[論文レビュー] Helical Tendon-Driven Continuum Robot with Programmable Follow-the-Leader Operation

Behnam Moradkhani, Raghav Sankaranarayanan+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2026

Pain Management and Treatment被引用数 0

ひとこと要約

本論文はExoNavを提示する。Cosseratロッドモデルを用いて脊髄刺激リードを操縦する螺旋状凹みチューブ tendon駆動連続ロボットであり、gravity-awareな計画とファントムでの実験検証を通じてfollow-the-leader運動をプログラム可能にする。

ABSTRACT

Spinal cord stimulation (SCS) is primarily utilized for pain management and has recently demonstrated efficacy in promoting functional recovery in patients with spinal cord injury. Effective stimulation of motor neurons ideally requires the placement of SCS leads in the ventral or lateral epidural space where the corticospinal and rubrospinal motor fibers are located. This poses significant challenges with the current standard of manual steering. In this study, we present a static modeling approach for the ExoNav, a steerable robotic tool designed to facilitate precise navigation to the ventral and lateral epidural space. Cosserat rod framework is employed to establish the relationship between tendon actuation forces and the robot's overall shape. The effects of gravity, as an example of an external load, are investigated and implemented in the model and simulation. The experimental results indicate RMSE values of 1.76mm, 2.33mm, 2.18mm, and 1.33mm across four tested prototypes. Based on the helical shape of the ExoNav upon actuation, it is capable of performing follow-the-leader (FTL) motion by adding insertion and rotation DoFs to this robotic system, which is shown in simulation and experimentally. The proposed simulation has the capability to calculate optimum tendon tensions to follow the desired FTL paths while gravity-induced robot deformations are present. Three FTL experimental trials are conducted and the end-effector position showed repeatable alignments with the desired path with maximum RMSE value of 3.75mm. Ultimately, a phantom model demonstration is conducted where the teleoperated robot successfully navigated to the lateral and ventral spinal cord targets. Additionally, the user was able to navigate to the dorsal root ganglia, illustrating ExoNav's potential in both motor function recovery and pain management.

研究の動機と目的

• 外側および腹側脊髄ナビゲーションに最適化されたニジテル（nitinol）、螺旋状ノッチ付きチューブ（ExoNav）の設計
• 抑制ノッチ連続ロボットのテンション駆動変形を模型化するためのCosseratロッド理論の適用
• 外部荷重（重力など）の下でフォロー・ザ・リーダー動作に近い追従を達成するテンション張力入力最適化フレームワークの開発
• 4つのプロトタイプとファントム脊髄モデルを用いた実験によるモデルの検証
• SCSアプリケーションのための正確な脊髄ターゲットおよび背根神経節 navigatioの可能性を示す

提案手法

• テンション駆動ロボットに対する空間変動特性を持つ静的平衡モデルとしてCosseratロッドベースを採用
• ExoNavの有効断面積と中性軸を定義し、A、r_na、慣性I_x、I_y、I_zを計算
• テンション張力入力τによるテンション駆動作 actuation をモデル化し、vおよびuのK行列と境界条件を導出（Eqs. 1–5）
• ノッチ付きニトノールチューブというExoNav幾何にモデルを特化し、p*、R*、v*、u*の明示的表現を導出（Eqs. 6–13）
• 射撃法（shooting method）をMATLABで実装し、状態方程式を解くとともに進行的およびFTL運動のシミュレーションを実施（Eqs. 14–15）
• 重力を分布外力f_eとして組み込み、重力なしモデルと重力適合モデルを比較（Eq. 18）
• 進行因子etaの下でFTL軌跡に追従させるようテンション張力を最適化し、回転-平行結合を考慮（Sec. II-C）
• 実験用テンション系のテンション指令を管理するPI制御ループを使用（Fig. 7）
• EM追跡による実験位置と誤差を検証（Table I、Fig. 6）

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ExoNavは重力下で腹側・側方の脊髄ターゲットへの正確なfollow-the-leaderナビゲーションを達成できるか？
• RQ2 重力とノッチ駆動幾何が変形にどう影響し、テンション張力を最適化してFTL軌道を維持できるか？
• RQ3 Cosseratベースのモデルは複数のプロトタイプ幾何に対する実験的変形をどれだけ予測できるか？
• RQ4 ExoNavによるファントム脊髄ナビゲーションはSCS電極デリバリーの可能性を示すか？

主な発見

• 重力適合モデル下の4つのプロトタイプにおける先端位置RMSE: 1.76、2.33、2.18、および1.33 mm（ロボット長の2.1–4.2%）。
• 端末操作軌道が参照パスとほぼ一致するようにFTL運動を実現；FTL試行の最大RMSEは3.75 mm（ロボット長の<5%）。
• 重力モデル化は重力なしモデルより予測精度を向上させ、特に末端近傍でMEDとRMSEを低減（Table I）。
• 進行的運動およびFTL参照はシミュレーションと実験の両方で検証され、プロトタイプ間で再現性が一貫。
• ファントム脊髄デモは側方・腹側ターゲットおよび背根神経節へのナビゲーションに成功しており、運動回復および痛みに対する治療への潜在性を示す。
• テンション張力最適化フレームワークは外部荷重下で所望のFTL経路に追従するテンションを計算可能。