[論文レビュー] Haptic Feedback in Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery (NOTES)

Thanh Nho, Soo Jay Phee|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2016

Soft Robotics and Applications参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、自然腔孔経路内視鏡手術（NOTES）における tendonsheath 機構に対して、サイズ制約や非線形ダイナミクスにもかかわらず正確なハプティクスフィードバックを可能にする、新しい摩擦モデルを提案する。従来のセンサーを用いずにツール先端の力を推定することで、滑らかでゼロ速度における力推定が実現され、複雑なシース形状にも適応可能である。実験的に2-DOF マスタースレーブシステムおよび機能的なフィードバック構造を用いて検証された。

ABSTRACT

Flexible tendon sheath mechanism is commonly used in NOTES systems because it offers high flexibility, light weight, and easy transmission. Due to the size constraints and sterilization problems, traditional sensors like force/torque sensor are extremely difficult to place at the tool tips of surgical arms. In addition, nonlinear dynamic friction and backlash cause challenges to provide haptic feedback to the surgeons when the robotic arms are inside the patient's body. Hence, it is extremely difficult to provide the force information to haptic devices and subsequently to the surgeons. To deal with these problems, in this paper we propose a new approach of friction model in the tendon-sheath mechanism to provide the force at distal end of endoscopic system. In comparison with current approaches in the literature, the proposed model is able to provide force information at zero velocity and it is smooth. In addition, the model is independent configuration and able to capture friction force with any complex sheath shapes. A suitable experimental setup is established to validate the proposed approach using the two degrees of freedom Master-Slave system. The validity of the proposed approach is confirmed with a good agreement between the estimated model and real experimental data. Finally, a force feedback structure is also given for use in flexible endoscopic systems.

研究の動機と目的

• サイズ制約および滅菌要件のため、NOTESにおいて信頼性の高いハプティクスフィードバックを提供する課題に対処すること。
• 力伝達を妨げる、tendon-sheath 機構における非線形摩擦およびバックラッシュを克服すること。
• ゼロ速度でも動作し、複雑なシース形状に適応可能なセンサーレス力推定手法を開発すること。
• 2-DOF マスタースレーブロボットシステムを用いて、提案モデルを実験的に検証すること。
• 柔軟内視鏡システムに統合可能な実用的なフィードバック構造を設計すること。

提案手法

• tendon-sheath システムにおける動的摩擦およびバックラッシュを捉える、新規な摩擦モデルの開発。
• システムの構成に依存しない定式化を用いて、シースの曲がり具合に関わらず先端部の力を推定すること。
• 実験的検証のため、2-DOF マスタースレーブロボットシステムにモデルを実装すること。
• 推定力と実測値の比較のため、実験的データ収集を実施すること。
• 検証済みモデルに基づくリアルタイムのハプティクスレンダリングが可能なフィードバック構造の設計。
• ツール先端に力・トルクセンサーを設置する必要を回避するセンサーレスアプローチの活用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ツール先端にセンサーを設置できない状況下で、NOTESシステムにおいて正確な力フィードバックをどのように実現できるか？
• RQ2 摩擦モデルが、tendon-sheath 機構においてゼロ速度でも信頼性の高い力推定を可能にするか？
• RQ3 提案モデルは、さまざまなシース形状や構成においてどのように性能を発揮するか？
• RQ4 推定力の精度は、実測値と比較してどの程度か？
• RQ5 このモデルは、柔軟内視鏡用の機能的なハプティクスフィードバックシステムに統合可能か？

主な発見

• 提案された摩擦モデルは、ゼロ速度であっても、tendon-sheath 機構の先端部における力推定を高い精度で実現した。
• 従来のモデルがスタック・スリップ効果に起因する不連続性を示すのに対し、本モデルは滑らかな力推定を実現した。
• 実験的検証により、さまざまな構成において推定力と実測値の間に強い一致が得られた。
• モデルはシステムの構成に依存せず、再キャリブレーションなしに複雑なシース形状に対しても適応可能であった。
• 実用的なフィードバック構造が、提案モデルを用いて成功裏に実装・検証された。
• このアプローチにより、従来のセンサーが不適切な柔軟内視鏡システムにおいて、実用的なハプティクスフィードバックが可能となった。