Virtual-Work Based Shape-Force Sensing for Continuum Instruments with Tension-Feedback Actuation

要約

連続器具はロボット支援による低侵襲手術 (MIS) に不可欠であり、腱駆動機構が最も一般的です。
リアルタイムの張力フィードバックは正確な関節動作に不可欠ですが、コンパクトなアクチュエーション ユニットの設計では依然として課題が残っています。
さらに、連続器具の正確な形状と外力の感知は、高度な制御と操作に不可欠です。
この論文では、トルク セルをプーリー モジュールに直接統合してリアルタイムの張力フィードバックを提供する、コンパクトなモジュール式作動ユニットについて説明します。
このユニットに基づいて、多項式曲率運動学を組み込んで非一定曲率を正確にモデル化する新しい形状力検出フレームワークを提案します。
このフレームワークは、器具先端での姿勢センサー測定と、開発された作動ユニットでの作動張力フィードバックを組み合わせています。
実験結果は、従来の曲率一定法と比較して、形状再構築精度と力推定の信頼性の点で、提案された形状力センシングフレームワークの性能が向上していることを示しています。

要約(オリジナル)

Continuum instruments are integral to robot-assisted minimally invasive surgery (MIS), with tendon-driven mechanisms being the most common. Real-time tension feedback is crucial for precise articulation but remains a challenge in compact actuation unit designs. Additionally, accurate shape and external force sensing of continuum instruments are essential for advanced control and manipulation. This paper presents a compact and modular actuation unit that integrates a torque cell directly into the pulley module to provide real-time tension feedback. Building on this unit, we propose a novel shape-force sensing framework that incorporates polynomial curvature kinematics to accurately model non-constant curvature. The framework combines pose sensor measurements at the instrument tip and actuation tension feedback at the developed actuation unit. Experimental results demonstrate the improved performance of the proposed shape-force sensing framework in terms of shape reconstruction accuracy and force estimation reliability compared to conventional constant-curvature methods.

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