[论文解读] Haptic Feedback in Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery (NOTES)

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

Soft Robotics and Applications参考文献 23被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于自然腔道经口内镜手术（NOTES）中肌腱-鞘机构的新型摩擦模型，旨在在尺寸限制和非线性动力学条件下实现精确的触觉反馈。通过在不使用传统传感器的情况下估计工具尖端的受力，该模型实现了平滑的零速度受力估计，并能适应复杂的鞘管几何形状，实验验证采用2-DOF主从系统和功能型触觉反馈结构。

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.

研究动机与目标

• 解决由于尺寸和灭菌限制导致在NOTES中提供可靠触觉反馈的挑战。
• 克服肌腱-鞘机构中非线性摩擦和间隙问题，以改善力的传递。
• 开发一种无需传感器的受力估计方法，可在零速度下工作并适应复杂的鞘管形状。
• 通过2-DOF主从机器人系统实验验证所提出的模型。
• 设计一种可集成到柔性内窥镜系统中的实用触觉反馈结构。

提出的方法

• 开发一种新型摩擦模型，以捕捉肌腱-鞘系统中的动态摩擦和间隙效应。
• 采用与配置无关的公式化方法，无论鞘管曲率如何，均可估计远端受力。
• 在2-DOF主从机器人系统中实现该模型，以进行实验验证。
• 通过实验数据采集，将估计受力与实际测量值进行比较。
• 基于验证后的模型设计一种触觉反馈结构，用于实时触觉渲染。
• 采用无传感器方法，避免在工具尖端安装力/力矩传感器的需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不将传感器置于工具尖端的情况下，实现在NOTES系统中的精确触觉反馈？
• RQ2 摩擦模型是否能在肌腱-鞘机构中实现零速度下的可靠受力估计？
• RQ3 所提出的模型在不同鞘管几何形状和配置下的表现如何？
• RQ4 估计受力与实验测量值相比的精度如何？
• RQ5 该模型能否集成到适用于柔性内窥镜的实用触觉反馈系统中？

主要发现

• 所提出的摩擦模型即使在零速度下，也能以高精度估计肌腱-鞘机构远端的受力。
• 该模型表现出平滑的受力估计，无间断性，与传统模型存在的粘滑效应形成鲜明对比。
• 实验验证表明，估计受力与实际测量值在各种配置下均具有高度一致性。
• 该模型与系统配置无关，无需重新校准即可适应复杂的鞘管形状。
• 成功实现了基于所提模型的功能型触觉反馈结构，并通过实验验证。
• 该方法使得在传统传感器不可行的柔性内窥镜系统中实现实用触觉反馈成为可能。