How to estimate the shape of surgical manipulator for flexible endoscopic surgical robot? Many tendon driven flexible endoscopic surgical robots have been developed to access narrow curved path without incision. Shape estimation of the robot is essential for accurate control and preventing unwanted tissue damage when it is not visible on the endoscopic screen. In this paper, I propose a shape estimation method of hyperredundant manipulator using spring-shaped light intensity modulation (LIM) soft sensors. These sensors are cost-effective and can be easily fabricated. Due to their small size and stretchability, the soft sensors can be integrated between each hollow joint, and sense both compression and extension by pre-stretching the sensor. The pre-stretched length is determined maximizing sensitivity and minimizing hysteresis of the sensor. To estimate shape of hyperredundant manipulator with minimum number of sensors, proposed method estimates all joint angles by using zero moment point where joint angle doesn't change even in the presence of external load, and two joint angles from sensors. The sensors are installed between proximal joint and distal joint to distinguish loading status and reduce coupling effects of sensors. The results indicate that the proposed method can estimate the shape of the hyperredundant surgical manipulator in real-time under RMSE of 5.33 mm, and improve estimation accuracy as much as 43.56 % compared to kinematic model-based estimation when the load is applied. Therefore, it is expected for the proposed method to improve operating performance and secure safety.
유연 내시경 수술 로봇에 쓰이는 수술 매니퓰레이터의 형상을 어떻게 추정해야 할까? Tendon-sheath 메커니즘을 통해 구동하는 많은 유연 내시경 수술 로봇들이 환자에게 상처를 내지 않고 좁고 굴곡진 경로에 있는 환부에 접근하기 위해 개발되어 왔다. 로봇 제어의 정확성을 높히고 내시경 화면에 보이지 않는 곳에서의 원치 않은 조직 손상을 막기 위해서 로봇 형상 추정 기술이 필수적이다. 본 연구에서는 스프링 구조의 light intensity modulation (LIM) 소프트 센서들을 이용하여 유연 내시경 수술 로봇에 사용되는 구름 관절로 이루어진 매니퓰레이터의 형상 추정 방법을 제안하였다. 저렴한 가격과 간단한 공정 과정으로 작은 크기로 소프트 센서를 만들 수 있으며, 좋은 신축성을 갖고 있어 중공을 확보하면서 관절 사이에 센서를 미리 인장을 시킨 상태로 설치함으로써 센서의 압축과 인장 모두 측정이 가능하다. 또한 관절 구동 범위 내에서 센서의 민감도와 히스테리시스 특성을 고려하여 센서의 pre-stretched 길이가 결정되었다. 최소한의 센서를 이용하여 외력이 가해지는 상황에서도 매니퓰레이터의 형상을 추정하기 위해 외력이 가해지는 상황에서 관절 각도가 이차함수 형태로 나타내는 것을 시뮬레이션을 통해 알아내었고, proximal단과 distal단의 관절 사이에 센서를 설치하여 두 곳의 관절 각도와 관절 각도가 변하지 않는 zero moment point 위치와 각도 정보를 이용하여 나머지 관절 각도들을 추정함으로써 실시간으로 두 자유도의 다관절 매니퓰레이터의 형상을 추정하였다. 외력이 가해지는 상황에서 기존의 kinematic model을 통한 추정 방법보다 정확성을 43.56 % 높였으며, 각 관절의 위치를 RMSE 5.33 mm 이하로 추정할 수 있다는 것을 검증하였다. 이를 통해 유연 내시경 수술 로봇을 위한 초잉여 매니퓰레이터의 형상을 추정함으로써 수술 퍼포먼스를 향상하고 안전성을 확보할 수 있는 것을 기대한다.
