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

要約

多くのロボット手術システムは、組織操作用のマイクロサイズの生検鉗子を備えて開発されています。
ただし、これらのシステムにはツール側での力の感知が欠けていることがよくあります。
この論文では、マイクロサイズの生検鉗子のための視覚ベースの力感知方法を紹介します。
一般的な生検鉗子に適応する小型センシングモジュールが提案されており、フレクシャ、カメラ、カスタマイズされたターゲットで構成されています。
たわみの変形は、カメラが上部に取り付けられたターゲットの姿勢変化を推定することによって取得されます。
次に、センシング モジュールに加えられる外力が、たわみの変位と剛性のマトリックスを使用して計算されます。
センシングモジュールを生検鉗子に統合し、近位端の単軸力センサーと組み合わせて、鉗子に触覚センシング機能を装備します。
数学的方程式は、押す力/引く力 (モード I) および握る力 (モード II) を含む、触覚対応鉗子のマルチモーダル力感知を推定するために導出されます。
提案された設計と方法の実現可能性を検証するために、ファントムと生体外組織に関する一連の実験が行われます。
結果は、触覚対応鉗子がマルチモーダルな力推定を効果的に達成でき、制御された力による自律的なロボット組織把握手順を実現できる可能性があることを示しています。

要約(オリジナル)

Many robotic surgical systems have been developed with micro-sized biopsy forceps for tissue manipulation. However, these systems often lack force sensing at the tool side. This paper presents a vision-based force sensing method for micro-sized biopsy forceps. A miniature sensing module adaptive to common biopsy forceps is proposed, consisting of a flexure, a camera, and a customised target. The deformation of the flexure is obtained by the camera estimating the pose variation of the top-mounted target. Then, the external force applied to the sensing module is calculated using the flexure’s displacement and stiffness matrix. Integrating the sensing module into the biopsy forceps, in conjunction with a single-axial force sensor at the proximal end, we equip the forceps with haptic sensing capabilities. Mathematical equations are derived to estimate the multi-modal force sensing of the haptics-enabled forceps, including pushing/pulling forces (Mode-I) and grasping forces (Mode-II). A series of experiments on phantoms and ex vivo tissues are conducted to verify the feasibility of the proposed design and method. Results indicate that the haptics-enabled forceps can achieve multi-modal force estimation effectively and potentially realize autonomous robotic tissue grasping procedures with controlled forces.

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