실을 이용한 유연성 바늘 집기: 자율 봉합을 위한 실 조작 기술

Reeling It In: Flexible Needle Pick Up via Thread Manipulation for Autonomous Suturing

자율 봉합을 위해서는 바늘이 예기치 않게 떨어지거나 전략적으로 놓여질 수 있으므로, 바늘 집기가 필수적입니다. 현재의 자율 바늘 집기 방법은 일반적으로 로봇이 직선으로 움직이며 바늘을 잡는 방식으로, 바늘이 관찰 가능하고 접근 가능한 조건에서만 작동합니다. 또한, 조직 위에 놓인 바늘을 잡는 과정에서 로봇이 주변 조직을 찝거나 미끄러운 표면 때문에 바늘이 움직여 안전 문제를 야기할 수 있습니다. 본 연구에서는 봉합사의 실을 보조 도구로 사용하여 간접적인 바늘 집기를 가능하게 하는 자율 시스템 프레임워크를 제안합니다. 이 방법은 불필요한 로봇-조직 접촉을 피하고, 바늘이 가려지거나 접근 불가능한 경우에도 바늘을 잡을 수 있도록 합니다. 제안하는 프레임워크는 실과 조직의 재구성, 안전한 집기 지점 선택, 안정적인 실 들어올리기, 그리고 바늘을 확실하게 잡을 때까지 양손으로 실을 따라가는 과정을 포함합니다. 로봇 제어 알고리즘은 실제 환경에서의 시각적 불확실성을 고려하여 견고성을 극대화하도록 설계되었습니다. 우리는 제안하는 프레임워크를 da Vinci Research Kit에서 다양한 실제 조건 하에 평가했습니다. 실험 결과는 복잡한 실 구성이나 접근하기 어려운 바늘의 경우에도 안정적인 성능을 보여주며, 자율 로봇 제어 기술을 비정형 봉합 환경에 적용하는데 중요한 기여를 합니다.

Suture-needle pickup is necessary for autonomous suturing, as a needle can be unexpectedly dropped or strategically released to adjust the grasping configuration. Current methods for autonomous needle pickup typically guide a robot to move straight toward the needle and grasp it, limited to conditions where the needle is observable and directly approachable. In addition, grasping the needle lying on tissue can lead to the robot pinching nearby tissue or the needle jumping around due to its slippery surface, posing potential safety issues. This work proposes an autonomous framework that uses a suture thread as an assistive tool for indirect needle pickup, avoiding unnecessary tool-tissue contact and enabling pickup even when the needle is occluded or inaccessible. The framework spans the entire workflow, including thread and tissue reconstruction, safe grasp-point selection, stable thread lifting, and bimanual thread-following until securing needle grasping. The robot policies account for visual uncertainty to maximize robustness in real-world environments. We evaluate the proposed framework on a da Vinci Research Kit under various real-world conditions. The results demonstrate robust performance even with a challenging thread configuration or a non-approachable needle, closing the gap in applying autonomous robot policies to unstructured suturing environments.