A Starter’s Kit for Concentric Tube Robots

要約

同心円筒ロボット (CTR) は、その柔軟性、器用さ、小型化の容易さにより、外科ロボット工学コミュニティ内で大きな関心を集めています。
ただし、CTR の独自の運動学と設計原則を習得することは、この分野の初心者にとっては困難な場合があります。
本稿では、同心円筒ロボット研究への参入障壁を下げることを目的とした教育キットを紹介します。
私たちの目標は、CTR にアクセス可能な学習リソースを提供し、従来のロボット アームとこれらの特殊なデバイスの間の知識のギャップを埋めることです。
提案されたキットには、(1) 経済的な (材料費 $\約 $700 USD) モジュラー CTR のオープンソース設計と組み立て説明書が含まれています。
(2) CTR モデリングと制御の基礎を学習するための一連の自習教材 (自動採点された課題を含む)。
当社の教育キットの有効性を評価するために、工学部大学院 1 年生を対象とした人間を対象とした研究を実施しました。
4 週間にわたって、参加者は同心円状のチューブ ロボットに関する予備知識をまったく持っていませんでしたが、提供された材料を使用して最初の CTR を構築し、MATLAB でロボットの運動学を実装し、光学ツールを使用して先端追跡実験を実施することに成功しました。
追跡装置。
私たちの調査結果は、提案されたキットがCTRの学習と実践経験を促進し、さらに初期段階の大学院生がCTR研究を迅速に開始するのに役立つ可能性があることを示唆しています。
これらのリソースを広めることにより、同心円筒ロボットの研究への参加をより幅広い、より多様な研究者グループに広げたいと考えています。

要約(オリジナル)

Concentric Tube Robots (CTRs) have garnered significant interest within the surgical robotics community because of their flexibility, dexterity, and ease of miniaturization. However, mastering the unique kinematics and design principles of CTRs can be challenging for newcomers to the field. In this paper, we present an educational kit aimed at lowering the barriers to entry into concentric tube robot research. Our goal is to provide accessible learning resources for CTRs, bridging the knowledge gap between traditional robotic arms and these specialized devices. The proposed kit includes (1) An open-source design and assembly instructions for an economical (cost of materials $\approx$ 700 USD) modular CTR; (2) A set of self-study materials to learn the basics of CTR modeling and control, including automatically-graded assignments. To evaluate the effectiveness of our educational kit, we conducted a human subjects study involving first-year graduate students in engineering. Over a four-week period, participants — none of whom had any prior knowledge of concentric tube robots — successfully built their first CTR using the provided materials, implemented the robot’s kinematics in MATLAB, and conducted a tip-tracking experiment with an optical tracking device. Our findings suggest that the proposed kit facilitates learning and hands-on experience with CTRs, and furthermore, it has the potential to help early-stage graduate students get rapidly started with CTR research. By disseminating these resources, we hope to broaden participation in concentric tube robot research to a wider a more diverse group of researchers.

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