[論文レビュー] Performance Control of Tendon-Driven Endoscopic Surgical Robots With Friction and Hysteresis

Thanh Nho, Tegoeh Tjahjowidodo+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2017

Soft Robotics and Applications参考文献 28被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、モデルパラメータやシース構成の正確な知識が不要な、内視鏡外科学研究 robots に用いられる tendonsheath mechanism (TSM) のための適応的非線形制御方式を提案する。オンラインで摩擦およびバックラッシュヒステリシスの境界を推定し、動的摩擦モデルを用いることで、追従性能を顕著に向上させ、さまざまな内視鏡構成下で平均二乗誤差 (MSE) を 0.0022 rad² から 2.7876×10⁻⁴ rad² に低減した。

ABSTRACT

In this study, a new position control scheme for the tendon-sheath mechanism (TSM) which is used in flexible medical devices is presented. TSM is widely used in dexterous robotic applications because it can flexibly work in limited space, in constrained environments, and provides efficient power transmission from the external actuator to the distal joint. However, nonlinearities from friction and backlash hysteresis between the tendon and the sheath pose challenges in achieving precise position controls of the end effector. Previous studies on the TSM only address the control problem under the assumptions of known tendon-sheath configuration and known model parameters of the backlash hysteresis nonlinearity. These approaches can have adverse impact and limitations on the overall system performances and practical implementation. This paper presents a new approach to model and control the TSM-driven flexible robotic systems. The designed controller does not require exact knowledge of nonlinear friction and backlash hysteresis parameters, only their bounds are online estimated. Simulation and experimental validation results show that the proposed control scheme can significantly improve the tracking performances without the presence of the exact knowledge of the model parameters and the sheath configuration.

研究の動機と目的

• フレキシブルな内視鏡外科学研究 robots に用いられる tendonsheath mechanism (TSM) における正確な位置制御の課題に対処すること。
• 従来の制御手法がモデルパラメータおよびシース構成を事前に知っている必要があるという制限を克服すること。
• 非線形性の境界をオンラインで推定するのみで、動的摩擦およびバックラッシュヒステリシスを補償するロバストな制御方式を開発すること。
• さまざまな内視鏡構成および現実世界の摂動下での制御性能を検証すること。
• 最小侵襲および自然腔孔外科学に応用可能な TSM を用いたロボットシステムの実用的実装を可能にすること。

提案手法

• TSM に適したパラメータ数が少ない新しい動的摩擦モデルを用い、静止状態および滑り状態の両方を捉える。
• 実時間で摩擦およびヒステリシス非線形性の上界を推定する適応制御則を採用する。
• 制御方式は tendonsheath 構成に依存せず、モデルパラメータの事前知識を必要としない。
• 運動中の非線形性の影響を相殺するために、フィードフォワード補償機構を統合する。
• さまざまな内視鏡構成下で物理的 TSM プロトタイプを用いたシミュレーションおよび実験により制御方式を検証する。
• 追従誤差の平均二乗誤差 (MSE) を複数試行にわたって測定し、性能を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TSM の位置制御方式は、摩擦およびヒステリシスモデルパラメータの正確な知識がなくても高精度の追従制御を達成できるか？
• RQ2 運転中に内視鏡構成が変更され、未知の摩擦変動が生じた場合、制御方式の性能はいかがであるか？
• RQ3 非線形性の境界をオンラインで推定することで、固定パラメータ制御方式と比較して追従性能がどの程度向上するか？
• RQ4 動的摩擦およびバックラッシュヒステリシスが存在する状況下でも、小変位および大変位の両方の領域で制御方式は有効か？
• RQ5 適応的境界推定を用いることで、従来の方法と比較して追従精度がどの程度向上するか？

主な発見

• 提案された制御方式は追従誤差を顕著に低減し、さまざまな内視鏡構成下で平均二乗誤差 (MSE) を 0.0022 rad² から 2.7876×10⁻⁴ rad² に低下させた。
• 実験中に内視鏡構成をランダムに変更しても、制御方式は良好な追従性能を維持し、未知の摩擦変動に対してロバストであることを示した。
• 構成を変化させた5回の試行におけるMSEは、1.1921×10⁻⁴ から 3.3967×10⁻⁴ rad² の範囲に収まり、一貫性があり低誤差の性能を示した。
• TSM の正確なシース構成やモデルパラメータの知識に依存せず、実用的導入が可能である。
• 実験結果から、非線形性の境界をオンラインで推定するだけで高精度制御が達成可能であり、複雑なモデルの事前キャリブレーションが不要であることが確認された。
• 動的かつ変化する環境下でも、摩擦およびヒステリシスによって生じる定常誤差や振動を効果的に低減した。