Configuration-specific hysteresis model for Tendon-Sheath Mechanism

Abstract

Flexible surgical robots and instruments are slowly paving its way into the modern surgical arena. Compared to conventional laparoscopic surgical systems, flexible systems have some distinct advantages in that it can approach surgical targets that were unreachable before, leaves less scar and therefore reducing recovery time for patients. In order to drive the articulated surgical instruments joints, flexible instruments require a tendon-sheath mechanism (TSM). Utilization of TSM brings about a different attribute in a position control standpoint, compared to the rather simple cable-pulley system found in conventional robotic surgical instruments. In this research, a tendon-sheath mechanism was configured, taking into account the actual size constraint of a robotic surgical instrument and the material characteristics of the components. An experiment hardware was designed to measure the input signal and the corresponding output response while varying the shape configuration parameters of TSM. Twenty four distinct experiments with different shape configuration parameters were carried out to identify how the shape affects the performance and the hysteresis curve of the TSM. For modeling the hysteretic behavior of the TSM, a composite model consisting of elementary hysteresis operators is proposed. Such a composite models parameters are empirically identified with least-squares optimization, for every shape configurations defined. The model processes the input to produce an estimated output for a certain shape, and this was verified with various types of input signals. Lastly, for compensating TSMs hysteretic behavior, a recursive algorithm producing inverse control signal from the empirical model is proposed, with a guaranteed real-time performance. The inverse algorithms position control effectiveness was verified under various shape configurations and input signal types.

본 연구에서는 유연한 로봇 수술도구를 구현하기 위해 사용되는 Tendon-Sheath Mechanism (TSM)이 형상에 따른 이력현상의 변화가 발생하는 것을 실험적으로 확인하였으며, 이러한 이력현상을 표현하기 위한 모형을 제안하고 이를 이용하여 이력현상을 보상할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 첫 단계로 TSM을 구성하는 부품인 Tendon과 Sheath를 선정하는데 있어, 이력현상에 일조 하는 비선형적 특성을 최소화하는 재료와 공정 및 후처리 방법을 고려하여 적용하였다. 다음으로 TSM의 형상 변수를 정의하고 이를 다양한 형상하에서 이력현상의 변화를 관찰하는 실험장치를 설계하여 실험 데이터를 수집하였다. 이를 토대로 입력에 대한 출력의 관계를 Preisach type 연산자를 이용하여 표현하였고 실험 데이터에 기반한 연산자의 변수들을 최소자승 최적화를 통해 탐색하였으며, 모델의 적합성을 다양한 형상하에서, 각기 다른 종류의 입력 신호에 대한 출력을 모델을 통해 생성되는 출력 추정치와의 오차 분석으로 검증하였다. 이러한 모델로 이력현상을 보상하기 위해서 Set-Point 출력에 대한 Inverse Control 신호를 생성하는 재귀적 알고리즘을 제안하였으며, 이러한 알고리즘이 다양한 Set-point 출력의 형태에 대해서 실시간성이 보장되는 빠른 연산이 가능하다는 점을 보였다. 이력현상이 보상된 실험데이터와 기존의 보상전 실험데이터의 비교를 통해 보상전략이 효과적이라는 것을 보였으며, 다양한 형태에서도 적용이 가능함을 검증하였다.