Haptics-Enabled Forceps with Multi-Modal Force Sensing: Towards Task-Autonomous Robotic Surgery

要約

現在の低侵襲手術用ロボットには、温度や電磁変動に強く、マイクロサイズの器具と互換性がある力センシングが欠けています。
この論文では、生検鉗子などのマイクロサイズの手術器具と統合できる多軸力検出モジュールを紹介します。
提案された小型センシング モジュールは、主にフレクシャ、カメラ、およびターゲットで構成されます。
たわみの変形は、提案された姿勢推定アルゴリズムを使用してカメラによって推定される、上部に取り付けられたターゲットの姿勢変化によって得られます。
次に、たわみの変位と剛性の行列を使用して外力を推定します。
センシングモジュールを統合することで、ハプティクス対応の鉗子をさらに開発し、鉗子が組織を操作するときに触れる、つかむ、引っ張るなど、マルチモーダルな力センシングを実現します。
鉗子のクリップと組織の間の予期しない滑りを最小限に抑えるために、鉗子を駆動し、たわみの変形によって生じる動きを補償するマイクロレベルのアクチュエータを設計します。
最後に、提案されたセンシング モジュールと鉗子の実現可能性を検証するために一連の実験が行われます。これには、ex-vivo 組織に対する自動ロボット把持手順が含まれます。
結果は、センシング モジュールが外力を正確に推定できること、およびハプティクス対応の鉗子が、タスク自律型ロボット手術のためのマルチモーダル フォース センシングを実現できる可能性があることを示しています。
実験のデモ ビデオは、https://youtu.be/4UUTT_hiFcI にあります。

要約(オリジナル)

Current minimally invasive surgical robots are lacking in force sensing that is robust to temperature and electromagnetic variation while being compatible with micro-sized instruments. This paper presents a multi-axis force sensing module that can be integrated with micro-sized surgical instruments such as biopsy forceps. The proposed miniature sensing module mainly consists of a flexure, a camera, and a target. The deformation of the flexure is obtained by the pose variation of the top-mounted target, which is estimated by the camera with a proposed pose estimation algorithm. Then, the external force is estimated using the flexure’s displacement and stiffness matrix. Integrating the sensing module, we further develop a pair of haptics-enabled forceps and realize its multi-modal force sensing, including touching, grasping, and pulling when the forceps manipulate tissues. To minimize the unexpected sliding between the forceps’ clips and the tissue, we design a micro-level actuator to drive the forceps and compensate for the motion introduced by the flexure’s deformation. Finally, a series of experiments are conducted to verify the feasibility of the proposed sensing module and forceps, including an automatic robotic grasping procedure on ex-vivo tissues. The results indicate the sensing module can estimate external forces accurately, and the haptics-enabled forceps can potentially realize multi-modal force sensing for task-autonomous robotic surgery. A video demonstrating the experiments can be found at https://youtu.be/4UUTT_hiFcI.

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