KR100934265B1

KR100934265B1 - 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치 및 햅틱인터페이스

Info

Publication number: KR100934265B1
Application number: KR1020070133979A
Authority: KR
Inventors: 이두용; 유인식; 우현수
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2009-12-28
Also published as: KR20090066453A

Abstract

이 발명은 3차원 가상 소화기를 대상으로 실제 인체와 유사한 가상 소화기 내시경 시술 경험을 하는데 사용되는 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치에 관한 것으로서, 이 발명의 햅틱장치는, 지지 밑판을 구비한 지지부와; 지지 밑판에 대하여 선회가 가능하고 일측에 내시경 튜브의 일단이 고정되며, 사용자의 조작에 따른 내시경 튜브의 곡선운동 정보를 소화기 내시경 시뮬레이터의 제어부에 제공하고 그에 따른 반력을 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 직선운동 모사부; 및 내시경 튜브의 회전운동이 가능하도록 직선운동 모사부에 회전이 가능하게 고정되며, 사용자의 조작에 따른 내시경 튜브의 롤 방향 회전운동 정보를 제어부에 제공하고 그에 따른 반력을 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 롤 회전운동 모사부를 포함한다. 이 발명은 기본적인 소화기 내시경 시술의 운동을 표현할 수 있는 내시경의 직선방향과 롤 방향의 2자유도를 일정한 반경을 가지고 회전하는 원형의 메커니즘으로 구현함으로써, 실제 시술에 필요한 내시경의 직선방향 및 롤 방향의 충분한 작업공간을 확보하면서도 크기를 조절할 수 있는 효과가 있다.

Description

소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치 및 햅틱 인터페이스{Circular Haptic Device and Haptic Interface for Gastrointestinal Endoscopy Simulation}

이 발명은 시뮬레이터 사용자에게 촉감과 역감을 제공하기 위한 햅틱장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 소화기 내시경이나 그와 같은 유사한 특성을 갖는 의료도구의 사용에 있어 의사들을 훈련시키기 위한 시뮬레이션용 햅틱장치 및 햅틱 인터페이스에 관한 것이다.

소화기 내시경이란 내시경을 환자의 입이나 항문으로 삽입하여 의사로 하여금 환자의 장기 내부를 들여다 볼 수 있도록 함으로써, 병을 진단하거나 치료하는 의료시술이다. 이러한 내시경 시술을 수행함에 있어, 의사는 내시경 끝단에 있는 카메라로부터 제공되는 시각정보와 내시경 튜브로부터 전달되는 촉감에 의존하게 된다. 그러나, 개복수술에 비해서 의사의 시야 및 시술도구의 움직임이 크게 제한되기 때문에 손과 눈의 좌표계 일치(hand-eye coordination)가 어려울 뿐만 아니라 시술도구의 정확한 조작이 어렵다. 따라서, 소화기 내시경에 필요한 술기들을 습 득하기 위해 의사들은 많은 훈련이 필요하다.

의사들을 훈련시키기 위한 전통적인 방법으로는 소화기 내시경을 수행하는 전문의 옆에서 시술을 관찰하고 보조하며 술기를 익히는 방식이 있다. 이러한 훈련 방법은 환자에게 불안감을 줄 수 있고, 술기를 습득할 수 있는 기회가 불규칙적이며, 다양한 증상에 대하여 폭넓은 훈련을 할 수가 없다. 또 다른 훈련 방법으로는 동물이나 인간의 사체에 연습하는 방식이 있는데, 이러한 훈련 방법은 도덕적인 문제가 대두될 수 있으며, 실제 환자에게 시술할 때와 같은 시각정보 및 촉각정보를 의사들에게 제공할 수가 없다. 상기와 같은 문제들을 해결하고 의사들에게 실제와 비슷한 훈련기회를 제공하기 위해 내시경 시뮬레이터들이 개발되었으며, 이러한 시뮬레이터들의 효용성을 높이고 교육효과를 증대시키기 위한 햅틱장치들이 개발되어 왔다.

미국특허 제6,857,878호에는 시뮬레이션 된 장기의 내부에 모조의 내시경을 사용자가 집어넣을 수 있도록 함으로써, 내시경 시술을 연습할 수 있는 햅틱장치에 대해 공개되어 있다. 이 기술은 모조의 내시경이 시뮬레이션 된 장기의 내부로 들어가면 내시경 끝단에 달린 센서가 내시경의 움직임을 측정하고, 모조의 내시경 또는 시뮬레이션 된 장기에 부착된 메커니즘이 장기와 내시경 사이의 마찰력을 조절하여 사용자에게 촉감 및 역감을 전달해 주도록 구성된다. 그런데, 이 기술의 햅틱장치는 내시경 삽입방향의 반력과 축방향의 회전 반력을 독립적으로 제공해 줄 수 없을 뿐만 아니라 능동적으로 반력을 제공할 수 없다는 단점이 있다.

일본의 나고야 대학에서는 2001년에 고무공과 내시경의 마찰을 이용하여 촉 감 및 역감을 제공하는 햅틱장치를 개발하였다. 이 장치는 고무공 안에 내시경을 넣고 2개의 모터와 벨트로 연결된 4개의 실린더를 고무공과 맞닿게 함으로써, 내시경의 직선방향과 롤(roll)방향의 반력을 제공하도록 구성하였다. 그런데, 이 기술은 내시경과 고무공 사이의 미끄러짐을 방지하기 위해서 마찰계수가 큰 고무공을 사용하여 내시경을 압착하기 때문에, 사용자가 내시경을 잡고 자유운동(free-motion)을 할 때 방해를 받게 되며, 이로 인해 햅틱장치의 역작동성이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 내시경의 직선과 롤(Roll) 방향의 움직임에 있어 서로 간섭현상이 발생하는 단점이 있다.

미국특허 제6,375,471호에는 내시경 및 겸자(내시경 내부의 카테터)의 움직임을 정확히 측정할 수 있고, 현실감 있는 반력을 제공하기 위한 액츄에이터 장치에 대해 공개되어 있다. 이 장치는 2개의 핀치 롤러(pinch roller)와 핀치 롤러가 부착된 캐리지 어셈블리(carriage assembly)를 통해서 내시경의 직선과 회전방향의 움직임을 측정하고 독립적인 반력을 제공한다. 그런데, 이 장치는 큰 반력을 제공할 때, 내시경과 핀치 롤러 사이에 미끄러짐이 발생할 수 있다는 단점이 있다.

국제공개공보 WO 03/050783호에는 내시경 시뮬레이터 시스템에서 사용하기 위한 햅틱장치에 대해 공개되어 있다. 이 햅틱장치는 반력을 제공하는 장치와 내시경의 움직임을 측정하는 장치로 구성된다. 반력제공 장치는 내시경 튜브의 롤 방향으로 회전 가능한 디스크 위에 배치된 롤러들로 내시경이 롤 방향으로 회전할 때, 미끄러지지 않게 잡아주고 롤러와 연결된 모터에 의해 내시경에 직선방향 반력을 제공한다. 롤 방향의 반력은 벨트에 의해서 디스크와 연결된 모터로 제공한다. 내시경의 움직임을 측정하는 장치는 앞서 설명한 반력제공 장치와 유사한 구조로 모터 대신 엔코더를 부착한 후 내시경과 연결하여, 반력제공 장치와는 별도로 구동함으로써, 미끄러짐에 영향을 받지 않고 정확하게 내시경의 움직임을 측정할 수 있도록 구성되어 있다. 그런데, 이 장치는 미끄러짐을 방지하기 위해 내시경을 크게 압착해야 하므로 역작동성이 떨어지고, 롤러와 모터를 디스크 상에 배치함에 따라 회전 관성이 크다는 단점이 있다.

독일의 만하임 대학에서는 2003년에 소화기 내시경 수련용 햅틱장치를 개발하였다. 이 장치는 내시경 끝단을 긴 컨베이어 벨트와 연결되어 왕복 운동하는 운반대에 고정하였다. 즉, 이 장치는, 내시경의 직선방향 움직임 측정 및 반력은 컨베이어 벨트에 연결된 모터 및 엔코더에 의해서 제공되고, 내시경의 롤(Roll)방향 움직임 측정 및 반력은 내시경 끝단에 부착된 모터 및 엔코더에 의해 제공되어, 독립적인 반력을 제공할 수 있지만, 직선방향의 관성이 크고 롤 방향으로 제공되는 토크반력이 너무 약하다는 단점이 있다.

미국 공개특허공보 제2004-0048230호에는 기관지 내시경이나 다른 내시경 시술을 연습하기 위한 시뮬레이터에 사용되는 햅틱장치에 대해 공개되어 있다. 이 장치는 캡쳐 메커니즘으로 사용자가 삽입하는 내시경이나 겸자를 붙잡아 회전정보를 읽어 들이거나 반력을 제공하도록 구성된다. 그리고 레일을 따라 캡쳐 메커니즘이 왕복운동 할 수 있도록 하여 내시경의 직선방향 움직임을 측정하고, 모터와 연결된 와이어로 캡쳐 메커니즘에 직선방향의 반력을 제공하며, 내시경 및 겸자의 구부러짐을 방지하기 위해 벨로우즈(bellows)를 사용하였다. 또한, 캡쳐 메커니즘 내부에서 내시경 및 겸자가 롤 방향으로 회전할 수 있도록 하고, 엔코더에 의해 회전 움직임을 측정하였다. 그런데, 이 햅틱장치는 겸자의 삽입도 훈련할 수 있도록 하였으나, 롤 방향의 회전 반력은 제공할 수 없다는 단점이 있다.

프랑스의 EPFL(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)에서는 2005년에 대장내시경을 위한 햅틱장치를 개발하였다. 이 장치는 코니컬(conical) 기어 시스템이라 불리는 차동기어 형태로 반력을 제공하도록 구성하였다. 내시경은 2개의 실린더와 마찰계수가 큰 벨트로 구성된 한 쌍의 벨트 메커니즘 사이를 지나간다. 직선방향의 반력은 코니컬(conical) 기어가 회전함에 따라 내부의 휠이 회전하고, 이는 벨트와 연결된 실린더를 회전시켜 내시경에 직선방향의 힘을 제공한다. 롤 방향의 반력은 코니컬(conical) 기어와 연결돼 있는 2개의 기어가 동일하게 회전함으로써 제공된다. 그리고, 내시경의 직선방향과 롤 방향의 움직임은 모터에 부착된 엔코더로 측정하고, 모터들은 차동기어 외부에 설치하여 롤 방향의 관성을 줄이도록 하였다. 하지만, 직선방향의 큰 반력을 제공하기 위해서는 내시경의 강한 압착이 필요하기 때문에 자유운동(free-motion)을 방해하며, 사용자에게 제공되는 직선방향과 롤(Roll) 방향의 반력측정을 위한 센서가 장착되지 않아 정확한 반력제시가 어렵다는 단점이 있다.

2006년에 KAIST에서 새롭게 개발된 햅틱장치는 실제 내시경을 그대로 이용하여 사용자에게 반력을 구현했다는 점에서 사용자의 몰입감을 높일 수 있었으나, 기어를 이용한 메커니즘으로 인해 회전방향으로 큰 반력을 구현할 때 노이즈가 발생하는 문제가 있었다. 또한, 힘과 토크를 측정하기 위한 센서의 위치가 사용자의 움직임 축에서 벗어나 있어 사용자의 힘을 정확하게 측정할 수 없다는 한계가 있었다.

상용화된 내시경 수련 시뮬레이터로는 Simbionix사의 GI-Mentor와 Immersion사의 Accutouch System이 있다. GI-Mentor는 공기를 삽입하고 뺄 수 있는 링을 토르소 내부에 있는 모조의 소화기에 배치하고, 팽창하는 링으로 내시경을 잡음으로써 반력을 제공한다. 그런데, 이러한 장치는 내시경에 능동적으로 반력을 제공할 수 없다는 단점이 있다. Accutouch System의 경우에는 모터로 구동되는 거대한 휠에 내시경을 감기게 하여 직선방향의 반력을 제공하고, 내시경의 끝단에 연결된 모터에 의해 롤 방향의 반력을 제공함으로써 능동적으로 반력을 제공한다. 하지만, 이 기술은 내시경의 직선방향 움직임에 대한 반응시간이 길고 반력의 크기가 작으며, 내시경이 삽입될 때 휠과 내시경의 마찰로 인해 전달되는 토크가 작아지는 단점이 있다.

따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 소화기 내시경 시술의 운동을 표현할 수 있는 직선방향과 롤 방향의 2자유도를 간단한 원형 형태의 메커니즘으로 구현하여 그 길이가 길어지지 않도록 크기를 조절하고, 와이어 고정방식과 센서를 사용하여 각 방향에 대한 반력을 정확하게 제공함으로써, 사용자의 내시경 조작에 따른 역감 및 촉감을 충실하게 구현할 수 있는 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치 및 햅틱 인터페이스를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이 발명은 3차원 가상 소화기를 대상으로 실제 인체와 유사한 가상 소화기 내시경 시술 경험을 하는데 사용되는 소화기 내시경 시뮬레이션용 햅틱장치에 있어서, 지지 밑판을 구비한 지지부와; 지지 밑판에 대하여 선회가 가능하고 일측에 내시경 튜브의 일단이 고정되며, 사용자의 조작에 따른 내시경 튜브의 곡선운동 정보를 소화기 내시경 시뮬레이터의 제어부에 제공하고 그에 따른 반력을 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 직선운동 모사부; 및 내시경 튜브의 회전운동이 가능하도록 직선운동 모사부에 회전이 가능하게 고정되며, 사용자의 조작에 따른 내시경 튜브의 롤 방향 회전운동 정보를 제어부에 제공하고 그에 따른 반력을 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 롤 회전운동 모사부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 발명의 지지부는 반원형 형태의 지지 밑판과, 지지 밑판의 양 단부에 각각 수직으로 접합되는 한 쌍의 지지 측판과, 지지 밑판의 둘레 부위에 간격을 두고 세워지는 다수개의 지지봉, 및 다수개의 지지봉의 상부면에 고정되는 지지 위판을 포함할 수 있다.

이 발명의 직선운동 모사부는 직선방향을 모사해주는 직선방향 모사부와, 직선방향 모사부의 움직임을 구동시켜주는 직선방향 구동부를 포함하며, 직선방향 모사부는 지지 밑판에 고정된 베어링 하우징과, 쓰러짐 방지 및 자유로운 회전을 위해 다수의 베어링이 간격을 두고 결합되어 베어링 하우징에 설치되는 중심축과, 일측에 내시경 튜브의 일단이 고정되는 이동판과, 이동판이 중심축에 대해 일정한 반경으로 선회하도록 이동판과 중심축을 연결하는 연결봉, 및 중심축의 상하 운동을 방지하도록 중심축에 결합된 고정실린더를 포함할 수 있다.

이 발명의 직선방향 구동부는 제어부에서 제공하는 반력 정보에 따라 작동하는 모터와, 중심축과 결합된 중심축 실린더, 및 모터의 축에 결합되며 중심축 실린더보다 작은 크기로 구성되어 와이어 구동방식으로 작동하도록 중심축 실린더와 와이어 연결되는 모터측 실린더를 포함할 수 있다.

이 발명은 중심축 및 중심축 실린더에 결합되어, 중심축의 선회토크를 측정하여 제어부에 제공하는 센서를 더 포함할 수도 있다.

이 발명의 회전운동 모사부는 회전방향을 모사해주는 회전방향 모사부와, 회전방향 모사부의 움직임을 구동시켜주는 회전방향 구동부를 포함하며, 회전방향 모 사부는 이동판에 회전이 가능하도록 베어링 결합되고 중앙에 내시경 튜브가 관통하는 롤 회전축 실린더와, 내시경 튜브가 중앙을 관통하되 내시경 튜브에 고정되어 롤 회전축 실린더에 연결된 내시경 튜브 고정판, 및 롤 회전축 실린더가 이동판에 대한 회전운동만 가능하도록 고정하는 고정실린더를 포함할 수 있다.

이 발명의 회전방향 구동부는 제어부에서 제공하는 반력 정보에 따라 작동하는 모터와, 모터의 축에 결합되며 롤 회전축 실린더보다 작은 크기로 구성되어 와이어 구동방식으로 작동하도록 롤 회전축 실린더와 와이어 연결되는 모터측 실린더를 포함할 수 있다.

이 발명은 내시경 튜브 고정판 및 롤 회전축 실린더에 연결되어 내시경 튜브의 회전방향 토크를 측정하여 제어부에 제공하는 센서를 더 포함할 수도 있다.

이 발명은 지지부에 설치되어 내시경 튜브가 직선운동 모사부의 작동에 따라 원형을 유지하면서 따라가도록 가이드하며, 내시경 튜브의 삽입길이에 따라 길이가 변하는 접힘 가이드부를 더 포함할 수 있다.

이 발명의 접힘 가이드부는 지지부에 상하로 결합된 한 쌍의 원형의 가이드 봉과, 가이드 봉을 따라 이동 가능하고 중앙에 내시경 튜브가 통과할 수 있도록 구성되며 각각이 와이어로 연결된 다수의 접힘 가이드판을 포함할 수 있다. 이때, 접힘 가이드판은 아크릴 재질로 구성될 수도 있다.

이 발명의 소화기 내시경 시뮬레이션용 햅틱 인터페이스는 상기와 같이 구성된 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치와, 내시경 튜브의 곡선운동 정보 및 롤 방향 회전운동 정보를 제공받아 각각의 반력정보를 생성하여 직선운동 모사부 및 롤 회전운동 모사부에 각각 제공하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 발명은 기본적인 소화기 내시경 시술의 운동을 표현할 수 있는 내시경의 직선방향과 롤 방향의 2자유도를 일정한 반경을 가지고 회전하는 원형의 메커니즘으로 구현함으로써, 실제 시술에 필요한 내시경의 직선방향 및 롤 방향의 충분한 작업공간을 확보하면서도 크기를 조절할 수 있는 효과가 있다.

또한, 이 발명은 각 방향의 반력을 와이어 고정방식과 센서를 통해 정확하게 구현함으로써 내시경의 조작에 따라 사용자가 실제 시술과 유사한 촉감 및 역감을 느낄 수 있도록 하고, 실제 내시경 튜브를 사용함으로써 시뮬레이터에 대한 몰입감 및 실제감을 높이는 효과가 있다. 따라서, 이 발명으로 시뮬레이터를 구현할 경우에는 사용자의 소화기 내시경 교육효과가 향상될 수 있다.

도 1은 이 발명의 햅틱장치를 적용한 소화기 내시경 시뮬레이터의 블록도이고, 도 2는 이 발명의 햅틱장치를 적용한 소화기 내시경 시뮬레이터의 개략도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 소화기 모델 생성기(600)는 환자의 CT데이터로부터 소화기 모델을 생성하고, 사용자(200)는 모니터(GUI ; 100)를 보면서 햅틱장치(300)를 조작하게 된다. 사용자(200)로부터 입력된 조작정보를 햅틱장치(300)는 엔코더 및 센서신호들로 햅틱 제어부(400)에 전달하게 되고, 햅틱 제어부(400)는 엔코더 및 센서신호들을 물리적으로 의미 있는 정보들로 변환하여 그래픽 제어부(500)로 전달하게 된다. 그래픽 제어부(500)는 햅틱 제어부(400)로부터 제공된 정보를 이용하여 사용자에게 제공될 힘 및 토크를 계산하여 햅틱 제어부(400)에 전달하고, 햅틱 제어부(400)는 이를 모터신호로 변환하여 햅틱장치(300)를 통해서 사용자(200)에게 촉감 및 역감을 제공한다. 사용자들에게 효과적인 훈련을 제공하기 위해서는 다양한 소화기 모델로 구성된 훈련시나리오, 사실적인 그래픽과 실제 소화기 내시경 시술 때와 유사한 촉감 및 역감을 제공해 주는 햅틱장치의 개발이 필요하다.

소화기 내시경의 경우에는 대부분이 입구가 고정된 입이나 항문을 통해서 내시경을 삽입 및 회전시키므로, 이 발명의 햅틱장치는 직선방향의 운동 및 롤 방향의 회전운동과 반력을 구현하여야 한다. 직선방향의 경우에는 소화기 내시경 시술에서 소화기 내부로 삽입되는 내시경의 길이보다 크도록 운동범위를 구현하여야 하며, 롤 방향의 경우에는 내시경의 특성 및 의사들이 실제 내시경 시술할 때 내시경의 롤 방향 회전수를 고려하여 좌측과 우측으로 각각 두 바퀴 이상으로 회전할 수 있도록 운동범위를 구현하여야 한다.

또한, 이 발명이 사용되는 시뮬레이터는 사용자 대부분이 의사들이므로, 내시경 튜브의 조작에 익숙하도록 하기 위해 실제 내시경 튜브를 사용하는 것이 바람직하다. 내시경 튜브는 비틀림 강성은 크지만 사람의 소화기 내부로 들어가기 때문에 매우 유연한 성질을 가지고 있으므로, 이러한 특성을 고려하여 햅틱장치는 내시경을 통하여 직선방향의 반력이 사용자에게 잘 전달되도록 해야 한다. 그리고, 사용자에게 정확한 힘과 토크를 전달하기 위해서 이를 측정할 수 있는 센서가 햅틱장치에 설치되어야 하며, 사용자의 몰입감을 방해하지 않도록 햅틱장치는 기계적인 소음이 최대한 작아야 한다. 마지막으로 시뮬레이터의 이동성을 고려하여 햅틱장치를 가능한 작게 구성하는 것이 바람직하다.

아래에서, 이 발명에 따른 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치 및 햅틱 인터페이스의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 이 발명의 한 실시예에 따른 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치의 구성관계를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 햅틱장치의 지지부의 구성관계를 도시한 상세도이며, 도 5는 도 3에 도시된 햅틱장치의 직선운동 모사부의 구성관계를 도시한 상세도이다. 그리고, 도 6은 도 3에 도시된 햅틱장치의 회전운동 모사부의 구성관계를 도시한 상세도이고, 도 7은 도 3에 도시된 햅틱장치의 접힘 가이드부의 구성관계를 도시한 상세도이다.

도 3 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 햅틱장치(300)는 내시경 삽입방향 직선운동을 모사하는 직선운동 모사부(310)와, 내시경의 롤 방향 회전운동을 모사하는 회전운동 모사부(330)와, 내시경 튜브의 휘어짐을 방지하는 접힘 가이드부(340), 및 상기 구성요소들을 지지하는 지지부(350)로 구성된다.

이 실시예의 햅틱장치(300)는 도 4와 같이 구성되는 지지부(350)를 통해 직선운동 모사부(310), 회전운동 모사부(330) 및 접힘 가이드부(340)를 지지하도록 구성된다. 여기서, 지지부(350)는 반원형 형태의 지지 밑판(351)과, 지지 밑판(351)의 양 단부에 각각 수직으로 접합되는 한 쌍의 지지 측판(352)과, 지지 밑 판(351)의 둘레 부위에 간격을 두고 세워지는 다수개의 지지봉(353), 및 다수개의 지지봉(353)의 상부면에 고정되는 지지 위판(354)으로 구성된다.

직선운동 모사부(310)는 도 3과 도 5에 도시된 바와 같이 중심축(311)을 기준으로 선회하도록 구성되며, 직선방향을 모사해주는 직선방향 모사부와, 직선방향 모사부의 움직임을 구동시켜주는 직선방향 구동부로 나눌 수 있다.

직선방향 모사부는 일측에 내시경 튜브(360)가 고정된 이동판(312)이 중심축(311)을 기준으로 일정한 반경을 가지고 선회하도록 구성된다. 이러한 구조는 기존 햅틱장치 보다 사용자가 내시경 튜브를 삽입할 때 발생되는 마찰 및 소음을 줄일 수 있다. 회전 중심부에는 베어링 하우징(313)이 아래판(314)에 고정되어 있고, 2개의 베어링(315)과 함께 중심축(311)이 베어링 하우징(313) 안으로 들어가 결합된다. 2개의 베어링(315)은 일정한 간격으로 배치되어 중심축(311)의 쓰러짐을 방지하고, 중심축(311)이 자유롭게 회전할 수 있도록 해준다. 중심축(311)의 하단부에는 중심축(311)이 위쪽으로 움직이지 않도록 제1 고정 실린더(316)가 부착된다. 이동판(312)에는 중심축(311)과 연결하는 2개의 연결봉(317)이 부착되어 있다. 따라서, 연결봉(317)의 길이를 조절함으로서 회전반경 및 크기를 조절하여 햅틱장치(300)의 이동성이 용이하도록 구성이 가능하다.

직선방향 구동부는 지지 밑판(351)을 관통하여 중심축(311)의 하단부에 설치되는 것으로서 와이어 구동방식으로 구성된다. 즉, 중심축 실린더(318)에 일단이 고정된 와이어(319)를 1~2바퀴 정도 감은 후, 와이어(319)가 팽팽히 당겨진 상태에서 지지 밑판(351)의 일측에 고정된 제1 모터(320)와 연결된 제1 모터측 실린 더(321)에 2~3바퀴 감고, 다시 팽팽하게 와이어(319)를 당겨 중심축 실린더(318)에 1~2바퀴를 감고 남은 와이어(319)의 일단을 중심축 실린더(318)에 고정한다. 이러한 와이어 고정방식은 통상의 햅틱장치에 널리 이용되는 방식으로서, 역작동성(back-drivability)을 보장하고 백래쉬(back-lash)를 제거하는 기능을 한다. 이때, 제1 모터측 실린더(321)는 중심축 실린더(318) 보다 작은 크기로 구성된 것으로서, 중심축 실린더(318)와 제1 모터측 실린더(321)의 직경비를 조절함으로써, 제1 모터(320)에서 중심축(311)으로 전달되는 토크를 증폭시킬 수 있다. 중심축 실린더(318)는 다시 제1 토크센서(322)와 연결되고, 제1 토크센서(322)는 토크센서 연결판(323)을 통하여 제1 고정 실린더(316)와 연결됨으로써, 직선방향 모사부와 직선방향 구동부가 연결된다.

회전운동 모사부(330)는 도 3과 도 6에 도시된 바와 같이 이동판(312) 중앙의 구멍과 롤 회전축 실린더(331)의 중심축을 일치시켜 결합하되, 이동판(312)과 롤 회전축 실린더(331)의 사이에는 롤 회전축 실린더(331)가 자유로이 회전할 수 있도록 베어링(332)이 설치되며, 제2 고정 실린더(333)가 롤 회전축 실린더(331)에 결합됨으로써 롤 회전축 실린더(331)가 회전축 방향으로 움직이지 않게 해준다. 롤 회전축 실린더(331)에는 제2 토크센서(334)가 부착되고, 그 중앙으로 내시경 튜브(360)가 관통하게 되며, 내시경 튜브 고정판(335)은 내시경 튜브(360)를 나사조임 방식으로 단단히 고정하여 제2 토크센서(334)에 부착된다. 따라서, 사용자가 내시경 튜브(360)를 회전하거나 삽입할 때, 사용자의 힘을 직선운동 모사부(310)와 회전운동 모사부(330)에 손실 없이 전달할 수 있다.

회전운동 모사부(330)의 구동방식은 직선운동 모사부(310)의 구동방식과 동일하게 와이어 구동방식이다. 와이어(336)의 한 쪽 끝을 롤 회전축 실린더(331)에 고정하여 2~3바퀴 감고 팽팽하게 당긴 후, 제2 모터측 실린더(337)에 2~3바퀴 감고, 다시 팽팽하게 당겨 롤 회전축 실린더(331)에 2~3바퀴 감은 뒤 일단을 고정한다. 이때, 제2 모터측 실린더(337)는 롤 회전축 실린더(331) 보다 작은 크기로 구성된다. 따라서, 내시경 튜브(360)의 회전범위는 롤 회전축 실린더(331) 및 제2 모터측 실린더(337)에 감기는 와이어(336)의 횟수에 따라서 조절할 수 있고, 제2 모터(338)로부터 내시경 튜브(360)에 전달되는 토크는 제2 모터측 실린더(337)와 롤 회전축 실린더(331)의 직경비 조절로 증폭이 가능하다.

접힘 가이드부(340)는 도 3과 도 7에 도시된 바와 같이, 일정한 반경을 갖도록 제작된 원형 형태의 가이드 봉(341) 2개가 지지 측판(352), 지지 위판(354) 및 지지 밑판(351)과 연결된다. 이 2개의 가이드 봉(341) 사이에는 일정한 간격을 두고 와이어(342)로 연결된 접힘 가이드 판(343)들이 수직으로 세워져 있고, 1개의 접힘 가이드 판(343)이 이동판(312)과 와이어로 연결되어 있어 이동판(312)이 움직임에 따라서 접힘 가이드 판(343)들이 레일 형태로 가이드 봉(341)을 따라가게 된다. 접힘 가이드 판(343)의 중앙에는 내시경 튜브(360)가 통과할 수 있도록 되어있어 지지 측판(352)을 통해 삽입되는 내시경 튜브(360)의 길이에 따라서 접힘 가이드부(340)의 길이가 변하도록 되어있다.

접힘 가이드 판(343)은 내시경 튜브(360)가 원활히 들어갈 수 있도록 두께가 얇고 가벼운 아크릴 재질 등으로 구성되며, 가이드 봉(341)과의 마찰과 소음을 줄 이기 위해 코팅 및 윤활이 되어있다. 이러한 접힘 가이드부(340)는 내시경 튜브(360)의 굽힘을 방지하여, 이동판(312)에 부착된 내시경 튜브(360) 끝단에 전달된 반력을 반대편 내시경 튜브(360) 끝단까지 손실 없이 전달해주는 역할을 한다.

아래에서는 앞서 설명한 바와 같이 구성된 이 실시예에 따른 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치 및 햅틱 인터페이스의 작동관계에 대해 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 사용자(200)는 컴퓨터 모니터를 통해 가상의 소화기 모델을 보며 내시경 튜브(360)를 손으로 파지한 상태에서 햅틱장치(300) 내부로 내시경 튜브(360)를 삽입하게 된다. 그에 따라 일측에 내시경 튜브(360)가 고정된 이동판(312)이 가이드 봉(341)을 따라 곡선운동하며, 그에 따른 선회정보가 감지되고, 햅틱 제어부(400)가 그 정보를 직선운동 정보로 변환한 후, 컴퓨터[GUI(100), 그래픽 제어부(500), 소화기 모델 생성기(600)]에 제공한다. 그러면, 그래픽 제어부(500)에서는 사용자(200)에게 제공할 힘을 계산하여 햅틱 제어부(400)에 전달하고, 햅틱 제어부(400)에서의 프로그램 구동을 통해 반력정보가 제1 모터(320)를 통해 직선운동 모사부(310)와 접힘 가이드부(340)를 거쳐 내시경 튜브(360)를 조작하는 사용자(200)에게 전달된다. 또한, 제1 토크센서(322)가 선회토크정보를 측정하고, 햅틱 제어부(400)에서 그 정보를 직선운동에 따른 힘으로 변환함으로써, 사용자(200)가 느끼는 반력이 측정되며 이와 그래픽 제어부(500)에서 제공된 힘과의 비교를 통해 사용자(200)에게 직선방향에 대한 보다 정밀한 역감 및 촉감을 제공할 수 있다.

그리고 사용자(200)가 내시경 튜브(360)를 롤 방향으로 회전시키면, 내시경 튜브(360)의 일단이 고정된 내시경 튜브 고정판(335) 및 롤 회전축 실린더(331)가 회전운동하며, 그에 따른 회전정보가 감지되고, 햅틱 제어부(400)가 그 정보를 그래픽 제어부(500)에 제공한다. 그러면, 그래픽 제어부(500)는 사용자에게 제공할 토크를 계산하여 햅틱 제어부(400)에 제공하고, 햅틱 제어부(400)에서의 프로그램 구동을 통해 반력정보가, 제2 모터(338)를 통해 회전운동 모사부(330)를 거쳐 내시경 튜브(360)를 조작하는 사용자(400)에게 전달된다. 또한, 제2 토크센서(334)가 롤 방향 토크를 측정함으로써 사용자(200)가 느끼는 토크가 측정되며, 햅틱 제어부(400)에서 이와 그래픽 제어부(500)에서 제공된 토크와 비교를 통해 사용자(200)에게 롤 방향에 대한 보다 정밀한 역감 및 촉감을 제공할 수 있다.

이 실시예의 햅틱 인터페이스는 상기와 같이 구성되어 작동하는 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치(300)와 햅틱 제어부(400)를 통해 구현된다.

이상에서 이 발명의 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치 및 햅틱 인터페이스에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

도 1은 이 발명의 햅틱장치를 적용한 소화기 내시경 시뮬레이터의 블록도이고,

도 2는 이 발명의 햅틱장치를 적용한 소화기 내시경 시뮬레이터의 개략도이고,

도 3은 이 발명의 한 실시예에 따른 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치의 구성관계를 도시한 사시도이고,

도 4는 도 3에 도시된 햅틱장치의 지지부의 구성관계를 도시한 상세도이고,

도 5는 도 3에 도시된 햅틱장치의 직선운동 모사부의 구성관계를 도시한 상세도이고,

도 6은 도 3에 도시된 햅틱장치의 회전운동 모사부의 구성관계를 도시한 상세도이며,

도 7은 도 3에 도시된 햅틱장치의 접힘 가이드부의 구성관계를 도시한 상세도이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

300 : 햅틱장치 310 : 직선운동 모사부

330 : 회전운동 모사부 340 : 접힘 가이드부

350 : 지지부 360 : 내시경 튜브

Claims

3차원 가상 소화기를 대상으로 실제 인체와 유사한 가상 소화기 내시경 시술 경험을 하는데 사용되는 소화기 내시경 시뮬레이션용 햅틱장치에 있어서,

지지 밑판을 구비한 지지부와;

상기 지지 밑판에 대하여 선회가 가능하고 일측에 내시경 튜브의 일단이 고정되며, 사용자의 조작에 따른 상기 내시경 튜브의 곡선운동 정보를 소화기 내시경 시뮬레이터의 제어부에 제공하고 그에 따른 반력을 상기 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 직선운동 모사부; 및

상기 내시경 튜브의 회전운동이 가능하도록 상기 직선운동 모사부에 회전이 가능하게 고정되며, 사용자의 조작에 따른 상기 내시경 튜브의 롤 방향 회전운동 정보를 상기 제어부에 제공하고 그에 따른 반력을 상기 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 롤 회전운동 모사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치.
청구항 1에 있어서,

상기 지지부는 반원형 형태의 지지 밑판과, 상기 지지 밑판의 양 단부에 각각 수직으로 접합되는 한 쌍의 지지 측판과, 상기 지지 밑판의 둘레 부위에 간격을 두고 세워지는 다수개의 지지봉, 및 상기 다수개의 지지봉의 상부면에 고정되는 지지 위판을 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장 치.
청구항 1에 있어서,

상기 직선운동 모사부는 직선방향을 모사해주는 직선방향 모사부와, 상기 직선방향 모사부의 움직임을 구동시켜주는 직선방향 구동부를 포함하며,

상기 직선방향 모사부는 상기 지지 밑판에 고정된 베어링 하우징과, 쓰러짐 방지 및 자유로운 회전을 위해 다수의 베어링이 간격을 두고 결합되어 상기 베어링 하우징에 설치되는 중심축과, 일측에 상기 내시경 튜브의 일단이 고정되는 이동판과, 상기 이동판이 상기 중심축에 대해 일정한 반경으로 선회하도록 상기 이동판과 상기 중심축을 연결하는 연결봉, 및 상기 중심축의 상하 운동을 방지하도록 상기 중심축에 결합된 고정실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치.
청구항 3에 있어서,

상기 직선방향 구동부는 상기 제어부에서 제공하는 반력 정보에 따라 작동하는 모터와, 상기 중심축과 결합된 중심축 실린더, 및 상기 모터의 축에 결합되며 상기 중심축 실린더보다 작은 크기로 구성되어 와이어 구동방식으로 작동하도록 상기 중심축 실린더와 와이어 연결되는 모터측 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치.
청구항 4에 있어서,

상기 중심축 및 상기 중심축 실린더에 결합되어, 상기 중심축의 선회토크를 측정하여 상기 제어부에 제공하는 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 회전운동 모사부는 회전방향을 모사해주는 회전방향 모사부와, 상기 회전방향 모사부의 움직임을 구동시켜주는 회전방향 구동부를 포함하며,

상기 회전방향 모사부는 상기 이동판에 회전이 가능하도록 베어링 결합되고 중앙에 상기 내시경 튜브가 관통하는 롤 회전축 실린더와, 상기 내시경 튜브가 중앙을 관통하되 상기 내시경 튜브에 고정되어 상기 롤 회전축 실린더에 연결된 내시경 튜브 고정판, 및 상기 롤 회전축 실린더가 상기 이동판에 대한 회전운동만 가능하도록 고정하는 고정실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치.
청구항 6에 있어서,

상기 회전방향 구동부는 상기 제어부에서 제공하는 반력 정보에 따라 작동하는 모터와, 상기 모터의 축에 결합되며 상기 롤 회전축 실린더보다 작은 크기로 구성되어 와이어 구동방식으로 작동하도록 상기 롤 회전축 실린더와 와이어 연결되는 모터측 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치.
청구항 7에 있어서,

상기 내시경 튜브 고정판 및 상기 롤 회전축 실린더에 연결되어 상기 내시경 튜브의 회전방향 토크를 측정하여 상기 제어부에 제공하는 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 시뮬레이션용 햅틱장치.
청구항 1에 있어서,

상기 지지부에 설치되어 상기 내시경 튜브가 상기 직선운동 모사부의 작동에 따라 원형을 유지하면서 따라가도록 가이드하며, 상기 내시경 튜브의 삽입길이에 따라 길이가 변하는 접힘 가이드부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치.
청구항 9에 있어서,

상기 접힘 가이드부는 상기 지지부에 상하로 결합된 한 쌍의 원형의 가이드 봉과, 상기 가이드 봉을 따라 이동 가능하고 중앙에 상기 내시경 튜브가 통과할 수 있도록 구성되며 각각이 와이어로 연결된 다수의 접힘 가이드판을 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치.
청구항 10에 있어서,

상기 접힘 가이드판은 아크릴 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 기재된 소화기 내시경 시뮬레이션용 원형 햅틱장치와, 상기 내시경 튜브의 곡선운동 정보 및 롤 방향 회전운동 정보를 제공받아 각각의 반력정보를 생성하여 상기 직선운동 모사부 및 상기 롤 회전운동 모사부에 각각 제공하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 시뮬레이션용 햅틱 인터페이스.