to the conventional devices.
위장관 내시경 시뮬레이션에서 햅틱 피드벡을 제공하기 위해 다양한 햅틱 장치들이 개발되어 왔다. 기존에 개발된 햅틱 피드백 장치는 요구 반력과 토크는 만족하지만 햅틱 인터페이스의 크기가 크고 햅틱 대역폭이 작거나, 크기와 관성은 작지만 요구 토크와 반력은 만족하지 못하였다. 본 논문에서는 요구 토크와 반력를 만족하면서 장치의 크기와 관성을 줄인 인터페이스를 설계하였다. 요구 토크를 만족시키기 위해 편심 회전 매커니즘을 이용하여 적은 저항력을 유지하며 토크를 증폭시키고자 하였다. 적은 저항력을 유지하기위해 내시경과 편심가이드의 접촉은 유연체와 강체의 접촉으로 모델링하여 저항력을 계산하였다. 또한 내시경의 복원력으로 인해 발생하는 마찰력을 고려하여 가이드의 경로를 최적화하였다. 내시경과 롤러의 접촉은 강체와 탄성체의 접촉으로 모델링하여 최적의 롤러의 개수와 롤러의 형상을 결정하였다. 직선 반력 제공부는기존 장치를 개선하였다. 6개의 핀과 1개의 부쉬를 사용하여 구현된 기존 메커니즘을 1개의 핀으로 구동 가능하도록 변경하였다. 또한 캠과의 마찰로 인한 저항력을 최소화 하도록 파라미터를 정하였다. 회전 저항을 최소화 하도록 롤러의 위치와 크기를 최적화 하여 설정하였다.
실험 결과 편심 회전 장치의 경우 0.28Nm의 토크를 제공할 수 있다. 이는 내시경이 유연하여토크 전달 과정에서 좌굴이 발생하였기 때문이다. 이를 시뮬레이션으로 확인하였다. 편심회전장치의 토크 대역폭의 경우 30Hz로 요구 조건을 만족한다. 직선 반력 제공부의 경우 기존의 장치에 비해 40개의 핀과 8개의 부시가 감소하였다. 전체 회전 관성은 기존 장치에 비해 30% 감소하였다. 힘 대역폭의 경우 58Hz로 기존 장치에 비해 약 2배 증가하였다. 직선 방향 마찰력의 경우 1.2N으로 기존 장치에 비해 0.4N 감소하였다. 회전 저항은 기존 장치와 비슷한 수준인 0.12Nm를 유지하였다.
