キャプスタン駆動連続体手術ロボット：設計、モデリング、および知覚

本論文は、コンパクトなcapstan駆動の連続体手術ロボットにおける形状・力センシングの課題を解決するため、設計・モデリング・センシングを統合したフレームワークを提案する。モータ取り付けブラケットにコンプライアント要素を導入し、ケーブル反力による微小変形から実時間でケーブル張力を計測する。また、空間的ケーブル配線による非従来型関節構成に対応するため、multibody short-thick-beam modelに基づく並列計算フレームワークを提案し、せん断効果と複数ケーブルの相互作用を考慮しつつ実時間性能を実現する。さらに、近位のmulti-axis force/torque sensorを追加の計測アンカーとして用いることで、安定した形状・力センシングを達成する。

従来のcapstan駆動連続体ロボットでは、限られたcapstanアセンブリ内でケーブル張力情報を得ることが難しく、形状・力センシングがボトルネックとなっていた。本提案は、actuation-perception co-designの概念に基づき、コンプライアント要素をモータブラケットに組み込むことで、コンパクトなcapstan構造を損なわずに張力フィードバックを可能にした点が新しい。また、モデリングでは、従来のビームモデルでは捉えにくい短いビームセグメントのせん断効果と複数ケーブルの相互作用を考慮したmultibody short-thick-beam modelを並列計算で実時間処理する点が優れている。

手法の核は、actuation-perception co-designに基づく統合アプローチである。具体的には、(1) モータ取り付けブラケットにコンプライアント要素を導入し、ケーブル反力による微小変形を計測して張力を推定する。(2) 空間的ケーブル配線による非従来型関節構成をモデル化するため、multibody short-thick-beam modelを提案し、短いビームセグメントのせん断効果と複数ケーブルの相互作用を考慮する。このモデルを並列計算フレームワークで実時間実行する。(3) 近位のmulti-axis force/torque sensorを追加の計測アンカーとして用いることで、形状と力のセンシングを安定化する。

提案フレームワークを、single-segmentおよびdual-segment構成のcapstan駆動連続体ロボットに実装し、実験により検証した。実験では、実時間のtip pose推定、接触力と接触位置の知覚が達成されることを示した。

要旨からは、提案手法の限界や課題についての議論は明示されていない。ただし、コンプライアント要素の導入による張力計測の精度や、モデルの複雑さと計算負荷のトレードオフ、また、実際の手術環境での適用可能性などが議論の対象となり得るが、要旨には含まれていない。

要旨で参照されている関連研究は明示されていないが、capstan-driven continuum robotsの設計、モデリング、センシングに関する先行研究が考えられる。具体的には、continuum robotの形状センシングに関する研究（例：FBGセンサを用いた形状推定）や、力センシングに関する研究（例：外骨格型力センサ）が関連する。また、multibody dynamicsモデルを用いた連続体ロボットのモデリング研究も関連する。