KR100606616B1

KR100606616B1 - 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치

Info

Publication number: KR100606616B1
Application number: KR1020040079429A
Authority: KR
Inventors: 이두용; 우현수; 권준용; 송석현
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2006-08-01
Anticipated expiration: 2024-10-06
Also published as: KR20060030594A

Abstract

본 발명은 3차원 가상 소화기를 대상으로 실제 인체와 유사한 가상 소화기 내시경 시술 경험을 하는데 사용되는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치로서, 본 발명의 햅틱장치(300)는 지지부(340)와; 지지부에 직선운동이 가능하게 설치되고, 일측에 내시경 튜브(350)의 일단이 고정되며, 사용자의 조작에 따른 내시경 튜브의 직선운동 정보를 소화기 내시경 수련 시뮬레이터의 제어기에 제공하고 그에 따른 역감 및 촉감을 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 직선 운동부(310); 및 내시경 튜브의 회전운동이 가능하도록 직선 운동부에 회전 가능하게 고정되며, 사용자의 조작에 따른 내시경 튜브의 롤방향 회전운동 정보를 소화기 내시경 수련 시뮬레이터의 제어기에 제공하고 그에 따른 역감 및 촉감을 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 롤 회전 운동부(320)를 포함한다. 본 발명은 기본적인 소화기 내시경 시술의 운동을 표현할 수 있는 직선방향과 롤방향의 2자유도를 간단한 기구적 메커니즘을 통해 구현하고, 또한 사용자의 조작에 따른 역감 및 촉감을 충분히 느낄 수 있어 수련 시뮬레이터에 대한 몰입감을 높이는 효과가 있다.

Description

소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치{Haptic Interface for Gastrointestinal Endoscopy Simulators}

도 1은 본 발명의 햅틱장치를 적용한 소화기 내시경 수련 시뮬레이터의 개략도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치의 구성관계를 도시한 사시도이며,

도 3은 도 2에 도시된 햅틱장치의 직선 운동부의 구성관계를 도시한 상세도이고,

도 4는 도 2에 도시된 햅틱장치의 롤 회전 운동부의 구성관계를 도시한 상세도이며,

도 5는 도 2에 도시된 햅틱장치의 접힘 가이드부의 구성관계를 도시한 상세도이고,

도 6 및 도 7은 도 2에 도시된 햅틱장치의 흔들림 운동 감지부의 배치관계를 도시한 정면도 및 단면도이며,

도 8은 도 6에 도시된 흔들림 운동 감지부의 배치원리를 나타낸 그래프이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

100 : 그래픽 시뮬레이터 200 : 햅틱 제어기

300 : 햅틱장치 310 : 직선 운동부

320 : 롤 회전 운동부 330 : 접힘 가이드부

340 : 지지부 350 : 내시경 튜브

360 : 흔들림 운동 감지부

본 발명은 소화기 내시경 수련 시뮬레이터에 사용되는 햅틱장치에 관한 것이며, 특히 3차원 컴퓨터그래픽 및 햅틱장치를 이용하여 내과 수련의들이 실제 인체를 대상으로 소화기 내시경을 시술하는 것과 유사한 가상 소화기 내시경 시술 경험을 제공해 주는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치에 관한 것이다.

현재 내과 분야에서 소화기 내시경을 이용한 검사 및 시술의 보급이 확대되고 있으며, 이는 무침투성의 장점을 갖는 소화기 내시경 검사 및 시술이 무엇보다도 환자의 위험부담을 줄이고, 시간과 비용을 절감하기 때문이다. 그러나 소화기 내시경의 좁은 시각과 제약된 움직임 때문에 시술은 높은 기술 숙련도를 요구한다.

현재 내과 수련의들은 먼저 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, 또한 숙련정도에 따라 시술시간에 많은 차이가 나며 미숙한 경우 자칫 소화기를 손상시킬 수 있기 때문에, 보다 안전하고 효과적으로 소화기 내시경 시술을 습득할 수 있는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터의 개발이 필요하다.

종래에 의료분야에서 가상현실을 응용한 사례는 대부분 3차원 이미지에 의존하는 시각적인 요소가 대부분이었다. 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 시뮬레이터를 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 햅틱장치를 이용하여 의료용 수련 시뮬레이터를 구성하는 실례가 늘어나고 있다. 미쯔비시 전기연구소에서는 MRI(Magnetic Resonance Imaging) 이미지로부터 구성된 무릎의 3차원 가상 모델과 PHANToM을 이용하여 무릎 외과수술 수련 시뮬레이터를 개발하였으며, KAIST(Korea Advanced Institute of Science and Technology)의 의료영상공학연구센터에서는 PHANToM을 이용한 척수 침생검 모의 실험기를 개발하였다.

그러나 일반적인 사용을 목적으로 개발된 종래의 상용 햅틱장치는 특정 시술대상에 따라 특화된 기능을 필요로 하는 의료용 수련 시뮬레이터에 적용하는 데 한계가 있다. 따라서 대상 의료 작업에 특화된 햅틱장치의 개발이 필요하다. 이와 같이 특정한 의료시술에 특화된 햅틱장치로는 Immersion 사에서 가상 복강경 내시경 수술 작업을 위해 개발한 "Virtual Laparoscopic Impulse Engine"을 들 수 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기본적인 소화기 내시경 시술의 운동을 표현할 수 있는 직선방향과 롤방향의 2자유도를 간단한 기구적 메커니즘을 통해 구현하고, 또한 사용자의 조작에 따른 역감 및 촉감을 충분히 느낄 수 있어 수련 시뮬레이터에 대한 몰입감을 높일 수 있는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치는, 지지부와; 상기 지지부에 직선운동이 가능하게 설치되고, 일측에 내시경 튜브의 일단이 고정되며, 사용자의 조작에 따른 상기 내시경 튜브의 직선운동 정보를 소화기 내시경 수련 시뮬레이터의 제어기에 제공하고 그에 따른 역감 및 촉감을 상기 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 직선 운동부; 및 상기 내시경 튜브의 회전운동이 가능하도록 상기 직선 운동부에 회전 가능하게 고정되며, 사용자의 조작에 따른 상기 내시경 튜브의 롤방향 회전운동 정보를 소화기 내시경 수련 시뮬레이터의 제어기에 제공하고 그에 따른 역감 및 촉감을 상기 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 롤 회전 운동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

통상의 소화기 내시경 수련 시뮬레이터는 도 1에 도시된 바와 같이 그래픽 시뮬레이터(100)와 햅틱 제어기(200) 및 햅틱장치(300)로 구성되어 있다. 그래픽 시뮬레이터(100)는 사용자(400)가 소화기 내시경을 삽입하여 카메라를 통해 인체 소화기를 보는 것과 같은 영상을 GUI(Graphic User Interface)를 통해 컴퓨터 화면에 나타내는 역할을 한다. 햅틱 제어기(200)는 그래픽 시뮬레이터(100)에서 계산된 힘 반력 명령에 맞게 햅틱장치(300)를 제어하며, 햅틱장치(300)의 운동정보를 그래픽 시뮬레이터(100)에 전달하는 역할을 한다. 햅틱장치(300)는 사용자(400)가 조작함에 따라 작동하여 그 정보를 햅틱 제어기(200)에 제공하고, 그에 따라 햅틱 제어기(200)에서 제공되는 역감 및 촉감을 사용자(400)에게 전달하는 역할을 한다.

범용 햅틱장치는 6자유도의 입력과 힘 반력을 구현하면서도 충분히 큰 힘과 넓은 운동범위를 가져야 한다. 그러나 현실적으로는 이 조건들을 모두 만족시키기가 어렵다. 따라서 효율성을 위해서는 대상작업에 따라 햅틱장치의 자유도, 힘 및 운동범위를 조절할 필요가 있다. 소화기 내시경은 식도나 항문과 같은 고정된 구멍을 통해 삽입되므로 6개의 자유도가 모두 구현될 필요까지는 없으며, 단지 직선방향과 롤방향의 2자유도를 이용하더라도 기본적인 소화기 내시경 시술의 운동을 표현할 수가 있다. 즉, 내시경 시술의 특성상 직선방향은 내시경 길이만큼의 운동 범위를 구현하고, 롤방향은 무한대의 운동범위를 구현할 수 있으면 된다.

따라서 본 발명의 햅틱장치는 소화기 내시경의 움직임을 구현하기 위해 직선운동과 롤방향의 회전운동이 가능하도록 해야 한다. 특히, 어깨 운동에 적합한 삽입방향의 큰 작업공간과, 손목운동에 적합한 롤방향의 작업공간을 확보할 수 있어야 하며, 삽입 방향과 롤방향에서 큰 힘의 반력을 구현할 수 있어야 한다. 그리고 서로 다른 운동 사이에 간섭을 피하기 위해 각 자유도의 독립적인 설계가 되어야 한다. 또한, 그래픽 시뮬레이터와 햅틱 제어기를 통해 실시간 연산이 가능하도록 간단한 정기구학 및 역기구학 구조를 가지며, 컴퓨터와 연결하여 개발 및 관리가 용이한 프로그래밍 환경을 제공해 주도록 설계하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 햅틱장치는 가상 소화기 모델 속을 검사하는 도중 가상 소화기 모델의 내벽과 내시경이 접촉할 때와 샘플 채취, 절개, 약물 투입과 같은 시술을 할 때 생기는 반력을 햅틱장치를 통해 사용자가 실제 소화기 내시경 시술을 하는 것과 비슷하게 느낄 수 있도록 구현하여야 한다.

아래에서, 본 발명에 따른 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치의 구성관계를 도시한 사시도이고, 도 3 내지 도 5는 도 2에 도시된 햅틱장치의 직선 운동부, 롤 회전 운동부 및 접힘 가이드부의 구성관계를 각각 도시한 상세도이다.

도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 햅틱장치(300)는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터에서의 내시경의 삽입방향 직선운동을 구현하는 직선 운동부 (310)와, 내시경의 롤방향 회전운동을 구현하는 롤 회전 운동부(320)와, 내시경 튜브의 접힘을 가이드하는 접힘 가이드부(330), 및 상기 구성요소들을 지지하는 지지부(340)로 구성된다. 즉, 본 발명의 햅틱장치(300)는 일정 너비와 길이를 갖는 지지 밑판(341)과, 지지 밑판(341)의 양 단부에 각각 수직으로 접합되는 한 쌍의 지지 측판(342)으로 구성되는 지지부(340)를 통해, 직선 운동부(310), 롤 회전 운동부(320) 및 접힘 가이드부(330)를 지지하도록 구성된다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 직선 운동부(310)는 직선 움직임으로 가이드해 주는 가이드부와, 직선 움직임으로 구동시키는 구동부로 나눌 수 있다. 가이드부는 일단이 고정된 내시경 튜브(350)가 거동함에 따라 한 쌍의 가이드 봉(311)을 따라 직선방향으로 이동하는 이동판(312)을 포함한다. 이동판(312)의 양 단부부위에는 한 쌍의 가이드 봉(311)을 따라 마찰 없이 부드러운 직선운동을 유도하는 볼 부싱 베어링(도시안됨)이 각각 고정되어 있다. 이 때, 볼 부싱 베어링은 고정 캡(314)에 의해 이동판(312)에 고정된다.

한 쌍의 가이드 봉(311)의 양 단부는 도 2에 도시된 바와 같이 한 쌍의 지지 측판(342)에 각각 지지되고, 내시경 튜브(350)의 타측은 한 쪽의 지지 측판(342)을 관통하여 자유롭게 거동할 수 있도록 배치된다. 따라서 이동판(312)은 사용자가 내시경 튜브(350)를 당기거나 밀면 한 쌍의 가이드 봉(311)을 따라 원활하게 직선운동하게 된다. 내시경 튜브(350)는 그 길이방향에 대해서는 절곡될 수 있는 어느 정도의 유연성을 갖지만 롤방향에 대해서는 변형되지 않는 실제의 내시경 튜브를 사용하는 것이 바람직하다.

이동판(312)의 양 측부에는 고정판(315)이 각각 고정되고, 고정판(315)의 어느 한 쪽에는 모터(316)가 고정되며, 모터(316)의 모터 축(317)은 고정판(315)에 회전가능하게 지지된다. 이 때, 모터(316)와 대향하는 고정판(315)과 모터 축(317)의 사이에는 마찰력을 줄이도록 베어링(319)이 삽입 설치된다. 여기서, 모터(316)는 도 2의 사용자(400)가 내시경 튜브(350)를 조작함에 따른 직선운동 정보를 햅틱 제어기(200)에 제공하고, 그에 따라 햅틱 제어기(200)에서 제공되는 역감 및 촉감을 내시경 튜브(350)를 파지상태로 조작하는 사용자(400)에게 전달하는 역할을 한다.

직선 운동부(310)의 구동부는 와이어 구동방식으로 구성된다. 즉, 모터 축(317)에 와이어(318)를 3 ~ 4 바퀴 감은 후 와이어(318)의 양 단부를 지지 밑판(341)의 양 단부부위에 각각 고정한다. 이러한 와이어 고정방식은 통상의 햅틱장치에 널리 이용되는 방식으로서, 역작동성(back-drivability)을 보장하고 백래시(backlash)를 제거하는 기능을 한다.

도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 롤 회전 운동부(320)는 타이밍 풀리 구동방식으로 구성되는 것으로서, 그 직경이 큰 제1 타이밍 풀리(321)와, 제1 타이밍 풀리(321)에 비해 상대적으로 그 직경이 작은 제2 타이밍 풀리(322), 및 제1, 제2 타이밍 풀리(321, 322)를 서로 연결하는 타이밍 벨트(323)를 포함한다. 이런 타이밍 풀리 구조는 모터(324)의 토크를 증폭시키는 역할을 한다.

제1 타이밍 풀리(321)는 축역할을 하는 회전축(325)에 끼워져 결합되어 있으며, 회전축(325)과 이동판(312)의 사이에는 베어링(328)이 삽입 설치되어 있다. 그리고 회전축(325)에는 내시경 튜브(350)의 일단이 나사 조임 방식으로 단단하게 고정된다. 따라서 사용자가 내시경 튜브(350)를 조작할 경우 회전축(325)이 마찰 없이 롤방향으로 움직일 수 있다. 또한, 내시경 튜브(350)의 일단이 회전축(325)에 단단히 고정되어 있으므로, 사용자의 힘을 내시경 튜브(350)의 고정단까지 손실 없이 전달할 수 있다.

제2 타이밍 풀리(322)는 이동판(312)의 일측에 고정되는 모터(324)의 모터 축(326)에 결합된 회전축(327)에 고정되어, 모터(324)의 힘을 타이밍 벨트(323)를 통해 제1 타이밍 풀리(321)로 전달한다. 이 때, 타이밍 벨트(323)가 제1, 제2 타이밍 풀리(321, 322)에 처짐 없이 걸려있어 역작동성(back-drivability)을 보장할 수 있다. 그리고 제1, 제2 타이밍 풀리(321, 322)와 타이밍 벨트(323)는 미끄럼 현상이 발생하지 않도록 기어모양으로 맞물려 있는 것이 바람직하다.

롤 회전 운동부(320)의 모터(324)는 도 1의 사용자(400)가 내시경 튜브(350)를 조작함에 따른 롤방향의 회전운동 정보를 햅틱 제어기(200)에 제공하고, 그에 따라 햅틱 제어기(200)에서 제공되는 역감 및 촉감을 내시경 튜브(350)를 파지상태로 조작하는 사용자(400)에게 전달하는 역할을 한다.

도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 접힘 가이드부(330)는 내시경 튜브(350)의 접힘을 가이드하는 역할을 한다. 즉, 내시경 튜브(350)를 파지한 상태에서 조작하는 사용자의 직선방향과 롤방향의 힘이 내시경 튜브(350)의 일단이 고정되는 이동판(312)까지 전달되기 위해서는 내시경 튜브(350)가 직선으로 펴져 있어야 한다.

따라서 본 발명에서는 접힘 가이드부(330)를 구성하는 다수개의 접힘 가이드판(331)을 이용하여 내시경 튜브(350)가 중간에서 휘거나 처지는 현상을 예방한 것이다. 즉, 다수개의 접힘 가이드판(331)을 가이드 봉(311) 및 내시경 튜브(350)의 길이방향으로 등간격 배열하되, 가이드 봉(311)을 따라서는 직선이동이 가능하고, 내시경 튜브(350)에 대해서는 각각 고정되는 형태로 배열한 것이다. 이 때, 접힘 가이드판(331)은 가이드 봉(311)을 따라 큰 마찰 없이 움직일 수 있도록 최대한 가벼운 아크릴 등으로 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 접힘 가이드판(331)들 사이를 접힘 가이드부(330)를 구성하는 와이어(332)로 각각 연결하여 내시경 튜브(350)의 접힘 동작이 자유롭게 구현되며 펴짐 동작에서는 힘을 견딜 수 있도록 하였다. 이 때, 접힘 가이드판(331)들 사이의 간격을 최대 5cm 정도 펼쳐질 수 있도록 구성함으로써 내시경 튜브(350)의 휨이나 처짐 현상을 예방하도록 하였다.

도 6 및 도 7은 도 2에 도시된 햅틱장치의 흔들림 운동 감지부의 배치관계를 도시한 정면도 및 단면도이다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 햅틱장치(300)는 사용자의 조작에 따른 내시경 튜브(350)의 흔들림을 감지하는 흔들림 운동 감지부(360)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이 때, 흔들림 운동 감지부(360)는 내시경 튜브(350)가 관통하는 지지 측판(342)의 전방면에 설치된다.

흔들림 운동 감지부(360)는 전방판(361)에 부착되는 4개의 발광센서(362)와, 중간판(363)을 사이에 두고 위치하는 후방판(364)에 부착되는 4개의 수광센서(365), 및 중간판(363) 내에 위치하면서 내시경 튜브(350)의 흔들림에 따라 발광센 서(363)와 수광센서(365)의 사이를 차단하는 가림판(366)으로 구성된다. 발광센서(363)와 수광센서(365)는 서로 대응하는 위치에 각각 설치된다. 또한, 중간판(363) 내의 가림판(366) 하부에는 내시경 튜브(350)가 평소에도 아래로 쳐지지 않도록 예방하는 지지대(367)가 더 설치된다. 이 때, 지지대(367)는 내시경 튜브(350)의 움직임이 없을 때에도 가림판(366)의 중심이 항상 일정하도록 지지한다.

여기서 광센서(362, 365)는 도 1의 사용자(400)가 내시경 튜브(350)를 조작함에 따라 발생하는 내시경 튜브(350)의 흔들림 정보를 햅틱 제어기(200)를 통해 그래픽 시뮬레이터(100)에 제공하여 내시경 튜브(350)의 흔들림 정도를 컴퓨터 화면에 나타나게 한다.

본 발명은 총 4쌍의 광센서(362, 365)를 배열 설치하고 가림판(366)을 구성함에 있어서, 센서 1개를 가릴 경우와 2개를 동시에 가릴 경우를 모두 합하여 8방향의 움직임을 감지할 수 있도록 구성하였다. 이 때, 가림판(366)은 다음과 같은 방식으로 8개의 방향을 서로 간섭하지 않으면서 감지할 수 있도록 그 반지름을 결정하였다.

도 8은 도 6에 도시된 흔들림 운동 감지부의 배치원리를 나타낸 그래프이다. 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 4개의 센서가 y축을 중심으로 대칭으로 각각 22.5°, 45° 떨어져 있을 때, 가림판과 센서가 만나는 점을 x, y, 가림판 바깥 틀 반지름을 R_o, 가림판의 반지름을 R_i 라 하면, 수학식 1, 2, 3의 해를 이용하여 도 8의 L₁과 L₂를 구할 수 있다. 그리고 R_s를 센서 위치까지의 거리라고 하면, 구해진 L₁, L₂, 그리고 수학식 4, 5를 이용하여 R_i, R_o, R_s 값을 구할 수 있다.

아래에서는, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치의 작동관계에 대해 상세히 설명하겠다.

도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 사용자(400)가 내시경 튜브(350)를 파지상태에서 조작한다. 이 때, 사용자(400)가 내시경 튜브(350)를 잡아당기거나 밀면, 내시경 튜브(350)의 일단이 고정된 이동판(312)이 한 쌍의 가이드 봉(311)을 따라 직선운동하고, 그에 따라 와이어 구동방식으로 작동하는 직선 운동부(310)의 모터 축(317)이 회전한다. 그러면, 모터(316)의 회전정보, 즉 내시경 튜브(350)의 직선운동 정보가 햅틱 제어기(200)에 제공되고, 그 정보에 따른 햅틱 제어기(200) 에서의 프로그램 구동을 통해 역감 및 촉감정보가 모터(316)를 통해 내시경 튜브(350)를 조작하는 사용자(400)에게 전달된다.

그리고 사용자(400)가 내시경 튜브(350)를 롤방향으로 회전시키면, 내시경 튜브(350)의 일단이 고정된 회전축(325)이 회전하고, 그에 따라 제2, 제1 타이밍 풀리(322, 321)를 거쳐 롤 회전 운동부(320)의 모터 축(326)이 회전한다. 그러면, 모터(324)의 회전정보, 즉 내시경 튜브(350)의 롤방향의 회전정보가 햅틱 제어기(200)에 제공되고, 그 정보에 따른 햅틱 제어기(200)에서의 프로그램 구동을 통해 역감 및 촉감정보가 모터(324)를 통해 내시경 튜브(350)를 조작하는 사용자(400)에게 전달된다.

또한, 사용자(400)가 내시경 튜브(350)를 조작함에 따라 내시경 튜브(350)가 흔들리면, 가림판(366)이 흔들리는 쪽의 발광센서(363)와 수광센서(365)의 사이를 차단하고, 그에 따른 흔들림 정보가 햅틱 제어기(200)를 통해 그래픽 시뮬레이터(100)에 제공되어 내시경 튜브(350)의 흔들림 정도가 컴퓨터 화면에 나타나게 된다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 기본적인 소화기 내시경 시술의 운동을 표현할 수 있는 직선방향과 롤방향의 2자유도를 간단한 기구적 메커니즘을 통해 구현하고, 또한 사용자의 조작에 따른 역감 및 촉감을 충분히 느낄 수 있어 수련 시뮬레이터에 대한 몰입감을 높이는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 실제 내시경 튜브를 사용함에 따라 사용자의 실제감을 높이는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치에 대한 기술사항을 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 않고 첨부한 특허청구의 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

3차원 가상 소화기를 대상으로 실제 인체와 유사한 가상 소화기 내시경 시술 경험을 하는데 사용되는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치로서,

지지부와;

상기 지지부에 직선운동이 가능하게 설치되고, 일측에 내시경 튜브의 일단이 고정되며, 사용자의 조작에 따른 상기 내시경 튜브의 직선운동 정보를 소화기 내시경 수련 시뮬레이터의 제어기에 제공하고 그에 따른 역감 및 촉감을 상기 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 직선 운동부; 및

상기 내시경 튜브의 회전운동이 가능하도록 상기 직선 운동부에 회전 가능하게 고정되며, 사용자의 조작에 따른 상기 내시경 튜브의 롤방향 회전운동 정보를 소화기 내시경 수련 시뮬레이터의 제어기에 제공하고 그에 따른 역감 및 촉감을 상기 내시경 튜브를 통해 사용자에게 전달하는 롤 회전 운동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치.
제1항에 있어서, 상기 직선 운동부는 양 단부가 상기 지지부에 각각 고정되는 한 쌍의 가이드 봉과, 상기 한 쌍의 가이드 봉에 직선운동 가능하게 설치되며 상기 내시경 튜브의 일단이 고정되는 이동판, 및 상기 이동판의 일측에 설치되며 그 축에 감기는 와이어의 양 단부가 상기 지지부에 고정되는 와이어 구동방식의 모터로 구성되는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치.
제2항에 있어서, 상기 이동판과 상기 가이드 봉의 사이에는 볼 부싱 베어링이 각각 삽입 설치되는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 롤 회전 운동부는 상기 이동판의 일측에 고정되는 모터와, 상기 모터의 축에 결합되는 타이밍 풀리와, 상기 타이밍 풀리에 비해 상대적으로 크게 구성되어 상기 이동판에 회전가능하게 결합되며 상기 내시경 튜브의 일단이 고정되는 다른 타이밍 풀리, 및 상기 타이밍 풀리들을 서로 연결하는 타이밍 벨트로 구성되는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치.
제4항에 있어서, 상기 다른 타이밍 풀리는 상기 이동판에 회전가능하게 고정되는 회전축에 결합되는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치.
제5항에 있어서, 상기 내시경 튜브의 일단은 상기 회전축에 나사 조임 방식으로 고정되는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치.
제2항에 있어서, 상기 내시경 튜브에는 고정되지만 상기 한 쌍의 가이드 봉 에는 좌우이동 가능하도록 서로 연결되며 상기 내시경 튜브의 길이방향을 따라 등간격 설치되는 다수개의 접힘 가이드판과, 상기 접힘 가이드판을 서로 연결하는 와이어로 구성된 접힘 가이드부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치.
제7항에 있어서, 상기 접힘 가이드판은 아크릴로 구성되는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치.
제1항에 있어서, 상기 지지부의 일측에는 사용자의 조작에 따른 상기 내시경 튜브의 흔들림을 감지하는 흔들림 운동 감지부가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치.
제9항에 있어서, 상기 흔들림 운동 감지부는 전방판에 부착되는 4개의 발광센서와, 중간판을 사이에 두고 위치하는 후방판에 상기 발광센서에 대응하여 부착되는 4개의 수광센서, 및 상기 중간판 내에 위치하면서 상기 내시경 튜브의 흔들림에 따라 상기 발광센서와 상기 수광센서의 사이를 차단하는 가림판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치.
제10항에 있어서, 상기 가림판의 하부에는 상기 내시경 튜브의 처짐을 예방하는 지지대가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 흔들림 운동 감지부는 상기 가림판이 1개 또는 2개의 상기 발광센서 및 상기 수광센서의 사이를 차단하여 8방향의 움직임을 감지하는 것을 특징으로 하는 소화기 내시경 수련 시뮬레이터용 햅틱장치.