Development of Small-Scale Continuum Manipulators with Axially Non-Linear Compliance

Abstract

이 논문은 의료 응용을 위해 축 방향 비선형 준수성을 갖춘 소형 연속체 조작기의 설계, 제작 및 평가까지 진행했다. 연구는 높은 정밀도와 유연성을 갖춘 도구를 구축하기 위해 펨토초 레이저 가공 기술을 사용하여 금속 튜브의 유연성을 변화시켰고, 쉽게 분리하고 교체할 수 있는 구동 모듈을 만들었다. 개발된 프로토타입은 텐던 구동 메커니즘을 통해 작동하는 연속체 로봇 도구와 부드럽고 정밀한 제어를 보장하는 구동 모듈로 구성되어 있습니다. 조작기는 초탄성 특성으로 알려진 레이저 가공된 니티놀 튜브와 강성이 높은 스테인리스 스틸 튜브를 결합해 특정 부분은 굽히도록 하여 기기의 성능이 향상되도록 하였다. 니티놀 튜브는 전략적으로 배치된 슬릿을 통해 비선형 굽힘 탄성을 가져 말단부로 갈수록 곡률이 높아져 좁은 통로를 통과해 넓은 작업공간을 가지도록 설계했다. 연구는 부하 하에 조작기의 굽힘 행동을 예측하는 역학적 모델을 자세히 설명하며, 슬릿 간격, 슬릿 폭 및 슬릿 각도와 같은 변수를 고려했다. 또한, 이러한 모델은 조작기의 디자인을 세밀하게 조정하고 실제 응용에서 성능을 최적화하는 데 필수적이므로 굽힘 축과 힌지 관절의 회전 각도의 영향을 받는 텐던 당기는 길이를 분석하는 운동학 모델도 분석을 하였다. 실험적 검증은 이 연구에서 중요한 역할을 하며, 여러 테스트 설정을 통해 정확성과 정밀성 분석을 포함했다. 실험은 조작기가 모델로 예측한 움직임을 정확하게 재현할 수 있는지 평가하고 반복된 시험 및 다양한 작동 모드(시계 방향 및 반시계 방향)에서의 정밀도를 측정했다. 또한, 조작기 끝에 점진적으로 무게를 추가하여 시스템의 페이로드 용량을 테스트하고 실패 없이 들어 올릴 수 있는 능력을 측정했다. 이 연구의 결과는 데이터에 따르면 정확도가 예상만큼 높지 않았지만, 원인 분석을 통해 모델을 수정하면 더 높은 정확도를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 정밀도는 매우 높게 나타났으며, 이 시스템은 일관된 성능을 지속적으로 제공할 수 있음을 결과로 나타냈다. 또한, 페이로드 실험은 시스템이 최대 0.5N까지 견딜 수 있음을 보여주었지만, 이것이 적절한 무게 용량인지 결정하기 위해서는 추가 연구가 필요하다.;This paper presents a comprehensive summary of a research study focused on designing, manufacturing, and evaluating a small-scale continuum manipulator equipped with axially non-linear compliance, aimed at enhancing dexterity and reachability for medical applications. The research emphasizes the use of laser machining to construct a highly precise and flexible instrument, along with an innovative actuation module that allows easy integration and manipulation. The prototype developed comprises a continuum manipulator that operates through a tendon-driven mechanism, and an actuation module that ensures smooth and precise control. The manipulator incorporates a novel design featuring two different types of metal tubes: a laser-machined NiTi tube known for its superelastic properties, and a rigid stainless steel tube, both designed to optimize the device's flexibility and strength. The NiTi tube is modified with strategically placed slits, enhancing its non-linear compliance and enabling the manipulator to achieve high curvature and navigate through narrow passages effectively. The study elaborates on the mechanics model that predicts the bending behavior of the manipulator under load, taking into account variables such as slit spacing, slit width, and slit angle. A kinematic model is also detailed, analyzing the tendon pulling lengths influenced by the rotation angles of the bending shaft and hinge joint. These models are crucial for refining the manipulator's design and optimizing its performance in real-world applications. Experimental validation plays a significant role in this research, involving accuracy and precision analysis through multiple test setups. The experiments assess the manipulator's ability to accurately replicate programmed movements and measure its precision across repeated trials and different operation modes (clockwise and counter-clockwise). Additionally, the payload capacity of the system is tested by incrementally adding weight to the instrument's end and measuring its ability to lift without failure. The results of this study indicate that while the accuracy was not as high as expected according to the data, an analysis of the causes suggests that future modifications to the model could yield higher accuracy. The precision was found to be very high, indicating that this system can consistently deliver similar performance. Additionally, the payload experiments showed that the system could withstand up to 0.5N. However, further research is needed to determine if this is an adequate weight capacity. The paper concludes that the developed small-scale continuum manipulator, with its axially non-linear compliance and advanced actuation module, represents a significant advancement in robotic surgery technology. It offers enhanced dexterity and reachability, is critical for minimally invasive procedures, and shows potential for widespread adoption in medical settings. The successful integration of high-resolution digital imaging and steering capabilities further allows for precise navigation and manipulation within complex anatomical structures.