Joint limits handling under kinematic and cartesian constraints for medical robotics

In recent years, the collaboration between robots and humans is taking place in various areas including the clinical field: the number of assisted interventions and the sale of robotic systems have been considerably increased. Robots could guarantee the development or refinement of new surgical techniques, reducing their invasiveness, improving their accuracy and eliminating the effects created by fatigue or tremors. The work presented has contributed to the development of a project begun in the past years that aims to bring a sample of the hand-guided LBR Med into operating rooms as a support for surgeons during spinal surgery. The project was entirely carried out during a period of six months at the KUKA AG headquarters in Augsburg. The final aim of this thesis is to present a new algorithm, for joint limits control, developed to fulfil all the medical requirements stated by the project. The two main requirements to be met were:\\ - the ability to slide around joint limits even when a position limit has been reached by modifying and scaling the command imposed by the user's hand but without producing any unexpected movement\\ - implementing kinematic constraints to impose velocity and acceleration bounds both absolute and relative to the current position, with the aim of preventing sudden stops of the robot\\ The desire to be able to provide specific motion modalities for the clinical use has imposed the need to define Cartesian constraints to the motion, which must be strictly respected at all times. In the specific field of spinal surgery, during the positioning of the spinal implants, a limited movement on a straight line is surely required to perform the drilling actions in the most accurate linear way. The development of the algorithm is described step by step. The proposed final solution involves the resolution of a constrained optimization problem: all the imposed kinematic constraints are defined by appropriate matrices and the objective function to be minimized is represented by the square form of the error introduced in the Cartesian velocity imposed on the robot. The algorithm was finally compared in the test phase with the solution previously implemented on the LBR Med and with the most widespread solution available in literature , for this purpose 42 subjects were recruited, among the employees of the company, and they were asked to perform a simple task. The three methods were compared through the analysis of quantitative data concerning the stress imposed on the hardware during the performances and qualitative data regarding the usability perceived by the participants collected through a short questionnaire. In both cases the proposed solution was significantly better.

Negli ultimi anni la collaborazione tra robot e umani sta prendendo piede in diversi ambiti tra cui quello clinico: il numero di interventi assistiti e la vendita di sistemi robotici stanno aumentando notevolmente. I robot potrebbero garantire lo sviluppo o l'affinamento di nuove tecniche chirurgiche riducendone l'invasività, migliorandone l'accuratezza ed eliminando gli effetti creati da fatica o tremori. Il lavoro qui presentato ha contribuito allo sviluppo di un progetto iniziato negli anni passati che mira a portare nelle sale operatorie un esemplare di LBR Med guidato manualmente come supporto ai chirurghi durante gli interventi di chirurgia spinale. Il progetto è stato interamente svolto durante un periodo di sei mesi presso la sede centrale della KUKA AG in Augsburg. Scopo finale di questa tesi è quello di presentare un nuovo algoritmo, per il controllo dei limiti di giunto, sviluppato per far fronte a tutti i requisiti medici richiesti dal progetto. I due principali requisiti da soddisfare sono stati: \\ - la possibilità di muoversi attorno ai limiti di giunto anche una volta raggiunto un limite andando a modificare e scalare il comando imposto dalla spinta dell'utilizzatore ma senza mai produrre alcun movimento inaspettato\\ - implementare vincoli cinematici sui giunti andando a imporre limiti di velocità e accelerazione assoluti e relativi all'attuale posizione, con lo scopo di impedire stop improvvisi del robot\\ La volontà di poter assicurare in ambito clinico specifiche modalità di movimento ha imposto la necessità di poter definire anche vincoli cartesiani al movimento del robot, i quali devono essere rigidamente rispettati in ogni momento. Nel'ambito specifico della chirurgia spinale è sicuramente richiesto, durante il posizionamento degli impianti spinali, un movimento limitato su di una retta per performare nel modo più lineare possibile le azioni di perforazione. Lo sviluppo dell'algoritmo è descritto passo a passo in tutte le sue parti. La soluzione finale proposta prevede la risoluzione di un problema di ottimizzazione vincolato: tutti i vincoli cinematici imposti sono definiti da opportune matrici e la funzione da minimizzare è rappresentata dal quadrato dell'errore introdotto nella velocità cartesiana imposta al robot. L'algoritmo è stato infine confrontato nella fase di test con la soluzione precedentemente implementata sul LBR Med e con la più diffusa soluzione reperibile in letteratura, per essa sono stati reclutati 42 soggetti, tra gli impiegati dell'azienda, ai quali è stato chiesto di compiere un semplice compito. I tre metodi sono stati confrontati tramite l'analisi di dati quantitativi riguardanti lo stress imposto all'hardware durante le esecuzioni e dati qualitativi riguardanti l'usabilità percepita dai partecipanti raccolti tramite un breve questionario. In entrambi casi la soluzione proposta è risultata significativamente migliore.