Data-Driven Shape Sensing in Continuum Manipulators via Sliding Resistive Flex Sensors

要約

ケーブル駆動の Continuum Dexterous Manipulators (CDM) に組み込まれた Resistive Flex Sensor (RFS) を使用した新しい形状センシング方法を紹介します。
RFS は、直接的な力ではなく、主に変形に対して敏感であり、形状センシングのための独特のツールとなっています。
私たちが設計した RFS ユニットは、かなり安価で堅牢な代替品であり、低侵襲手術に提案されている CDM に使用されている既存の形状センシング方法と同等の精度とリアルタイム性能を提供します。
当社の設計により、RFS は CDM の曲率に沿って CDM 内で移動できるため、複雑なセンサー設定を必要とせずに、さまざまな曲げ位置から抵抗メトリクスを取得できるようになります。
RFS ユニットは、オーバーヘッド カメラと ResNet 機械学習フレームワークを使用して校正されます。
CDM の 3D プリント プロトタイプを使用した実験では、平均形状推定誤差 0.968 mm、標準誤差 0.275 mm を達成しました。
モデルの応答時間は約 1.16 ms で、リアルタイムの形状センシングが可能になりました。
この予備研究では、曲率が一定ではない C 字型の CDM 変形に対するアプローチの実現可能性を示すことに成功しましたが、現在、その結果を拡張して、遮蔽された環境で作成された S 字型や、
外力の存在下で。

要約(オリジナル)

We introduce a novel shape-sensing method using Resistive Flex Sensors (RFS) embedded in cable-driven Continuum Dexterous Manipulators (CDMs). The RFS is predominantly sensitive to deformation rather than direct forces, making it a distinctive tool for shape sensing. The RFS unit we designed is a considerably less expensive and robust alternative, offering comparable accuracy and real-time performance to existing shape sensing methods used for the CDMs proposed for minimally-invasive surgery. Our design allows the RFS to move along and inside the CDM conforming to its curvature, offering the ability to capture resistance metrics from various bending positions without the need for elaborate sensor setups. The RFS unit is calibrated using an overhead camera and a ResNet machine learning framework. Experiments using a 3D printed prototype of the CDM achieved an average shape estimation error of 0.968 mm with a standard error of 0.275 mm. The response time of the model was approximately 1.16 ms, making real-time shape sensing feasible. While this preliminary study successfully showed the feasibility of our approach for C-shape CDM deformations with non-constant curvatures, we are currently extending the results to show the feasibility for adapting to more complex CDM configurations such as S-shape created in obstructed environments or in presence of the external forces.

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