Sviluppo di un sistema di controllo per motore brushless miniaturizzato per l'attuazione di un robot modulare nell'ambito della chirurgia NOTES

In the last years, minimally invasive surgery has known a widespread, thanks to the possibility to achieve better results than conventional surgery, with less side effects. Despite these advantages, some studies have shown that laparoscopic surgery brings only a little improvement in long term results (about 5 years) compared to open surgery. For this reason, new surgery techniques have been developed to improve health benefits for patients. Single port surgery (SPS) and Natural orifice transluminal endoscopic surgery (NOTES) are examples of such techniques. NOTES especially is accomplished using anatomical orifices as points of access (trans-vaginal, trans-colonic, trans-gastric approaches), without the need of skin incisions, improving esthetic result and decreasing side effects. This reduces complications in favor of patient recovery. One point access surgery requires a miniaturized instrumentation with the sufficient dexterity, in order to be able to position and move instruments in a reduced and constrained space. Published studies have reported technical and technology limitations in the traditional endoscopic and laparoscopic devices in satisfying these requirements. It has been acknowledged therefore the need of designing and developing a totally new generation of medical instrumentation able to cope with mini-invasive surgery as SPS and NOTES. This work was part of the SNAKE project, a project funded by the Ministero della Pubblica Istruzione, dell'Università e della Ricerca and developed by a National Consortium composed of Univeristy of Genova, Politecnico di Milano, University of Bergamo, University of L’Aquila, and Niguarda Hospital, Milano. The purpose of the project was to investigate the feasibility of a modular snake like robot with multiple degree of freedom and small dimension (diameter less than 1cm), in order to evaluate the potential of a miniaturized flexible manipulator to be translated in mini-invasive surgery. In particular, this thesis focused on the investigation of the technological feasibility of miniaturized electromechanical motors, used to actuate a kinematic module expressing two degrees of movement, and the development of a control system to actuate the kinematic 13 module with high accuracy. Two different control strategies were investigated: a) feedback control using position magnetic encoders; b) back-electromotive force (BEMF). We considered three-phase brushless motors (BLDC, 4mm) from Namiki (JP), and Hall effect magnetic rotary encoders from AustriaMicrosystems (AT). Three-phase BLDC motors require a current with an electronically commuted sequence input so it's necessary to know the rotor position while the engine is working. BEMF signal can be used to monitoring rotor. The BEMF is an electromotive force that opposes the main current flow in a circuit creating a voltage according to Lenz's law. This voltage can be read and used both driving motors and sensing gearhead output position. In fact, thanks to the zero-crossing propriety BLDC current can be commutated by monitoring BEMF signals and the number of rotation completed by the motor rotor can be counted. One of thesis purpose is to evaluate the possibility to not install any sensor to estimate joint angular position, using only BEMF. In this way, robot modules can be further miniaturized. A prototypical electronic board was designed and developed to manage the motors, the motor drivers, from Allegro MicroSystems (USA), and the rotation encoders through a microcontroller (Peripheral Interface Controller, PIC), from Microchip Technology (USA). The driver received a pulse width modulation signal (PWM) in input from the PIC and transmit a commuted PWM signal in output to motors. BEMF signals were read by the driver using an hardware method, and the driver send a square wave with the same frequency of the motor to the PIC. Microcontroller uses a serial peripheral interface (SPI) protocol to communicate with Hall effect magnetic rotary encoders and a controller area network (CAN) protocol to communicate with a computer. Each electronic component has small dimensions (less than 8 mm) and needs a power supply of 5V or less. Feedback evaluation tests have been done without application of any external load and without coupling motors with joints. All measures have been realized coupling the magnet directly to the gearhead output, in order to leave out backlash errors. A single start/stop tests have shown errors form 0° to 6° degrees, while cumulative errors can reach 45° degrees after 10 times start/stop tests. The obtained errors have been caused by the lack of BEMF signal during start up phase and by motor lock losses for high revolutions per minute. BEMF evaluation results aren't good enough for a clinical application. Despite 14 these problems, the driver can create a linear relationship between PWM duty cycle input and motor rotation speed, making BEMF signal good for speed estimation. A Hall effect magnetic rotary encoders must be used to measure angular position. Magnet placement is a critical issue and it has to be done with extreme accuracy, because a small displacement causes huge errors. However the use of a hall sensor as feedback method provided good results in motor control with 0.4° accuracy and 0.2° precision. During the creation of the board, there were some problems manually soldering flat no-leads packages. Due to these problems it wasn't possible to made an electronic board satisfying dimensional requirements. However dimensional constrains can be fitted using industrial soldering methods. Results show that project requirements have been satisfied, except for dimensional ones, providing an efficient method to position joints and providing the necessary information to miniaturized the control board. The next step will be to build the prototypal robot and to repeat all tests coupling motors with robot joints, in order to validate this work and to consider backlash and moment of inertia effects too.

Negli ultimi anni, la chirurgia minivasiva ha conosciuto una larga diffusione grazie alla possibilità di ottenere migliori risultati e minori effetti collaterali rispetto alla chirurgia tradizionale. Nonostante ciò, alcuni studi hanno mostrato come la laparoscopia presenti piccoli miglioramenti nei risultati a lungo termine (dopo circa 5 anni dall'intervento). Per questo motivo sono state recentemente sviluppate delle nuove tecniche chirurgiche che potessero dare maggiori benefici per il paziente. Fra queste tecniche vi sono le Single port surgery (chirurgia a singola porta, SPS) e le Natural orifice transluminal endoscopic surgery (chirurgia endoscopica transluminale tramite orifizio naturale, NOTES). I NOTES in particolare sono una procedura chirurgica singolo accesso che, sfruttando gli orifizi naturali come accesso (approcci trans-vaginale, trans-colonico, trans-gastrico), permette di operare senza incidere la cute del paziente, portando sia un vantaggio estetico sia minori effetti collaterali. In questo modo è possibile ridurre le complicazioni dell'intervento e salvaguardare la salute del paziente. La chirurgia a singolo accesso richiede una strumentazione che sia miniaturizzata e dotata di notevole destrezza, in modo da potersi orientare e muovere anche nei lumi più ristretti e limitati. Gli studi pubblicati negli ultimi anni hanno messo in mostra le limitazioni della tecnologia attuale nella costruzione di dispositivi (endoscopi e laparoscopi) in grado di venire incontro alle esigenze di questa nuova tecnica chirurgica, richiedendo la progettazione e lo sviluppo di nuovi strumenti sviluppati ad hoc per i NOTES. Questa tesi si inserisce nel progetto SNAKE finanziato dal Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca e a cui partecipano il Politecnico di Milano, l'AIMS, l'Università degli Studi di Bergamo, l'Università degli Studi di Genova e l'Università degli Studi de L'Aquila. Il progetto prevede lo studio della fattibilità di un robot modulare snake like a gradi di libertà multipli e con dimensioni estremamente ridotte (diametro massimo 1cm), in modo da sviluppare uno strumento miniaturizzato in grado di soddisfare i requisiti tecnici richiesti dai NOTES, superando i problemi tipici della strumentazione attualmente disponibile. In particolare, questa tesi si occupa sullo sviluppo 10 di una scheda elettronica di controllo degli attuatori elettromeccanici miniaturizzati di un singolo modulo cinematico del robot in grado di esprimere due gradi di libertà e dello sviluppo di un sistema di controllo in modo da attuare il modulo con alta accuratezza. Per fare ciò, sono stati analizzati due diverse strategie di controllo: a) l'utilizzo di un feedback tramite un encoder magnetico di rotazione; b) back-electromotive force (forza controelettromotrice, BEMF). Sono stati considerati motori trifase brushless (BLDC, 4mm) della Namiki (JP), ed encoder di rotazione magnetici ad effetto Hall dell'AustriaMicrosystems (AT). I motori BLDC trifase richiedono in input una corrente con una sequenza commutata elettronicamente, dunque è necessario conoscere la posizione del rotore mentre il motore è in funzione. Questo può essere ottenuto impiegando il segnale della BEMF. La BEMF è un forza elettromotrice che si oppone al flusso della corrente generando una tensione secondo la legge di Lenz. Questa tensione può essere letta e usata sia per la gestione del motore che per la stima della posizione dell''albero motore. Infatti, grazie alla proprietà di zero-crossing dei motori BLDC, la corrente può essere commutata monitorando la BEMF. Una volta nota la posizione del rotore è possibile stimare anche la posizione dell'albero motore una volta noto il rapporto di riduzione. Uno degli scopi della tesi è quello di valutare la possibilità di non impiegare nessun sensore per la stima della posizione angolare dei giunti, utilizzando solamente il feedback della BEMF, per permettere una miniaturizzazione più spinta dei moduli che comporranno il robot. E' stata disegnate e sviluppata una scheda di prova per gestire i motori, i driver motori della Allegro MicroSystems (USA), e gli encoder di rotazione tramite un microcontrollore (Peripheral Interface Controller, PIC), della Microchip Technology (USA). Il driver riceve in input un segnale pulse width modulation (PWM) dal PIC e si occupa di commutarlo sulle linee del motore. Inoltre, il driver stesso fornisce come feedback al microcontrollore un'onda quadra di frequenza pari al regime di rotazione del motore, basando le sue misure sulla rilevazione della BEMF. Il microcontrollore comunica con l'encoder tramite protocollo serial peripheral interface (SPI) e con il computer tramite protocollo controller area network (CAN). Tutti i componenti impiegati sono caratterizzati da dimensioni estremamente ridotte (minori di 8 mm) e da tensione di alimentazione massima di 5V. 11 I test per la verifica dei sistemi di feedback sono stati eseguiti senza applicare nessun carico esterno e senza accoppiare gli alberi dei motori ai giunti, ma misurando direttamente la rotazione dell'albero in modo da escludere l'errore dovuto al backlash. Nei test di start e stop, si sono ottenuti errori compresi fra 0° e 6° gradi, mentre nei test sugli errori cumulativi gli errori sono arrivati fino a 45° dopo 10 ripetizioni. Gli errori ottenuti sono stati causati dalla mancanza del segnale della BEMF in fase di avvio e da perdite di lock per alti regimi di rotazione. I risultati ottenuti non sono stati adeguati per un'applicazione in pratica clinica. Nonostante questi problemi, il driver è in grado di fornire un legame lineare fra duty cycle in input e velocità di rotazione del motore, rendendo la BEMF ideale per la stima della velocità di rotazione. Per la misura della posizione angolare è stato impiegato un sensore ad effetto hall. Il posizionamento del magnete rispetto al sensore si è rilevato critico e deve essere effettuato con estrema accuratezza. Ad ogni modo, il sensore ha dato risultati positivi permettendo di posizionare l'albero motore con un'accuratezza di circa 0.4° e una precisione di 0.2°. A causa di difficoltà nel realizzare manualmente le schede non è stato possibile soddisfare i requisiti dimensionali. Metodi di saldatura industriali sono stati individuati come la soluzione a questo problema, in quanto permettono l'installazione di componenti dotati di package ancora più piccoli, in grado di rispettare i vincoli spaziali. I risultati ottenuti da questa tesi hanno permesso di soddisfare i requisiti di progetto fornendo un metodo efficace per il posizionamento dei giunti del robot, e fornendo le indicazioni necessarie per miniaturizzare le schede di controllo. Il passo successivo sarà quello di realizzare il prototipo ed effettuare i test accoppiando i motori ai giunti del robot, in modo da validare il lavoro fatto fino ad ora, considerando anche l'effetto dei momenti inerziali dei moduli sul posizionamento dei giunti.