회전관절 기반 3T1R형 햅틱기기 및 5 자유도 신경외과수술용 마이크로 로봇 개발 :Development of a revolute-based 3T1R type haptic device and a neurosurgical 5-DOF micro robot

김성목

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김성목 (고려대학교, 고려대학교 대학원)

지도교수: 金熙國

발행연도: 2017

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

2017

회전관절 기반 3T1R형 햅틱기기 및 5 자유도 신경외과수술용 마이크로 로봇 개발

김성목 制御計測工學科 2017.01 학위논문

2016

신경외과 수술용 매크로 로봇 모듈의 최적 설계 및 구조 해석

김성목 , 김희국 대한기계학회 춘추학술대회 2016.04 학술대회자료

2013

소형화된 신경외과 수술용 5자유도 마이크로 병렬 로봇 메커니즘의 설계 및 특성분석

김성목 , 김희국 , 이병주 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2013.10 학술대회자료

2012

매크로-마이크로 형 신경외과 수술 로봇의 시뮬레이터

김성목 , 정주노 , 김희국 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2012.10 학술대회자료

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본 논문에서는 회전관절 기반의 비대칭구조 Schonflies motion(SM) 햅틱 기기를 개발하였다. 햅틱 기기는 2개의 PRRPaR형 부속체인을 가지는 병진 3-DOF 병렬 부속 모듈과 하나의 RR(nR)pR형 부속체인 그리고 3T 부속 모듈의 운동판과 RR(nR)pR형 부속 체인의 끝을 서로 연결 시켜주는 추가적인 회전 관절로 구성되어 있다. 추가로 장착된 RR(nR)pR형 부속 체인과 회전 관절은 상대 회전운동을 담당 한다. 제안된 SM 햅틱 기기 구조는 회전 관절 기반 구조로 인핸 최소한의 마찰력을 확보 할 수 있다. 그리고 병렬 동력전달 링크를 통해 지면에 있는 무거운 엑추에이터들을 모두 지면에 배치함으로써 낮은 관성을 가지고 있다. 그리고 하나의 여유구동 관절로 인하여 특이점이 없는 큰 작업공간과 뛰어난 기구학 특성을 확보하였다. 자유도 해석, 기구학 모델링, 특이점 분석, 그리고 SM 햅틱 긱기의 최적 설계가 수행되었으며, 이를 바탕으로 시작품을 제작하였다. 시작품의 동작 모드에는 모드인 중력 보상 모드 와 선형 관성 토크 보상 모드를 함께 사용하였다. 몇 가지 동작 실험을 통하여 마찰력 측정, 중력 보상과 선형 관성 보상 등의 성능 점검을 하였다.
또한, 신경외과 수술용 새로운 5-DOF 병렬형 로봇을 개발하였으며 DBS(deep brain surgery)로의 적용 가능성을 조사하였다. 신경외과 수술 로봇은 고정판, 운동판, 세 개의 부속체인들이(하나의 PPPU형 중앙 부속 체인 그리고 두 개의 SPS형 외각 부속 체인) 판들과 서로 연결 되어있다. 개발된 신경외과 마이크로 로봇을 실제 사용을 목적으로 매크로 로봇의 크기, 매크로-마이크로 로봇의 위치와 기구학 분석을 수행하였다. 최대 하중 조건에서 구조의 강성을 확인하기 위해 구조 해석을 수행하였다. 개발된 마이크로 로봇 모듈을 사용하여 매크로-마이크로 로봇의 시뮬레이터를 개발 하여 모션 성능과 DBS 수술 장치로서의 잠재력을 시험하였다. 그리고, 개발된 마이크로 로봇 모듈을 기구학 보정 모델을 통해 절대 위치 정밀도가 마이크로 로봇 모듈의 기존의 로봇과 유사함을 검증하였다. 또한, 소형 마이크로 로봇을 제안하고 기구학 특성 및 구조해석을 통해 시제품을 제작하여 성능 실험과 절대 위치 정밀도를 측정하였다. 마지막으로 수동형 매크로 로봇을 제작하고 매크로-마이크로 로봇의 활용 가능성을 시뮬레이션을 제작하여 예비 실험을 통해 검증하였다.

#햅틱기기 #마이크로로봇 #신경외과수술로봇

1.서 론 1
1.1. 연구배경 1
1.1.1. 회전관절 기반 3T1R형 햅틱기기 개발 1
1.1.2. 5 자유도 신경외과수술용 마이크로 로봇 개발 7
1.2. 연구의 구성 16
2.회전관절 기반 3T1R형 햅틱기기 개발 17
2.1. SMG 구조 17
2.1.1. 구조 설명 17
2.1.2. 모빌리티 분석 19
2.1.3. 위치 해석 23
2.1.3.1. 역위치 해석 23
2.1.3.2. 정위치 해석 30
2.1.4. 기구학 모델 31
2.1.4.1. 형 SMG 31
2.1.4.2. 병렬 동력전달링크를 포함한 형 부속체인 36
2.1.4.3. 형 부속체인 38
2.1.5. 특이점 분석 40
2.2. 기구학 특성 분석 42
2.2.1. 기구학 설계 지수 42
2.2.2. 기구학 최적 설계 43
2.3. 하드웨어 구현 50
2.3.1. 하드웨어 설계 50
2.3.2. 하드웨어 인터페이스 52
2.3.3. 중력 및 선형 관성 토크 보상 54
2.3.4. 마찰력 측정 63
3.5 자유도 신경외과수술용 마이크로 로봇 개발 66
3.1. 기구학 분석 66
3.1.1. 마이크로 로봇의 설계 66
3.1.2. 마이크로 로봇의 위치 해석 68
3.1.3. 매크로-마이크로 로봇의 역위치 해석 70
3.1.4. 마이크로 로봇의 위치 해석 74
3.1.5. 기구학 특성 분석 75
3.2. 구조 해석 79
3.3. 시뮬레이터 개발 83
3.4. 마이크로 로봇의 시작품 개발 89
3.4.1. 시작품 묘사 89
3.4.2. 기구학 보정 모델의 추정 91
3.4.3. 반복정밀도와 위치 정밀도 측정 103
3.5. 마이크로 로봇의 소형화 110
3.5.1. 소형 마이크로 로봇 설계 110
3.5.2. 소형 마이크로 로봇의 기구학 특성 분석 112
3.5.3. 소형 마이크로 로봇의 구조 해석 115
3.5.4. 소형 마이크로 로봇의 정밀도 측정 117
3.6. 매크로 로봇 모듈 개발 124
3.6.1. 매크로 로봇 모듈의 구조 및 최적설계 124
3.6.2. 매크로-마이크로 로봇 시뮬레이터 개발 및 실험 131
4.결론 및 향후 연구과제 137
4.1. 결 론 137
4.2. 향후 연구과제 140
참 고 문 헌 142

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