촉감 구현이 가능한 햅틱 인터페이스는 자동차, 가상현실, 원격진료, 게임 등 다양한 분야에서 연구되고 있는 분야로, 그 중 최소침습수술시스템에서의 인체 장기의 촉감구현은 매우 시급한 문제이다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 스마트 재료인 ER (electrorheological) 및 MR (magnetorheological) 유체를 이용하여, 하나의 관절로 4자유도 반력 구현이 가능하고 안정성이 확보된 새로운 형태의 햅틱 조인트 메커니즘을 갖는 힘 반력 마스터 장치를 구현한다. 또한 마스터 시스템과 연동되어 인체 장기에 대한 측정 및 수술을 수행하는 슬레이브 로봇을 구축하여 최소침습수술용 햅틱 아키텍쳐를 개발한다. 반력 추적 제어기를 적용하여 제안된 햅틱 시스템의 제어성능 평가를 수행한다.
이에 본 연구에서는 최소침습수술에 필요한 4자유도 운동을 구현하며 그에 따른 반력 발생이 가능한 햅틱 마스터 메커니즘을 제안하였다. 이의 구현을 위해 회전운동과 병진운동의 구현이 가능한 2가지 방식을 제안하였다. 먼저, MR 햅틱 마스터는 2자유도 회전운동 (X, Y)을 구현하기 위하여 짐발 구조물을 이용한 MR 양방향 클러치와 짐발 구조물의 손잡이부분에 1자유도 회전운동 (Z)과 1자유도 병진운동을 구현하기 위한 MR 단방향 클러치를 활용하는 형태로 고안하였다. 또한, ER 햅틱 마스터는 3자유도 회전운동 (X, Y, Z)을 구현하기 위한 ER 원구형 조인트와 1자유도 병진운동을 구현하기 위한 ER 유체를 이용한 선형장치를 제안하였다. 제안된 햅틱 마스터 작동기들의 기계적, 물리적 특성을 접목하여 동적 운동을 분석한 후, 햅틱 마스터의 반력모델을 수학적으로 유도하였다. 공간 제약과 최대 발생 반력 목표값을 고려한 최적설계가 수행된 후 이에 따라 햅틱마스터가 제작하였다. 회전 메커니즘에서의 발생토크와 선형병진장치의 발생력도 실험적으로 평가하였다. 이를 통해 본 연구에서 새롭게 제안된 최적설계기법의 유효성을 검증하였다.
다음으로, 마스터-슬레이브 RMIS 시스템을 구축하기 위해서 실제와 가상의 RMIS용 슬레이브 로봇을 제안하였다. 제안된 마스터-슬레이브 RMIS 시스템에서는 햅틱 마스터의 명령정보와 슬레이브 로봇에서 측정된 장기의 반력정보가 양방향으로 전달된다. 따라서 마스터의 명령을 수행할 수 있는 짐볼 조인트와 볼조인트을 가지는 5자유도 수술 로봇을 제안하였다. 마스터와 슬레이브 로봇간의 기구학적 분석을 마친 후 장기의 반력을 측정을 위한 6축 힘/토크 센서를 부착한 슬레이브 로봇을 제작하였다. 또한, 수술 시뮬레이션 시스템을 위해 인체의 장기와 슬레이브 로봇이 가상환경에서 재현하였다. 가상 장기는 실시간 시스템 적용에 적합한 S-chain 모델을 이용하여 재현하였다. 기존의 S-chain 모델에서는 표현할 수 없었던 4자유도 운동을 물리현상에 입각하여 구현할 수 있는 새로운 S-chain 모델을 개발하였다. 나아가 증감현실 기술이 시각정보의 품질을 향상시키기 위하여 개발하였다.
마지막으로, 제안된 마스터-슬레이브 RMIS 시스템의 제어성능을 향상시키기 위하여 토크/힘 추적 제어기가 구축하였다. 사용자와 대상 장기간의 추적 목표가 전달되며 이를 따라가기 위해 제어기가 작동된다. 이때 실험결과를 시간영역에 도시하였으며 실험결과를 통해 제안된 4자유도 햅틱 마스터 장치와 추적 제어기의 우수한 성능을 입증하였다. 따라서 검증된 ER/MR 햅틱마스터와 반력 추적제어기를 통해 의사는 실제 개복수술과 같은 장기의 반력정보를 제공받음으로써 더 높은 수준의 결과를 기대할 수 있다.

In this research, a novel type of haptic interface was developed to address the lack of haptic perception in a master-slave system. The haptic interface has been actively studied in automobiles, virtual reality, telemedicine, and games. Particularly, further development in haptic technology is needed to realize the tactile feeling of organs in robot-assisted surgery. For this purpose, MR (magnetorheological) fluid was used for a force-reflection master device. The force-reaction master can realize 4-degrees-of-freedom (DOF) force-reflection with a single joint and guarantee safety. Also, a slave surgery robot connected with the haptic master device was developed for doing surgery. This system was developed for a robot-assisted minimally invasive surgery haptic architecture.
Using controllable MR fluids, novel mechanisms that can easily generate repulsive force and torque along the 4-DOF motions are proposed for the haptic master devices. The MR haptic master consists of two actuators: an MR bi-directional clutch with a planetary gear for 2-DOF rotational motions (X, Y) using a gimbal structure, and an MR single-directional clutch with a bevel gear on the gripper for 1-DOF rotational motion (Z) and 1-DOF translational motion. The second type of mechanism also consists of two actuators: an MR spherical joint for 3-DOF rotational motions (X,Y,Z) and an MR piston device for 1-DOF translational motion. After analyzing the dynamic motion by integrating the physical and mechanical properties of the actuators, models of the generated torque and force of the haptic master devices were mathematically derived. Both of the haptic masters were optimally designed to meet the spatial limitations and torque requirement. Then, the 4-DOF MR haptic master devices were manufactured based on the solution of the optimal design procedure. An experimental validation was conducted to evaluate the performance of the manufactured haptic master devices with the optimal paramters.
In order to construct a master-slave RMIS system, the motion commands of the haptic master are realized using a real slave surgery robot and a virtual one in the RMIS architecture. The slave robot and the master device transfer repulsive force and desired position between each other. Accordingly, a 5-DOF slave surgery robot featuring a ball and gimbal joint and a virtual reality algorithm are proposed. A kinematic analysis of the robot was conducted to calculate the rotation command based to the position of the haptic master, and then the robot was manufactured. A 6-axis force/torque sensor was integrated with the robot to measure the repulsive force of an organ. A human organ and a virtual slave surgery robot were realized in a virtual environment. The human organ is represented by a shape-retaining chain-linked (S-chain) model, which is suitable for real-time applications. To represent the deformation along 4-DOF motions, the classical S-chain algorithm was modified based on physical phenomena. Additionally, augmented reality technology has been developed to enhance the quality of visual information for further studies.
Finally, an experimental RMIS system was made, and a torque/force tracking control algorithm was formulated. The desired torque/force and position trajectories are transferred between real and virtual objects and the operator of the haptic master, and the tracking control performance for various torque/force trajectories was evaluated and presented in the time domain. The torque/force tracking results demonstrate that the proposed 4-DOF haptic master devices and torque/force tracking control algorithm can provide excellent haptic control performance for RMIS applications.