[논문 리뷰] Helical Tendon-Driven Continuum Robot with Programmable Follow-the-Leader Operation

Behnam Moradkhani, Raghav Sankaranarayanan외 5명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 19.

Pain Management and Treatment인용 수 0

한 줄 요약

이 논문은 Cosserat 로드 모델을 이용해 척수자극 전극의 유도 방향을 제어하기 위해 원추형 노치 튜브 텐던 구동 연속 로봇 ExoNav를 제시하며, 중력 인식 계획과 팬텀에서의 실험적 검증을 통해 programmable follow-the-leader 모션을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 가측 및 전방 척추 내비게이션에 최적화된 니티놀, 헬리컬 노치 튜브(ExoNav) 설계.
• 텐던 구동 변형을 모델링하기 위해 Notched 연속 로봇에 Cosserat 로드 이론을 맞춤화.
• 중력과 같은 외부 하중 하에서 follow-the-leader 모션에 근접하도록 텐던 장력 입력 최적화 프레임워크를 개발.
• 4개의 프로토타입과 팬텀 척수 모델에 걸친 실험을 통해 모델을 검증.
• SCS 응용을 위한 정확한 척추 표적 및 등쪽 뿌리 신경절 탐색 가능성을 입증.

제안 방법

• 텐던 구동 로봇에 대한 공간적으로 가변 속성을 갖는 정static 평형 모델을 Cosserat 로드 기반으로 채택.
• ExoNav 유효 단면적 및 중립축을 정의하여 A, r_na, I_x, I_y, I_z를 계산.
• 텐던 장전을 텐던 인장 입력 tau로 모델링하고 v와 u에 대한 K 행렬 및 경계 조건(Eqs. 1–5)을 도출.
• 노치형 니티놀 튜브인 ExoNav 기하에 특화된 p*, R*, v*, u*의 명시적 표현(Eqs. 6–13)으로 모델을 구체화.
• 상태 방정식을 해석하기 위한 MATLAB의 shooting 방법을 구현하고 진행적 모션 및 FTL 모션 시뮬레이션(Eqs. 14–15)을 수행.
• 중력 f_e를 분포 외력으로 도입하고 중력-무(prediction) 대비 중력 인식 예측(Eq. 18)을 비교.
• 진행 계수 eta 하에서 외부 하중 하에 바람직한 FTL 경로를 따르도록 텐던 텐션을 최적화하고 회전-이동 결합(Sec. II-C)을 포함.
• 실험용 텐던 텐션 시스템에서 텐던 장력 명령을 관리하기 위한 PI 제어 루프(Fig. 7).
• EM 추적 실험 위치로 예측을 검증하고 오차를 정량화(Table I, Fig. 6).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중력 하에서 ExoNav가 ventral 및 lateral 척수 표적에 대해 정확한 follow-the-leader 내비게이션을 달성할 수 있는가?
• RQ2 중력과 notch 구동 기하가 변형에 미치는 영향은 무엇이며, 텐던 텐션을 어떻게 최적화하여 FTL 궤적을 유지할 수 있는가?
• RQ3 Cosserat 기반 모델이 여러 프로토타입 기하학에서의 실험적 변형을 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ4 ExoNav를 이용한 팬텀 척수 내비게이션이 잠재적 SCS 전극 전달에 가능성이 있는가?

주요 결과

• 중력 인식 모델링 하에서의 4개 프로토타입의 끝단 위치 RMSE: 1.76, 2.33, 2.18, 1.33 mm (로봇 길이의 2.1–4.2%).
• 엔드 이펙터 궤적이 참조 경로와 밀접하게 일치하는 진행적 모션 및 FTL 모션이 달성되었으며, FTL 실험의 최대 RMSE는 3.75 mm(로봇 길이의 <5%).
• 중력 모델링은 중력-무 예측에 비해 예측 정확도를 개선하며, 특히 엔드 이펙터 근처에서 MED 및 RMSE를 감소시킴(Table I).
• 진행적 모션 및 FTL 참조는 시뮬레이션 및 프로토타입 전반에 걸쳐 실험적으로도 일관된 재현성을 보이며 검증됨.
• 팬텀 척수 시연은 측면, 전측 표적 및 등쪽 뿌리 신경절으로의 성공적 내비게이션을 보여주며 ExoNav의 운동 회복 및 통증 관리 잠재력을 입증.
• 텐던 텐션 최적화 프레임워크는 외부 하중 하에서 원하는 FTL 경로를 따르는 텐던 텐션을 계산할 수 있음.