Modular Robotic Approach in Surgical Applications– Wireless Robotic Modules and a Reconfigurable Master Device for Endoluminal Surgery

Modular Robotic Approach in Surgical Applications– Wireless Robotic Modules and a Reconfigurable Master Device for Endoluminal Surgery

The trend in surgical robots is moving from traditional master-slave robots to miniaturized devices   for  screening and  simple   surgical operations  (Cuschieri, A.  2005). For  example, capsule endoscopy (Moglia,  A. 2007) has been conducted worldwide over the last five years with  successful outcomes.  To  enhance the  dexterity of  commercial endoscopic capsules, capsule  locomotion has  been  investigated using   legged   capsules (Quirini, M.  2008) and capsules driven by external magnetic fields (Sendoh, M. 2003; Ciuti, G. 2010; Carpi,  F. 2009). Endoscopic capsules with  miniaturized arms  have  also  been  studied to  determine their potential for use in biopsy  (Park,  S.-K. 2008). Furthermore, new  surgical procedures known as natural orifice transluminal endoscopic surgery (NOTES) and  Single Port Access surgery are accelerating the development of innovative endoscopic devices  (Giday,  S. 2006; Bardaro, S.J. 2006). These advanced surgical devices show potential for the future development of minimally invasive and  endoluminal  surgery. However, the  implementable functions in such devices  are generally limited owing  to space  constraints. Moreover, advanced capsules or endoscopes with  miniaturized arms  have  rather poor  dexterity because the  diameter of such  arms  must  be  small  (i.e.  a  few  millimeters), which  results in  a  small  force  being generated at the tip.

A modular surgical robotic system known as the ARES (Assembling Reconfigurable Endoluminal Surgical  system) system  has  been  proposed based  on  the  aforementioned motivations (Harada, K. 2009; Harada, K. 2010; Menciassi, A. 2010). The ARES system is designed for screening and interventions in the gastrointestinal (GI) tracts to overcome the intrinsic  limitations  of  single-capsules  or  endoscopic  devices.   In  the  proposed  system, miniaturized robotic   modules  are  ingested  and   assembled  in  the  stomach  cavity.   The assembled robot can then change its configuration according to the target  location  and  task. Modular surgical robots   are  interesting owing to  their  potential for  application as  self- reconfigurable modular  robots   and   innovative  surgical robots.   Many  self-reconfigurable modular robots  have  been investigated worldwide (Yim, M. 2007; Murata, S. 2007) with  the goal of developing systems that  are robust and  adaptive to the working environment. Most of  these  robots  have  been  designed for  autonomous  exploration or  surveillance tasks  in unstructured environments; therefore, there  are no strict  constraints regarding the  number of modules, modular size or working space.  Because the ARES has specific applications and is used  in the  GI tract  environment, it raises  many  issues  that  have  not  been  discussed in depth in the  modular robotic  field.  Modular miniaturization down to the  ingestible size is one  of the  most  challenging goals.  In addition, a new  interface must  be developed so that surgeons can intuitively maneuver the modular surgical robot.

The purpose of this  paper is to clarify  the advantages of the  modular approach in surgical applications, as well as to present proof  of concept  of the modular robotic  surgical system. The  current paper is  organized as  follows:  Section  2 describes the  design of  the  ARES system.   Section  3 details   the  design and  prototyping of  robotic   modules, including the experimental results. Section  4 describes a reconfigurable master device  designed for  the robotic  modules, and its preliminary evaluation is reported.

Design of the modular surgical system

Clinical indications and proposed procedures

The  clinical  target  of the  ARES system  is the  entire  GI tract,  i.e., the  esophagus, stomach, small  intestine, and   colon.  Among GI  tract  pathologies that   can  benefit   from  modular robotic  features, biopsy  for detection of early  cancer  in the  upper side  of the  stomach (the fundus and  the  cardia)  was  selected as  the  surgical task  to  be  focused on  as  a first  step. Stomach   cancer  is  the  second leading cause  of  cancer-related deaths worldwide (World Health Organization 2006), and  stomach cancer  occurring in the upper side  of the stomach has  the  worst  outcome in  terms  of the  5-year  survival ratio  (Pesic,  M. 2004). Thus,  early diagnosis of cancer  utilizing an advanced endoluminal device  may lead  to better  prognosis. The stomach has a large  volume (about  1400 ml) when distended, which  provides working space  to assemble the ingested robotic  modules and  change the topology of the assembled robot  inside  (i.e.  reconfiguration). Each  robotic  module should be  small  enough to  be swallowed  and  pass  through the  whole  GI  tract.  Because  the  size  of  the  commercial endoscopic capsules (11 mm in diameter and  26 mm in length  (Moglia, A. 2007)) has already been shown to be acceptable for the majority of patients as an ingestible device,  each module needs  to be miniaturized to this size before being applied to clinical cases.

The surgical procedures proposed for the ARES system  (Harada, K. 2010) are shown in Fig.

1. Prior  to the  surgical procedure, the  patient drinks a liquid to distend the  stomach to a volume of about 1400 ml. Next, the patient ingests 10-15 robotic modules that complete the assembly  process  before  the  liquid  naturally  drains  away  from  the  stomach  in  10-20 minutes.  The  number  of  the  modules  swallowed  depends  on  the  target  tasks  and  is determined in  advance based  on  the  pre-diagnosis.  Magnetic self-assembly in  the  liquid using permanent magnets was selected for this study since its feasibility has already been demonstrated (Nagy,  Z. 2007). Soon  after  the  assembly, the  robot  configures its topology according to preoperative planning by repeated docking and  undocking of the modules (the undocking mechanism and electrical contacts between modules are necessary for reconfiguration, but they have not been implemented in the presented design). The robotic modules are  controlled via  wireless bidirectional communication with  a  master device operated by the surgeon, while the progress in procedure is observed using intraoperative imaging devices  such  as  fluoroscopy and  cameras mounted on  the  modules. After  the surgical tasks  are  completed, the  robot  reconfigures itself  to  a  snake-like shape   to  pass through the pyloric sphincter and travel to examine the small intestine and the colon, or it completely disassembles itself into individual modules so that it can be brought out without external aid.  One  of  the  modules can  bring  a  biopsy  tissue  sample out  of  the  body  for detailed examination after the procedure is complete.

Fig. 1. Proposed procedures for the ARES system

Advantages of the modular approach in surgical applications

The  modular  approach  has  great  potential  to  provide  many  advantages  to  surgical applications. These advantages are summarized below  using  the ARES system  as shown in Fig.2. The numbering of the items in Fig.2 is correlated with the following numbering.

i.     The  topology  of  the   modular  surgical robot   can  be  customized  for  each   patient according to the  location  of the  disease and  the  size  of the  body  cavity  in which  the modular robot is deployed. A set of functional modules such as cameras, needles and forceps can be selected for each patient based on the necessary diagnosis and surgical operation.

ii.    The  modular  approach facilitates delivery of more  components inside  a body  cavity that has small entrance/exit hole(s). As there are many cavities in the human body, the modular approach would benefit  treatment in  such  difficult-to-reach places.  Because several  functional  modules  can  be  used  simultaneously,  the  modular  robot  may perform rather complicated tasks  that  a single  endoscopic capsule or  an  endoscopic device is not capable of conducting. For example, if more than two camera modules are employed,  the  surgeon  can  conduct  tasks  while  observing  the  site  from  different directions.

iii.   Surgical   tools   of  relatively  large   diameter  can   be  brought  into   the   body   cavity.

Conventionally, small surgical forceps  that can pass through an endoscopic channel of a few millimeters have  been  used  for endoluminal surgery. Conversely, surgical devices that  have  the  same  diameter as  an  endoscope can  be  used  in  the  modular surgical system.  Consequently, the  force  generated at  the  tip  of the  devices  would be  rather large, and  the performance of the functional devices  would be high.

iv.   The surgical system  is more  adaptive to the  given  environment and  robust to failures.

Accordingly, it is not necessary for the surgical robot  to equip all modules that might  be necessary in the body because the surgeons can decide whether to add modules with different functionalities, even during the surgical operation. After use, the modules can be  detached and  discarded if  they  are  not  necessary in  the  following procedures. Similarly,  a module can be easily replaced with  a new one in case of malfunction.

As these advantages suggest, a modular surgical robot  would be capable  of achieving rather complicated  tasks  that  have  not  been  performed  using  existing  endoluminal  surgical devices.  These advantages are valid  for modular robots  that  work  in any body  cavity  with  a small  entrance and  exit. Moreover, this  approach may  be introduced to NOTES  or Single Port  Access surgery, in which  surgical devices  must  reach  the  abdominal cavity  through a small incision.

In Section 3, several  robotic  modules are proposed, and  the performance of these modules is reported to show  the feasibility of the proposed surgical system.

(i)

(ii)

(iii)

(iv)

Fig. 2. Advantages of the modular approach in surgical applications

Robotic modules

Design and prototyping of the robotic modules

Figure  3 shows the design and  prototypes of the Structural Module and  the Biopsy Module (Harada, K. 2009, Harada, K. 2010). The Structural Module has two degrees of freedom (±90° of bending and  360° of rotation). The Structural Module contains a Li-Po battery (20 mAh, LP2-FR,  Plantraco  Ltd.,  Canada),  two   brushless  DC  geared  motors  that   are  4  mm   in diameter and  17.4 mm in length  (SBL04-0829PG337, Namiki Precision Jewel Co. Ltd., Japan) and  a custom-made motor  control  board capable  of wireless control  (Susilo,  E. 2009). The stall  torque of  the  selected geared motor   is  10.6 mNm and  the  speed is  112 rpm  when controlled by the developed controller. The bending mechanism is composed of a worm and a spur  gear  (9:1 gear  reduction), whereas the rotation mechanism is composed of two  spur gears  (no gear reduction). All gears  (DIDEL SA, Switzerland) were  made  of nylon,  and  they were   machined  to  be  implemented  in  the  small  space  of  the  capsule. Two  permanent magnets (Q-05-1.5-01-N,  Webcraft  GMbH,  Switzerland) were  attached at  each  end  of the module to  help  with   self-alignment  and   modular  docking. The  module is  15.4  mm  in diameter  and   36.5  mm   in   length;   it   requires  further  miniaturization  before   clinical application. The casing  of the  prototype was  made  of acrylic  plastic  and  fabricated by 3D rapid prototyping (Invison XT 3-D Modeler, 3D systems, Inc., USA). The total weight is 5.6 g. Assuming  that   the  module  would  weigh   10  g  with   the  metal   chassis   and   gears,   the maximum torque required  for  lifting  two  connected modules  is  5.4  mNm for  both  the bending DOF  and  rotation DOF.  Assuming that  the  gear  transmission efficiency  for  the bending mechanism is 30%, the stall torque for the bending DOF is 28.6 mNm. On the other hand, the stall torque for the rotation DOF is 8.5 mNm when the transmission efficiency  for the rotation mechanism is 80%. The torque was designed to have  sufficient force for surgical operation,  but   the  transmission  efficiency   of  the  miniaturized  plastic   gears   was   much smaller than  the theoretical value  as explained in the next subsection.

•   Controller

The  aforementioned  brushless  DC  motor  came  with  a  dedicated motor  driving board (SSD04, Namiki Precision Jewel  Co., Ltd.,  19.6 mm  × 34.4 mm  × 3 mm).  This  board only allows  driving of one  motor;  hence,  two  boards are  required for a robotic  module with  2

DOFs. Because there  was not sufficient space  for the boards in the robotic  module, a custom made high density control board was designed and developed in-house. This control board consisted of  one  CC2430  microcontroller (Texas  Instrument, USA)  as  the  main  wireless controller and  three  sets  of A3901 dual  bridge motor  drivers (Allegro  MicroSystem, Inc., USA). The fabricated board is 9.6 mm in diameter, 2.5 mm in thickness and  0.37 g in weight, which  is compatible with  swallowing. The A3901 motor  driver chip was originally intended for a brushed DC motor,  but a software commutation algorithm was implemented to control a brushless DC motor  as well.  An  IEEE 802.15.4 wireless personal area  network (WPAN) was  introduced as  an  embedded feature (radio  peripheral) of  the  microcontroller. The implemented algorithm enables control of the selected brushless DC motor in Back Electro- Motive  Force  (BEMF) feedback mode  or  slow  speed stepping mode.  When  the  stepping mode  is selected, the motor  can be driven with a resolution of 0.178º.

For  the  modular approach, each  control  board shall  be  equipped with  a  wired locating system for intra-modular communication in addition to the wireless communication. Aside from  wireless networking,  the  wired locating   system,   which   is  not  implemented in  the presented design, would be useful  for identification of the sequence of the docked modules in real time. The wired locating system is composed of three lines, one for serial multidrop communication, one  for  a  peripheral locator   and  one  as  a  ground  reference. When  the modules are  firmly connected, the intra-modular communication can be  switched from wireless to wired to save power while  maintaining the predefined network addresses. When one module is detached intentionally or by mistake, it will switch  back to wireless mode.

•   Battery

The battery capacity carried by each  module may  differ  from  one  to another (e.g. from  10 mAh  to  50 mAh)  depending on  the  available space  inside   the  module. For  the  current design, a 20 mAh Li-Po battery was selected.  Continuous driving of the selected motor  on its maximum speed using   a  20 mAh  Li-Po  battery was  found to  last  up  to  17 minutes.  A module does not  withdraw power continuously because the actuation mechanisms can maintain their  position when  there  is  no  current to  the  motor  owing to  its  high  gear reduction (337:1). A module consumes power during actuation, but  its power use  is very low in stand-by mode.

•   Biopsy Module

The  Biopsy  Module is  a  Functional Module that  can  be  used  to  conduct diagnosis. The grasping mechanism has  a worm and  two  spur  gears,  which  allows  wide  opening of the grasping parts. The grasping parts can be hidden in the casing at the maximum opening to prevent tissue  damage during  ingestion. The  motor   and  other  components used  for  the Biopsy Module are the same as for the Structural Module. The brushless DC geared motors (SBL04-0829PG337, Namiki Precision Jewel Co. Ltd., Japan),  the control  board, a worm gear and  two  spur  gears  (9:1  gear  reduction) were  implemented in  the  Biopsy  Module.  A permanent magnet (Q-05-1.5-01-N, Webcraft  GMbH,  Switzerland) was placed at one side to be connected to another Structural Module.

Fig. 3. Design  and  prototypes of the structural module (left) and  the biopsy  module (right)

The Biopsy  Module can generate a force of 7.1 N at its tip, and  can also open  the grasping parts  to  a width of 19 mm  with  an  opening angle  of 90 degrees. These  values  are  much larger than those of conventional endoscopic forceps, which are 2-4 mm in diameter. As a demonstration, Figure  3 shows the Biopsy Module holding a coin weighing 7.5 g.

In  conventional  endoscopy,  forceps  are  inserted through endoscopic channels that  are parallel to the direction of the endoscopic view, which  often results in the forceps  hiding the target.  Conversely,  the  Biopsy  Module  can  be  positioned  at  any  angle  relative  to  the endoscopic view  owing to the  modular approach, thereby allowing adequate approach to the target.

Performance of the Structural Module

The  mechanical performance of the  bending and  rotation DOFs  of the  Structural Module was  measured in preliminary tests  (Menciassi, A. 2010), and  the results are summarized in Fig.4. The bending angle  was varied by up to ± 90° in steps  of 10° three  times  in succession. The measured range  of the bending angle  was -86.0° to +76.3°, and  the maximum error  was

15.8°.  The  rotation angle  was  increased from  0°  to  180°  in  steps  of  45°  three  times  in succession, and  the measured range  of the rotational angle was between 0° and  166.7° with  a maximum error  of 13.3°. The difference between the  driven angle  and  the  measured angle was  due  to backlash of the gears  and  the lack of precision and  stiffness  of the casing  made by 3D rapid prototyping. Regardless of the errors and the hysteresis, the repeatability was sufficient  for  the  intended  application  for  both  DOFs.  These  results  indicate  that  the precision of each  motion can be improved by changing the  materials of the  gears  and  the casing.  Since the  motor  can be controlled with  a resolution of 0.178°, very  precise  surgical tasks can be achieved using  different manufacturing processes.

90                                                           180

Text Box: Measured Angle (deg.)45                                                           135

Text Box: Measured Angle (deg.)0                                                             90

-45                                                            45

90

90

-45         0

45        90        0

45         90

135

180

Commanded Angle (deg.)

Commanded Angle (deg.)

Fig. 4. Bending angle measurement (left), rotation angle measurement (middle), and torque measurement (right)  (Menciassi, A. 2010)

In addition to the  angle  measurements, both  bending and  rotation torque were  measured. The torque was  measured by connecting cylindrical parts  with  permanent magnets at both ends  until  the bending/rotational  motion stopped. The length and  weight of each  cylinder was  designed in  advance, and  several   types  of  cylinders were  prepared. The  measured bending torque was  6.5 mNm and  the rotation torque was  2.2 mNm. The figure  also shows one module lifting  up  two modules attached to its bending mechanism as a demonstration. The performance in terms of precision and generated torque, which are very important for reconfiguration and  surgical tasks, was sufficient;  however, the precision was limited owing to  the  aforementioned fabrication problems. The  thin  walls  of the  casing  made  of acrylic plastic  were  easily  deformed, which  caused friction  between the parts.  The casing  made  of metal  or PEEK and  tailor-made metal  gears with high precision will improve the mechanism rigidity and  performance, thus  producing the optimal stability.

Possible designs of robotic modules

Figure 5 shows various designs of robotic modules that can be implemented in the modular surgical  robot.  The  modules  can  be  categorized  into  three  types:  structural  modules, functional modules, and other modules. Structural modules are used to configure a robotic topology. Functional modules are  used  for diagnosis or intervention, while  other  modules can be added to enhance the performance and  robustness of the robotic  system.  Obviously, an assembled robot  made  of different types  of modules (i.e. a robot  with  high heterogeneity) may provide high dexterity, but the self-assembly in the stomach and  control  of the modules would become  more  difficult.  To optimize the  level  of heterogeneity, self-assembly of the robotic  modules must   be  developed so  that  the  reconfiguration of  the  robotic  topology following the self-assembly can be planned in advance. Employing pre-assembled modular arms  or  tethered modules can  be  another option to  facilitate  assembly in  a body  cavity; however, this  would require further anesthesia, and  it  would hinder the  promotion of massive screening.

Fig. 5. Various designs of the robotic  modules

Reconfigurable master device

Design and prototyping of the reconfigurable master device

One main  advantage of using  a modular approach in surgical applications is the adaptivity to  the  given  environment as  mentioned in  Section  2.2. Wherever the  robotic  platform  is deployed in the GI tract,  the robotic  topology can be changed based  on preoperative plans or the in-situ situation to fit in any particular environment. This dynamic changing and reshaping of  the  robotic  topology should be  reflected on  the  user  interface. Since  it  is possible for a robotic topology to have redundant DOFs, the master device for the modular surgical system needs   to  be  able  to  handle the  redundancy that  is  inherent to  modular robots.  Based  on  these  considerations, we  propose a  reconfigurable master device  that resembles the robotic platform (Fig.6). When the assembled robot changes its topology, the master device  follows  the  same  configuration. The  robotic  module shown in Fig. 6 has  a diameter of 15.4 mm,  while  a module of the reconfigurable master device  has a diameter of 30 mm. The master modules can be easily assembled or disassembled using  set screws,  and it takes only a few seconds to connect  one module to another.

Each robotic  module is equipped with  two motors as described in the previous section; thus, each  master module is equipped with  two  potentiometers (TW1103KA, Tyco  Electronics) that  are  used  as angular position sensors. Calculating the  angular position of each  joint of the  reconfigurable master device  is quite  straightforward. A common reference voltage is sent from a data  acquisition card  to all potentiometers, after which  the angular position can be calculated from  the feedback readings. Owing to the identical configuration, the angle  of each  joint  of  the  robotic  modules can  be  easily  determined, even  if  the  topology has redundancy.

Fig. 6. Robotic modules (top line) and  the reconfigurable master device  (bottom line): one module (left), assembled modules (middle) and prototypes (right)

The advantages of the proposed master device  include intuitive manipulation. For example, the  rotational movement of a structural module used  to twist  the  arm  is limited to ± 180°, and  the master module also has this  limitation. This helps  surgeons intuitively understand the  range  of  the  motion  and  the  reachable  working  space  of  the  modules.  Using  a conventional  master  manipulator  or  an  external  console,  it  is  possible  that  the  slave manipulator cannot  move owing  to its mechanical constraints, while the master manipulator can still move. However, using the proposed master device, the surgeon can intuitively understand the mechanical constraints by manipulating the master device during practice/training.  Furthermore, the  position  of  the  master arm   can  indicate where the robotic  modules  are,  even  if  they  are  outside  of  the  camera  module’s  view.  These characteristics increase  the  safety  of the  operation. This  feature is important  because the entire   robotic   system   is  placed  inside   the  body.   In  other   surgical  robotic   systems,  the position or shape  of the robotic  arms  is not important as they are placed outside of the body and  can be seen during operation. Unlike  other  master devices,  it is also possible for two or more  surgeons to move  the  reconfigurable master device  together at the  same  time  using multi  arms  with redundant DOFs.

Evaluation

A simulation-based evaluation setup was  selected to simplify the preliminary evaluation of the  feasibility of the  reconfigurable master device.  The  authors previously developed the Slave  Simulator to  evaluate workloads for  a  master-slave surgical robot  (Kawamura, K.2006).  The  Slave  Simulator can  show  the  motion of  the  slave  robot  in  CG  (Computer Graphics), while  the master input device  is controlled by an operator. Because the simulator can virtually change the parameters of the slave robot  or its control,  it is easy to evaluate the parameters as  well  as  the  operability of  the  master device.  This  Slave  Simulator  was appropriately modified for the ARES system.  The modified Slave Simulator presents the CG models of the robotic  modules to the operator. The dimension and  DOFs of each module in CG were  determined based  on the design of the robotic  modules. The angle  of each joint is given  by  the  signal  from  the  potentiometers of the  reconfigurable master device,  and  the slave modules in CG move  in real time to reproduce the configuration of the master device. This  Slave  Simulator is capable of altering joint  positions and  the  number of joints  of the slave  arms  in  CG  so  that  the  workspace  of  the  reconfigurable  master  device  can  be reproduced in  a  virtual environment for  several  types  of  topologies. The  simulator is composed of  a  3D  viewer that  uses  OpenGL and  a  physical calculation function. This function was  implemented to  detect  a  collision  between the  CG  modules and  an  object placed in the workspace.

To simplify the experiments to evaluate the feasibility of the proposed master device and usefulness of the  developed simulator, only  one  arm  of the  reconfigurable master device was  used.  Three  topologies that  consist  of one  Biopsy  Module and  one  or  two  Structural Module(s) were  selected  as illustrated in Fig.7. Topology I consists  of a Structural Module and  a Biopsy  Module, and  the  base  is fixed  so that  the  arm  appears with  an  angle  of 45 degrees. One  Structural Module is  added to  Topology I  to  configure Topology II,  and Topology III is  identical to  Topology II, but  placed at  0 degrees. Both  Topology II and Topology III have  redundant DOFs.  The projection of the  workspace of each  arm  and  the shared workspace are  depicted in  Fig.8.  A target  object  on  which  the  arm  works  in  the experiments must  be placed in this shared area, which  makes  it easy to compare topologies.

A bar was selected  as the target  object instead of a sphere because the height  of the collision point  is different for each  topology when the object appears in the same  position in the 2D plane.

The experiment was designed so that a bar appears at random in the shared workspace. The bar represents a target  area at which  the Biopsy Module needs  to collect tissue  samples, and this  experiment is a simple  example to select  one topology among three  choices  given  that the arm  can reach  the target.  We assumed that  this choice may vary  depending on the user, and  this experiment was designed to determine if the reconfigurability of the master device, i.e. customization of the robot, provides advantages and  improves performance.

Combination

Master device

Simulator

Topology I                    Topology II                       Topology III

Fig. 7. Three topologies used  in the experiments

During  the  experiment,  the  operator of  the  reconfigurable master  device   could   hear  a beeping sound when the distal  end  of the arm  (i.e. the grasping part  of the biopsy  module) touched the  bar.  The  task  designed for  the  experiments was  to  move  the  arm  of  the reconfigurable master device  as quickly  as possible, touch  the bar in CG, and  then  maintain its position for three  seconds. The plane  in which  the  bar  stands is shown in grids  (Fig.9), and  the operator obtains 3D perception by observing these grids.  The plane  with  the grids  is the same  for all topologies. The angle  of the view  was set so that  the view  is similar  to that from the camera module in Fig.6.

Five  subjects  (a-e)  participated in  the  experiments, none  of  whom were  surgeons. Each subject was asked  to freely move  the master device  to learn  how  to operate it; however, this practice was  allowed for one  minute before  starting the  experiments. Each  subject  started from Topology I, then  tested Topology II and  finally Topology III. The time needed to touch the  bar  and  maintain it for three  seconds was  measured. This procedure was  repeated ten times  for each  topology with  a randomized position of the  bar.  During the  procedure, the bar  appeared at random; however, it always appeared in the  shared workspace to ensure that the arm could  reach it. After finishing the experiment, the subjects  were  asked  to fill in a questionnaire (described below)  for  each  topology. The  subjects  were  also  asked   which topology they preferred.

Fig. 8. Workspace of each topology and  the shared workspace

Fig. 9. Simulator and  the master device  during one test

A   NASA   TLX   questionnaire  (NASA   TLX   (website))  was   used   to   objectively   and quantitatively evaluate the  workload that  the  subjects  felt  during the  experiments. This method has versatile uses, and  we selected this method also because it was used  to evaluate the  workload in a tele-surgery environment (Kawamura, K. 2006). This  method evaluates Metal  Demand, Physical  Demand, Temporal Demand, Performance, Effort and  Frustration, and  gives a score that represents the overall  workload that the subject felt during the task.

Results

The time  spent  conducting the  given  task,  the  workload score  evaluated using  the  NASA TLX questionnaire and   the  preference  of  the  topology determined  by  the  subjects   are summarized in Table 1. For each item, a smaller  value  indicates a more  favorable evaluation by the subject.

Considering the results of the time and  workload score, Topology II was most  difficult.  The difference between  Topology I and  III was  interesting. Two  of  the  subjects  ((b) and  (c)) preferred Topology I,  which  did  not  have  a  redundant DOF.  Conversely, three  of  the subjects  ((a), (d) and  (e)) preferred Topology III because they  could  select the path  to reach the  target  owing to the  redundant DOF. The average scores  of the  NASA  TLX parameters shown in Fig.10 suggest that  the Physical  Demand workload was high  for Topology I, while the Effort workload was high for Topology III.

The two subjects  who  preferred Topology I rather than  Topology III claimed that  it was not easy to determine where the bar was located when  Topology III was used  owing  to the lack of 3D perception. In addition, they  reported that  the  bar  seemed to be placed far from  the base.  However, the  bar  appeared randomly, but  in  the  same  area;  therefore, the  bar  that appeared in  the  experiment that  employed Topology III was  not  placed farther from  the base when compared to the experiments that  used  Topology I or Topology II. Accordingly, these  two subjects  may have  had  difficulty obtaining 3D perception from the gridded plane. In Topology III, the arm  was  partially out  of view  in the initial  position; thus,  the operator needed to obtain  3D perception by seeing  the grids.  It is often  said  that  most  surgeons can obtain  3D perception even if they  use a 2D camera, and  our  preliminary experimental results imply  that this ability  might  differ by individual. Some people appear to obtain  3D perception primarily  by  seeing   the   relative  positions  between  the  target   and   the  tool  they   move. Redundant DOFs may also be preferred by operators with better  3D perception capability. Although the experiments were  preliminary, there  must  be other  factors  that  accounted for the preference of the user.  Indeed, it is likely that  the preferable topology varies  depending on the user,  and  the developed simulator would be useful  to evaluate these  variations. The proposed reconfigurable master device  will  enable  individual surgeons to  customize the robot and interface as they prefer.

 TopologySubject abcde I5.74.14.05.85.04.9II7.66.24.85.56.76.1III4.94.35.64.44.74.8I30.711.328.332.073.335.1II47.626.728.053.068.344.7III37.05.024.314.361.328.4I311332.2II232222.2III123111.6  

Average

Time (s)

Work Load: NASA-TLX Score

Preference

Table 1. Experimental results

Frustration

Effort

Mental

Demand

15

10

5

0

Physical

Demand

Temporal

Demand

Topology I Topology II Topology III

Performance

Fig. 10. NASA TLX parameters for three  topologies

Conclusion

A modular robot was proposed for endoluminal surgery. The design, prototyping and evaluation of the modules were reported. Although there are some issues related to the fabrication problems, the  results of  the  performance tests  show  the  feasibility  of  the modular surgical system. A reconfigurable master device has also been proposed, and its feasibility  was  evaluated  by  simulation-based  experiments.  The  preliminary  results showed that  the  preferred topology may  vary  depending on  the  user.  Moreover, the reconfigurable master device would enable each surgeon to customize the surgical system according  to  his/her own  preferences.  Development  of  the  robotic  modules and  the reconfigurable master device provided proof of concept of the modular robotic system for endoluminal  surgery,  suggesting  that  the  modular  approach  has  great  potential  for surgical applications.

1 Comment

No comments yet. Why don’t you start the discussion?

Comments are closed