[논문 리뷰] Haptic Feedback in Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery (NOTES)

Thanh Nho, Soo Jay Phee|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 24.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 23인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 자연구강경내시경수술(NOTES)에서 힘줄-셔틀 기구의 새로운 마찰 모델을 제안하여 크기 제약과 비선형 역학성으로 인해 정확한 촉각 피드백을 구현하는 데 기여한다. 기존의 센서를 사용하지 않고 도구 끝에서의 힘을 추정함으로써, 매끄럽고 영속속도에서의 힘 추정이 가능하며, 복잡한 셔틀 기하학적 형상에 적응할 수 있다. 이는 2-DOF 마스터-슬레이브 시스템과 기능성 촉각 피드백 구조를 통해 실험적으로 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 크기 제약과 멸균 조건으로 인해 NOTES에서 신뢰할 수 있는 촉각 피드백을 제공하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 힘줄-셔틀 기구에서 힘 전달을 방해하는 비선형 마찰과 역행성 문제를 극복하기 위해.
• 영속속도에서 작동하고 복잡한 셔틀 형상에 적응할 수 있는 센서가 없는 힘 추정 방법을 개발하기 위해.
• 2-DOF 마스터-슬레이브 로봇 시스템을 사용하여 제안된 모델을 실험적으로 검증하기 위해.
• 유연한 내시경 시스템에 통합 가능한 실용적인 촉각 피드백 구조를 설계하기 위해.

제안 방법

• 힘줄-셔틀 시스템에서의 동적 마찰과 역행성을 포괄하는 새로운 마찰 모델 개발.
• 셔틀 곡률에 관계없이 종단력 추정이 가능한 구성에 독립적인 수식 사용.
• 실험적 검증을 위해 2-DOF 마스터-슬레이브 로봇 시스템에 모델 구현.
• 추정된 힘과 실제 측정값을 비교하기 위해 실험 데이터 수집.
• 검증된 모델을 기반으로 실시간 촉각 렲현을 위한 힘 피드백 구조 설계.
• 도구 끝에 힘/토크 센서가 필요 없도록 센서가 없는 접근 방식 활용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 센서를 도구 끝에 설치하지 않고 NOTES 시스템에서 정확한 촉각 피드백을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 마찰 모델이 힘줄-셔틀 기구에서 영속속도에서 신뢰할 수 있는 힘 추정을 제공할 수 있는가?
• RQ3 제안된 모델은 다양한 셔틀 기하학적 형상과 구성에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 추정된 힘의 정확도는 실험 측정값과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 이 모델은 유연한 내시경용 기능성 촉각 피드백 시스템에 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 마찰 모델은 영속속도에서도 정확도가 높은 종단력 추정을 성공적으로 수행한다.
• 기존의 스틱-슬립 효과가 있는 모델과 달리, 이 모델은 불연속성이 없는 매끄러운 힘 추정을 보여준다.
• 실험적 검증 결과, 다양한 구성에서 추정된 힘과 실제 측정값 간의 높은 일치도를 보였다.
• 시스템 구성에 독립적이며, 재교정 없이도 복잡한 셔틀 형상에 적응할 수 있다.
• 기능성 힘 피드백 구조가 제안된 모델을 기반으로 성공적으로 구현되고 검증되었다.
• 이 접근 방식은 기존 센서가 불가능한 유연한 내시경 시스템에서 실용적인 촉각 피드백을 가능하게 한다.