Reducing time and surgeon mental workload for robot positioning in operating room using learned desired null-space joint configurations

The main advantages in apply robot-assisted surgical systems in clinical practice are principally due to the perfect symbiosis between the strengths of humans, namely surgeons or their assistants, and robots. While from one side surgeons are versatile, sensitive, ethical and able to acquire qualitative information, from the other side robots present high accuracy, high precision, multitasking capabilities and provide various types of control schemes. However, some functionalities that would allow a surgeon to optimally collaborate with the robot are still missing, sometimes leading to a difficult interaction between the two parts. Certainly, one of these missing features can be seen in the possibility for the surgeon to correctly position the surgical robot in the operating room at the onset of the intra-operative phase without wasting time and exerting unnecessary mental workload. In this work, the implementation of a new teleoperated control system of a surgical robotic arm which allows reducing the time and the mental workload required to a surgeon to position the surgical robot in the operating room at the onset of the intra-operative phase is considered. The proposed control system is here used to telemanipulate, through a custom-made 6-DoF force-torque sensor handle as user interface, a 3D model of a KUKA LBR iwaa 14 robotic arm holding a dummy actuated endoscope used to ideally perform minimally invasive laser osteotomy at the level of the patient’s knee. The implementation of four different robot control modalities is considered. Firstly, a Naïve Task Space Control modality, namely a basic robot’s task space control modality used to move the robot from its starting positioning to the targeted robot’s end-effector pose which is required for the following surgical operation. Secondly, a Null-Space Control modality used to move the robotic arm in its null-space without moving its end-effector pose, principally with the purpose of reshaping the robot’s joint configuration and freeing part of the operating room’s workspace which was previously occupied by the robot. Then, a Recording of Desired Poses modality, necessary to record in a virtual look-up-table the desired robot’s end-effector poses and the related robot’s joint configurations. Finally, a Learned Task Space Control modality, through which the robot can be simply moved in task space from its starting positioning in the direction of a recorded desired end-effector pose, while, over task space augmentation strategy, the null-space secondary task is used to automatically modify the robot’s joint configuration so that by approaching that end-effector pose the robot assumes more and more precisely the related desired joint configuration previously recorded. Based on these robot control modalities, two different robot control strategies that can be used to position the surgical robotic arm in the operating room are also proposed in order to be compared. A first basic robot control strategy S1 in which, at the onset of the intra-operative phase, the required robot’s positioning is reached making use of the Naïve Control and the Null-Space Control modalities. A second innovative robot control strategy S2 in which, once recorded in a pre-operative planning phase the desired robot’s end-effector pose and the related robot’s joint configuration making use of the first three robot control modalities, at the onset of the intra-operative phase, the required robot’s positioning is obtained making use only of the Learned Task Space Control modality. A performance evaluation pilot study shows that, once recorded in a pre-operative planning phase the desired robot’s end-effector pose and the related robot’s joint configuration, the time and the mental workload exerted by the surgeon to reach the required robot’s positioning in operating room at the onset of the intra-operative phase can be respectively reduced up to 27.02% and up to 19.60% passing from S1 to S2 control strategy.

I principali vantaggi dell'applicazione dei sistemi di chirurgia robotica-assistita nella pratica clinica sono principalmente dovuti alla perfetta simbiosi tra i punti di forza degli esseri umani, vale a dire i chirurghi o i loro assistenti, e quelli dei robot. Mentre da un lato i chirurghi in quanto esseri umani sono versatili, sensibili, etici e in grado di acquisire informazioni qualitative, dall'altro lato i sistemi robotici sono caratterizzati da alta precisione, da alta accuratezza, da capacità multitasking e dalla possibilità di fornire molteplici modalità di controllo. Tuttavia, ancora oggi vengono a mancare alcune delle funzionalità che consentirebbero a un chirurgo di interagire in modo ottimale con i sistemi di chirurgia robotica-assistita, comportando in alcuni casi ad una difficile interazione tra le due parti. Sicuramente una di queste caratteristiche mancanti può essere vista nella possibilità per il chirurgo di posizionare facilmente e correttamente il robot in sala operatoria all'inizio della fase intra-operatoria ottimizzando il tempo e lo sforzo mentale del chirurgo stesso. In questo lavoro viene presa in considerazione l'implementazione di un innovativo sistema di controllo teleoperato di un braccio robotico chirurgico che consente di ridurre il tempo ed il carico di lavoro mentale richiesti ad un chirurgo per posizionare il robot in sala operatoria all'inizio della fase intra-operatoria. Questo sistema di controllo viene qui utilizzato per telemanipolare, attraverso un manipolatore costruito sulla base di un sensore di forza-momento torcente a 6 gradi di libertà, un modello 3D di un braccio robotico (più specificatamente un KUKA LBR iwaa 14) sulla cui flangia è virtualmente montato un prototipo di endoscopio con l’obiettivo di simulare un intervento minimamente invasivo di osteotomia condotta al laser al livello del ginocchio del paziente. In questo contesto, viene considerata l'implementazione di quattro diverse modalità di controllo del braccio robotico. In primo luogo, viene delineata l’implementazione di una modalità di controllo chiamata Naïve Task Space Control, ossia una semplice modalità di controllo del robot nello spazio cartesiano, utilizzata per muovere il braccio robotico dal suo posizionamento iniziale fino a raggiungere la posa del suo effettore finale richiesta per la successiva operazione chirurgica. In secondo luogo, viene analizzato lo sviluppo di una modalità di controllo detta Null-Space Control utilizzata per muovere il braccio robotico nel suo spazio nullo senza alterare la posa del suo effettore finale, principalmente con l’intento di ridefinire la configurazione dei giunti del braccio robotico e quindi permettere di liberare parte dello spazio di lavoro della sala operatoria precedentemente occupata dal robot stesso. Successivamente, viene definita una modalità chiamata Recording of Desired Poses necessaria per salvare in una tabella virtuale le pose desiderate dell'effettore finale del robot e le relative configurazioni dei suoi giunti. Infine, viene considerata l’implementazione di una modalità di controllo detta Learned Task Space Control con cui il robot può essere semplicemente guidato nello spazio cartesiano nella direzione di una posa desiderata e salvata del suo effettore finale, mentre, sfruttando la strategia dell’aumento del controllo del robot nello spazio cartesiano, l'attività secondaria relativa al controllo del robot nel suo spazio nullo modifica automaticamente la configurazione dei suoi giunti in modo tale che all’avvicinarsi di tale posa dell’effettore finale il robot assuma sempre più precisamente la relativa configurazione precedentemente salvata. Sulla base di queste modalità di controllo, sono inoltre proposte due diverse strategie di controllo del robot utilizzabili per il suo posizionamento in sala operatoria. Una prima strategia base di controllo del robot S1 in cui, all'inizio della fase intra-operatoria, il posizionamento richiesto del robot viene raggiunto utilizzando le modalità di controllo Naïve Task Space Control e Null-Space Control. Una seconda strategia innovativa di controllo del robot S2 in cui, facendo uso delle prime tre modalità di controllo del robot, una volta salvate in fase di pianificazione pre-operatoria la posa desiderata dell'effettore finale del braccio robotico e la relativa configurazione dei suoi giunti, all'inizio della fase intra-operatoria, il posizionamento del robot si ottiene utilizzando la sola modalità di controllo Learned Task Space Control. Uno studio pilota di valutazione delle prestazioni mostra che, una volta salvata in fase di pianificazione pre-operatoria la posa desiderata dell'effettore finale del robot e la relativa configurazione dei suoi giunti, in sala operatoria, all'inizio della fase intra-operatoria, il tempo ed il carico di lavoro mentale esercitati dal chirurgo per raggiungere il posizionamento richiesto del braccio robotico chirurgico possono essere ridotti rispettivamente fino al 27.02% ed al 19.60% passando dalla strategia di controllo S1 a quella S2.