Riassunto analitico
L'introduzione della robotica in ambito medico ha migliorato in modo significativo la qualità di molte operazioni chirurgiche. La ricerca sui sistemi di chirurgia robotica si è focalizzata recentemente sull'incremento del livello di autonomia del sistema, in modo che alcune semplici operazioni chirurgiche possano essere effettuate autonomamente. Tuttavia, sono necessari ancora notevoli sforzi tecnologici prima che anche la più piccola operazione autonoma possa essere autorizzata dalle autorità competenti.
Questa tesi si focalizza sulle fasi iniziali di questo processo, in particolare sullo sviluppo di algoritmi di controllo che soddisfino i requisiti di base della chirurgia robotica: fornire al robot la destrezza necessaria ad effettuare la procedura e garantire che il movimento dello strumento chirurgico sia stabile e sicuro. In particolare, vengono prese in considerazione tre specifiche situazioni: l'adattamento automatico del comportamento del robot durante l'interazione con tessuti di diversa rigidezza, il passaggio dalla modalità automatica alla modalità teleoperata e la teleoperazione di un manipolatore a due braccia. Questi eventi ricalcano situazioni di vita reale, in cui un chirurgo, nell'effettuare un'operazione, deve adattare la rigidezza del suo braccio quando interagisce con tessuti di diversa consistenza oppure in cui, a causa di un evento inaspettato, il chirurgo deve poter prendere il controllo del robot e passare quindi in teleoperazione. Per risolvere la prima problematica viene proposta un'architettura di controllo, basata sul concetto di passività, che permette di implementare comportamenti interattivi con parametri variabili nel tempo mantenendo la stabilità del sistema e quindi la sicurezza. Nel secondo caso, viene introdotta un'architettura di controllo bilaterale a due livelli che garantisce una transizione sicura da modalità automatica a modalità teleoperata mantenendo elevate prestazioni. Infine, per risolvere la terza problematica, viene proposta una strategia di teleoperazione le cui caratteristiche variano a seconda del task da svolgere.
Le strategie proposte sono state integrate mediante un'architettura software modulare e sono state utilizzate per controllare un nuovo robot progettato e costruito appositamente per applicazioni chirurgiche nel corso del progetto europeo Intelligent Surgical Robotics (I-SUR). Le caratteristiche di modularità e riconfigurabilità del sistema sviluppato sono validate attraverso l'implementazione di alcuni interessanti casi d'uso: l'inserimento di aghi e la sutura di ferite.
|
Abstract
The introduction of robotic surgery within the operating rooms has significantly improved the quality of many surgical procedures. Recently, the research on medical robotics systems focused on increasing the level of autonomy in order to give them the possibility to carry out simple surgical actions in an autonomous way. However significant technological steps have to occur before even the smallest autonomous task is ready to be presented to the regulatory authorities.
This thesis addresses the initial steps of this process, in particular the development of control concepts satisfying the basic safety requirements of robotic surgery, i.e. providing the robot with the necessary dexterity and a stable and smooth behavior of the surgical tool. Three specific situations are considered: the automatic adaptation to changing tissue stiffness, the transition from autonomous to teleoperated mode and teleoperation of a dual-arm robotic manipulator. These situations replicate real life cases when the surgeon adapts the stiffness of her/his arm to deal with tissues of different consistency and when, due to unexpected events, the surgeon has to take over the control of the surgical robot. To address the first case, a passivity-based interaction control architecture that allows to implement safe and stable time-varying interaction behaviors is proposed. For the second case, a two-layered bilateral control architecture is introduced to ensure a safe behavior during the transition between autonomy and teleoperation and to still retain high performance control after the switch. Finally, to address the third case, a task-oriented teleoperation strategy is proposed.
The proposed strategies are integrated using a component-based software architecture to control a novel robot specifically designed for surgical applications during the FP7 European funded project Intelligent Surgical Robotics (I-SUR). Modularity and reconfigurability features of the robot automation system are highlighted through the implementation of some interesting use case scenarios: needle insertion and wound suturing.
|
