Control design of a surgical robotic platform for endoscopic dissection

Colorectal cancer accounts with an important morbidity portion occupying the second place worldwide among all the cancer types and the resection of the affected zone is the acknowledged appropriate oncological alternative. Minimally Invasive Surgery (MIS) based on laparoscopy is accepted due to its shorter hospital stay and better aesthetic outcome. However, the complex tilting of the patient due to constraints of the robotic platform along with the risk of metastases at the port site has paved the way towards the development of new robotic surgical tools for endoscopic methods like Endoscopic Submucosal Dissection (ESD) or Endoscopic Mucosal Resection (EMR), which have proven efficiency in the resection of cancerous tissue all while minimizing the already reduced invasiveness presented on MIS. This study aims to exhibit the control design of a novel miniaturized Robotic Platform for Endoscopic Dissection (RED) of gastrointestinal neoplasms by employing two commercial haptic devices (Omni 3D) as master manipulators, where each one can command one of the two surgical tools, grabbing and cautery arm, of the detachable miniaturized robot. The control strategy is based on a Master/Slave pattern, which is frequently used in Teleoperated systems, and it is composed of three units. The first one, developed in C++, handles the haptic guidance type of the haptic devices and gathers the movement executed by the operator while the second unit processes this information and incorporates security loops to maintain a safe environment to then command the third unit, which is composed by three miniaturized motors that are integrated inside the robot handling the cautery arm, and other three motors kept outside and connected to a cable system, where each of these motors manages one degree of freedom of the grabbing tool. Furthermore, this study proposes a gain scheduling PI algorithm, developed in Matlab and simulated in Simulink, based on fuzzy logic to enhance the adaptation to nonlinearities aiming to improve the PI current loop control in the drivers (EPOS2 24/2) of the Maxon motors. The proposed control system introduces several haptic functions to block the unused DOFs of the haptic devices while turning the movements of the haptic device executed by the operator into accurate maneuvers by controlling the surgical tools of the robot through the motors. Moreover, the gain scheduling algorithm simulations implementing the PI control models of the motors suggest that this proposed algorithm could surpass the control capacities of the PI one. Experiments supervised and executed by surgeons are formulated as future work. Additionally, it is proposed as future work the introduction of pressure sensors at the tip of the instruments aspiring to introduce feedback in the system through the haptic devices.

Il cancro del colon-retto rappresenta un'importante porzione di morbilità che occupa il secondo posto in tutto il mondo tra tutti i tipi di cancro e la resezione della zona interessata è l'alternativa oncologica appropriata riconosciuta. La chirurgia minimamente invasiva (MIS) basata sulla laparoscopia è accettata a causa della sua degenza ospedaliera più breve e del miglior risultato estetico. Tuttavia, il complesso tilt del paziente dovuto ai vincoli della piattaforma robotica insieme al rischio di metastasi nel port-site ha spianato la strada allo sviluppo di nuovi strumenti chirurgici robotici per metodi endoscopici come la dissezione endoscopica sottomucosa o la mucosa endoscopica resezione, che ha dimostrato efficacia nella resezione del tessuto canceroso minimizzando al contempo l'invasività già ridotta presentata sul MIS. Questo studio cerca a spiegare il design control di una nuova piattaforma robotica miniaturizzata per dissezione endoscopica (RED) di neoplasie gastrointestinali impiegando due dispositivi tattili commerciali (Omni 3D) come manipolatori master, in cui ognuno può comandare uno dei due strumenti chirurgici, il braccio grabging e il braccio cautery, del robot miniaturizzato staccabile. La strategia di controllo si basa su un modello Master / Slave, che viene spesso utilizzato nei sistemi teleoperati ed è composto da tre unità. Il primo, sviluppato in C ++, gestisce il tipo di guida haptica dei dispositivi e raccoglie il movimento eseguito dall'operatore mentre la seconda unità elabora queste informazioni e incorpora anelli di sicurezza per mantenere un ambiente sicuro per comandare quindi la terza unità, che è composto da tre motori miniaturizzati integrati all'interno del robot che gestisce il braccio cautery e altri tre motori tenuti all'esterno e collegati a un sistema di cavi, in cui ciascuno di questi motori gestisce un grado di libertà dello strumento di acquisizione. Inoltre, questo studio propone un algoritmo PI di pianificazione del guadagno, sviluppato in Matlab e simulato in Simulink, basato sulla logica fuzzy per migliorare l'adattamento alle non linearità con l'obiettivo di migliorare il controllo del loop di corrente PI nei driver (EPOS2 24/2) dei motori Maxon.Il sistema di controllo proposto introduce diverse funzioni haptiche per bloccare l'inutilizzato DOF dei dispositivi haptici mentre trasformano i movimenti del dispositivo haptico eseguiti dall'operatore in manovre accurate controllando gli strumenti chirurgici del robot attraverso i motori. Inoltre, le simulazioni dell'algoritmo di gain scheduling che implementano i modelli di controllo PI dei motori suggeriscono che questo algoritmo proposto potrebbe superare le capacità di controllo di quello PI. Gli esperimenti supervisionati ed eseguiti dai chirurghi sono formulati come lavori futuri. Inoltre, si propone come lavoro futuro l'introduzione di sensori di pressione sulla punta degli strumenti che aspirano a introdurre feedback nel sistema attraverso i dispositivi haptici.