[논문 리뷰] Performance Control of Tendon-Driven Endoscopic Surgical Robots With Friction and Hysteresis

Thanh Nho, Tegoeh Tjahjowidodo외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 06.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 28인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 내시경 수술용 로봇의 tendonsheath mechanism(TSM)에 대해 정확한 모델 파라미터나 케이싱 구성에 대한 지식이 없이도 마찰력과 역행 히스테리시스를 보상하는 적응형 비선형 제어 방식을 제안한다. 실시간으로 마찰력과 히스테리시스 비선형성의 상한을 추정하고 동적 마찰 모델을 사용함으로써, 제어 성능 향상이 크게 향상되어 다양한 내시경 구성 조건 하에서 평균 제곱오차(MSE)가 0.0022 rad²에서 2.7876×10⁻⁴ rad²로 감소함을 확인하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 탄성 내시경 수술용 로봇에서 사용되는 테이던드라이브 메커니즘(TSM)의 정밀한 위치 제어 문제를 해결하기 위해.
• 이전의 제어 방법들이 알려진 모델 파라미터와 케이싱 구성이 필요로 하는 한계를 극복하기 위해.
• 비선형성의 온라인 추정 상한값만을 사용하여 동적 마찰력과 역행 히스테리시스를 보상하는 강건한 제어 체계를 개발하기 위해.
• 다양한 내시경 구성 조건과 실제 환경의 간섭 조건 하에서 제어 성능을 검증하기 위해.
• 최소 침습 수술 및 자연구강 수술에 실용적으로 적용 가능한 TSM 기반 로봇 시스템의 구현을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• TSM에 적합한 새로운 동적 마찰 모델을 사용하여 더 적은 수의 파라미터로 미미한 슬라이딩 및 슬라이딩 영역을 모두 포괄한다.
• 실시간으로 마찰력과 히스테리시스 비선형성의 상한을 추정하는 적응형 제어 법칙을 적용한다.
• 테이던드라이브 케이싱 구성에 독립적이며, 모델 파라미터의 사전 지식이 필요하지 않은 제어 체계를 설계한다.
• 운동 중 비선형성의 영향을 상쇄하기 위해 피드포워드 보상 메커니즘을 통합한다.
• 다양한 내시경 구성 조건 하에서 물리적 TSM 프로토타입을 대상으로 시뮬레이션과 실험을 통해 제어기 성능을 검증한다.
• 다수의 시험에서 추적 오차의 평균 제곱오차(MSE)를 사용하여 성능을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TSM의 위치 제어 방식이 마찰력과 히스테리시스 모델 파라미터의 정확한 지식 없이도 고정밀 추적 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ2 운영 중 내시경 구성 조건이 변경되어 알려지지 않은 마찰력 변화가 발생할 경우 제어기가 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 비선형성 상한의 온라인 추정이 고정 파라미터 제어기 대비 추적 성능 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 동적 마찰력과 역행 히스테리시스가 존재하는 상황에서 소규모 및 대규모 변위 영역 모두에서 제어기가 효과적으로 작동할 수 있는가?
• RQ5 적응형 상한 추정을 사용할 경우 기존 방법 대비 추적 정밀도가 얼마나 향상되는가?

주요 결과

• 제안된 제어기는 추적 오차를 크게 감소시켜 다양한 내시경 구성 조건 하에서 평균 제곱오차(MSE)를 0.0022 rad²에서 2.7876×10⁻⁴ rad²로 감소시켰다.
• 실험 중 내시경 구성 조건이 무작위로 변경되어도 제어기는 양호한 추적 성능 유지를 보이며, 알 수 없는 마찰력 변화에 대한 강건성을 입증하였다.
• 다양한 구성 조건으로 구성된 5회의 시험에서 MSE 값은 1.1921×10⁻⁴에서 3.3967×10⁻⁴ rad² 사이를 오갔으며, 일관되고 낮은 오차 성능을 보였다.
• 제어기는 테이던드라이브 케이싱 구성 정보나 정확한 모델 파라미터에 의존하지 않아도 성능 향상을 달성할 수 있었고, 실용적 구현이 가능함을 입증하였다.
• 실험 결과는 비선형성 상한의 온라인 추정만으로도 고정밀 제어가 가능하며, 복잡한 모델의 사전 校정이 필요 없음을 확인하였다.
• 제어기는 동적이고 변화하는 환경에서도 마찰력과 히스테리시스로 인한 정적 오차와 진동을 효과적으로 완화하였다.