Compliant control of robotic co-workers in surgical applications

Abstract

Robotlar son yıllarda insana göre güç, dayanıklılık, el becerisi ve isabetlilik gibi avantajlarından dolayı cerrahi operasyonlarda yerini almıştır. Robotlar; yetenek, karar verme, uyarlanabilirlik ve yaratıcılık eksikliklerinden dolayı insanların denetiminde çalış- malıdır. İnsanla birlikte çalışabilen robotlara eş-çalışan robotlar denir. Robotlar çevresine zarar verebilecek kuvvetler uygulayabilir ve bu durum cerrahlar ve hastalar için tehlikeli olabilir. Bu tezin amacı, empedans, admitans ve hibrit pozisyon/kuvvet denetleyicileri gibi aktif uyumlu denetleyici algoritmalarını, operasyon performanslarını göz önünde bulundurarak güvenli etkileşim kuvvetlerine ulaşmak için tasarlamaktır. Aktif uyumlu denetleyicilerin tasarlanmasında cerrahi iş birlikçi robotun tipi, eyleyici ve iletim sistemi, robot dinamikleri ve çevrenin dinamikleri kullanılmaktadır. Bunların yanı sıra, güvenlik için kararlılık ve gürbüzlük, performans için çeviklik ve insan eforu tasarım kriterleri olarak dikkate alınır. Bu tez, cerrahi operasyonlarda karşılaşılabilecek üç etkileşim durumundan bahsedecektir. Bu durumda iş birlikçi robottan, çevre dinamiklerinin ani değişimine uyum sağlaması beklenmektedir. Örneğin, operasyon sırasında robotun sert ve ya yumuşak bir doku ile temas edebilir ve robotun farklı dinamiklere sahip olan bu tip çevrelerle güvenli etkileşim sağlaması arzulanır. Sorunu ele almak için, önceden tanımlanmış denetleyici parametrelerinin ortamlarına göre değiştirildiği bir anahtarlama denetim metodolojisi sunulur. Metodoloji, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) desteği ile endoskopik hipofiz bezi cerrahisine yardımcı olmak üzere tasarlanan NeuRoboScope adlı yeni bir iş birlikçi robotuna uygulanacaktır. Ayrıca, aktif uyumlu kontrol algoritmaları, düşük seviye olarak hareket denetleyici algoritmasına ihtiyaç duyar. Bu tezde, hareket denetleyeci algoritması olarak hesaplanan tork yöntemi ve bağımsız ortak denetleyeci yöntemi kullanılmıştır. Hesaplanan tork yöntemi, robotun dinamik modeline ihtiyaç duymaktadır. Bundan dolayı tezde hesaplama verimliliği için düzeltme katsayısına sahip basitleştirilmiş bir dinamik modelleme metodu önerilmiştir. ARM Cortex M4, önerilen dinamik modelleme yöntemiyle hesaplanan tork yöntemini yaklaşık 500 Hz'de çalıştırır. Ayrıca bu tez, NeuRoboScope'un yerçekimi etkisini telafi etmek için bir ileri besleme terimi olarak basitleştirilmiş yerçekimi matrisini kullanan bağımsız bir ortak denetleyici sunmaktadır. Bu tezde her iki denetleyicinin deneysel sonuçları tartışılmıştır.

In recent years, robots have taken place in surgical operations due to their advantages over humans, such as power, endurance, dexterity, and accuracy. Because of the lack of abilities, such as decision-making, adaptability, and creativity, human surgeons supervise the robots. The robots share the operation places with humans, called co-worker robots. Robots have the power to harm their environment; therefore, robots can generate dangerous situations for surgeons and patients. To deal with the issues, this dissertation aims to design active compliant control algorithms such as impedance control, admittance control, and hybrid position/force control to achieve safe interaction forces in surgical operations by considering the performance. The surgical co-worker robot's type, actuation system, robot dynamics, and environment dynamics are important factors for designing the active compliant controller. Besides these, stability and robustness for safety, and agility and human effort for performance are considered for designing the controller. This dissertation takes into account three interaction scenarios encountered in surgical operations. In these scenarios, it is expected from the co-worker robot that it adapts to the sudden change in its environment dynamics. For instance, safe interaction is desired when the robot interacts with the stiff and soft tissues. To handle the issue, a switching control methodology is presented where the predefined control parameters are switched according to their environments. The methodology is implemented in a novel co-worker robot named NeuRoboScope, designed to assist the endoscopic pituitary gland surgery with the support of The Scientific and Technological Research Council of Turkey (TUBITAK). Moreover, active compliant control algorithms require a motion control algorithm as a low-level controller. In this dissertation, the computed torque method and independent joint controllers with gravity compensation are used as motion control algorithms. The computed torque method requires the dynamic model of the robot. Due to that, the dissertation proposes a simplified dynamic model with a correction coefficient for computational efficiency. ARM Cortex M4 processor runs the computed torque method with the proposed dynamic modeling method at ≈ 500 Hz. Also, this dissertation presents an independent joint controller which uses the simplified gravity matrix as a feedforward term for compensating the NeuRoboScope's gravitational effect. The experimental results of both controllers are discussed in this dissertation.