Optimization-based variable impedance control for contact tasks in robot-assisted ultrasound scanning

Ultrasound (US) imaging is nowadays a conventional procedure for diagnosis and surgical intervention guidance. Notwithstanding, research shows that the quality of the results is almost entirely dependent on the experience and decision-making process of the sonographer. Besides, free-hand scans are typically affected by deformations, due to variable probe pressures during the US acquisition, leading to image distortion which prevents accurate localization and geometric analysis of anatomical structures. In addition, sonographers have reported suffering from work-related musculoskeletal disorders, primarily associated with intense probe contact forces during ultrasound imaging procedures. In this context, modern robotic manipulators, with improved accuracy and perception, are capable of precise probe force and position control, and hold great promise for reducing the physical and cognitive burden on the sonographer, improving access to care, and providing more standardized imaging results. Considering the foregoing, this thesis presents a control strategy in which the elastic parameters of a 7-DOFs robotic manipulator are adapted in real-time in response to the contact force measured by a sensor directly mounted on the robot end effector. The main contribution of this work is a novel formulation of a quadratic programming optimization problem aimed at tracking a constant desired interaction force between the robot and the scanning surface via a compliant variable impedance control. A closed-loop force feedback is embedded in the proposed control scheme to compensate for the uncertainty in the stiffness of the surface, which in the real clinical application is the human skin, so it cannot be assumed to be rigid and its impedance properties must be taken into account. Furthermore, to guarantee and prove the stability of the system, the active actions resulting from the continuous adaptation of the impedance parameters are regulated by proper control of the energy exchanged by the system with the outside world through an energy tank-based approach, guaranteeing a passive behavior of the robot both in free interaction and in contact states with the environment.

I sistemi di imaging ad ultrasuoni offrono delle procedure ormai convenzionali per la diagnosi e la guida durante interventi chirurgici. Tuttavia, le ricerche dimostrano che la qualità dei risultati dipende quasi interamente dall’esperienza e dal processo decisionale dell’ecografista. Inoltre, le scansioni manuali sono tipicamente affette da deformazioni, dovute alle pressioni variabili esercitate dalla sonda, che in genere non rimangono costanti durante l’acquisizione ecografica, e la conseguente distorsione dell’immagine impedisce una localizzazione accurata e l’analisi geometrica delle strutture anatomiche. In aggiunta, gli ecografisti affermano di soffrire di disturbi muscolo-scheletrici principalmente associati alle intense forze di contatto necessarie durante le procedure di imaging ad ultrasuoni. In questo contesto, i moderni manipolatori robotici, con una migliore accuratezza e percezione, sono in grado di controllare con precisione la forza e la posizione della sonda e potrebbero potenzialmente ridurre il carico fisico e cognitivo dell’ecografista, migliorare l’accesso alle cure e fornire risultati di imaging più standardizzati. Considerando quanto sopra, questa tesi presenta una strategia di controllo in cui i parametri elastici di un manipolatore robotico a sette gradi di libertà sono adattati in tempo reale in risposta alla forza di contatto misurata da un sensore montato direttamente sull’effettore finale del robot. Nello schema di controllo proposto è incorporata una retroazione di forza ad anello chiuso per compensare l’incertezza della rigidità della superficie, che nell’applicazione clinica reale è la pelle umana, quindi non può essere assunta come rigida e le sue proprietà elastiche devono essere prese in considerazione. Inoltre, per garantire e dimostrare la stabilità del sistema, le azioni attive derivanti dal continuo adattamento dei parametri di impedenza sono regolate da un adeguato controllo dell’energia scambiata dal sistema con l’esterno attraverso un approccio basato su un serbatoio di energia, garantendo un comportamento passivo del robot sia in interazione libera che in stato di contatto con l’ambiente.