Effects of fiber number and density on fiber jamming: Towards follow-the-leader deployment of a continuum robot

要約

ファイバージャミングモジュール (FJM) は、柔軟性と素早い剛性変化を提供するため、連続ロボットのフォローザリーダー (FTL) 動作に適しており、低侵襲手術 (MIS) に最適です。
しかし、特に剛性の変化が大きい小型 FJM の設計と製造では、その可能性が十分に活用されていません。
既存の研究は、剛性の変化を最大化するために繊維の材料や形状などの要素に焦点を当ててきましたが、その結果はサイズの制約により MIS 用の FJM には当てはまらないことがよくあります。
一方、繊維数や充填密度などの他の要因は、大型 FJM にとってはそれほど重要ではありませんが、小型 FJM にとっては重要であり、FTL 配備の剛性変動に与える影響については十分な調査が行われていません。
この論文では、直径 4 mm の FJM を設計および製作します。
理論的および実験的分析を通じて、繊維数と充填密度が絶対剛性と剛性変動の両方に大きく影響することがわかりました。
私たちの実験により、医療用 FTL ロボット設計で FJM を使用する実現可能性が確認されました。
最適な構成は、56% の充填密度で 0.4mm ファイバーを備えた 4mm FJM で、最大 3400% の剛性変化を実現します。
FTL モーションを実現するために推奨パラメータを使用したプロトタイプ ロボットのビデオ デモンストレーションは、https://youtu.be/7pI5U0z7kcE でご覧いただけます。

要約(オリジナル)

Fiber jamming modules (FJMs) offer flexibility and quick stiffness variation, making them suitable for follow-the-leader (FTL) motions in continuum robots, which is ideal for minimally invasive surgery (MIS). However, their potential has not been fully exploited, particularly in designing and manufacturing small-sized FJMs with high stiffness variation. Although existing research has focused on factors like fiber materials and geometry to maximize stiffness variation, the results often do not apply to FJMs for MIS due to size constraints. Meanwhile, other factors such as fiber number and packing density, less significant to large FJMs but critical to small-sized FJMs, have received insufficient investigation regarding their impact on the stiffness variation for FTL deployment. In this paper, we design and fabricate FJMs with a diameter of 4mm. Through theoretical and experimental analysis, we find that fiber number and packing density significantly affect both absolute stiffness and stiffness variation. Our experiments confirm the feasibility of using FJMs in a medical FTL robot design. The optimal configuration is a 4mm FJM with 0.4mm fibers at a 56% packing density, achieving up to 3400% stiffness variation. A video demonstration of a prototype robot using the suggested parameters for achieving FTL motions can be found at https://youtu.be/7pI5U0z7kcE.

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