Design and Evaluation of a Compliant Quasi Direct Drive End-effector for Safe Robotic Ultrasound Imaging

要約

ロボット支援超音波スキャニングは、自律的で利用しやすい医療用画像診断の進歩を約束する。しかし、プローブが接触している間、患者の安全性を確保し、人間とロボットの相互作用（HRI）を遵守することは重要な課題である。既存のシステムの多くは、機械的剛性が高いか、コンプライアントはあるが十分な力と精度がない。本論文では、安全で正確なロボット超音波画像診断のための新しい1自由度エンドエフェクタを紹介する。準直接駆動アクチュエータを使用することで、運動中でも受動的な機械的コンプライアンスと正確な能動的力制御の両方を実現する。このエンドエフェクタは、100Hzの効果的な力制御帯域幅を示し、2.5Nから15Nの範囲の力を加えることができます。エンドエフェクタの性能を検証するため、我々は新しい生体外作動プラットフォームを開発し、模擬腹式呼吸や患者の急激な動きに対するエンドエフェクタのコンプライアンス試験を可能にした。実験の結果、エンドエフェクタは、2.5N、5N、10N、15Nの模擬呼吸運動において、従来の力制御を用いたUR3eロボットアームの4.70Nと比較して、平均力追従RMS誤差0.83Nで、一貫したプローブ接触を維持できることが実証された。このシステムは、動的な動きをシミュレートする組織プラットフォーム上でテストされた最初のコンプライアント超音波エンドエフェクタです。提案されたソリューションは、コンプライアントなロボット超音波システムの設計と評価のための斬新なアプローチを提供し、臨床現場において、よりコンプライアントで患者に優しいロボット超音波システムへの道を前進させる。

要約(オリジナル)

Robot-assisted ultrasound scanning promises to advance autonomous and accessible medical imaging. However, ensuring patient safety and compliant human-robot interaction (HRI) during probe contact poses a significant challenge. Most existing systems either have high mechanical stiffness or are compliant but lack sufficient force and precision. This paper presents a novel single-degree-of-freedom end-effector for safe and accurate robotic ultrasound imaging, using a quasi-direct drive actuator to achieve both passive mechanical compliance and precise active force regulation, even during motion. The end-effector demonstrates an effective force control bandwidth of 100 Hz and can apply forces ranging from 2.5N to 15N. To validate the end-effector’s performance, we developed a novel ex vivo actuating platform, enabling compliance testing of the end-effector on simulated abdominal breathing and sudden patient movements. Experiments demonstrate that the end-effector can maintain consistent probe contact during simulated respiratory motion at 2.5N, 5N, 10N, and 15N, with an average force tracking RMS error of 0.83N compared to 4.70N on a UR3e robot arm using conventional force control. This system represents the first compliant ultrasound end-effector tested on a tissue platform simulating dynamic movement. The proposed solution provides a novel approach for designing and evaluating compliant robotic ultrasound systems, advancing the path for more compliant and patient-friendly robotic ultrasound systems in clinical settings.

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