KR20030085683A

KR20030085683A - 가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경 수련 시스템

Info

Publication number: KR20030085683A
Application number: KR1020020023882A
Authority: KR
Inventors: 이두용; 정성엽; 윤현중; 우현수
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2002-05-01
Filing date: 2002-05-01
Publication date: 2003-11-07
Also published as: KR100457927B1

Abstract

본 발명은 소화기 내시경 수련 시스템에 있어서, 수련의가 가상현실을 통해 내시경 시뮬레이션을 수행하는 동안 현실감을 느낄 수 있도록 가상현실과 햅틱장치(haptic device)를 이용한 소화기 내시경 수련시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 소화기 내시경 수련장치에 있어서, 소화기의 내부를 가상의 영상으로 출력하며 가상의 영상에서 이동하는 내시경의 가상 위치가 가상 영상의 소화기와 충돌하면 그 반력을 계산하여 전기적신호로 출력하는 그래픽 시뮬레이터(100)와, 핸들(310)의 기계적 변위에 따른 신호를 출력하고 반력에 대한 정보를 갖는 입력신호에 따라 핸들이 변위하는 햅틱(haptic)장치(300) 및, 그래픽 시뮬레이터(100)와 햅틱장치(300)의 사이에 연결되어 햅틱장치(300)로부터 입력된 신호에 따라 그래픽 시뮬레이터(100)의 영상출력을 제어하고 그래픽 시뮬레이터(100)로부터 입력된 신호에 따라 햅틱장치(300)의 핸들(310)에 가해지는 반력을 제어하는 햅틱제어부(200)를 포함하는 소화기 내시경 수련장치가 제공된다.

Description

가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경 수련 시스템{Endoscopy Training System Using Haptic Interface and Virtual Reality}

본 발명은 가상현실과 햅틱장치(haptic device)를 이용하여 현실감을 느낄 수 있도록 구성된 소화기 내시경 수련 시스템에 관한 것이며, 특히, 3차원 컴퓨터그래픽 및 햅틱장치를 이용하여 내과 수련의들이 실제 인체를 대상으로 소화기 내시경 시술을 하는 것과 유사한 가상 소화기 내시경 시술경험을 얻을 수 있도록 하는 소화기 내시경 수련 시스템에 관한 것이다.

현재 내과검사 및 수술분야에서 소화기 내시경을 이용한 검사 및 수술의 보급이 확대되고 있으며, 이는 무침투성의 장점을 갖는 소화기 내시경 검사 및 수술이 무엇보다도 환자의 위험부담을 줄이고, 시간과 비용을 절감하기 때문에 널리 시술되고 있다.

그러나, 소화기 내시경의 좁은 시각과 제약된 움직임 때문에 시술에 많은 어려움이 따른다. 현재 내과 수련의들은 먼저 수차례에 걸쳐 소화기 내시경 조작방법을 학습한 후, 이미 기술을 완벽히 습득한 전문의의 감독 하에 직접 환자를 대상으로 조작연습을 하면서 소화기 내시경의 전문기술을 익히게 된다.

그러나, 수련의들이 직접 환자를 대상으로 연습을 하는 경우 환자에게 끼치는 위험부담이 크고, 또 이미 소화기 내시경 기술을 습득한 전문의들이라 할지라도 숙련정도에 따라 시술시간에 많은 차이가 나며 미숙한 경우 자칫 소화기를 손상시킬 수 있기 때문에, 보다 안전하고 효과적으로 소화기 내시경 시술을 습득할 수 있는 가상 소화기 내시경 수련 시스템의 개발이 필요하다.

종래에 의료분야에서 가상현실을 응용한 사례는 대부분 3차원 이미지에 의존하는 시각적인 요소가 대부분 이였다. 그 한 예로서, 미국의 하버드 의대팀은 CT(Computer Tomography)검색 사진으로부터 3차원 가상모델을 구성하고, 의사들이 직접 수술하기 전에 이런 3차원 가상모델 속에서 미리 연습해 볼 수 있는 가상현실 외과수술 수련 시스템을 만들었으며, 미국 미네소타의 메이요 병원의 연구팀은 환자의 대장을 단층촬영한 후 컴퓨터에서 재구성한 3차원 대장모델을 이용하여 대장암을 진단하고, 실제 수술에 앞서 가상실습이 가능하도록 하였다.

그러나 의료분야에서는 손의 미세한 감각을 이용하여 시술하는 작업이 많기 때문에 가상현실에서 이러한 작업을 구현하기 위해서는 시각적인 요소만으로는 부족하며 이 외에 역감 및 촉감을 수련의가 느낄 수 있어야 한다.

최근에는 햅틱장치 및 인터페이스 기술이 발달하면서 1993년에 MIT(Massachusetts Institute of Technology)에서 개발한 PHANToM이나 Immersion 사의 Impulse Engine 등 상용 범용 햅틱장치를 이용하여 의료용 가상 수련 시스템을 구성하는 실례가 늘어나고 있다.

미쯔비시 전기연구소에서는 MRI(Magnetic Resonance Imaging) 이미지로부터 구성된 무릎의 3차원 가상 모델과 PHANToM을 이용하여 무릎 외과수술 시뮬레이션 및 수련 시스템을 개발하였으며, KAIST(Korea Advanced Institute of Science and Technology)의 의료영상공학연구센터에서는 PHANToM을 이용한 척수 침생검 모의 실험기를 개발하였다.

그러나, 가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경의 수련 시스템의 개발은 전술한 필요성에도 불구하고, 아직 소화기 내시경에 특화된 햅틱장치나 수련 시스템과 관련해서 국내외에서 연구 및 상품화된 선례가 미비한 상태이다. 따라서, 가상 소화기 내시경 수련에 적합한 자유도, 작동 범위 및 반향 힘의 크기를 구현할 수 있는 햅틱장치의 개발과, 이를 이용한 소화기 내시경에 특화된 가상 수련 시스템의 개발이 요구된다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 가상 소화기 내시경 수련에 적합하게 개발된 4자유도를 갖는 햅틱장치와 가상 소화기 영상데이터에 근거하여 구성된 3차원 가상 소화기 모델을 이용하여 소화기 내시경 시술을 수련할 수 있는 소화기 내시경 수련 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

그리고, 이러한 햅틱장치는 가상 소화기 내시경 수련에 적합한 4자유도를 갖고 있으며, 그 작동 범위 및 반향 힘의 크기를 보다 정확하게 섬세하게 구현할 수 있도록 개발된 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경 수련 시스템의 개략도이고,

도 2는 도 1에 도시된 가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경 수련 시스템의 블록도이고,

도 3은 소화기 내에서의 내시경의 주요 움직임을 나타낸 개념도이고,

도 4는 도 1에 도시된 햅틱장치의 4자유도 운동을 나타낸 개략도이고,

도 5는 4자유도 중에서 제1 자유도인 직선운동을 수행하기 위한 직선운동부만을 나타낸 사시도이고,

도 6은 4자유도 중에서 제2 자유도의 롤(Roll) 운동을 수행하기 위한 롤 운동부만을 나타낸 사시도이고,

도 7은 4자유도 중에서 제3 자유도의 피치(Pitch) 운동을 수행하기 위한 피치 운동부만을 나타낸 사시도이고,

도 8은 4자유도 중에서 제4 자유도의 요(Yaw) 운동을 수행하기 위한 요 운동부만을 나타낸 사시도이고,

도 9는 도 5 내지 도 8의 각 운동부를 조립한 상태의 햅틱장치의 사시도이고,

도 10은 도 9에 도시된 햅틱장치의 제너럴라이즈드(Generalized) 좌표로 나타낸 개념도이며,

도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경 수련 시스템의 수련과정을 나타낸 순서도이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

100 : 그래픽 시뮬레이터 200 : 햅틱 제어기

300 : 햅틱장치 310 : 핸들

320 : 직선운동부 330 : 롤 운동부

340 : 피치 운동부 350 : 요 운동부

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 소화기 내시경 수련장치에 있어서,

소화기의 내부를 가상의 영상으로 출력하며 가상의 영상에서 이동하는 내시경의 가상 위치가 가상 영상의 소화기와 충돌하면 그 반력을 계산하여 전기적신호로 출력하는 그래픽 시뮬레이터와, 핸들의 기계적 변위에 따른 신호를 출력하고 상기 반력에 대한 정보를 갖는 입력신호에 따라 상기 핸들이 변위하는 햅틱(haptic)장치 및, 상기 그래픽 시뮬레이터와 상기 햅틱장치의 사이에 연결되어 상기 햅틱장치로부터 입력된 신호에 따라 상기 그래픽 시뮬레이터의 영상출력을 제어하고 상기 그래픽 시뮬레이터로부터 입력된 신호에 따라 상기 햅틱장치의 핸들에 가해지는 반력을 제어하는 햅틱제어부를 포함하는 소화기 내시경 수련장치가 제공된다.

또한, 본 발명의 상기 그래픽 시뮬레이터는 입력장치로부터 입력되는 명령어에 따라 소화기의 영상을 출력하는 GUI(Graphical User Interface)와, 상기 햅틱제어부로부터 햅틱장치의 운동정보를 입력받기 위한 통신모듈과, 상기 입력된 운동정보에 따라 가상모델의 소화기와 충돌여부를 검사하는 충돌검사 모듈과, 상기 충돌검사 모듈로부터 출력된 충돌정보를 이용하여 충돌에 의해 발생하는 반력을 계산하는 힘 계산 알고리즘을 포함하며, 상기 충돌정보에 따른 소화기의 가상모델의 변형을 계산하여 상기 GUI에 입력하고, 상기 통신모듈을 통해 상기 힘 계산 알고리즘에서 출력된 반력의 정보를 상기 햅틱제어부에 입력한다.

또한, 본 발명의 상기 그래픽 시뮬레이터는 15Hz이상의 주파수의 타이머에 의해 동기화되어 작동한다.

또한, 본 발명의 상기 햅틱제어부는 상기 그래픽 시뮬레이터로부터 계산된 반력을 입력받는 통신모듈과, 상기 햅틱장치에 가해지는 반력에 따른 상기 햅틱장치의 액츄에이터의 제어입력값을 계산하는 제어 알고리즘과, 상기 제어알고리즘에서 계산된 제어입력값을 아날로그로 변환하는 D/A변환기와, 상기 아날로그로 변환된 제어입력값에 따라 햅틱장치를 구동하는 액츄에이터구동부와, 상기 햅틱장치와 연결되어 상기 햅틱장치의 운동정보를 입력받아 이를 상기 제어 알고리즘으로 입력하는 인터페이스 모듈을 포함한다.

또한, 본 발명의 상기 햅틱제어부는 1kHz이상의 주파수 타이머에 의해 동기화되어 작동한다.

또한, 본 발명의 상기 햅틱장치는 상기 햅틱제어부로부터 입력되는 제어입력값에 따라 구동하는 액츄에이터와, 상기 액츄에이터에 의해 4자유도로 구동하는 구동수단들과, 상기 액츄에이터 또는 오퍼레이터에 의한 상기 구동수단들의 변위를인식하고 인식된 변위에 비례하는 전압의 전기적신호를 상기 햅틱제어부에 입력하는 측정센서들을 포함한다.

또한, 본 발명에 따르면, 햅틱장치에 있어서, 사용자가 파지할 수 있게 구성된 핸들과, 전기적신호가 입력되거나 출력되는 신호입출력부 및, 상기 핸들의 동작을 전기적신호로 변환하여 상기 신호입출력부를 통해 출력하고 상기 신호입출력부를 통해 입력된 전기적신호에 대응하는 동작을 생성하여 상기 핸들에 전달하는 액츄에이터를 포함하고, 상기 액츄에이터는 상기 사용자가 핸들을 밀고 당기는 전후진에 대응하는 전기적신호 및 상기 전후진 방향을 기준으로 피칭과 요잉 및 롤링에 대응하는 전기적신호를 생성하며, 상기 액츄에이터는 제1 전기적신호를 수신하면 상기 핸들을 전후진시키고 제2 전기적신호를 수신하면 피칭시키며 제3 전기적신호를 수신하면 요잉시키고 제4 전기적신호를 수신하면 롤링시키게 구성된 햅틱장치가 제공된다.

또한, 본 발명의 상기 액츄에이터의 전후진수단은 원형봉의 단면 가장자리 일부가 길이방향으로 절단되어 편편한 일면을 갖는 핸들의 중간부를 감싸는 두 개의 롤 부시 베어링과, 상기 롤 부시 베어링의 사이에 위치하여 상기 두 개의 롤 부시 베어링에 고정되며 상기 핸들을 감싸는 지지대와, 상기 핸들의 일면과 접하여 회전하도록 양단부가 상기 지지대에 회전 가능하게 체결된 두 개의 롤러와, 상기 핸들과 수직을 이루는 회전축을 갖는 제1 모터와, 상기 제1 모터의 회전축에 감겨지며 그 양단부는 상기 회전축을 중심으로 상기 핸들의 양단부 쪽에 고정된 와이어를 포함하며, 상기 제1 모터에는 엔코더가 설치되어 상기 핸들의 전후진에 따른 전기적 신호를 출력하고, 상기 전후진 반력정보를 갖는 전기적신호에 따라 상기 제1 모터가 구동한다.

또한, 본 발명의 상기 액츄에이터의 롤링수단은 상기 한 개의 롤 부시 베어링의 둘레를 감싸 고정된 제1 반원판과, 상기 제1 반원판의 원주면에 대응하여 위치하며 상기 핸들과 평행한 회전축을 갖는 제2 모터와, 상기 제2 모터의 회전축에 감겨지며 그 양단부는 상기 제1 반원판의 원주면 양단부 쪽에 고정된 와이어를 포함하며, 상기 제2 모터에는 엔코더가 설치되어 상기 핸들의 롤링에 따른 전기적 신호를 출력하고, 상기 롤링 반력정보를 갖는 전기적신호에 따라 상기 제2 모터가 구동한다.

또한, 상기 액츄에이터의 피칭수단은 상기 롤 부시 베어링의 둘레에 상대 회전 가능하도록 고정된 두 개의 고정물과, 직경에 해당하는 부위가 상기 두 개의 고정물에 고정된 제2 반원판과, 상기 제2 반원판과 평행하게 위치하는 프레임과, 상기 제2 반원판과 일체로 형성된 상기 프레임과 힌지결합된 브라켓과, 상기 제2 반원판의 원주면에 대응하여 위치하며 상기 핸들과 수직한 회전축을 갖는 제3 모터와, 상기 제3 모터의 회전축에 감겨지며 그 양단부는 상기 제2 반원판의 원주면 양단부 쪽에 고정된 와이어를 포함하며, 상기 제3 모터에는 엔코더가 설치되어 상기 핸들의 피칭에 따른 전기적 신호를 출력하고, 상기 피칭 반력정보를 갖는 전기적신호에 따라 상기 제3 모터가 구동한다.

또한, 본 발명의 상기 제2 반원판은 상기 두 개의 고정물에 고정되는 수평 플레이트와, 상기 고정물이 고정된 상기 수평 플레이트의 일면의 반대면인 타면의양단부에 고정된 두 개의 수직 플레이트와, 오목한 면이 상기 수직 플레이트의 자유단부에 고정된 벤딩 플레이트를 포함하며, 상기 수직 플레이트의 중간부에 상기 제2 모터가 삽입되는 구멍이 형성된다.

또한, 본 발명의 상기 액츄에이터의 요잉수단은 원형판과, 상기 원형판의 저면에 상기 원형판과 상대 회전가능한 받침대와, 상기 원형판을 관통하여 상기 받침대의 측면에 대응하여 위치하는 회전축을 갖는 제4 모터와, 상기 제4 모터의 회전축에 감겨지며 그 양단부는 상기 회전판에 고정되어 상기 제4 모터의 회전에 의해 상기 회전판이 회전하도록 회전력을 전달하는 와이어를 포함하며, 상기 제4 모터에는 엔코더가 설치되어 상기 핸들의 요잉에 따른 전기적 신호를 출력하고, 상기 요잉 반력정보를 갖는 전기적신호에 따라 상기 제4 모터가 구동한다.

또한, 본 발명의 상기 제1 반원판에는 상기 제1 모터의 무게에 의해 발생하는 롤링 모멘트를 보상하기 위해 카운터-매스가 설치된다.

또한, 본 발명의 테플론으로 제작된 손잡이가 상기 핸들의 단부에 고정된다.

또한, 본 발명에 따르면, 가상 소화기 모델과 햅틱장치를 이용한 내시경 수련방법에 있어서, 오퍼레이터가 가상 소화기 모델을 관찰하며 햅틱장치를 작동하는 제1 단계와, 상기 햅틱장치의 작동에 따른 4자유도의 운동정보를 인식하는 제2 단계와, 상기 운동정보에 따라 가상 소화기 모델에서의 가상 소화기 내시경의 위치를 변위하며 상기 가상 소화기 모델과 가상 소화기 내시경이 충돌하는지를 판단하는 제3 단계와, 상기 제3 단계에서 충돌이 발생하였을 경우에는, 충돌에 의한 반력과 가상 소화기 모델의 변형을 계산하는 제4 단계와, 상기 계산된 반력과 상기 가상소화기 모델의 변형을 각각 햅틱장치 및 초기 가상 소화기 모델에 반영하는 제5 단계를 포함하는 가상 소화기 모델과 햅틱장치를 이용한 내시경 수련방법이 제공된다.

또한, 본 발명의 상기 제3 단계에서 충돌이 발생하지 않았을 경우에는 상기 제2 단계를 수행한다.

본 발명의 한 실시예에 따른 가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경 수련 시스템은 가상현실과 햅틱장치를 이용하여 소화기 내시경 수련 시스템을 구성하는 방법과 소화기 내시경 수련에 적합한 4자유도를 갖는 햅틱장치의 개발을 포함한다.

전자에서는 가상현실 기술과 반력이 가능한 햅틱장치를 이용하여 수련의에게 실제 소화기 내시경을 다루기 전에 심리적 부담이 작은 가상체험을 통한 학습이 가능하도록 도와주는 소화기 내시경 수련 시스템의 구성 방법에 대해 다룬다. 즉, 가상 소화기 내시경 수련 시스템은 가상 소화기 모델에 가상 소화기 내시경이 삽입할 때 발생하는 실제와 같은 느낌을 햅틱장치를 통해 수련의에게 전달할 수 있어야 하고, 수련의가 자유롭게 시술을 선택하여 학습을 수행할 수 있도록 가상현실 소화기 내시경 수련 시스템은 다양한 시술 시나리오를 제공해야 한다. 또, 그래픽 프로그램은 동적 영상을 제공하기 위해 15Hz이상의 리프레시(refresh)가 가능해야 하며, 햅틱장치 제어 프로그램은 안정성(stability)을 위해 1kHz 이상의 제어 사이클을 제공해야 한다.

후자의 햅틱장치는 소화기 내시경의 실제 느낌을 구현하는 일종의 힘 반향장치로서, 입이나 항문으로 삽입된 소화기 내시경의 움직임을 구현하기 위해 1자유도의 직선 운동과 2자유도 이상의 회전 운동이 가능해야 한다. 특히, 어깨 운동에 적합한 삽입 방향의 큰 작업 공간과 손목 운동에 적합한 롤(roll)방향의 작업 공간을 확보할 수 있어야 하며, 삽입 방향과 롤(roll)방향의 큰 힘의 반향을 구현할 수 있어야 한다. 또한, 서로 다른 운동들 사이에 간섭을 피하기 위해 각 자유도의 독립적인 설계가 되어야 하며, 실시간 연산이 가능하도록 간단한 구조의 정/역 기구학(forward/inverse kinematics)을 가져야 한다. 마지막으로, 햅틱장치는 PC(personal computer)와 연결하여 개발 및 관리가 용이한 프로그래밍 환경을 제공해 주어야 하며, 그래픽 프로그래밍과 독립적인 개발을 위하여 네트웍을 통한 정보를 교환할 수 있는 환경을 제공해 주어야 한다.

아래에서는 앞에서 설명한 목적을 수행할 수 있는 본 발명에 따른 가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경 수련 시스템의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경 수련 시스템의 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경 수련 시스템의 블록도이고, 도 3은 소화기 내에서의 내시경의 주요 움직임을 나타낸 개념도이고, 도 4는 도 1에 도시된 햅틱장치의 4자유도 운동을 나타낸 개략도이고, 도 5는 4자유도 중에서 제1 자유도인 직선운동을 수행하기 위한 직선운동부만을 나타낸 사시도이고, 도 6은 4자유도 중에서 제2 자유도의 롤(Roll) 운동을 수행하기 위한 롤 운동부만을 나타낸 사시도이고, 도 7은 4자유도 중에서 제3 자유도의 피치(Pitch) 운동을 수행하기 위한 피치 운동부만을 나타낸 사시도이고, 도 8은 4자유도 중에서 제4 자유도의 요(Yaw) 운동을 수행하기 위한 요 운동부만을 나타낸 사시도이고, 도 9는 도 5 내지 도 8의 각 운동부를 조립한 상태의 햅틱장치의 사시도이고, 도 10은 도 9에 도시된 햅틱장치의 제너럴라이즈드(Generalized) 좌표로 나타낸 개념도이며, 도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경 수련 시스템의 수련과정을 나타낸 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 내시경 수련 시스템은 크게 소화기의 내부를 영상으로 나타내는 그래픽 시뮬레이터(Graphic Simulator)(100)와, 수련의가 핸들(310)을 잡고 내시경 조작을 수련하는 햅틱장치(haptic device)(300) 및, 상기 햅틱장치(300)의 작동을 제어하는 햅틱 제어기(200)를 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 그래픽 시뮬레이터(100)는 수련의(이하에서는 '오퍼레이터'라 함)(400)가 내시경을 소화기에 삽입하여 카메라를 통해 인체 소화기를 보는 것과 같은 영상을 GUI(Graphical User Interface)(101)를 통해 모니터 화면에 나타낸다. GUI(101)는 오퍼레이터(Operator)(400)가 컴퓨터의 입력장치(401)인 키보드 또는 마우스를 통해 영상의 줌, 회전 및 이동 명령을 자유롭게 결정할 수 있다. 또한 화면의 저장 및 출력, 시나리오 지정 등을 수행할 수 있다.

그래픽 시뮬레이터(100)는 저 주파수의 타이머(402)에 의해 동기화되어 작동하며, 동적 영상에 현실감을 주기 위해 15Hz이상 주파수를 이용하여 가상 소화기 모델을 갱신한다. 햅틱 제어기(200)와 독립성을 유지하기 위해 통신모듈(105)을 이용하여 햅틱장치 링크들의 운동정보(106)를 입력받아, 충돌검사 모듈(103)에서 가상 소화기 모델과 가상 소화기 내시경과의 충돌을 검사한다. 충돌정보(108)는 힘 계산 알고리즘(104)을 통하여 햅틱장치(300)에 가해지는 각 축의 힘 정보(107)를 통신모듈(105)을 통해 햅틱 제어기(200)에 전달한다. 그래픽 시뮬레이터(100)의 통신모듈(105)과 햅틱 제어기(200)의 통신모듈(203)은 인터넷 기반의 TCP/IP통신(111)을 이용하여 구현된다. 그래픽 시뮬레이터(100)가 데이터를 요구하면 햅틱 제어기(200)로부터 가상 소화기 내시경의 운동 정보를 받고, 힘 정보(107)를 햅틱 제어기(200)로 전달하게 된다.

또한 충돌정보(109)는 가상모델의 변형을 계산(102)하는데 사용되며, 이러한 변형에 대한 정보(110)는 GUI(101)를 통해 충돌에 의해 변형된 소화기의 영상을 모니터로 출력한다.

햅틱 제어기(200)는 그래픽 시뮬레이터(100)에서 계산된 반력 명령(206)에 맞게 햅틱장치(300)를 제어하며, 햅틱장치(300)의 운동정보(207)를 그래픽 시뮬레이터(100)에 전달하는 역할을 수행한다. 햅틱 제어기(200)는 햅틱장치(300)의 안정성(stability)을 유지하기 위해 1kHz이상의 고 주파수 타이머(403)에 동기화 되어 있다.

제어 알고리즘(201)은 햅틱장치(300)가 적절한 반력을 내도록 햅틱장치의 각 조인트(상기 햅틱장치의 경우 4개의 조인트로 구성되어 있으며 각 조인트는 각각 한 개의 직선운동과 세 개의 회전운동이 일어나는 기계적 연결 부분을 의미한다)를 구동하는 액츄에이터(301)의 제어입력(208)을 계산한다. 컴퓨터 상의 디지털 제어입력 신호(208)는 D/A변환기(202)를 통해 액츄에이터 드라이버(204)를 구동할 수 있는 아날로그 신호(209)로 바뀌게 된다. 액츄에이터 드라이버(204)는 제어 입력(209)에 맞게 전류(211)를 액츄에이터(301)에 공급하여 햅틱장치(300)가 적절한 힘을 발생하도록 한다.

그리고 햅틱장치(300)는 액츄에이터(301), 센서(302), 기계적 링크(303)를 구비하며, 햅틱장치(300)의 센서(302)는 각 조인트의 움직임에 따라 전기적인 신호(212)를 발생한다. 이러한 센서(302)의 전기적인 신호(212)는 햅틱 제어기(200)의 센서 인터페이스 모듈(205)에 전달되어 햅틱장치(300)의 조인트 각도 또는 직선이동 거리(210)를 알아내는데 사용된다. 액츄에이터(301)의 토크(305)는 기계적 링크(303)를 통해 오퍼레이터(400)에 전달된다. 또한, 오퍼레이터(400)의 움직임(304)은 기계적 링크(303)를 통해 센서(302)에 전달된다.

한편, 소화기 내시경 시술은 식도나 대장과 같은 관 형태의 소화기 속으로 소형 카메라와 시술용 도구가 내장된 소화기 내시경을 삽입하여 소화기의 내부를 관찰하고 치료하는 작업으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 소화기 내시경 작업의 주요 움직임은 소화기를 따라 삽입하는 방향의 입력운동과 상기 입력운동 방향에 수직한 세 방향으로 회전하는 회전운동들로 표현할 수 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 햅틱장치(300)는 소화기 내시경 수련에 적합하도록 4자유도의 입력과 힘 반향을 구현할 수 있는 구조를 갖는다.

일반적으로 이상적인 햅틱장치(300)는 6자유도의 입력과 반력을 구현하면서 충분히 큰 힘과 넓은 운동범위를 가져야 하지만, 현실적으로는 이 3가지 조건을 모두 만족하기 어렵다. 따라서, 특정 대상작업에 맞도록 햅틱장치(300)의 자유도 및 힘과 운동범위를 조절할 필요가 있다. 소화기 내시경은 인체의 소화관 시작점과 끝점이 되는 입과 항문을 통해 삽입되므로 6개의 자유도 모두를 구현할 필요성이 없다. 도 4에 보이듯이 최소한 4자유도를 이용하면, 기본적인 소화기 내시경 시술의 운동을 표현할 수 있다. 즉, 입 또는 항문에 내시경을 삽입하는 방향의 운동을 구현하는 하나의 직선운동과, 상기 삽입방향에 대해 수직하게 회전하는 pitch 운동과 yaw 운동 및 roll 운동하는 3개의 회전운동이 가능한 햅틱장치(300)를 이용하면 소화기 내시경 시술에 필요한 최소한의 입력 운동 및 힘 반향을 구현할 수 있다.

본 발명에서는 내시경 시술 수련을 위한 4자유도를 갖는 햅틱장치를 개발한 것으로 아래에서는 4자유도를 갖는 햅틱장치에 대해 상세히 설명하겠다.

도 5 내지 도 8은 도 4에 도시된 4자유도를 갖는 햅틱장치(300)를 각각의 운동부로 분리하여 나타낸 도면들이다.

도 5는 제1 자유도의 직선운동부(320)를 나타낸 것으로서, 직선운동부(320)는 삽입방향의 직선운동을 구현하는 장치이며, 직선운동부(320)는 두 개의 볼 부시 베어링(321)이 지지대(323)의 양단에 각각 고정되고, 핸들(310)이 이런 두 개의 볼 부시 베어링(321)을 관통한 상태로 직선 운동한다. 여기에서 핸들(310)은 그 원주의 일부가 편편하게 길이를 따라 절삭 가공된다.

또한, 제1 모터(361)는 핸들(310)과 수직방향으로 위치하여 지지대(323)에 고정되고, 제1 모터(361)의 회전축(361S)은 핸들(310)과 직교하여 위치하며, 제1 모터(361)의 회전축(361S)에는 와이어(wire;도면에 도시안됨)가 2~3회 감기고 와이어의 양단은 핸들(310)의 양단에 각각 고정된다. 이와 같은 와이어 구동방식은 역구동성(back-drivability)을 보장하고 역행(backlash)이 발생하지 않도록 하는 햅틱장치에서 널리 이용되는 방법이다.

한편, 이런 제1 모터(361) 및 아래에서 설명될 제2, 제3, 제4 모터(362, 363, 364)에는 엔코더(도면에 도시안됨)가 각각 설치된다. 이런 엔코더는 각 모터(361, 362, 363, 364)의 회전축(361S, 362S, 363S, 364S)의 회전수를 카운트하여 핸들(310)의 직선 및 회전운동량 즉, 이동거리 및 회전각도를 계산하며, 이런 계산값으로 4자유도의 힘 반향을 제시할 수 있다. 또한, 지지대(323)의 내부 양단부에 위치하며 핸들(310)의 편편한 면과 접해 위치하는 두 개의 롤러(325)는 핸들(310)과의 마찰을 최소화하여 핸들(310)의 직선운동이 원활하게 이루어질 수 있도록 할뿐만 아니라 핸들(310)이 볼 부시 베어링(321) 내에서 회전하는 것을 방지한다. 두 개의 롤러(325)의 양단부는 베어링(327)에 의해 지지대(323)에 회전 가능하게 고정된다.

따라서, 두 개의 볼 부시 베어링(321)을 관통해 위치한 핸들(310)은 두 롤러(325)에 의해 그 길이방향으로 직선운동만 가능할 뿐, 회전하지는 않는다.

한편 도 6은 제2 자유도의 롤 운동(Roll Motion)부(330)를 나타낸 것으로서, 롤 운동부(330)는 핸들(310)의 길이방향 중심축을 중심으로 회전하는 롤 방향의 회전을 구현하는 장치이다. 롤 운동부(30)는 상기 볼 부시 베어링(321)의 둘레를 감싸는 베어링(333)과, 이런 베어링(333)의 외륜에 고정되는 고정판(331)을 포함한다. 따라서, 고정판(331)은 상기 핸들(310)의 길이 중심축을 중심으로 회전 가능하게 위치한다(롤 운동방향). 여기에서, 볼 부시 베어링(321)과 그 둘레를 감싸는 베어링(333)은 볼트(335)체결에 의해 고정된다.

그리고, 롤 운동부(30)의 구동을 제어하는 제2 모터(362)는 고정판(331)의 하부에 위치한다. 그리고, 두 개의 고정판(331) 중에서 어느 한 고정판의 바깥쪽에 제1 반원판(371)이 위치하며 이런 제1 반원판(371)은 상기 볼 부시 베어링(321)의 둘레를 감싸 고정된다. 이런 제1 반원판(371)과 제2 모터(362)의 회전축(362S)은 앞에서 설명한 바와 같은 와이어 구동방식으로 연결된다.

따라서, 제2 모터(362)가 구동하게 되면 와이어에 의해 제1 반원판(371)은 핸들(310)을 중심으로 롤 운동방향으로 회전하며, 이런 제1 반원판(371)의 회전은 볼 부시 베어링(321)에 전달되고, 볼 부시 베어링(321)이 고정된 지지대(323) 또한 제1 반원판(371)에 의해 롤 운동방향으로 회전하며, 지지대(323)에 회전 가능하게 고정된 롤러(325)와 접해 있는 핸들(310)은 지지대(323)가 롤 운동방향으로 회전하면서 핸들(310) 또한 롤 운동방향으로 회전한다.

이때, 고정판(331)과 볼 부시 베어링(321)은 상대회전한다. 여기에서, 롤 운동부(30)의 구동을 제어하는 제2 모터(362)는 도 7에 도시된 제2 반원판(372)에 형성된 구멍(344)에 삽입되어 고정된다.

한편 도 7은 제3 자유도의 피치 운동(Pitch Motion)부(340)를 나타낸 것으로서, 피치 운동부(340)는 핸들(310)의 중간을 기준으로 핸들(310)의 양단부가 상하방향으로 선회하는 피치방향의 회전을 구현하는 장치이며, 피치 운동부(340)는 아래와 같이 구성된다.

상기 고정판(331)의 하단에는 제2 반원판(372)이 고정된다. 이런 제2 반원판(372)은 그 하부가 반원으로 벤딩된 벤딩 플레이트(341)를 갖고 있으며, 벤딩 플레이트(341)의 상면은 고정판(331)의 하단에 고정되고 지지대(323)의 측부에는 브라켓(349)이 형성된다. 이런 브라켓(349)은 핸들(310)과 수직으로 세워져 지지대(323)의 위치까지 연장되며, 프레임(345)이 이런 브라켓(349)과 평행하게 위치한다. 그리고, 프레임(345)과 브라켓(349)은 회전축(347)에 의해 힌지결합된다. 따라서, 프레임(345)의 회전축(347)을 중심으로 제2 반원판(372)은 회전하며, 제2 반원판(372)의 하부에는 상기 핸들(310)과 수직방향으로 제3 모터(363)가 위치하고, 제3 모터(363)의 회전축(363S)은 와이어 구동방식으로 연결된다. 따라서, 제2 반원판(372)은 제3 모터(363)의 구동에 의해 프레임(345)의 회전축(347)을 중심으로 회전한다.(피치 운동방향)

여기에서 제2 반원판(372)의 벤딩 플레이트(341)와 고정판(331)에 고정된 수평 플레이트(342)의 사이에는 수직 플레이트(343)가 위치하고, 이런 수직 플레이트(343) 중간에는 구멍(344)이 형성된다. 이런 구멍(344)에 제2 모터(362)가 삽입되어 고정된다.

한편 도 8은 제4 자유도의 요 운동(Yaw Motion)부(350)를 나타낸 것으로서, 요 운동부(350)는 핸들(310)의 중간을 기준으로 양단부가 좌우방향으로 선회하는 요 방향의 회전을 구현하는 장치이다. 요 운동부(350)는 상기 프레임(345)의 하단이 고정되는 회전판(353)과, 베어링(도면에 도시안됨)에 의해 상기 회전판(353)의 저면에 고정되는 받침대(351)를 포함한다. 따라서, 회전판(353)은 베어링에 의해받침대(351)에 대해 상대 회전한다.

그리고, 제4 모터(364)는 회전판(353)의 상부에 위치하며 제4 모터(364)의 회전축(364S)은 회전판(353)을 관통하여 회전판(353)의 저면으로 돌출되어 위치한다. 이런 제4 모터(364)의 회전축(364S)에도 와이어가 감겨 있고 와이어의 단부는 회전판(353)에 고정된다. 따라서, 제4 모터(364)의 구동에 의해 회전판(353)은 회전하게 된다(요 운동방향).

아래에서는 이와 같이 구성된 가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경 수련 시스템의 제1, 제2, 제3, 제4 모터(361, 362, 363, 364)의 구동에 따른 핸들(310)이 회전방향에 대해 정리하겠다.

도 9에 도시된 바와 같이, 제1 모터(361)의 구동에 의해 핸들(310)은 삽입방향으로 전후진하면 이동(q1)하고(직선운동), 제2 모터(362)의 구동에 의해 핸들(310)은 그 길이방향의 중심축을 중심으로 회전(q4)하고(롤 운동), 제3 모터(363)의 구동에 의해 핸들(310)은 지지대(323)를 중심으로 양단부가 상하방향으로 선회(q2)하며(피치 운동), 제4 모터(364)의 구동에 의해 핸들(310)은 그 양단부가 좌우방향으로 선회(q3)한다(요 운동).

또한, 테플론으로 만든 손잡이(380)가 4자유도를 갖는 햅틱장치(300)의 핸들(310)의 단부에 부착되고, 제1 반원판(371)에 카운터-매스(counter-mass)(390)가 설치되어 직선운동(q1)을 구현하는 제1 모터(361)의 무게 때문에 발생하는 롤 운동 방향의 회전모멘트를 보상한다.

도 10에 도시된 바와 같이, 햅틱장치(300)의 기구학(kinematics)은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기에서, x는 핸들 끝단의 x축 좌표이고, y는 핸들 끝단의 y축 좌표이고, z는 핸들 끝단의 z축 좌표이고, θ는 핸들 끝단의 롤방향 회전 각도이고, q1은 핸들의 직선이동 거리이고, q2는 핸들의 피치 회전 각도이고, q3은 핸들의 요 회전 각도이며, q4는 핸들의 롤 회전 각도이다.

역 기구학은 수학식 1을 응용한 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

수학식 2를 자코비안 행렬과 결정값(determinant)은 수학식3과 수학식 4로 계산된다.

수학식 4에 나타난 바와 같이, 햅틱장치(300)의 운동범위 내에서 q1과 cosq2는 0(zero)의 값을 갖지 않으므로, 위와 같이 설계된 햅틱장치는 단일포인트(singular point)를 갖지 않는다. 또한, 4개의 자유도의 중심축이 모두 하나의 점에서 교차하도록 설계되어 기구학과 역 기구학을 간단히 계산할 수 있다.

아래에서는 본 발명의 한 실시예에 따른 가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경 수련 시스템을 이용한 수련과정에 대해 상세히 설명하겠다.

도 11에 도시된 바와 같이, 오퍼레이터(400)가 GUI(101)를 통해 출력되는 가상 소화기 모델을 관찰하면서 햅틱장치(300)를 구동한다(S1). 그러면, 햅틱장치(300)의 센서(302)들은 각 링크들의 회전각도 및 직선이동을 측정하고 그 변위에 비례하는 전압의 전기적신호를 햅틱제어기(200)로 입력한다. 그러면, 햅틱제어기(200)에서는 상기의 전기적신호를 통해 햅틱장치(300)의 운동정보를 인식한다(S3).

햅틱제어기(200)는 인식된 운동정보를 이용하여 가상 소화기 모델과 가상 소화기 내시경의 충돌이 발생하는 지를 판단한다(S5). 충돌이 발생하지 않았을 경우에는 계속적으로 햅틱장치(300)의 운동정보를 인식하고(S3), 충돌이 발생하였을 경우에는 제어 알고리즘에서 상기 운동정보를 이용하여 충돌에 의해 발생하는 반력을 계산하고(S7), 상기 충돌에 의한 가상 소화기 모델의 변형을 계산한다(S9).

그리고, 계산된 반력을 햅틱장치(300)의 액츄에이터(301)에 적용하여 햅틱장치(300)의 핸들(310)이 회전 및 직선운동하도록 하며(S11), 계산된 가상 소화기 모델의 변형을 초기의 가상 소화기 모델에 적용하여 GUI(101)를 통해 영상으로 출력한다(S13).

따라서, 오퍼레이터(400)가 햅틱장치(300)의 핸들을 과도하게 조작하여 가상 소화기 내시경과 가상 소화기 모델이 충돌하게 되었을 때, 실제 내시경 시술에서와 동일하게 충돌에 의한 반력이 햅틱장치(300)의 핸들(301)에 전달되어 이를 오퍼레이터가 촉감으로 느낄 수 있으며, 동시에 영상으로는 충돌에 의해 변형된 가상 소화기 모델이 출력되어 실제 내시경 시술과 동일한 간접 경험의 효과를 얻을 수 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경 수련 시스템은 환자를 통한 직접적인 소화기 내시경 수련이 점차 어려워지고 있는 상황에서 가상현실과 햅틱장치를 이용하여 실제 소화기 내시경을 다루는 것과 비슷한 느낌을 주도록 하여, 실제 환자를 대상으로 하였을 때의 위험부담을 줄이고, 의사가 보다 빠른 시간 내에 전문기술을 습득할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경 수련 시스템에서의 햅틱장치는 내시경 시술에 적합한 4자유도를 갖고 있어 구성이 간단하여 고장이나 정비가 편리하며, 또한, 이런 햅틱장치의 4개의 자유도에 있어서, 각 자유도의 중심축이 모두 한 점에서 교차하도록 설계되어 있어 정/역기구학을 간단히 계산할 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 가상현실과 햅틱장치를 이용한 소화기 내시경 수련 시스템에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

소화기 내시경 수련장치에 있어서,

소화기의 내부를 가상의 영상으로 출력하며 가상의 영상에서 이동하는 내시경의 가상 위치가 가상 영상의 소화기와 충돌하면 그 반력을 계산하여 전기적신호로 출력하는 그래픽 시뮬레이터와,

핸들의 기계적 변위에 따른 신호를 출력하고 상기 반력에 대한 정보를 갖는 입력신호에 따라 상기 핸들이 변위하는 햅틱(haptic)장치 및,

상기 그래픽 시뮬레이터와 상기 햅틱장치의 사이에 연결되어 상기 햅틱장치로부터 입력된 신호에 따라 상기 그래픽 시뮬레이터의 영상출력을 제어하고 상기 그래픽 시뮬레이터로부터 입력된 신호에 따라 상기 햅틱장치의 핸들에 가해지는 반력을 제어하는 햅틱제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련장치.
제 1 항에 있어서,

상기 그래픽 시뮬레이터는

입력장치로부터 입력되는 명령어에 따라 소화기의 영상을 출력하는 GUI(Graphical User Interface)와, 상기 햅틱제어부로부터 햅틱장치의 운동정보를 입력받기 위한 통신모듈과, 상기 입력된 운동정보에 따라 가상모델의 소화기와 충돌여부를 검사하는 충돌검사 모듈과, 상기 충돌검사 모듈로부터 출력된 충돌정보를이용하여 충돌에 의해 발생하는 반력을 계산하는 힘 계산 알고리즘을 포함하며,

상기 충돌정보에 따른 소화기의 가상모델의 변형을 계산하여 상기 GUI에 입력하고, 상기 통신모듈을 통해 상기 힘 계산 알고리즘에서 출력된 반력의 정보를 상기 햅틱제어부에 입력하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련장치.
제 2 항에 있어서,

상기 그래픽 시뮬레이터는 15Hz이상의 주파수의 타이머에 의해 동기화되어 작동하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련장치.
제 1 항에 있어서,

상기 햅틱제어부는

상기 그래픽 시뮬레이터로부터 계산된 반력을 입력받는 통신모듈과, 상기 햅틱장치에 가해지는 반력에 따른 상기 햅틱장치의 액츄에이터의 제어입력값을 계산하는 제어 알고리즘과, 상기 제어알고리즘에서 계산된 제어입력값을 아날로그로 변환하는 D/A변환기와, 상기 아날로그로 변환된 제어입력값에 따라 햅틱장치를 구동하는 액츄에이터구동부와, 상기 햅틱장치와 연결되어 상기 햅틱장치의 운동정보를 입력받아 이를 상기 제어 알고리즘으로 입력하는 인터페이스 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련장치.
제 4 항에 있어서,

상기 햅틱제어부는 1kHz이상의 주파수 타이머에 의해 동기화되어 작동하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련장치.
제 1 항에 있어서,

상기 햅틱장치는

상기 햅틱제어부로부터 입력되는 제어입력값에 따라 구동하는 액츄에이터와, 상기 액츄에이터에 의해 4자유도로 구동하는 구동수단들과, 상기 액츄에이터 또는 오퍼레이터에 의한 상기 구동수단들의 변위를 인식하고 인식된 변위에 비례하는 전압의 전기적신호를 상기 햅틱제어부에 입력하는 측정센서들을 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련장치.
햅틱장치에 있어서,

사용자가 파지할 수 있게 구성된 핸들과,

전기적신호가 입력되거나 출력되는 신호입출력부 및,

상기 핸들의 동작을 전기적신호로 변환하여 상기 신호입출력부를 통해 출력하고 상기 신호입출력부를 통해 입력된 전기적신호에 대응하는 동작을 생성하여 상기 핸들에 전달하는 액츄에이터를 포함하고,

상기 액츄에이터는 상기 사용자가 핸들을 밀고 당기는 전후진에 대응하는 전기적신호 및 상기 전후진 방향을 기준으로 피칭과 요잉 및 롤링에 대응하는 전기적신호를 생성하며,

상기 액츄에이터는 제1 전기적신호를 수신하면 상기 핸들을 전후진시키고 제2 전기적신호를 수신하면 피칭시키며 제3 전기적신호를 수신하면 요잉시키고 제4 전기적신호를 수신하면 롤링시키게 구성되는 것을 특징으로 하는 햅틱장치.
제 7 항에 있어서,

상기 액츄에이터의 전후진수단은

원형봉의 단면 가장자리 일부가 길이방향으로 절단되어 편편한 일면을 갖는 핸들의 중간부를 감싸는 두 개의 롤 부시 베어링과, 상기 롤 부시 베어링의 사이에 위치하여 상기 두 개의 롤 부시 베어링에 고정되며 상기 핸들을 감싸는 지지대와, 상기 핸들의 일면과 접하여 회전하도록 양단부가 상기 지지대에 회전 가능하게 체결된 두 개의 롤러와, 상기 핸들과 수직을 이루는 회전축을 갖는 제1 모터와, 상기 제1 모터의 회전축에 감겨지며 그 양단부는 상기 회전축을 중심으로 상기 핸들의 양단부 쪽에 고정된 와이어를 포함하며,

상기 제1 모터에는 엔코더가 설치되어 상기 핸들의 전후진에 따른 전기적 신호를 출력하고, 상기 전후진 반력정보를 갖는 전기적신호에 따라 상기 제1 모터가 구동하는 것을 특징으로 하는 햅틱장치.
제 8 항에 있어서,

상기 액츄에이터의 롤링수단은

상기 한 개의 롤 부시 베어링의 둘레를 감싸 고정된 제1 반원판과, 상기 제1반원판의 원주면에 대응하여 위치하며 상기 핸들과 평행한 회전축을 갖는 제2 모터와, 상기 제2 모터의 회전축에 감겨지며 그 양단부는 상기 제1 반원판의 원주면 양단부 쪽에 고정된 와이어를 포함하며,

상기 제2 모터에는 엔코더가 설치되어 상기 핸들의 롤링에 따른 전기적 신호를 출력하고, 상기 롤링 반력정보를 갖는 전기적신호에 따라 상기 제2 모터가 구동하는 것을 특징으로 하는 햅틱장치.
제 9 항에 있어서,

상기 액츄에이터의 피칭수단은

상기 롤 부시 베어링의 둘레에 상대 회전 가능하도록 고정된 두 개의 고정물과, 직경에 해당하는 부위가 상기 두 개의 고정물에 고정된 제2 반원판과, 상기 제2 반원판과 평행하게 위치하는 프레임과, 상기 제2 반원판과 일체로 형성된 상기 프레임과 힌지결합된 브라켓과, 상기 제2 반원판의 원주면에 대응하여 위치하며 상기 핸들과 수직한 회전축을 갖는 제3 모터와, 상기 제3 모터의 회전축에 감겨지며 그 양단부는 상기 제2 반원판의 원주면 양단부 쪽에 고정된 와이어를 포함하며,

상기 제3 모터에는 엔코더가 설치되어 상기 핸들의 피칭에 따른 전기적 신호를 출력하고, 상기 피칭 반력정보를 갖는 전기적신호에 따라 상기 제3 모터가 구동하는 것을 특징으로 하는 햅틱장치.
제 10 항에 있어서,

상기 제2 반원판은 상기 두 개의 고정물에 고정되는 수평 플레이트와, 상기 고정물이 고정된 상기 수평 플레이트의 일면의 반대면인 타면의 양단부에 고정된 두 개의 수직 플레이트와, 오목한 면이 상기 수직 플레이트의 자유단부에 고정된 벤딩 플레이트를 포함하며,

상기 수직 플레이트의 중간부에 상기 제2 모터가 삽입되는 구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 햅틱장치.
제 10 항에 있어서,

상기 액츄에이터의 요잉수단은

원형판과, 상기 원형판의 저면에 상기 원형판과 상대 회전가능한 받침대와, 상기 원형판을 관통하여 상기 받침대의 측면에 대응하여 위치하는 회전축을 갖는 제4 모터와, 상기 제4 모터의 회전축에 감겨지며 그 양단부는 상기 회전판에 고정되어 상기 제4 모터의 회전에 의해 상기 회전판이 회전하도록 회전력을 전달하는 와이어를 포함하며,

상기 제4 모터에는 엔코더가 설치되어 상기 핸들의 요잉에 따른 전기적 신호를 출력하고, 상기 요잉 반력정보를 갖는 전기적신호에 따라 상기 제4 모터가 구동하는 것을 특징으로 하는 햅틱장치.
제 9 항에 있어서,

상기 제1 반원판에는 상기 제1 모터의 무게에 의해 발생하는 롤링 모멘트를보상하기 위해 카운터-매스가 설치된 것을 특징으로 하는 햅틱장치.
제 7 항에 있어서,

테플론으로 제작된 손잡이가 상기 핸들의 단부에 고정되는 것을 특징으로 하는 햅틱장치.
가상 소화기 모델과 햅틱장치를 이용한 내시경 수련방법에 있어서,

오퍼레이터가 가상 소화기 모델을 관찰하며 햅틱장치를 작동하는 제1 단계와,

상기 햅틱장치의 작동에 따른 4자유도의 운동정보를 인식하는 제2 단계와,

상기 운동정보에 따라 가상 소화기 모델에서의 가상 소화기 내시경의 위치를 변위하며 상기 가상 소화기 모델과 가상 소화기 내시경이 충돌하는지를 판단하는 제3 단계와,

상기 제3 단계에서 충돌이 발생하였을 경우에는, 충돌에 의한 반력과 가상 소화기 모델의 변형을 계산하는 제4 단계와,

상기 계산된 반력과 상기 가상 소화기 모델의 변형을 각각 햅틱장치 및 초기 가상 소화기 모델에 반영하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 소화기 모델과 햅틱장치를 이용한 내시경 수련방법.
제 15 항에 있어서,

상기 제3 단계에서 충돌이 발생하지 않았을 경우에는 상기 제2 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 가상 소화기 모델과 햅틱장치를 이용한 내시경 수련방법.