Adaptive control of serial redundant robots for minimally invasive surgery

Research on surgical robots has produced impressive progress in the past decade. The number of operating rooms equipped with surgical robots for Minimally Invasive Surgery is growing faster and faster because of the benefits like higher surgical precision, increased range of motion, improved dexterity, and so on. However, the current state of commercial surgical robotics, like the da Vinci Surgical System, is specialized designed and expensive, which limits their popularization and application. The general serial industrial robots have achieved significant advancements in terms of accuracy and safety, which have potential in the surgical robots area. Notably, their capacity to operate in an uncertain environment with Human-robot interaction has shown prominent benefits over the latest decades. It becomes a promising theme to introduce the general serial robot in the surgical robotics research field, where Human and Robots physically interact (Physical Human-robot Interaction-pHRI) is impossible to be avoided or prevented. This work is an effort on investigating and implementing adaptive control methodologies to introduce the serial robot for Robot-assisted Minimally Invasive Surgery. To this end, research actives, such as human-like redundancy resolution, Remote Centre of Motion, and manipulability optimization, etc., have been investigated on a redundant serial robot in this thesis to improve the operations in terms of safety, accuracy, cognitive load, and surgeon fatigue. Furthermore, accurate target tracking with constraint and haptic feedback is achieved to improve its feasibility. All the proposed methodologies have been implemented and validated using the KUKA Light Weight Robot LWR4+ on a 3-D printed patient phantom. The validation results showed that the effectiveness and feasibility of the proposed algorithms in terms of accuracy, a remote center of motion constraint, and manipulability. This work includes experimental demonstrations of the proposed methods. It has been proven here that adaptive control of the surgical robot according to challenges, can lead to better surgical outcomes.

La ricerca sui robot chirurgici ha prodotto progressi notevoli negli ultimi dieci anni. Il numero di sale operatorie dotate di robot chirurgici per la chirurgia mini-invasiva sta crescendo sempre più rapidamente a causa dei vari vantaggi introdotti tra cui una maggiore precisione chirurgica, una maggiore libertà di movimento ed una maggiore destrezza. Tuttavia, allo stato attuale, la robotica chirurgica commerciale, come il sistema chirurgico da Vinci, è altamente specializzato e costoso, il che ne limita la fruibilità e l'applicazione. Invece, i robot industriali seriali generali hanno raggiunto progressi significativi in termini di precisione e sicurezza, che li rendono potenzialmente usabili anche nel campo dei robot chirurgici. In particolare, la loro capacità di operare in un ambiente incerto interagendo con l’uomo, ha apportato notevoli vantaggi negli ultimi decenni. Diventa quindi un’ipotesi promettente quella di introdurre il robot seriale generale nel campo della ricerca robotica chirurgica, dove l’interazione fisica tra robot e uomo (interazione fisica robot-umana-pHRI) è impossibile da evitare o prevenire. Questo lavoro rappresenta uno sforzo per studiare e implementare metodi di controllo adattativo per introdurre il robot seriale per la chirurgia mini-invasiva assistita da robot. A tal fine, in questa tesi, attività di ricerca come la risoluzione di problemi di ridondanza human-like, di calcolo del centro remoto di vincolo di movimento e di ottimizzazione della manipolabilità, ecc., sono state condotte su un robot seriale ridondante per migliorarne le operazioni in termini di sicurezza, accuratezza, carico cognitivo e affaticamento del chirurgo. Inoltre, è stato ottenuto un accurato tracciamento del target tenendo conto di vincoli e feedback tattili così da migliorarne la fattibilità. Tutte le metodologie proposte sono state implementate e validate usando il robot leggero KUKA LWR4 + su un fantoccio di un paziente stampato in 3D. I risultati della validazione hanno mostrato l'efficacia e la fattibilità degli algoritmi proposti in termini di accuratezza, di calcolo del centro remoto di vincolo di movimento e di manipolabilità. Questo lavoro include le dimostrazioni sperimentali dei metodi proposti. È stato dimostrato che il controllo adattativo del robot chirurgico in base alle diverse situazioni, può portare a migliori risultati chirurgici.