Inertial Measurement Units for Motion Control of Surgical Endoscopic Robot

Abstract

Inertial measurement units (IMUs) are preferable over other electromechanical user interfaces for robotics applications that require hands-free operation. In case of a surgical endoscopic robot, one of the requirements is a user interface that gives the surgeon ability to control the camera position while holding other surgical tools. An IMU used for this purpose should provide precise position information in a small motion range restricted by a few degrees of rotation. In this study, major difficulties in establishing a user interface between an IMU and a surgical robotic arm are identified, and the necessary solutions for implementation of such an interface are presented. The study focuses on the IMU devices that combine accelerometers and gyroscopes based on micro-electromechanical systems (MEMS) technology because of their smaller size and low power requirement. Working principles and the calibration techniques of MEMS IMUs are reviewed. Three fusion algorithms that combine accelerometer and gyroscope data to determine the orientation of an object in three-dimensional space are implemented. Performance of these fusion algorithms and critical specifications of MEMS IMUs from three different manufacturers are evaluated by monitoring sensor data through a wireless interface. A graphical evaluation software was developed to test position mapping methods by steering field of view of a hypothetical camera towards randomly determined targets on the computer screen. Effectiveness of the position mapping methods was evaluated by several users by comparing the total angular displacement and the elapsed time required to reach a number of simulated targets.

Ataletsel ölçüm birimleri (AÖB) ellerin serbest olarak kullanılmasını gerektiren robotik uygulamalarda diğer elektromekanik kullanıcı arabirimlerine kıyasla tercih edilebilir. Cerrahi endoskopi robotunun kontrolüne yönelik kullanıcı arabiriminin gereklerinden biri, cerrahın diğer cerrahi aletleri tutarken kamera konumunu kontrol edebilmesidir. Bu amaç için kullanılacak bir AÖB birkaç derecelik dönüşle sınırlandırılmış küçük bir hareket aralığında kesin konum bilgisi sağlamalıdır. Bu çalışmada, AÖB ve cerrahi robot kolu arasında bir kullanıcı arabirimi oluşturulmasındaki güçlükler belirlenmiş ve böyle bir arabirimin uygulanması için gerekli çözümler sunulmuştur. Çalışma kapsamında, daha küçük boyutlu olmaları ve düşük güç gerektirmeleri nedeniyle mikro-elektromekanik sistemler (MEMS) teknolojisine dayalı ivmeölçerler ve jiroskopların bir araya gelmesiyle oluşan AÖB aygıtlarına odaklanılmıştır. Bir nesnenin üç boyutlu uzaydaki konumunu belirlemek için ivmeölçer ve jiroskop verilerini birleştiren üç füzyon algoritması incelenmiştir. Bu füzyon algoritmalarının performansı ve üç farklı üreticiden sağlanan MEMS AÖB'lerinin kritik özellikleri kablosuz bir arayüz aracılığıyla elde edilen algılayıcı verilerini izleyerek değerlendirilmiştir. Kontrol amaçlı konum eşleme yöntemlerini değerlendirmek için bilgisayar ekranı üzerinde bir varsayımsal kamera görüş alanını rasgele belirlenen hedeflere doğru yönlendiren bir grafiksel değerlendirme uygulaması geliştirilmiştir. Konum eşleme yöntemlerinin etkinliği, farklı kullanıcılar tarafından bir dizi rastgele belirlenmiş hedefe ulaşmak için yapılan denemelerde toplam açısal yer değiştirmeyi ve geçen süreyi karşılaştırarak değerlendirilmiştir.