A QP-based control algorithm for teleoperating a 7 DOF robotic arm in laparoscopy

In this thesis, we focused on the wonderful world of surgical robots and more precisely on the control topic associated with them. Although some aspects may be analogous to the industrial field, we started analyzing the historical and technical developments that have allowed the advent of the modern equipment available nowadays. For this reason, we reviewed the various technical specifications that characterize them with the purpose to highlight possible limitations on which basing future developments. After a brief introduction aimed at exposing the historical steps that have allowed robotics evolution and its application to the medical field, we have analyzed, without going into details that are beyond the scope of this work, the supporting technology of the most iconic robotic system for surgical use, the daVinci system by Intuitive Surgical. Therefore, we have taken this as a starting point for our analysis. After that, we have entered the beating heart of this thesis, namely what makes medical robotics unique: control theory, an aspect as fascinating as complex. We have analyzed the literature with the intention of observing the control structures currently available and then we went on to develop a completely innovative control quadratic programming algorithm applicable to a robotic arm equipped with seven degrees of freedom called Franka Emika for laparoscopic use. This control algorithm is aimed at taking into account all possible constraints that may be present during surgery, such as the remote center of motion (RCM) and the workspace collision constraints that might be created between the manipulator and the internal environment. This algorithm and these constraints make it possible to use this robot, which was created for industrial use, in the laparoscopic surgery field in teleoperation. The first part of the topic exposes the creation of a graphical simulator that has been realized using powerful computational software, such as Matlab and Simulink integrated with Simscape. Subsequently, the algorithm has been converted into C++ language, thereby allowing its transmission to the physical manipulators. This step has been pivotal to eventually put into practice the theoretical simulation. We have presented the experimental setup with particular regard to the technical specifications of the robotic arm used, and we set out to guide the reader as clearly as possible in the discussion of the subject by exposing the experimental results obtained. Moreover, it was given great importance to the topic of teleoperation, which has made it possible to revolutionize surgical practice thanks to the possibility to govern the manipulator remotely through a master-slave architecture. This is now well established in surgical practice thanks to the robotic structure excellence in this field, the da Vinci robot. In light of what has been discussed, this work aims to provide new solutions to overcome the current limitations that exist in robotics applied to surgery. Among these, we aim to achieve a higher level of autonomy than what has been achieved so far. On this point, we aim to optimize the current control algorithms by introducing additional constraints that can improve the surgeon's experience by reducing the possible risks and efforts. We hope that this small contribution will be a starting point for reflection aimed at automating some tasks. This automation, supported by a conspicuous reduction in costs, could drastically reduce waiting times and increase the availability of robots, allowing many more interventions to be carried out in shorter time. This would allow the birth of a new era of medicine, an efficient, millimetric medicine without waiting.

Nella presente tesi ci si concentra sul meraviglioso mondo della chirurgia robotica e più precisamente sul tema del controllo ad esso associato. Sebbene alcuni aspetti possano essere analoghi al settore industriale, si è iniziato analizzando gli sviluppi storici e tecnici che hanno permesso l'avvento delle moderne attrezzature ad oggi disponibili. Per questo motivo si sono passate in rassegna le varie specifiche tecniche che le caratterizzano allo scopo di evidenziare eventuali limitazioni su cui basare gli sviluppi futuri. Dopo una breve introduzione volta ad esporre i passaggi storici che hanno permesso l'evoluzione della robotica e la sua applicazione in campo medico, abbiamo analizzato, senza entrare in dettagli che esulano dallo scopo di questo lavoro, la tecnologia a supporto del più iconico sistema robotico per uso chirurgico, il sistema da Vinci dell’azienda Intuitive Surgical. Pertanto, abbiamo preso questo come punto di partenza per la nostra analisi. Dopodiché, siamo entrati nel cuore pulsante di questa tesi, ovvero ciò che rende unica la robotica medica: la teoria del controllo, un aspetto tanto affascinante quanto complesso. Abbiamo analizzato la letteratura con l'intento di osservare le strutture di controllo attualmente disponibili e poi siamo passati allo sviluppo di un algoritmo di controllo innovativo basato sulla programmazione quadratica applicabile ad un braccio robotico dotato di sette gradi di libertà denominato Franka Emika per uso laparoscopico. Questo algoritmo di controllo ha lo scopo di considerare tutti i possibili vincoli lineari che possono essere presenti durante l'intervento chirurgico, come il remote center of motion (RCM) e i vincoli di collisione dell'area di lavoro che potrebbero essere creati tra il manipolatore stesso e l'ambiente anatomico. Questo algoritmo e questi vincoli permettono di utilizzare tale robot, nato per uso industriale, nel campo della chirurgia laparoscopica in teleoperazione. La prima parte dell'argomento espone una simulazione grafica realizzata utilizzando potenti software computazionali, come Matlab e Simulink integrati con Simscape. Successivamente, l'algoritmo è stato convertito in linguaggio C++, permettendone così la trasmissione al manipolatore fisico. Questo passaggio è stato fondamentale per mettere in pratica la simulazione teorica. Abbiamo presentato il setup sperimentale con particolare riguardo alle specifiche tecniche del braccio robotico utilizzato, e ci siamo proposti di guidare il lettore nel modo più chiaro possibile nella trattazione dell'argomento esponendo i risultati sperimentali ottenuti. Inoltre, è stata dedicata grande importanza al tema della teleoperazione, che ha permesso di rivoluzionare la pratica chirurgica grazie alla possibilità di governare il manipolatore da remoto attraverso un'architettura master-slave. Questo aspetto è ormai ben consolidato nella pratica chirurgica grazie alla struttura robotica per eccellenza in questo campo nonché il robot da Vinci. Alla luce di quanto discusso, questo lavoro si propone di fornire nuove soluzioni per superare gli attuali limiti esistenti nella robotica chirurgica. Tra questi, si punta a raggiungere un livello di autonomia superiore a quanto finora raggiunto. A questo scopo, ci si propone di ottimizzare gli attuali algoritmi di controllo introducendo ulteriori vincoli che possano migliorare l'esperienza del chirurgo riducendone i possibili rischi e gli sforzi ad un costo inferiore. Ci auguriamo che questo piccolo contributo costituisca uno spunto di riflessione finalizzato all'automazione di alcuni compiti. Questa automazione, supportata da una cospicua riduzione dei costi, potrebbe ridurre drasticamente i tempi di attesa e aumentare la disponibilità di questi sistemi robotici, consentendo di eseguire molti più interventi in tempi più brevi. Ciò consentirebbe la nascita di una nuova era della medicina, una medicina più efficiente e millimetrica, senza attese.