This thesis presents a new 2-DOF haptic device for a colonoscopy training simulator. The 2-DOF haptic device includes three parts, a translation motion part, a roll motion part, and folding guides. A wire-driven mechanism is used for translational force reflection. Roll torque is generated by a timing belt mechanism. These two mechanisms implement force and torque reflections large enough for the colonoscopy simulation. The folding guides keep the endoscope tube straight. The folding guides fold and spread like a curtain. This mechanism helps transmit forces and torques from the endoscope tip to the user.
The specifications of 2-DOF haptic device such as continuous and maximum exertable forces and torques; workspace; sensitivity; and inertia in each direction are evaluated. The force bandwidth of the device is also evaluated through frequency response tests. The force bandwidth is suitable for simulation of colonoscopy. The 2-DOF mechanism is decoupled, so that Jacobian matrix has only diagonal elements.
A closed-loop PD controller using a 6-DOF force/torque sensor is designed to reduce the friction and inertial effects. The user's maneuvering forces are measured in real-time, and compensated for including the effects of coulomb and viscous friction. This provides the users with better transparent sensation of the simulation.
A questionnaire test is conducted to evaluate the 2-DOF haptic device. The result of the questionnaire is analyzed by using a statistical method.
대장 내시경은 제한된 시야와 길고 유연한 내시경 튜브를 사용하여 시술을 해야 하기 때문에 고 난이도의 기술을 필요로 하며 기술을 익히기 위해서 많은 시간과 노력이 요구된다. 또 유연한 특성을 가지는 내시경 튜브는 적절한 반력을 구현할 수 있는 햅틱장치 개발을 어렵게 한다. 지금까지 개발된 여러 햅틱장치들은 서로 간섭을 일으키지 않는 강한 반력을 제시하는데 그쳤었다. 따라서 본 논문에서는 대장 내시경 수련 시뮬레이션에 적합한 성능을 가지는 2 자유도 햅틱장치를 고안하는 것을 목적으로 한다.
개발된 햅틱장치는 롤 방향과 직선 방향의 2 자유도 반력을 제시할 수 있으며 각각의 반력은 wire-driven 메커니즘과 타이밍 벨트 메커니즘을 이용하였다. 두 개의 자유도는 서로 간섭을 일으키지 않으며 시뮬레이션에 적합한 강한 반력을 제시할 수 있다. 또 실제 내시경 튜브를 이용하여 사용자에게 보다 높은 현실감을 제공한다. 유연한 내시경 튜브의 휨을 막아주는 접힘 가이드를 고안하여 튜브 끝단에서 제시한 반력을 사용자까지 손실 없이 전달할 수 있다.
본 논문에서 개발된 2 자유도 햅틱장치는 대장 내시경 시뮬레이션에 적합한 힘의 대역폭과 작업 공간을 가진다. Force/torque 센서를 이용한 피드백 제어는 마찰력과 관성의 영향을 현저하게 감소시켜 햅틱장치가 사용자에게 보다 투명한 반력을 제시할 수 있게 한다. 또한 전문의를 통한 간단한 설문 조사를 실시하여 개발된 햅틱장치의 완성도를 검증하였다.
