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Force sensing based on string vibration for multi degree-of-freedom forceps

Research Project

Project/Area Number 19K21940
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 20:Mechanical dynamics, robotics, and related fields
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

Omata Toru  東京工業大学, 工学院, 教授 (10262312)

Project Period (FY) 2019-06-28 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Keywords知能機械 / 手術ロボット / 知能機械システム
Outline of Research at the Start

本研究では,弦振動を利用した力センシングを組み込んだワイヤ駆動多自由度鉗子を開発する.屈曲関節を駆動するワイヤを利用し,ワイヤに弦振動を発生させ,音の周波数からワイヤ張力を計測することを提案する.空間的制約のある多自由度鉗子にどのように実装するかが研究のポイントである.ワイヤ径よりわずかに大きな単純な穴が固定端になることを利用し,弦加振部を実装する.弦加振部を鉗子先端部と体腔外側に設置する二つの案に関して実機を開発する.鉗子の径はまずda Vinciに採用された8 mmとし,次により細い5 mmとする.

Outline of Final Research Achievements

This study challenged the difficult problem of force sensing of surgical robotic forceps by measuring the cable tensions by string vibration. The proposed method is applicable to cable driven forceps. It induces vibration of the drive cables with a rotating protrusion; estimates the cable tension from the vibration frequency, and then estimates the external force applied to the forceps. An experimental device was developed and a satisfactory accuracy of the tension measurement was verified. The study also developed three degree-of-freedom forceps and verified the accuracy of the contact force measurement. The physical contact between the cable and protrusion caused wear of them. The amount of wear was measured after the cable was plucked one million times assuming one million plucks during one operation. The result showed that the wear was minimal and not problematic for practical use.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

腹腔鏡手術などに使われる手術ロボット屈曲鉗子に力センシング機能を付与することが安全で高度な手術の実施のために望まれている.しかし,小型化が難しいこと,著しく過酷な体内環境での使用に耐えられる必要があり,さらに,洗浄滅菌可能であること,頑健であること,低コストであることが要求されるため極めて難しく,依然として未完成である.これまでのほとんどの方法では,力を歪に変換する起歪体を用いているが,壊れやすく高価になることが大きな欠点である.本研究の学術的意義は,起歪体を用いないユニークな方法を提案したことであり,社会的意義は,手術ロボット屈曲鉗子の力センシングという難問の一解決法を示したことである.

Report

(5 results)
  • 2023 Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2022 2021 2020 2019 Other

All Presentation (8 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Presentation] 弦振動を利用した径 5 mm 柔軟関節鉗子の力センシング2022

    • Author(s)
      近藤健太郎, 梅澤陽希, 原口大輔, 周東博, 小俣透
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 弦振動を利用した手術鉗子の力センシング -鉗子パイプ内での信号計測-2021

    • Author(s)
      近藤健太郎,小俣透
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2021
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 弦振動を利用した力覚センシング機能を有する屈曲鉗子2021

    • Author(s)
      松尾洋平,近藤健太郎,小俣透
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2021
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 弦振動を利用した屈曲鉗子の力覚センシング ―複数本のワイヤ張力の計測―2020

    • Author(s)
      松尾洋平,小俣透
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス部門講演会2020
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 弦振動を利用した手術鉗子の力センシング 鉗子パイプ内での信号計測2020

    • Author(s)
      近藤健太郎,小俣透
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス部門講演会2021
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 弦振動を利用した力覚センシング機能を有する屈曲鉗子2020

    • Author(s)
      松尾洋平,近藤健太郎,小俣透
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス部門講演会2021
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 弦振動を利用した屈曲鉗子の力覚センシング:複数本のワイヤ張力の計測2020

    • Author(s)
      松尾洋平,小俣透
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス部門講演会2020
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 弦振動を利用した屈曲鉗子の力覚センシング:固定端の実現方法2019

    • Author(s)
      松尾洋平,小俣透
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス部門講演会2019
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Remarks] 東京工業大学STARサーチ

    • URL

      https://search.star.titech.ac.jp/titech-ss/search.act

    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] ワイヤ駆動マニピュレータ装置2021

    • Inventor(s)
      松尾洋平、小俣透
    • Industrial Property Rights Holder
      松尾洋平、小俣透
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2021-093402
    • Filing Date
      2021
    • Related Report
      2021 Research-status Report

URL: 

Published: 2019-07-04   Modified: 2025-01-30  

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