Hunt-Crossley model based force control for minimally invasive robotic surgery

In Minimally Invasive Surgery, the use of robotic devices allows to carry out surgical operations more efficiently and more safely. The interaction between robotic instrument and soft tissue is one of the important issues attracting more and more research interests because of new possible diagnosis and intervention techniques like palpation, tele-operated ablation and suturing, etc. However, the viscoelastic properties of human tissue which are complex, nonlinear and anisotropic are often simplified as purely elastic in literature which is far from being able to describe these properties. The first goal of this thesis is to identify which viscoelastic model among the existing linear and nonlinear models in literature could best describe the complex interaction behavior of the tissue when it is in contact with the robotic end-effector. Through experimental evaluation, the nonlinear Hunt-Crossley model is identified as the best candidate for this purpose. Based on the identified nonlinear Hunt-Crossley interaction model, the second goal is to design an interaction force control method combining the state feedback regulation with Active Observer (AOB) based on Kalman filter. Linearized approximation of the Hunt-Crossley model around the desired regulation force equilibrium is necessary in order to apply the Active Observer and state feedback control design. In the end, simulation studies are performed to study the accuracy and the stability of the developed force control and in vitro experimental validations are carried out using the RAVEN II surgical robot, placed in the laboratories of LIRMM, Université de Montpellier. This robot consists of two arms each one with 7 d.o.f. actuated by cables. Through simulation and experimental studies, the Hunt-Crossley model based force control performance is compared with those of the elastic and linear viscoelastic model based force control methods. Both simulation and experimental evaluations show that the Hunt-Crossley model presents better stability and more accuracy than elastic and viscoelastic soft tissue models, avoiding overshoots that could be very dangerous in practical applications.

Nel campo della chirurgia mininvasiva, l’uso di robots permette di effettuare interventi chirurgici più efficienti e sicuri. Con l’evoluzione delle tecniche di diagnosi e di intervento, come la palpazione, l’ablazione e la sutura, uno degli aspetti più importanti affrontati nell’ambito della ricerca è quello dell’interazione tra lo strumento robotico e i tessuti umani molli. Le proprietà viscoelastiche del tessuto umano, che sono complesse, non lineari e anisotrope, vengono spesso descritte in letteratura come elastiche senza tuttavia procedere alla loro descrizione. Il primo obiettivo di questa tesi è stato quello di identificare quale modello tra quelli viscoelastici lineari e non lineari esistenti, potesse descrivere nel modo migliore il comportamento d’interazione del tessuto quando viene a contatto con l’end-effector robotico. Attraverso valutazioni sperimentali il miglior candidato è stato individuato nel modello non lineare di Hunt-Crossley. Basandosi su questo modello, il secondo obiettivo è stato quello di progettare uno schema di controllo di forza combinando un controllore ad assegnamento dei poli con un osservatore attivo (AOB). Per sviluppare un controllo di forza basato sulla teoria classica è stato necessario linearizzare il modello di Hunt-Crossley nell’intorno dell’equilibrio della forza desiderata. Infine sono state eseguite delle simulazioni per studiare l’accuratezza e la stabilità del controllo di forza sviluppato convalidandolo con prove sperimentali mediante l’utilizzo del robot chirurgico RAVEN II, collocato presso i laboratori dell’ Université de Montpellier (LIRMM), dotato di due bracci ciascuno con 7 g.d.l. Le prestazioni del controllo di forza basato sul modello di Hunt-Crossley sono state confrontate con quelle del controllo di forza basato sia sul modello elastico che sul modello viscoelastico lineare migliore presente in letteratura. Le simulazioni e le valutazioni sperimentali hanno dimostrato che il controllo di forza basato sul modello di contatto non lineare presenta, rispetto ai modelli lineari, una maggiore stabilità, una migliore precisione ed evita sovraelongazioni che potrebbero essere pericolose in applicazioni chirurgiche.