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새로운 S-Chain 모델을 이용한 MR 햅틱 시뮬레이터 제어
Control of MR Haptic Simulator Using Novel S-chain Model 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.9 no.11, 2018년, pp.291 - 297  

오종석 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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의료 현장에서의 최소침습수술(MIS)의 어려움 때문에 시뮬레이터 훈련이 활발히 연구되고 있다. 이를 위해 본 연구에서는 S-chain모델을 사용하여 가상 장기와 변형과정을 표현하고 반발력 제공이 가능한 햅틱 시뮬레이터를 개발하고자 한다. S-chain알고리즘의 주요 원리는 반발력이 체인 요소의 수에 비례하는 것이며, 대상인 장기의 변형이 클수록 많은 계산시간을 요구한다. 이에 본 연구에서는 계산속도가 개선된 S-chain알고리즘을 회전움직임에 적용하여 제어성능을 평가하였다. 본 연구에서는 자기 점성 점성(MR) 유체를 사용하는 햅틱 마스터 시스템을 제안하고 S-chain모델을 개발한다. 결과적으로, 이 S-chain모델을 사용하여 가상의 장기와 실제 마스터 장치를 결합함으로써 반발력과 수술로봇의 좌표 위치를 서로 전달하는 햅틱 시스템을 구축하여, 햅틱 시뮬레이터의 제어 성능을 실험을 통해 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Due to difficulty in minimally invasive surgery, training simulator is actively researched. A volumetric deformable organ is created by employing a shape-retaining chain-linked (S-chain) model to realize positioning a human organ model in virtual space. Since the main principle of the S-chain algori...

주제어

#반발력   #스마트유체   #자기점성유체   #MR 클러치   #S-chain 모델  

표/그림 (7)

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 이에 외과용 로봇수술 시뮬레이터의 개발은 RMIS의 상용화를 위해 매우 필수적이다. 게다가, 마스터의 촉각 피드백 기능을 추가할 수 있다면 외과 의사들에게 매우 도움이 될 수 있기에, 본 논문에서는 가상 환경에서 햅틱 외과용 시뮬레이터를 개발하는 것이 주요 목적이다.
  • 따라서, 본 논문은 4 자유도 자기 점성 가변적(MR) 햅틱 마스터 시스템과 가상공간의 장기기관 사이에 햅틱 인터페이스를 제안한다. 제안된 햅틱 장치에는 근감각적인 반발력에 대한 햅틱 피드백 기능이 있다.
  • 본 연구에서는 MR유체를 사용하는 4 자유도 햅틱 마스터를 RMIS 수술중 생기는 근감각적인 반발력을 구현하기 위하여 제안하였으며, 4 자유도의 수술 동작중의 생기는 반발력을 발생시킬 수 있다. 또한 가상의 공간에서 인체 기관 모델을 구현하기 위해 S-chain모델을 사용하여 형체 변형 기관을 구현하였으며, 이때 변형에 따른 반발력을 계산하여 햅틱마스터를 통해 구현하도록 하였다.
  • S-chain 모델은 초기 위치에서의 변형이 근처 체인으로 확장되어 가는 것인데, 격자배열로 이루어진 체인과 노드들에서는 회전운동에 따른 근처 체인을 격자구조로 상정하게 되면 변형 과정이 실제와 매우 다르게 된다. 이에 본 논문에서는 그림 3과 같이 격자구조로 이루어진 체인과 노드들을 중심행과 중심열로 구역을 나누어 회전에 따른 변형을 설명하고자 한다. 먼저 회전의 중심 노드인 e1에서는 회전 토크만 가해지고 위치변화는 없다고 보았으며, e1을 중심으로 상하좌우에 존재하는 4개의 노드가 회전방향에 따라 상하좌우로 움직인다고 가정하였다.

가설 설정

  • 먼저 회전의 중심 노드인 e1에서는 회전 토크만 가해지고 위치변화는 없다고 보았으며, e1을 중심으로 상하좌우에 존재하는 4개의 노드가 회전방향에 따라 상하좌우로 움직인다고 가정하였다. 4개의 노드들의 변형량이 최대 변형거리를 넘어서게 되면 이때 회전 하게 되며, 인접한 상하좌우의 노드들이 움직이며 앞의 변형과정과 똑같은 과정을 거친다고 가정하였다. 이러한 가정을 적용한 변형과정은 그림 4에 나타내었다.
  • 이에 본 논문에서는 그림 3과 같이 격자구조로 이루어진 체인과 노드들을 중심행과 중심열로 구역을 나누어 회전에 따른 변형을 설명하고자 한다. 먼저 회전의 중심 노드인 e1에서는 회전 토크만 가해지고 위치변화는 없다고 보았으며, e1을 중심으로 상하좌우에 존재하는 4개의 노드가 회전방향에 따라 상하좌우로 움직인다고 가정하였다. 4개의 노드들의 변형량이 최대 변형거리를 넘어서게 되면 이때 회전 하게 되며, 인접한 상하좌우의 노드들이 움직이며 앞의 변형과정과 똑같은 과정을 거친다고 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
로봇 보조 최소침습수술의 상용화를 위해 필수적인 것은? 환자들은 통증이 적고 입원 기간이 짧기 때문에 RMIS를 통해 큰 혜택을 보지만, 의사에게는 RMIS의 과정을 배우는 것은 매우 어렵다. 이에 외과용 로봇수술 시뮬레이터의 개발은 RMIS의 상용화를 위해 매우 필수적이다. 게다가, 마스터의 촉각 피드백 기능을 추가할 수 있다면 외과 의사들에게 매우 도움이 될 수 있기에, 본 논문에서는 가상 환경에서 햅틱 외과용 시뮬레이터를 개발하는 것이 주요 목적이다.
로봇 보조 최소침습수술은 어떻게 진행되는가? 로봇 기술의 눈부신 발전으로 최소침습수술기법이 제안되었으며, 로봇 보조 최소침습수술(RMIS)은 마스터-슬레이브 로봇 시스템을 통해 환자와 의사가 떨어진 채로 수술이 진행된다 [1-3]. 예를 들어, 환자의 복부에 RMIS가 있는 동안, 작은 절개부위를 통해 비디오 카메 라와 수술 도구가 있는 로봇 팔이 그 부위에 삽입된다.
S-chain 모델의 단점은 무엇인가? 실시간 계산의 복잡성으로 인해 빠른 실시간 상호 작용을 보여 주는 형상 저장 체인(S-chain)모델이 제안되었다[8-10]. S-chain 모델은 변형량에 따라 계산속도가 비례하기 때문에 3-D 가상장기에 적용하여 실시간 제어장치에 적용하기 매우 어려운 점이 있으며 격자 구조로 배열된 체인의 특성상 회전 움직임에 대한 변형을 표현하기 어려운 점이 있다.
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