ExoNav II: Design of a Robotic Tool with Follow-the-Leader Motion Capability for Lateral and Ventral Spinal Cord Stimulation (SCS)

要約

脊髄刺激（SCS）電極は、伝統的に背部硬膜外腔に配置され、疼痛療法のために背柱繊維を刺激します。
最近、SCSは歩行の回復に注目を集めています。
ただし、移動をトリガーする運動繊維は、腹側および外側脊髄にあります。
現在、SCS電極は手動で操縦されているため、脊髄の外側および腹側の運動繊維に移動することが困難です。
この作業では、作動腱力にさらされたときにらせん状の形で曲がることができる、らせん状のマイクロマシン連続ロボットを提案します。
硬い外側のチューブを使用して、翻訳および回転の自由度を追加すると、このらせん状の連続体ロボットは、次のリーダー（FTL）モーションを実行できます。
ロボットのらせん形状の腱脳卒中と幾何学的パラメーターを、獲得した軌道とエンドエフェクターの位置に関連付ける運動学モデルを提案します。
提案された運動学モデルとロボットのFTLモーション機能を実験的に評価します。
腱ストローク値をロボットの形状にリンクするストロークベースの方法は、ロボットの長さ63.6 mmで19.84 mmの偏差と14.42 mmのRMSEで不正確さを示しました。
キネマティック方程式を使用してジョイントスペースをタスク空間にマッピングする位置ベースの方法は、10.54 mmの偏差と8.04 mmのRMSEでより良く機能しました。
フォローリーダーの実験では、脳卒中ベースの方法と位置ベースの方法では、それぞれ11.24 mmおよび7.32 mmの偏差が示され、RMSE値はそれぞれ8.67 mmおよび5.18 mmでした。
さらに、2つのFTLモーショントライアルでのエンドエフェクター軌道を比較して、ロボットの再現可能な動作を確認します。
最後に、3Dプリントされた脊髄ファントムモデルでロボットの操作を実証します。

要約(オリジナル)

Spinal cord stimulation (SCS) electrodes are traditionally placed in the dorsal epidural space to stimulate the dorsal column fibers for pain therapy. Recently, SCS has gained attention in restoring gait. However, the motor fibers triggering locomotion are located in the ventral and lateral spinal cord. Currently, SCS electrodes are steered manually, making it difficult to navigate them to the lateral and ventral motor fibers in the spinal cord. In this work, we propose a helically micro-machined continuum robot that can bend in a helical shape when subjected to actuation tendon forces. Using a stiff outer tube and adding translational and rotational degrees of freedom, this helical continuum robot can perform follow-the-leader (FTL) motion. We propose a kinematic model to relate tendon stroke and geometric parameters of the robot’s helical shape to its acquired trajectory and end-effector position. We evaluate the proposed kinematic model and the robot’s FTL motion capability experimentally. The stroke-based method, which links tendon stroke values to the robot’s shape, showed inaccuracies with a 19.84 mm deviation and an RMSE of 14.42 mm for 63.6 mm of robot’s length bending. The position-based method, using kinematic equations to map joint space to task space, performed better with a 10.54 mm deviation and an RMSE of 8.04 mm. Follow-the-leader experiments showed deviations of 11.24 mm and 7.32 mm, with RMSE values of 8.67 mm and 5.18 mm for the stroke-based and position-based methods, respectively. Furthermore, end-effector trajectories in two FTL motion trials are compared to confirm the robot’s repeatable behavior. Finally, we demonstrate the robot’s operation on a 3D-printed spinal cord phantom model.

arxiv情報

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google