Complete Autonomous Robotic Nasopharyngeal Swab System with Evaluation on a Stochastically Moving Phantom Head

要約

自律型ロボットを密接な接触の医療業務に応用することは、スタッフへの感染リスクを軽減し、臨床効率を向上させる可能性があるため、将来的に明確な役割を果たします。
上部呼吸器疾患を診断するための鼻咽頭（NP）スワブサンプル採取は、器用さの要件と鼻腔の観察不可能さのため、ロボット工学にとって興味深いタイプの密着作業です。
我々は、患者が拘束されておらず、ツールが他の密接な作業に適用できるほど汎用的であるというシナリオの下で、視覚および力の測定を行うための計装されたエンドエフェクタを備えた協働マニピュレータアームを使用してテストを実行する制御システムを提案する。
このシステムは、視覚的サーボ コントローラーを使用して綿棒を鼻孔に位置合わせします。
準拠したジョイント速度コントローラーは、シミュレーション環境を通じて最適化された軌道に沿ってスワブを挿入し、スワブに加えられる測定された力にも反応します。
追加のサブシステムには、綿棒が鼻咽頭に到達したときを検出するためのファジー論理システムと、安全基準に違反した場合に綿棒を取り外して手順を中止する方法が含まれます。
このシステムは、鼻腔ファントムを保持し、処置中に発生する可能性のある自然な頭部の動きをシミュレートする 2 番目のロボット アームを使用して評価されます。
広範な実験を通じて、ヘッドが大きく動いた場合でも NP スワブテストを効果的に実行できるコントローラー構成を特定し、システムの安全性と信頼性を実証します。

要約(オリジナル)

The application of autonomous robotics to close-contact healthcare tasks has a clear role for the future due to its potential to reduce infection risks to staff and improve clinical efficiency. Nasopharyngeal (NP) swab sample collection for diagnosing upper-respiratory illnesses is one type of close contact task that is interesting for robotics due to the dexterity requirements and the unobservability of the nasal cavity. We propose a control system that performs the test using a collaborative manipulator arm with an instrumented end-effector to take visual and force measurements, under the scenario that the patient is unrestrained and the tools are general enough to be applied to other close contact tasks. The system employs a visual servo controller to align the swab with the nostrils. A compliant joint velocity controller inserts the swab along a trajectory optimized through a simulation environment, that also reacts to measured forces applied to the swab. Additional subsystems include a fuzzy logic system for detecting when the swab reaches the nasopharynx and a method for detaching the swab and aborting the procedure if safety criteria is violated. The system is evaluated using a second robotic arm that holds a nasal cavity phantom and simulates the natural head motions that could occur during the procedure. Through extensive experiments, we identify controller configurations capable of effectively performing the NP swab test even with significant head motion, which demonstrates the safety and reliability of the system.

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