Hysteresis Compensation of a Tendon-driven Flexible Endoscopic Manipulator

Abstract

Tendon(cable)-driven flexible endoscopic robots are widely used in minimally invasive surgery. For gastric therapy, it is necessary to be able to reach and visualize various locations such as the cardia, fundus, and pylorus by accessing the stomach from the esophagus. However, since conventional endoscopes and flexible endoscopic platforms have a single bending, it is often difficult to make the optimal desired poses required for the therapy. In addition, hysteresis error occurs due to factors such as cable elongation, friction between the cable and sheath, and backlash, which prolongs the procedure time and degrades the performance of the procedure. To overcome these limitations, this paper proposes a multi-bending flexible endoscopic manipulator, which is capable of accessing any position and orientation within the stomach by stacking additional bending section. In this paper, we perform the mechanical design and kinematic analysis of the proposed manipulator and verify the bending motion of the developed manipulator in various postures. To compensate for the hysteresis error, we construct a controller using a mathematical model of the manipulator's hysteresis curve. The results showed that the hysteresis error was reduced by 68.9% to 77% for random angle movements and circular and square trajectories using the controller for both single and multi axes. This has made it possible to compensate for a position error of 2 to 8 mm.|힘줄(케이블) 구동 유연내시경 수술 로봇은 최소침습술에 널리 사용되어져 오고 있다. 예로 위와 같은 경우 식도로 부터 접근하여 위의 분문부, 위저부, 유문부 등 여러 위치에서 나타날 수 있는 증상들을 확인할 수 있어야 한다. 하지만, 일반적인 내시경 및 유연내시경 매니퓰레이터 플랫폼 들은 단일 밴딩을 갖게 되어 치료에 필요한 최적의 자세를 취하는 것에 어려운을 갖는다. 또한, 구동 시 발생하는 케이블의 인장, 케이블과 sheath간의 마찰, 백래시 등 여러 비 선형을 갖는 요인들로 인해 히스테리시스 오차가 발생하여 시술 시간이 길어지고 시술의 성능이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 본 논문에서는 다 관절을 갖는 유연내시경 매니퓰레이터를 제안하고, 힘줄 구동 매커니즘을 사용하는 매니퓰레이터가 움직임 시 발생하는 히스테리시스 오차를 보상하는 제어기 모델을 구성하여 원하는 각도에 정확히 추정할 수 있는 제어기를 제안한다. 제안하는 매니퓰레이터는 기존의 플랫폼과 비교하여 추가적인 구부림 영역을 쌓음으로써, 위 내부에서 임의의 위치와 방위로 접근이 가능하다. 제안한 매니퓰레이터의 기계적 설계, 운동학적 분석을 수행하였으며, 개발된 매니퓰레이터의 유연한 자세에서 구부림 동작을 검증하였다. 이후 정확한 움직임 구현을 위해, 히스테리시스 오차의 원인 중 하나인 케이블의 인장 정도에 따른 히스테리시스 오차 분석을 통해 히스테리시스 곡선의 특성을 파악한다. 히스테리시스 곡선의 특성을 통해 도출한 분석적 모델과 학습 모델을 이용하여 제어기를 구성한다. 결과적으로, 단일 축과 다 축에 대해 두 모델을 이용한 제어기를 통해 랜덤 각도 움직임과 원형, 정사각형 궤적에 대해 히스테리시스 오차는 68.9%~77% 감소한 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 2~8mm 위치 오차를 보상할 수 있다.