KR101155885B1 - A semi-active linear haptic device using electro-rheological fluid or magneto-rheological fluid - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 ER 유체(electro-rheological fluid) 또는 MR 유체(magneto-rheological fluid)를 이용하여 병진운동이 가능한 반능동 힘 반향 장치를 구현하기 위한 것으로, 더 상세하게는, 3자유도 회전운동과 1자유도 병진운동이 가능한 최소침습수술(Minimally Invasive Surgery ; MIS)용 마스터 로봇 시스템에 있어서 병진 방향의 선형운동에 대해 반능동적으로 힘 반향을 제공하기 위한 햅틱장치에 관한 것이다. The present invention is to implement a semi-active force echo device capable of translational movement by using an ER fluid (electro-rheological fluid) or MR (magneto-rheological fluid), and more specifically, three degrees of freedom rotational motion and 1 In a master robot system for Minimally Invasive Surgery (MIS) capable of degrees of freedom translation, the present invention relates to a haptic device for providing a force response semi-actively against linear motion in the translational direction.
또한, 본 발명은, 의료용 로봇의 햅틱 인터페이스에 있어서, 연속적인 힘 제어가 가능하고 반능동 시스템의 안정성을 높일 수 있는 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치에 관한 것이다. In addition, the present invention relates to a semi-active linear haptic device using ER fluid or MR fluid capable of continuous force control in the medical robot's haptic interface, and can increase the stability of the semi-active system.
최근, 로봇 기술의 발달에 따라, 의료분야에서도 로봇 시스템이 도입되고 있다. Recently, with the development of robot technology, a robot system has been introduced in the medical field.
대표적인 예로, 마스터-슬레이브 로봇(Master-Slave Robot)을 이용한 최소침습수술(MIS)용 로봇이 있으며, 이는 의사가 마스터 로봇을 조종하면 원격으로 슬레이브 로봇이 환자의 수술을 집도하도록 구성된 것이다. As a representative example, there is a robot for Minimally Invasive Surgery (MIS) using a Master-Slave Robot, which is configured so that a slave robot remotely conducts surgery of a patient when a doctor controls the master robot.
이와 같이 최소침습수술용 로봇을 이용할 경우, 환자는 최소한의 부위만 절개하여 수술을 받을 수 있으므로 최소한의 흉터만을 남길 수 있다. As such, when using the robot for minimally invasive surgery, the patient can be operated by cutting only a minimum area, thereby leaving only minimal scars.
따라서 이러한 장점으로 인해, 의료용 로봇 장비는, 고가임에도 불구하고 그 상업적 가치가 증가하고 있으며, 의료현장에 적극적으로 도입되고 있다. Therefore, due to these advantages, the medical robot equipment, despite the high price is increasing its commercial value, and is actively introduced in the medical field.
그러나 수술용 로봇 시스템을 사용할 경우, 마스터 로봇을 조종하는 의사는 더 이상 손으로 직접 환자의 수술부위를 만지고 상태를 확인할 수 없는 상황이 되므로, 환자와 직접 접촉하는 슬레이브 장치에서 마스터 장치에 환자나 환부의 상태를 정확히 전달해주지 못할 경우, 치명적인 의료사고를 야기할 수도 있다. However, when using a surgical robotic system, the doctor operating the master robot can no longer directly touch the patient's surgical site with his hand and check the condition. Failure to accurately communicate the condition may lead to fatal medical accidents.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 개념의 기술이 요구되고 있으며, 이러한 새로운 기술 중 대표적인 것이 인간의 촉감을 구현하는 햅틱 인터페이스 기술이다. Therefore, a new concept of technology is required to solve this problem, and one of the new technologies is a haptic interface technology that realizes human touch.
즉, 햅틱장치(haptic device)란, 상기한 바와 같은 최소침습수술용 로봇과 같은 의료용 로봇에 있어서, 환자의 장기와 접촉하는 슬레이브 로봇의 접촉을 마스터 로봇에 그대로 구현하여, 시술자인 의사에게 장기의 형상과 반력을 실감나게 전달하기 위한 장치를 의미한다. That is, a haptic device is a medical robot such as the minimally invasive surgical robot as described above. The haptic device implements the contact of a slave robot in contact with a patient's organ in a master robot, so that the doctor who is the operator Means a device for realistically transmitting shape and reaction force.
또한, 일반적으로, 최소침습수술용 로봇은 4자유도를 가지며, 1자유도의 선형 병진운동을 구현한다. Also, in general, the robot for minimally invasive surgery has four degrees of freedom and implements a linear translation motion of one degree of freedom.
이러한 선형 병진운동을 구현하는 종래의 방법으로는, 예를 들면, 선형작동기와 회전형 모터에 링크 구조를 연결하는 방법이 있으며, 대표적인 선형작동기에는 압전재료를 이용한 압전작동기가 있으나, 발생 변위가 작고 안정성이 떨어지는 한계가 있는 것이었다. As a conventional method of implementing such a linear translation, for example, there is a method of connecting a link structure to a linear actuator and a rotary motor. A typical linear actuator includes a piezoelectric actuator using piezoelectric materials, but has a small displacement. There was a limit to the stability.
또한, 회전형 모터에 링크 구조를 연결하는 방식은, 그 구성이 복잡하고, 고가이며, 정밀한 제어가 어렵다는 단점이 있는 것이었다. In addition, the method of connecting the link structure to the rotary motor has a disadvantage in that its configuration is complicated, expensive, and precise control is difficult.
즉, 상기한 바와 같은 종래의 방법은, 능동 햅틱 장치로서 장치의 오작동 및 정밀한 제어를 못하는 경우에 예상치 않은 변위나 힘의 발생으로 인해 환자의 장기를 손상시킬 수 있다는 단점이 있는 것이었다. That is, the conventional method as described above has the disadvantage that as an active haptic device, the organ of the patient may be damaged due to unexpected displacement or force generation in the case of malfunction and precise control of the device.
따라서 반력을 발생시키는 반능동 햅틱장치로서 예상치 않은 변위나 힘이 발생하지 않아 보다 안정성이 높은 능동 햅틱장치를 제공하기 위해, 최근에는 ER 유체나 MR 유체를 이용한 햅틱장치가 주목받고 있다. Accordingly, haptic devices using ER fluid or MR fluid have recently attracted attention in order to provide an active haptic device with higher stability because unexpected displacement or force does not occur as a semi-active haptic device generating reaction force.
상기한 바와 같은 종래의 햅틱장치의 예로는, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-2010-0077615호(2010.07.08. 공개)에 기재된 바와 같은 "원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치"가 있다. Examples of the conventional haptic device as described above, for example, as described in Korean Patent Publication No. 10-2010-0077615 (published on July 8, 2010) "parallel and parallel structure for remote robot surgery. Haptic devices of five degrees of freedom in which the structure is coupled.
상기한 공개특허 제10-2010-0077615호의 "원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치"는, 다수의 관절로 이루어진 자유도 의료용 로봇에 있어서, 매니퓰레이터의 조종에 의한 원격 시술을 위해 로봇을 실시간으로 제어할 수 있도록, 전진 및 후진, 좌우 꺾임 회전, 상하 꺾임 회전, 회전, 그립(Grip)이 가능하도록 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱 장치에 관한 것이다. The "5 degree of freedom haptic device combined with a parallel structure and a serial structure for remote robot surgery" of the above-mentioned Patent Publication No. 10-2010-0077615, the manipulator of the degree of freedom medical robot consisting of a plurality of joints, 5 degree of freedom haptic combined with parallel and serial structure to enable forward and backward, left and right rotation, up and down rotation, rotation, and grip for remote robot operation in real time Relates to a device.
즉, 상기한 공개특허 제10-2010-0077615호의 햅틱장치는, 각 관절에 장착된 액츄에이터의 하중으로 인하여 끝단에서 햅틱 마스터를 잡고 구동을 할 때 역학적 관성을 증가시켜서 마스터의 역구동성(Back Drivability)을 저하시킴으로써 정밀도가 떨어지게 되는 직렬형 구조의 단점과, 여러 개의 링크가 병렬로 연결되어 있는 구조적 특징으로 인해 힘이 분산되어 내구성이 강하고 안정된 구조를 가지나 정기구학(Forward Kinematics) 해석에서 단일해가 존재하지 않아 실시간 제어가 어렵고 특이점(로봇의 자유도가 줄어들어 정상 제어가 불가능한 지점)을 고려해야 하는 기술적 어려움이 있는 병렬형 구조의 한계점을 극복하기 위해, 직렬형 구조와 병렬형 구조를 통합한 하이브리드형 햅틱장치를 텐던 와이어(tendon wire) 구동 메커니즘으로 구동하여 전체적인 구성이 간단하면서 해석이 용이하고, 역구동성을 향상시킬 수 있는 원격 로봇 수술을 위한 병렬형 구조와 직렬형 구조가 결합된 5자유도의 햅틱장치를 제공하고자 하는 것이다. That is, the haptic device of the above-described Patent Publication No. 10-2010-0077615 increases the mechanical inertia when driving by holding the haptic master at the end due to the load of the actuator mounted on each joint, so that the back driability of the master is achieved. The weakness of the series structure, which decreases the precision by lowering the voltage, and the structural characteristics of several links connected in parallel, resulting in a strong and stable structure due to the dispersion of force, but there is a single solution in forward kinematics analysis. Hybrid haptic device that integrates parallel and parallel structure to overcome the limitations of parallel structure, which is difficult to control in real time and takes into account the singularity (the point where robot freedom is reduced and normal control is impossible). Is driven by a tendon wire drive mechanism However, the present invention aims to provide a 5 degree of freedom haptic device in which a parallel structure and a serial structure for remote robot surgery can be easily and easily analyzed and reverse driving can be improved.
그러나 상기한 공개특허 제10-2010-0077615호의 햅틱장치는, 상기한 회전형 모터에 링크 구조를 연결하는 방식과 같이, 여전히 구성이 복잡하고 정밀한 제어가 어렵다는 문제가 있다. However, the haptic device disclosed in the above-described Patent Publication No. 10-2010-0077615 still has a problem in that the configuration is complicated and precise control is difficult, such as a method of connecting the link structure to the rotary motor.
또한, 햅틱장치에 대한 종래기술의 다른 예로서, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-2009-0126760호(2009.12.09. 공개)에 기재된 "센서와 유변유체를 이용한 햅틱 장치, 이를 갖는 전자기기 및 이를 이용한 햅틱 제공방법"과 같은 것이 있다. In addition, as another example of the prior art for the haptic device, for example, described in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2009-0126760 (published on Dec. 09, 2009), "Haptic device using a sensor and a rheology fluid, an electron having the same Device and haptic providing method using the same ".
즉, 상기한 공개특허 제10-2009-0126760호의 "센서와 유변유체를 이용한 햅틱 장치, 이를 갖는 전자기기 및 이를 이용한 햅틱 제공방법"은, 종래의 기계적인 햅틱 피드백은 무게가 많이 나가고 복잡한 링크 구조를 가질 뿐만 아니라, 소형화가 어렵고 관성으로 인한 신속한 응답속도를 구현하기 어려웠던 문제점을 해결하기 위해, 최근에 연구가 활발히 진행되고 있는 유변유체 또는 전기활성 폴리머 등의 스마트 물질(smart material)을 이용하여, 전자기기를 움켜쥐거나 비틀거나 당길 때 사용자에게 적절한 햅틱 피드백을 제공할 수 있는 센서와 유변유체를 이용한 햅틱장치와, 이를 가지는 전자기기 및 이를 이용한 햅틱 제공방법을 제공하고자 하는 것이다. That is, the "patent of haptic device using a sensor and a rheological fluid, an electronic device having the same and a haptic providing method using the same" of the above-described Patent Publication No. 10-2009-0126760, the conventional mechanical haptic feedback is expensive and complex link structure In addition, in order to solve the problem that it is difficult to miniaturize and difficult to implement a quick response speed due to inertia, by using a smart material such as a rheological fluid or an electroactive polymer that is being actively researched recently, The present invention provides a haptic device using a sensor and a rheological fluid that can provide an appropriate haptic feedback to a user when grasping, twisting or pulling an electronic device, an electronic device having the same, and a haptic providing method using the same.
이를 위해, 상기한 공개특허의 햅틱장치는, 적어도 일방향의 힘 또는 상기 힘에 의한 변형을 감지하는 감지수단과, 상기 감지수단에 인접하고 내부에 유변유체가 충진되어 소정의 유연성을 갖는 유체관 및 상기 감지수단의 출력신호에 기초하여 상기 유체관에 전기를 인가함으로서 상기 유체관의 강성을 변화시키는 제어부를 포함하여, 상기 유체관의 강성 변화를 사용자가 인지하도록 하는 것을 특징으로 한다. To this end, the haptic device of the published patent, the sensing means for detecting a force or deformation of the force in at least one direction, and a fluid tube having a predetermined flexibility to be filled with a rheological fluid adjacent to the sensing means and And a controller for changing the rigidity of the fluid tube by applying electricity to the fluid tube based on the output signal of the sensing means, so that the user can recognize the change in the rigidity of the fluid tube.
그러나, 상기한 공개특허 제10-2009-0126760호는, 유변유체 또는 전기활성 폴리머 등의 스마트 물질을 이용하는 점에서 종래에 비해 새로운 점이 있으나, 어디까지나 휴대용 재생장치와 같은 비교적 소형이며 단순한 기기에 적용하기 위한 것으로, 의료용 로봇과 같이 고도의 정밀도가 요구되는 분야에 적용하기 위한 것은 아니었다. However, although the above-mentioned Patent Publication No. 10-2009-0126760 is new from the conventional point in that it uses a smart material such as a rheological fluid or an electroactive polymer, it is applied to a relatively small and simple device such as a portable playback device. It is not intended to be applied to a field requiring high precision, such as a medical robot.
또한, 이러한 종래기술의 또 다른 예로서, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-2010-0002909호(2010.01.07. 공개)에 개시된 "이알 유체 또는 엠알 유체를 이용한 다자유도 힘 반향 장치"와 같은 것이 있다. In addition, as another example of such a prior art, for example, "multi-degree of freedom force echo device using an EL fluid or MR fluid" disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2010-0002909 (published Jan. 7, 2010) There is something like
더 상세하게는, 상기한 공개특허문헌의 힘 반향장치는, 전기장 또는 자기장 인가에 따라 그 상태를 가역적으로 변화시킬 수 있는 ER/MR 유체가 충진되는 구면조인트를 MIS용 마스터 장치에 설치함으로써 슬레이브 장치에 설치된 의료용 수술 도구가 인체 장기에 접촉할 때 발생하는 접촉력의 크기에 따라 전기장 또는 자기장의 세기를 조절하여 ER/MR 유체의 상태를 변화시키고, 이때 생성되는 연속적이고 세밀한 반력을 마스터 장치를 조종하는 의사에게 전달함으로써 슬레이브의 수술도구가 장기와 접촉하는 상황에서의 촉감 정보를 마스터에서 정확하게 구현할 수 있는 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 다자유도 힘 반향장치에 관한 것이다. More specifically, the force reverberation device of the above-mentioned patent document is a slave device by installing a spherical joint filled with an ER / MR fluid capable of reversibly changing its state according to application of an electric or magnetic field to a master device for MIS. The surgical surgical instrument installed in the ER / MR fluid is changed by adjusting the strength of the electric or magnetic field according to the magnitude of the contact force generated when contacting the human organs, and the master device controls the continuous and detailed reaction force generated at this time. The present invention relates to a multiple degree of freedom force reverberation apparatus using ER fluid or MR fluid which can accurately realize the tactile information in the situation where the slave's surgical tool is in contact with an organ by transmitting to a doctor.
이를 위해, 상기한 힘 반향장치는, 몸체부와, 상기 몸체부의 내측에 고정 설치되는 외측 원구와, 상기 외측 원구 내부에 자유로이 운동할 수 있도록 구면 조인트로 결합되는 내측 원구와, 상기 구면 조인트의 내, 외측 원구 사이의 간극에 충진되는 ER 유체 또는 MR 유체를 포함하여 구성되되, 상기 ER 유체 또는 MR 유체에 인가되는 전기장 또는 자기장에 따라 가역적으로 변하는 능동 또는 반능동의 반력을 구현할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다. To this end, the force echo device, the body portion, the outer sphere fixedly installed inside the body portion, the inner sphere coupled to the spherical joint so as to be able to move freely inside the outer sphere, and the inside of the spherical joint It comprises an ER fluid or MR fluid filled in the gap between the outer sphere, it characterized in that it is possible to implement an active or semi-active reaction force that is reversibly changed according to the electric or magnetic field applied to the ER fluid or MR fluid It is done.
그러나, 상기한 공개특허공보 제10-2010-0002909호에 개시된 힘 반향장치는, 전기장 또는 자기장에 의해 제어 가능한 ER/MR 유체를 구조가 단순하면서도 3자유도 회전이 가능한 구면 조인트에 적용하고, 양방향 클러치와 브레이크 매커니즘을 도입하여, 2자유도 능동 또는 3자유도 반능동 힘 반향이 가능한 것에 특징이 있으나, 능동모드와 반능동 모드를 전환해야 하므로 그만큼 구조가 복잡해지고, 또한, 3자유도만을 가지는 힘 반향장치이므로 실제 의사의 수술동작을 효과적으로 구현해야 하는 최소침습수술용 로봇에 적용함에 있어서 다양한 움직임을 구현하기에는 한계가 있어 적용성이 떨어진다는 단점이 있는 것으로, 즉, 상기한 특허문헌에 개시된 햅틱장치들과 마찬가지로, 보다 제어 안정성이 높은 햅틱장치를 제공하기 위하여는 개선의 여지가 있는 것이었다. However, the force reflection device disclosed in the above-described Patent Publication No. 10-2010-0002909 applies a ER / MR fluid controllable by an electric or magnetic field to a spherical joint having a simple structure and capable of rotating in three degrees of freedom, and is bidirectional. It is characterized by the introduction of the clutch and brake mechanisms, so that 2 degrees of freedom or 3 degrees of freedom can be used to reflect semi-active forces, but the structure is complicated by the need to switch between active and semi-active modes. Since it is an echo device, there is a limitation in implementing various movements in applying to a robot for minimally invasive surgery that must effectively implement a surgical operation of a real doctor. Like these, there is room for improvement to provide a haptic device with more control stability. Was.
따라서 상기한 바와 같은 종래기술들의 문제점을 해결하기 위하여는, 연속적인 제어가 가능하며 제어 안정성이 높은 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치를 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치는 제공되지 못하고 있는 실정이다. Therefore, in order to solve the problems of the prior art as described above, it is desirable to provide a semi-active linear haptic device using ER fluid or MR fluid capable of continuous control and high control stability. Semi-active linear haptic devices using satisfactory ER fluid or MR fluid have not been provided.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 최소침습수술용 로봇과 같은 종래의 의료용 로봇 시스템에 선형 운동 햅틱장치를 구현함에 있어서, 압전재료를 이용한 압전작동기는 발생 변위가 작고 안정성이 떨어지는 문제가 있으며, 또한, 회전형 모터에 링크 구조를 연결하는 방식은 복잡하고 고가이며 정밀한 제어가 어려웠던 문제점들을 모두 해결하기 위해, 인가되는 전기장에 따라 점성이 변화하는 ER 유체, 또는, 인가되는 자기장에 따라 점성이 변화하는 MR 유체 및 선형 브레이크 메커니즘을 이용하여, 연속적인 제어가 가능하며 제어 안정성이 높은 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치를 제공하고자 하는 것이다. The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, and therefore an object of the present invention, in implementing a linear motion haptic device in a conventional medical robot system such as a minimally invasive robot, using a piezoelectric material The piezoelectric actuator has a problem of small displacement and inferior stability. Also, the method of connecting the link structure to the rotary motor is complicated in accordance with the applied electric field in order to solve all the problems of complicated, expensive and precise control. To provide a semi-active linear haptic device using ER fluid or MR fluid with continuous control and high control stability using ER fluid or MR fluid and linear brake mechanism whose viscosity changes depending on the applied magnetic field. It is.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 조종자가 파지할 수 있도록 그 상부에 형성되어 있는 그리퍼(gripper)와 상기 그리퍼와 연결되는 로드를 포함하여 3자유도의 회전운동과 1자유도의 병진운동을 수행하도록 구성된 마스터장치 및 상기 마스터장치를 조종하여 원격으로 환자의 수술을 집도하도록 구성된 슬레이브 장치를 포함하는 최소침습수술용 로봇 시스템의 병진운동 및 상기 병진운동에 대한 힘 반향을 구현하는 반능동 선형 햅틱장치에 있어서, 상기 로드가 고정되고 중앙부에는 홈이 형성되어 있으며, 전극 역할을 하도록 도체로 만들어지는 피스톤과, ER 유체를 포함하며 상기 홈에 상기 피스톤을 감싸듯이 고정되는 다공성 수지와, 상기 피스톤이 왕복운동 하도록 설치되는 실린더와, 상기 실린더의 내부 벽에 삽입되어 있는 전극과, 상기 다공성 수지에 흡수되어 있는 상기 ER 유체가 외부로 새는 것을 방지하는 동시에 상기 실린더 내부에 묻어있는 상기 ER 유체를 긁어내는 역할을 하도록 상기 피스톤의 상하 양쪽 끝 부분에는 삽입되는 실링과, 상기 피스톤이 병진운동을 하는 중 회전하는 것을 방지하기 위한 키 홈 및 상기 ER 유체에 인가하는 전기장을 발생하기 위한 전류를 공급하는 전원공급수단을 포함하여 구성되고, 그것에 의해, 상기 다공성 수지에 흡수되어 있는 상기 ER 유체에 전기장을 인가하지 않았을 경우는 반력이 발생하지 않으므로 상기 피스톤이 자유롭게 병진운동을 할 수 있고, 상기 피스톤 및 상기 실린더 내부의 전극에 전압을 인가하여 전기장을 발생시키면 상기 다공성 수지에 흡수되어 있는 상기 ER 유체에 의해 반력을 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 ER 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치가 제공된다. In order to achieve the above object, according to the present invention, a rotational movement of three degrees of freedom and a translation of one degree of freedom including a gripper and a rod connected to the gripper formed at an upper portion thereof so that an operator can grip it. Semi-active to implement translational movement and force reverberation of the minimally invasive robotic system including a master device configured to perform an exercise and a slave device configured to remotely guide a patient's surgery by manipulating the master device. In the linear haptic device, the rod is fixed and the groove is formed in the center portion, a piston made of a conductor to serve as an electrode, a porous resin containing an ER fluid and fixed to surround the piston in the groove, A cylinder into which the piston is reciprocated, and a front inserted into the inner wall of the cylinder A pole and a seal inserted into upper and lower ends of the piston to prevent the ER fluid absorbed by the porous resin from leaking to the outside and to scrape the ER fluid buried in the cylinder; And a power supply means for supplying a current for generating an electric field applied to the ER fluid and a key groove for preventing the piston from rotating during translational movement, whereby it is absorbed by the porous resin. When no electric field is applied to the ER fluid, reaction force does not occur, so that the piston can freely translate, and when the electric field is generated by applying a voltage to the piston and the electrode inside the cylinder, it is absorbed by the porous resin. Characterized in that it is configured to generate a reaction force by the ER fluid The semi-active haptic linear device using ER fluids is provided.
여기서, 상기 장치는, 환자의 장기와 접촉하는 상기 슬레이브 장치로부터의 접촉정보에 따라 상기 피스톤 및 상기 실린더 내부의 전극에 인가하는 전압을 적절히 조절하여 전기장의 강도를 가감함으로써, 상기 슬레이브 장치의 접촉을 상기 마스터 장치에 그대로 구현할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다. Here, the device adjusts the voltage applied to the electrode inside the cylinder and the cylinder according to the contact information from the slave device in contact with the organ of the patient, thereby reducing the strength of the electric field, thereby reducing the contact of the slave device. Characterized in that configured to be implemented as it is to the master device.
또한, 상기 다공성 수지는, 탄성이 있는 해면상의 다공성 물질로서 합성수지를 이용하여 만들어지며, 각각의 공극에는 ER 유체가 채워져 있는 것을 특징으로 한다. The porous resin is made of synthetic resin as an elastic sponge-like porous material, characterized in that each pore is filled with ER fluid.
아울러, 상기 다공성 수지는, ER 유체를 포함하는 판 형태의 다공성 수지 2개를 둥글게 말아서 상기 장치에 적용하도록 구성된 것을 특징으로 한다. In addition, the porous resin is characterized in that it is configured to roll round two porous resin in the form of a plate containing an ER fluid to be applied to the device.
또한, 본 발명에 따르면, 조종자가 파지할 수 있도록 그 상부에 형성되어 있는 그리퍼(gripper)와 상기 그리퍼와 연결되는 로드를 포함하여 3자유도의 회전운동과 1자유도의 병진운동을 수행하도록 구성된 마스터장치 및 상기 마스터장치를 조종하여 원격으로 환자의 수술을 집도하도록 구성된 슬레이브 장치를 포함하는 최소침습수술용 로봇 시스템의 병진운동 및 상기 병진운동에 대한 힘 반향을 구현하는 반능동 선형 햅틱장치에 있어서, 상기 로드가 고정되고 중앙부에는 홈이 형성되어 있는 피스톤과, MR 유체를 포함하며 상기 홈에 상기 피스톤을 감싸듯이 고정되는 다공성 수지와, 상기 피스톤이 왕복운동 하도록 설치되는 실린더와, 상기 MR 유체에 자기장을 인가할 수 있도록 상기 피스톤의 중앙 부분에 배치되어 있는 코일과, 상기 다공성 수지에 흡수되어 있는 상기 MR 유체가 외부로 새는 것을 방지하는 동시에 상기 실린더 내부에 묻어있는 상기 MR 유체를 긁어내는 역할을 하도록 상기 피스톤의 상하 양쪽 끝 부분에는 삽입되는 실링과 상기 피스톤이 병진운동을 하는 중 회전을 방지하기 위한 키 홈 및 상기 MR 유체에 인가하는 자기장을 발생하기 위한 전류를 공급하는 전원공급수단을 포함하여 구성되고, 그것에 의해, 상기 다공성 수지에 흡수되어 있는 상기 MR 유체에 자기장을 인가하지 않았을 경우는 반력이 발생하지 않으므로 상기 피스톤이 자유롭게 병진운동을 할 수 있고, 상기 코일에 전류를 인가하여 자기장을 발생시키면 상기 다공성 수지에 흡수되어 있는 상기 MR 유체에 의해 반력을 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치가 제공된다. In addition, according to the present invention, a master device configured to perform a rotational motion of 3 degrees of freedom and a translational motion of 1 degree of freedom, including a gripper formed on the top so that the operator can grip the rod and a rod connected to the gripper. And a slave device configured to remotely guide a patient's surgery by manipulating the master device, wherein the semi-active linear haptic device implements translational motion and force reflection on the translational motion of the robot system for minimally invasive surgery. A piston having a rod fixed and a groove formed at the center thereof, a porous resin including MR fluid and fixed to surround the piston in the groove, a cylinder installed to reciprocate the piston, and a magnetic field to the MR fluid. To the coil disposed at the central portion of the piston and to the porous resin The piston is inserted at both upper and lower ends of the piston to prevent the leaking of the MR fluid from leaking to the outside and to scrape the MR fluid from inside the cylinder, and the piston rotates during translation. And a power supply means for supplying a current for generating a magnetic field applied to the MR fluid, thereby preventing a magnetic field from being applied to the MR fluid absorbed in the porous resin. In this case, since the reaction force does not occur, the piston can freely translate, and when the current is applied to the coil to generate a magnetic field, the piston is configured to generate reaction force by the MR fluid absorbed in the porous resin. A semi-active linear haptic device using an MR fluid is provided.
여기서, 상기 장치는, 환자의 장기와 접촉하는 상기 슬레이브 장치로부터의 접촉정보에 따라 상기 코일에 인가하는 전압을 적절히 조절하여 자기장의 강도를 가감함으로써, 상기 슬레이브 장치의 접촉을 상기 마스터 장치에 그대로 구현할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다. In this case, the device may adjust the voltage applied to the coil according to the contact information from the slave device in contact with the organ of the patient to appropriately adjust the voltage of the magnetic field, thereby realizing the contact of the slave device to the master device as it is. Characterized in that configured to be.
또한, 상기 다공성 수지는, 탄성이 있는 해면상의 다공성 물질로서 합성수지를 이용하여 만들어지며, 각각의 공극에는 MR 유체가 채워져 있는 것을 특징으로 한다. The porous resin is made of synthetic resin as an elastic sponge-like porous material, characterized in that each void is filled with MR fluid.
아울러, 상기 다공성 수지는, MR 유체를 포함하는 판 형태의 다공성 수지 2개를 둥글게 말아서 상기 장치에 적용하도록 구성된 것을 특징으로 한다. In addition, the porous resin is characterized in that it is configured to roll round two porous resin in the form of a plate containing MR fluid to be applied to the device.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 인가되는 전기장에 따라 점성이 변화하는 ER 유체를 이용하거나, 또는, 인가되는 자기장에 따라 점성이 변화하는 MR 유체를 이용하여 병진운동을 행하는 ER 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치가 제공된다. As described above, according to the present invention, an ER or MR fluid performing translational motion using an ER fluid whose viscosity changes in accordance with an applied electric field or an MR fluid whose viscosity changes in accordance with an applied magnetic field is used. A semi-active linear haptic device is provided.
또한, 본 발명에 따르면, ER 및 MR 유체는 전기장 또는 자기장을 인가하면 전단저항력을 발생시키는 지능재료인 동시에, ER 및 MR 유체는 연속적인 힘 제어가 가능하므로, 반능동 시스템의 안정성을 높일 수 있다는 장점을 가진다. In addition, according to the present invention, ER and MR fluid is an intelligent material that generates shear resistance when an electric or magnetic field is applied, while ER and MR fluids can continuously control the force, thereby increasing the stability of the semi-active system. Has an advantage.
즉, 본 발명에 따르면, 피스톤, 실린더, ER 또는 MR 유체를 흡수한 다공성 수지와 실링을 포함하여, 전기장이나 자기장을 인가하지 않은 경우는 피스톤이 자유롭게 선형 병진운동을 할 수 있고, 다공성 수지에 전기장 또는 자기장을 인가하면 ER 또는 MR 유체가 실린더 벽과 다공성 수지 사이에 입자구조를 형성하여 반력이 발생되는 것을 특징으로 하는 ER 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치를 제공할 수 있다. That is, according to the present invention, the piston, the cylinder, including the porous resin and the seal absorbing the ER or MR fluid, when the electric field or magnetic field is not applied, the piston can freely linear translation, the electric field to the porous resin Alternatively, when the magnetic field is applied, the ER or MR fluid may provide a semi-active linear haptic device using an ER or MR fluid, in which a reaction force is generated by forming a particle structure between the cylinder wall and the porous resin.
따라서 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 ER 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치가 제공됨으로써, 최소침습수술용 로봇과 같은 종래의 의료용 로봇 시스템에 있어서, 압전재료를 이용한 압전작동기는 발생 변위가 작고 안정성이 떨어지는 문제가 있으며, 또한, 회전형 모터에 링크 구조를 연결하는 방식은 복잡하고 고가이며 정밀한 제어가 어려웠던 문제점들을 모두 해결하여, 연속적인 제어가 가능하며 제어 안정성이 높은 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치를 제공할 수 있다. Therefore, according to the present invention, by providing a semi-active linear haptic device using the ER or MR fluid as described above, in the conventional medical robot system, such as the robot for minimally invasive surgery, the piezoelectric actuator using the piezoelectric material is a generation displacement There is a problem of small and inferior stability, and the method of connecting the link structure to the rotary motor solves all the problems that are complicated, expensive, and difficult to control precisely, and enables continuous control and high control stability ER fluid or MR fluid. It is possible to provide a semi-active linear haptic device using.
도 1은 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치를 적용하여 4자유도를 가지는 햅틱 마스터장치를 이용한 최소침습수술의 시술과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치에 있어서, ER 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치에 있어서, MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치에 있어서, ER 유체 또는 MR 유체를 포함하는 다공성 수지의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 1 is a diagram schematically illustrating a procedure of minimally invasive surgery using a haptic master device having four degrees of freedom by applying a semi-active linear haptic device using an ER fluid or MR fluid according to the present invention.
2 is a diagram schematically showing the configuration of a semi-active linear haptic device using the ER fluid in the semi-active linear haptic device using the ER fluid or MR fluid according to the present invention.
3 is a diagram schematically showing the configuration of a semi-active linear haptic device using the MR fluid in the semi-active linear haptic device using the ER fluid or MR fluid according to the present invention.
4 is a diagram schematically illustrating a specific configuration of a porous resin including an ER fluid or an MR fluid in a semi-active linear haptic device using an ER fluid or an MR fluid according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a specific embodiment of a semi-active linear haptic device using an ER fluid or MR fluid according to the present invention will be described.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다. Here, it should be noted that the contents described below are only examples for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the contents of the embodiments described below.
즉, 본 발명에 따른 햅틱장치는, 피스톤, 실린더, ER 또는 MR 유체를 흡수한 다공성 수지 및 실링으로 구성되어, 전기장이나 자기장을 인가하지 않은 경우는 피스톤이 자유롭게 선형 병진운동을 할 수 있고, 다공성 수지에 전기장 또는 자기장을 인가하면 ER 또는 MR 유체가 실린더 벽과 다공성 수지 사이에 입자구조를 형성하여 반력이 발생되는 것을 특징으로 하는 것이다. That is, the haptic device according to the present invention is composed of a piston, a cylinder, a porous resin and a seal absorbing ER or MR fluid, and when the electric or magnetic field is not applied, the piston can freely perform linear translation, and the porous When an electric or magnetic field is applied to the resin, ER or MR fluid is characterized in that the reaction force is generated by forming a particle structure between the cylinder wall and the porous resin.
여기서, ER 및 MR 유체는 전기장 또는 자기장을 인가하면 전단저항력을 발생시키는 지능재료이며, 연속적인 힘 제어가 가능하므로, 햅틱장치와 같은 반능동 시스템의 안정성을 높일 수 있다. Here, the ER and MR fluids are intelligent materials that generate shear resistance when an electric or magnetic field is applied, and since the continuous force control is possible, the stability of a semi-active system such as a haptic device can be improved.
따라서 본 발명에 따르면, 연속적인 제어가 가능하며 제어 안정성이 높은 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치를 제공할 수 있다. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a semi-active linear haptic device using the ER fluid or MR fluid capable of continuous control and high control stability.
여기서, 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치의 구체적인 실시예에 대하여 설명하기에 앞서, ER 유체 및 MR 유체의 구체적인 내용에 대하여 설명한다. Here, before describing a specific embodiment of the semi-active linear haptic device using the ER fluid or MR fluid according to the present invention, specific details of the ER fluid and MR fluid will be described.
진동 감쇠를 위한 기능성 유체에 대한 구체적인 연구결과는, 1950년 윈슬로우(Winslow)에 의해 처음 제안되었으며, 최근까지는 주로 ER 유체(Electro-Reological Fluid)를 이용한 개발이 대부분이었다. Specific research on functional fluids for vibration damping was first proposed by Winslow in 1950. Until recently, most of the development was based on ER fluid (Electro-Reological Fluid).
ER 유체란, 비전도성 용매에 강한 전도성 입자를 분산시킨 콜로이드 용액으로서, 인가하는 전기장에 따라 그 역학적인 특성이 가역 변화하는 유체를 통틀어 의 일컫는 말이다. ER fluid is a colloidal solution in which strong conductive particles are dispersed in a non-conductive solvent. The term ER fluid refers to a fluid in which its mechanical properties are reversibly changed depending on the applied electric field.
즉, ER 유체는, 전기장을 인가하지 않았을 때는 비전도성 용매 중에 분산된 입자가 자유로이 운동을 하는 뉴토니안(Newtonian) 유체의 거동을 나타내지만, 전기장을 인가하면 대전된 전도성의 입자가 전극에 수직으로 체인형 구조를 형성하여 유체의 흐름에 저항하는 항복응력을 가지는 빙햄(Bingham) 유체의 성질을 나타내게 된다. In other words, ER fluid exhibits the behavior of Newtonian fluid in which particles dispersed in non-conductive solvent freely move when no electric field is applied, but charged electric particles are perpendicular to the electrode when electric field is applied. It forms a chain-like structure that exhibits the properties of a Bingham fluid with yield stress that resists the flow of the fluid.
이러한 ER 유체의 거동은 19세기말에 의해 최초로 관찰되었으며, 윈슬로우(Winslow) 유체라고도 불리고 있다. This behavior of ER fluid was first observed by the end of the 19th century and is also called Winslow fluid.
또한, ER 유체는 전기장 무부하시 유체에 분산된 입자가 자유운동을 하여 등방성(isotropic)의 특성을 보이지만, 전기장을 ER 유체에 가하면 유체 중에 분산된 입자가 유도분극을 일으켜 전극을 향하는 다수의 섬유상 조직을 형성함으로써 이방성(anisotropic)의 거동을 가지게 되어 유체의 유동이나 외부에서 가해지는 전단력에 대하여 저항을 나타내며, 이때 발생하는 입자들의 결합력이 외부에서 가해지는 전단력에 대해 저항력을 가지게 되어 유체의 유동을 제한하게 된다. In addition, the ER fluid exhibits isotropic properties due to free movement of the particles dispersed in the fluid under no electric field.However, when the electric field is applied to the ER fluid, the particles dispersed in the fluid generate induced polarization and are directed toward the electrode. By forming an anisotropic behavior, it exhibits resistance to fluid flow or shear force exerted from the outside.At this time, the binding force of particles generated is resistant to shear force exerted from the outside, thereby restricting the flow of the fluid. Done.
그러나 ER 유체의 경우는, 상대적으로 낮은 항복강도를 가지므로 감쇠력에 제한이 있고, 오염물질에 의해 감쇠력이 심각하게 저하되며, 구동에 강한 전기장이 필요하므로, 고전압 전력 공급에 의한 위험성과 고비용의 단점을 가지고 있다. However, the ER fluid has a relatively low yield strength, so the damping force is limited, the damping force is severely lowered by pollutants, and a strong electric field is required for driving. Have
따라서 이러한 문제들을 보완하기 위한 진동 감쇠용 기능성 유체로서, 근래, 자기 유변 유체, 즉, MR 유체(Magneto-Rheological fluid)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. Therefore, as a functional fluid for vibration damping to solve these problems, research on magnetic rheological fluids, that is, MR-Rheological fluids, is being actively conducted.
MR 유체란, 실리콘 오일 또는 미네랄 오일 등의 비전도성 용매 속에 마이크로미터 크기의 자성을 가질 수 있는 입자들을 분산시킨 비콜로이드 용액으로, 자기장이 부하되지 않은 경우 분산 입자는 뉴토니안 유체의 성질을 띠지만 자기장이 부하되면 분산 입자가 분극화를 일으켜 부하된 자기장과 평행한 방향으로 섬유질이 형성되어 전단력이나 유동에 대한 저항력을 가지는 유체를 의미한다. MR fluid is a non-colloidal solution in which micrometer-sized particles are dispersed in a non-conductive solvent such as silicone oil or mineral oil. When the magnetic field is not loaded, the dispersed particles have the properties of Newtonian fluid. When the magnetic field is loaded, the dispersed particles are polarized to form a fiber in a direction parallel to the loaded magnetic field, which means a fluid having shear force or resistance to flow.
즉, MR 유체는, 자기장이 가해지지 않았을 때에는 전단 변형률에 비례하는 항복응력을 발생하는 뉴튼 유체의 성질을 가지나, 자기장이 형성되면 유체내의 작은 입자들이 체인을 형성하여 전단변형률이 없어도 일정한 항복응력을 발생시키는 빙햄 유체(Bingham fluid)의 성질을 띠게 된다. In other words, MR fluids have the properties of Newtonian fluids that generate yield stress proportional to shear strain when no magnetic field is applied.However, when a magnetic field is formed, small particles in the fluid form a chain and produce a constant yield stress even without shear strain. It has the property of producing Bingham fluid.
이러한 MR 유체는, 빠른 응답특성을 가지고, 동적 항복강도가 높으며, 오염에 의한 성능저하가 발생하지 않고, 내마모성이 우수하며, 작동 온도범위가 약 -40℃ ~ 150℃로 넓다는 등의 특징을 가진다. These MR fluids have fast response characteristics, high dynamic yield strength, no degradation in performance due to contamination, excellent wear resistance, and a wide operating temperature range of about -40 ° C to 150 ° C. Have
즉, ER 유체는 빠른 응답성과 전기장 형성이 용이하다는 장점을 가진 반면, 낮은 강도와 좁은 사용온도 범위, 특히 고온에서의 급격한 성능 저하와 일반적으로 제조공정과 가용시 발생할 수 있는 물과 불순물에 의하여 치명적인 성능 저하를 가져오게 되며, 또한, ER 유체는 고전압을 필요로 하므로 순간적으로 수천 볼트의 전압을 낼 수 있는 고전압 장치가 반드시 필요하다는 단점도 있다. In other words, ER fluids have the advantages of fast response and easy field formation, while low strength and narrow operating temperature ranges, especially at high temperatures, can lead to catastrophic degradation due to water and impurities that can occur during manufacturing and availability. In addition, the ER fluid requires a high voltage, and a high voltage device capable of instantaneously generating thousands of volts is required.
이에 비해, MR 유체는, ER 유체와 동일하게 분리 현상이 발생할 수 있고, 자기장 형성에 어려움이 상존하고 있으나, 적은 에너지 공급으로 높은 강도를 구현할 수 있으며, 넓은 온도에의 안정성이 보장되며, 또한, 불순물에 민감하지 않다는 장점을 가지고 있다.In contrast, the MR fluid, like the ER fluid, may occur in a separation phenomenon, and difficulties in forming a magnetic field exist, but high strength can be achieved with low energy supply, and stability at a wide temperature is ensured. It has the advantage of being insensitive to impurities.
이러한 MR 유체와 관련된 기술은 화학, 기계, 항공, 우주뿐만 아니라 군수 산업에 이르기까지 그 적용 범위가 매우 광범위하고, 낮은 원가로도 고부가가치 창출이 가능해 경제적 영향도 상당히 크다. These MR fluid-related technologies have a wide range of applications from the chemical, mechanical, aerospace and aerospace as well as the aerospace industry, and can generate high added value at low cost and have a significant economic impact.
따라서 이러한 산업 전반과 경제에 미치는 영향, 기술 자립의 필요성을 고려하여 MR유체에 대한 기초 기술을 확보하기 위한 연구가 현재도 활발히 진행되고 있다. Therefore, studies are being actively conducted to secure basic technologies for MR fluids in consideration of the influence on the entire industry, the economy, and the need for technology independence.
계속해서, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치의 상세한 내용에 대하여 설명한다. Subsequently, the details of the semi-active linear haptic device using ER fluid or MR fluid according to the present invention will be described with reference to the drawings.
먼저, 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치를 이용한 최소침습수술의 수술과정에 대하여 설명한다. First, with reference to Figure 1, the operation of the minimally invasive surgery using a semi-active linear haptic device using the ER fluid or MR fluid according to the present invention will be described.
도 1은 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치를 이용한 최소침습수술의 수술과정에 이용되는 마스터장치(10) 및 슬레이브 장치(11)의 구성을 나타내고 있다. Figure 1 shows the configuration of the
즉, 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치의 마스터 장치(10)는, 3자유도의 회전운동과 1자유도의 병진운동을 수행하도록 구성되어 있으며, 3자유도의 회전운동 햅틱장치와 1자유도의 선형운동 햅틱장치가 적용된다. 또한, 마스터 장치(10)의 상부에는, 조종자가 파지할 수 있는 그리퍼(gripper)(12)가 로드(13)와 연결되어 있다. That is, the
더 상세하게는, 조종자가 마스터장치(10)를 작동하면, 원격에 설치된 슬레이브 장치(11)가 동작하여 환자의 수술을 집도하게 되고, 이때, 슬레이브 장치(11)가 환자의 피부에 접촉하면, 그 반력을 마스터장치(10)에 전달하여 마스터장치(10)에서 힘 반향을 구현함으로써, 조종자가 실제와 같은 반력을 느낄 수 있도록 하는 것이다. More specifically, when the operator operates the
여기서, 상기한 마스터 장치(10)는, 도 2 및 도 3을 참조하여 후술하는 바와 같이, ER 유체 또는 MR 유체를 적용하여 병진운동 및 병진운동에 대한 힘 반향을 구현할 수 있는 메커니즘인 힘 반향장치(14, 15)와 연결되어 있다. Here, the
또한, 상기한 마스터 장치(10)는, 도시하지는 않았으나, 각각의 ER 유체 또는 MR 유체를 적용한 메커니즘에 전기장 또는 자기장을 발생하기 위한 전류를 인가하는 전원공급수단을 더 포함하여 이루어진다. In addition, although not shown, the
계속해서, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치에 있어서 ER 유체를 적용한 메커니즘을 포함하는 힘 반향장치(14)를 나타낸 것이다. Subsequently, referring to FIG. 2, FIG. 2 shows a
즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, ER 유체를 적용한 힘 반향장치(14)에 있어서, 그리퍼(12)와 연결되어 있는 로드(13)는 피스톤(21)에 고정되어 있다. That is, as shown in FIG. 2, in the
여기서, 피스톤(21)의 가운데에는 홈이 형성되어 있고, 그 홈에 ER 유체를 흡수한 다공성 수지(22)가 고정되어, 피스톤(21)을 감싸듯이 배치되어 있다. Here, a groove is formed in the center of the
또한, 피스톤(21)은, ER 유체에 전기장을 인가하는 전극 역할을 할 수 있도록 도체 물질로 만들어진다. In addition, the
아울러, 실린더(24)의 내부 벽에도 다른 전극(25)이 삽입되어 있으며, 여기서, 실린더(24) 내부의 전극(25)과 피스톤(21)을 감싸고 있는 다공성 수지(22)는 서로 접촉하고 있다. In addition, another
또한, 피스톤(21)에는, 키 홈(23)을 형성하여 피스톤(21)이 실린더(24) 내부에서 병진운동을 할 때 회전하는 것을 방지한다. In addition, the
아울러, 피스톤(21)의 양쪽 끝 부분에는, 실링(26)을 삽입하여 다공성 수지(22)에 흡수되어 있는 ER 유체가 외부로 새는 것을 방지하는 동시에, 실린더(24) 내부에 묻어있는 ER 유체를 긁어내는 역할을 하도록 한다. In addition, at both ends of the
따라서 상기한 바와 같은 구성을 통해, 다공성 수지(22)에 흡수되어 있는 ER 유체에 전기장을 인가하지 않았을 경우는, 반력이 발생하지 않으므로 피스톤(21)이 자유롭게 병진운동을 할 수 있다. Therefore, when the electric field is not applied to the ER fluid absorbed by the
그러나, 피스톤(21)과 실린더(23) 내부의 전극(25) 사이에 전압을 인가하여 전기장을 발생시키면, 다공성 수지(22)에 흡수되어 있는 ER 유체의 입자들이 구조를 형성하여 반력을 발생시키게 되며, 그것에 의해 반능동 힘 반향을 구현하게 된다. However, when an electric field is generated by applying a voltage between the
따라서 슬레이브장치(11)로부터의 정보에 따라 상기한 피스톤(21)과 실린더(23) 내부의 전극(25) 사이에 인가하는 전압을 적절히 조절하여 전기장의 강도를 가감함으로써, 환자의 장기와 접촉하는 슬레이브장치(11)의 접촉을 마스터장치(10)에 사실적으로 구현할 수 있다. Therefore, according to the information from the
계속해서, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치에 있어서 MR 유체를 적용한 힘 반향장치(15)의 메커니즘을 나타낸 것이다. 3, FIG. 3 shows the mechanism of the
즉, 도 3에 나타낸 바와 같이, MR 유체를 적용한 힘 반향장치(15)의 메커니즘도, ER 유체를 적용한 힘 반향장치(14)의 메커니즘과 마찬가지로, 피스톤(31)의 양쪽에 홈이 형성되어 있고, 그 홈에 MR 유체를 흡수한 다공성 수지(32)가 장착되어 피스톤(31)을 감싸듯이 배치되어 있다. That is, as shown in FIG. 3, the mechanism of the
또한, 피스톤(31)의 가운데에는 코일(34)이 감겨있고, 이러한 코일(34)은 전류를 인가하면 자기장을 발생시키는 역할을 하며, 실린더(36) 내부에는 키 홈(33)이 있어 피스톤(31)이 실린더(36) 내부에서 병진운동시 회전하는 것을 방지한다. In addition, a
아울러, 피스톤(31) 양쪽 끝 부분에는 실링(35)을 삽입하여 MR 유체가 새는 것을 방지하고, 동시에 실린더(36) 내부에 묻어 있는 MR 유체를 긁어내는 역할을 한다. In addition, the sealing
따라서 상기한 바와 같은 구성을 통해, 자기장을 발생시키지 않았을 경우에는 피스톤(31)이 자유롭게 병진운동을 할 수 있고, 코일(34)에 전류를 인가하여 자기장을 인가하게 되면 MR 유체의 입자들이 구조를 형성하여 반력을 발생시키며, 그것에 의해 반능동 힘 반향을 구현한다. Therefore, when the magnetic field is not generated through the configuration as described above, the
즉, 슬레이브장치(11)로부터의 정보에 따라 상기한 코일(34)에 인가하는 전압을 적절히 조절하여 자기장의 강도를 가감함으로써, 환자의 장기와 접촉하는 슬레이브장치(11)의 접촉을 마스터장치(10)에 사실적으로 구현할 수 있다. In other words, by appropriately adjusting the voltage applied to the
그 외의 부분은 상기한 ER 유체를 이용한 힘 반향장치(14)와 동일하므로, 설명을 간략히 하기 위해 반복되는 설명은 생략한다. Other parts are the same as those of the
다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치에 있어서, ER 유체 또는 MR 유체를 포함하는 다공성 수지(22, 32)의 상세한 구성에 대하여 설명한다. Next, with reference to FIG. 4, in the semi-active linear haptic apparatus using the ER fluid or MR fluid according to the present invention, a detailed configuration of the
즉, ER 유체 또는 MR 유체는, 유체의 특성상 일정한 형태를 갖추지 못하고 흘러 내리게 되므로, 따라서 본 발명에서는, ER 유체 또는 MR 유체를 다공성 수지에 흡수시킨 ER 또는 MR 다공성 수지(22, 32)를 이용한다. That is, the ER fluid or MR fluid flows down without having a certain shape due to the characteristics of the fluid. Therefore, in the present invention, ER or MR
더 상세하게는, 다공성 수지(22, 32)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 탄성이 있는 해면상의 다공성 물질로서, 예를 들면, 합성수지를 이용하여 만들어지며, 각각의 공극에는 ER 유체 또는 MR 유체가 채워져 있다. More specifically, the
즉, 본 발명에 따른 다공성 수지(22, 32)는, 이러한 판 형태의 ER 또는 MR 다공성 수지 2개를 둥글게 말아서 햅틱장치에 적용하는 것이며, 따라서 본 발명에 따른 다공성 수지(22, 32)는, 전기장 또는 자기장의 인가에 따라 공극 내부의 체인을 형성하고 반력을 구현하도록 구성된다. That is, the
이와 같이, 상기한 바와 같이 하여 ER 유체 또는 MR 유체가 채워진 다공성 수지(22, 32)를 이용함으로써, 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치를 구성할 수 있다. As described above, by using the
따라서 상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 의료용 수술로봇을 이용한 최소침습수술(MIS) 기법에 있어서, 연속적인 제어가 가능하며 제어 안정성이 높은 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치를 제공할 수 있다. Therefore, according to the present invention, in the minimally invasive surgery (MIS) technique using a medical surgical robot, it is possible to provide a semi-active linear haptic device using ER fluid or MR fluid with continuous control and high control stability can do.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다. As described above, the detailed description of the semi-active linear haptic device using the ER fluid or MR fluid according to the present invention through the embodiments of the present invention as described above, the present invention is limited only to the contents described in the above embodiments Therefore, it is a matter of course that the present invention can be variously modified, changed, combined and replaced by those skilled in the art according to the design needs and various other factors. would.
10. 마스터장치 11. 슬레이브장치
12. 그리퍼 13. 로드
14. ER 힘 반향장치 15. MR 힘 반향장치
21. 피스톤 22. 다공성 수지
23. 키 홈 24. 실린더
25. 전극 26. 실링
31. 피스톤 32. 다공성 수지
33. 키 홈 34. 코일
35. 실링 36. 실린더 10.
12.
14. ER
21.
23.
25.
31.piston 32.porous resin
33.
35.
Claims (8)
상기 로드가 고정되고, 중앙부에는 홈이 형성되어 있으며, 전극 역할을 수행할 수 있도록 도체로 형성되는 피스톤과,
ER 유체를 포함하며, 상기 홈에 상기 피스톤을 감싸듯이 고정되는 다공성 수지와,
상기 피스톤이 왕복운동 하도록 설치되는 실린더와,
상기 실린더의 내부 벽에 삽입되어 있는 전극과,
상기 다공성 수지에 흡수되어 있는 상기 ER 유체가 외부로 새는 것을 방지하는 동시에, 상기 실린더 내부에 묻어있는 상기 ER 유체를 긁어내는 역할을 하도록 상기 피스톤의 상하 양쪽 끝 부분에는 삽입되는 실링과,
상기 피스톤이 상기 실린더 내부에서 병진운동을 하는 중 회전하는 것을 방지하기 위한 키 홈 및
상기 ER 유체에 인가하는 전기장을 발생하기 위한 전류를 공급하는 전원공급수단을 포함하여 구성되고,
그것에 의해, 상기 다공성 수지에 흡수되어 있는 상기 ER 유체에 전기장을 인가하지 않았을 경우는 반력이 발생하지 않으므로 상기 피스톤이 자유롭게 병진운동을 할 수 있고, 상기 피스톤 및 상기 실린더 내부의 상기 전극에 전압을 인가하여 전기장을 발생시키면, 상기 다공성 수지에 흡수되어 있는 상기 ER 유체에 의해 반력을 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 ER 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치. A master device and a master device configured to perform a rotational motion of three degrees of freedom and a translational motion of one degree of freedom, including a gripper formed at an upper portion thereof and a rod connected to the gripper so as to be gripped by an operator. In the semi-active linear haptic device for implementing the translational motion and the force response to the translational movement of the robot system for minimally invasive surgery comprising a slave device that is manipulated to remotely guide the operation of the patient,
The rod is fixed, the groove is formed in the center, the piston is formed of a conductor to perform the role of the electrode,
A porous resin including an ER fluid and fixed to surround the piston in the groove;
A cylinder installed to reciprocate the piston,
An electrode inserted into the inner wall of the cylinder,
A seal inserted into upper and lower ends of the piston to prevent leakage of the ER fluid absorbed into the porous resin to the outside and to scrape the ER fluid buried in the cylinder;
A key groove for preventing the piston from rotating during the translational movement inside the cylinder;
It comprises a power supply means for supplying a current for generating an electric field applied to the ER fluid,
As a result, when no electric field is applied to the ER fluid absorbed by the porous resin, reaction force does not occur, so that the piston can freely translate, and a voltage is applied to the piston and the electrode inside the cylinder. When generating an electric field, a semi-active linear haptic device using the ER fluid, characterized in that configured to generate a reaction force by the ER fluid absorbed in the porous resin.
상기 장치는,
환자의 장기와 접촉하는 상기 슬레이브 장치로부터의 접촉정보에 따라 상기 피스톤 및 상기 실린더 내부의 상기 전극에 인가하는 전압을 적절히 조절하여 전기장의 강도를 가감함으로써, 상기 슬레이브 장치의 접촉을 상기 마스터 장치에 그대로 구현할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 ER 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치. The method of claim 1,
The apparatus comprises:
According to the contact information from the slave device in contact with the patient's organ, the voltage applied to the piston and the electrode inside the cylinder is appropriately adjusted to reduce the intensity of the electric field, thereby keeping the slave device in contact with the master device. Semi-active linear haptic device using the ER fluid, characterized in that configured to implement.
상기 다공성 수지는,
탄성이 있는 해면상의 다공성 물질로서 합성수지를 이용하여 만들어지며,
각각의 공극에는 ER 유체가 채워져 있는 것을 특징으로 하는 ER 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치. The method of claim 1,
The porous resin,
It is made of synthetic resin as elastic porous material on sea surface,
Semi-active linear haptic device using the ER fluid, characterized in that each gap is filled with ER fluid.
상기 다공성 수지는,
ER 유체를 포함하는 판 형태의 다공성 수지 2개를 둥글게 말아서 상기 장치에 적용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 ER 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치. The method of claim 3, wherein
The porous resin,
A semi-active linear haptic device using an ER fluid, characterized in that it is configured to roll two plate-shaped porous resin containing ER fluid to the device.
상기 로드가 고정되고, 중앙부에는 홈이 형성되어 있는 피스톤과,
MR 유체를 포함하며, 상기 홈에 상기 피스톤을 감싸듯이 고정되는 다공성 수지와,
상기 피스톤이 왕복운동 하도록 설치되는 실린더와,
상기 MR 유체에 자기장을 인가할 수 있도록 상기 피스톤의 중앙 부분에 배치되어 있는 코일과,
상기 다공성 수지에 흡수되어 있는 상기 MR 유체가 외부로 새는 것을 방지하는 동시에, 상기 실린더 내부에 묻어있는 상기 MR 유체를 긁어내는 역할을 하도록 상기 피스톤의 상하 양쪽 끝 부분에는 삽입되는 실링과,
상기 피스톤이 상기 실린더 내부에서 병진운동을 하는 중 회전하는 것을 방지하기 위한 키 홈 및
상기 MR 유체에 인가하는 자기장을 발생하기 위한 전류를 공급하는 전원공급수단을 포함하여 구성되고,
그것에 의해, 상기 다공성 수지에 흡수되어 있는 상기 MR 유체에 자기장을 인가하지 않았을 경우는 반력이 발생하지 않으므로 상기 피스톤이 자유롭게 병진운동을 할 수 있고, 상기 코일에 전류를 인가하여 자기장을 발생시키면, 상기 다공성 수지에 흡수되어 있는 상기 MR 유체에 의해 반력을 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치. A master device and a master device configured to perform a rotational motion of three degrees of freedom and a translational motion of one degree of freedom, including a gripper formed at an upper portion thereof and a rod connected to the gripper so as to be gripped by an operator. In the semi-active linear haptic device for implementing the translational motion and the force response to the translational movement of the robot system for minimally invasive surgery comprising a slave device that is manipulated to remotely guide the operation of the patient,
The rod is fixed, the piston having a groove formed in the center portion,
A porous resin including MR fluid and fixed to surround the piston in the groove;
A cylinder installed to reciprocate the piston,
A coil disposed at a central portion of the piston to apply a magnetic field to the MR fluid;
A seal inserted into upper and lower ends of the piston to prevent leakage of the MR fluid absorbed into the porous resin to the outside and to scrape the MR fluid buried in the cylinder;
A key groove for preventing the piston from rotating during the translational movement inside the cylinder;
It comprises a power supply means for supplying a current for generating a magnetic field applied to the MR fluid,
As a result, when a magnetic field is not applied to the MR fluid absorbed by the porous resin, no reaction force is generated, so that the piston can freely translate and generate a magnetic field by applying a current to the coil. Semi-active linear haptic device using the MR fluid, characterized in that configured to generate a reaction force by the MR fluid absorbed in the porous resin.
상기 장치는,
환자의 장기와 접촉하는 상기 슬레이브 장치로부터의 접촉정보에 따라 상기 코일에 인가하는 전압을 적절히 조절하여 자기장의 강도를 가감함으로써, 상기 슬레이브 장치의 접촉을 상기 마스터 장치에 그대로 구현할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치. 6. The method of claim 5,
The apparatus comprises:
It is configured to implement the contact of the slave device in the master device by adjusting the voltage applied to the coil appropriately according to the contact information from the slave device in contact with the organ of the patient to reduce the strength of the magnetic field. Semi-active linear haptic device using an MR fluid.
상기 다공성 수지는,
탄성이 있는 해면상의 다공성 물질로서 합성수지를 이용하여 만들어지며,
각각의 공극에는 MR 유체가 채워져 있는 것을 특징으로 하는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치. 6. The method of claim 5,
The porous resin,
It is made of synthetic resin as elastic porous material on sea surface,
Semi-active linear haptic device using the MR fluid, characterized in that each gap is filled with MR fluid.
상기 다공성 수지는,
MR 유체를 포함하는 판 형태의 다공성 수지 2개를 둥글게 말아서 상기 장치에 적용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 MR 유체를 이용한 반능동 선형 햅틱장치.
8. The method of claim 7,
The porous resin,
A semi-active linear haptic device using an MR fluid, characterized in that it is configured to roll round two porous resins in the form of plates containing MR fluid to the device.
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|---|---|---|---|
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