Advances in pHRI : development of a stiffness-mimicking adaptive impedance controller for teleoperation

In the last two decades, teleoperated robotic systems have gained significant popularity in the surgical community thanks to the multiple advantages they introduce with respect to traditional laparoscopy, like the possibility of filtering and downscaling the surgeon’s hand movements. These robots not only have to operate efficiently, but, also, they need to achieve high levels of interaction with humans: during a teleoperation task, the human operator is not in direct contact with the task environment, but, on the contrary, he/she manipulates the master device, establishing a physical interaction with it. This interaction couples two kinematically and dynamically very different entities, creating a complex system, whose state depends on the relation between the human’s dynamic characteristics and the robot’s mechanical proprieties. In traditional control schemes for teleoperation, master devices are completely unaware of the user’s arm dynamic characteristics, as well as of the complex motor control strategies adopted to perform the task. In this work, a novel impedance controller is proposed to regulate the master device’s mechanical properties based on the estimation of the user’s arm stiffness. We developed a virtual planar reaching task, and we evaluated arm endpoint stiffness’s main axis changes in magnitude and direction of a group of subjects using a non-disruptive offline musculoskeletal model-based algorithm. Based on the stiffness modulation, two implementations of a biomimetic adaptive impedance controller were developed: in the first one, the “Enhancing” controller, the maximal damping was applied along the direction of maximal stiffness simulating an increase in the overall arm impedance thanks to the master device force feedback; in the second one, the “Isotropic controller”, the maximal damping was applied along the perpendicular to the stiffness main axis, obtaining a more isotropic workspace for the human hand. We evaluated improvements in task execution introduced by the biomimetic controller compared to the typical constant damping controller among six different performance indexes. Our results show that users benefited from the biomimetic controller, in both its two implementations, in terms of a better positional accuracy of the virtual tool and fewer overshoots. Moreover, by increasing the eccentricity of the damping fields, the “improved” Enhancing controller was found out to lead to significantly better performances compared to the “improved” Isotropic controller.

Negli ultimi due decenni, i sistemi robotici teleoperati hanno riscosso una significativa popolarità all’interno della comunità chirurgica, grazie ai molteplici vantaggi da essi introdotti rispetto alla laparoscopia tradizionale, come la possibilità di filtrare e ridurre i movimenti della mano del chirurgo. Questi robot non solo devono operare efficientemente, ma devono anche raggiungere alti livelli di interazione con l’uomo: durante un task di teleoperazione, l’operatore umano non è in diretto contatto con l’ambiente operativo, ma, al contrario, manipola un master device, stabilendo un’interazione fisica con esso. Quest’interazione accoppia due entità molto diverse sia da un punto di vista cinematico che dinamico, creando un sistema complesso, il cui stato dipende dall’interazione tra le caratteristiche dinamiche dell’operatore e le proprietà meccaniche del master device. Negli schemi di controllo tradizionalmente adottati per la teleoperazione, i master device sono completamente ignari delle proprietà dinamiche del braccio così come delle complesse strategie di controllo motorio sfruttate dall’operatore per eseguire il task. In questo lavoro proponiamo un nuovo controllore di impedenza per regolare le proprietà meccaniche del master device basandosi sulla stima della rigidità del braccio dell’operatore. Abbiamo sviluppato un task planare di reaching virtuale ed abbiamo valutato i cambiamenti in modulo e direzione dell’asse principale dell’ellissoide di rigidità del polso in un gruppo di soggetti usando un algoritmo offline non invasivo basato su un modello muscolo-scheletrico del braccio. Basandoci sulla modulazione di rigidità osservata, abbiamo sviluppato due implementazioni di un controllore di impedenza adattativo biomimetico: nella prima, che chiamiamo Enhancing, il massimo smorzamento è stato applicato lungo la direzione di massima rigidità, simulando un aumento dell’impedenza del braccio grazie al feedback di forza del master device; nella seconda, che chiamiamo Isotropic, il massimo smorzamento è stato applicato lungo la perpendicolare all’asse principale di rigidità, ottenendo un workspace più isotropo per la mano dell’operatore. Abbiamo valutato i miglioramenti nell’esecuzione del task introdotti dal controllore biomimetico rispetto al tipico controllore a smorzamento costante, tenendo in considerazione sei indici di performance diversi. I risultati mostrano come gli utenti beneficiassero del controllore biomimetico, in entrambe le sue due varianti, in termini di una migliore accuratezza posizionale dello strumento virtuale e di un minor numero di overshoots. Inoltre, abbiamo riscontrato che, aumentando l’eccentricità dei campi di smorzamento, il controllore Enhancing “intensificato” conduceva gli utenti a performances significativamente migliori rispetto al controllore Isotropic “intensificato”.