This dissertation proposes a novel miniature cable-driven joint mechanism, named PREF joint. PREF stands for Pulleyless Rolling with Elastic Fixtures. Pulleys prevent miniaturization of the cable-driven joints and medical instruments using them. A rolling mechanism stabilizes the movement of the pulleyless cable-driven joint, and elastic fixtures guarantee a steady rolling contact with a small size. Because its driving range is quite limited, a bending joint is composed with some of PREF joints. This bending mechanism can be actuated with a small number of actuation cables, and it has a special property of resistance to the buckling-like S-shaped curvature. A small radius of bending curvature and a low tension of the actuation cables are also its great strengths.
In this dissertation, fundamental characteristics are analyzed and some design rules are suggested. Using two different types of 1-DOF underacuted bending joint prototypes, various experiments were performed to understand the characteristics. The motion accuracy and payload capacity were measured from various angles to evaluate the efficacy of an improved design that enhances the payload on the distal end. And a new computation model considering friction is suggested to demonstrate the hysteresis motion. Moreover, experiments were performed to measure the bending tendency and the motion accuracy at the unit joint level. Vision based shaped sensing was used to measure every angle of composing unit joints for the evaluation of the efficacy of the proposed joint and its computation model.
At the end, this mechanism is applied to develop flexible surgical robot arms for NOTES (Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery). They are easily exchangeable and maneuverable with 4 or 5 DOF motion. A simple tension controller, which converts between a flexible insertion mode and a rigid operation one. They were verified with laboratory level experiments and animal tests. This innovative joint can be actuated safely because its axial and bending stiffness are separated in addition to other advantages such as small bending curvature and miniaturizable simple design. Therefore, it is widely applicable to variety of medical applications such as steerable catheters, endoscopes, or outer sheath typed guide robots.
이 논문에서는 PREF 관절이라 명명한 소형의 케이블 구동 관절 메커니즘을 제안한다. PREF는 도르래가 없는 상태(무활차, 無滑車)에서 고정 탄성체에 의해 구름 운동을 한다는 의미이다. 도르래는 케이블 구동 관절과 이를 이용한 의료 기기의 소형화를 방해한다. 구름 운동은 무활차 케이블 구동 관절의 움직임을 안정화시키며, 고정 탄성체는 작은 사이즈로 안정적인 구름 운동을 보장해 준다. 개별의 PREF 관절은 그 구동 각도가 크지 않기 때문에, 복수의 관절을 연결하여 벤딩 관절을 구성하게 된다. 이 벤딩 메커니즘은 제한된 수의 케이블로 구동이 가능하며, 좌굴과 유사하게 S 형태로 휘어지는 현상을 방지하는 특징을 가진다. 작은 굽힘 반경과 낮은 구동 장력 또한 이 관절을 큰 장점들이다.
제안된 관절의 기본적인 특성이 분석되고 설계를 위한 규칙이 제시된다. 두 종류의 서로 다른 1 자유도 부족구동 관절을 이용하여 다양한 실험을 통해 관절의 특성이 파악되었다. 개선된 설계를 평가하기 위해 프로토타입을 이용하여 움직임의 정확도와 힘이 측정되었다. 또한 마찰을 고려한 새로운 계산 모델을 제시하여 이력현상을 설명하였다. 더 나아가 실험을 통해 관절이 구부러지는 경향을 파악하고 개별 관절 수준에서 움직임의 정확도를 측정하였다. 세부 관절의 구동 각도를 측정하기 위하여 카메라를 통한 영상기반의 측정이 활용되었다.
마지막으로, 이 관절은 NOTES(자연개구부 내시경수술)를 위한 유연한 수술용 로봇 팔의 개발에 적용되었다. 개발된 로봇 팔(도구)은 쉽게 교환이 가능하며, 각각 4-5 자유도의 움직임을 가진다. 삽입과 수술 모드의 전환을 위해 간단한 장력 조절 장치가 로봇 팔의 부드럽고 단단한 정도를 조절한다. 개발된 도구는 연구실 수준의 실험과 실제 동물 실험을 통해 검증되었다. 이 획기적인 관절은 축 및 벤딩 방향의 강성을 설계를 통해 쉽게 구분할 수 있어 안전하게 구동될 수 있을 뿐만이 아니라, 작은 굽힘 반경과 소형화가 가능한 간단한 디자인이라는 장점이 있다. 따라서, 이 관절은 의료 분야에서 다양하게 적용이 가능할 것으로 기대가 된다.
