Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/90509
Title: Control and Estimation Strategies for Robotic-Assisted Tele-Echography
Authors: Santos, Luís Carlos Vitória dos
Orientador: Cortesão, Rui Pedro Duarte
Keywords: Tele-Ecografia Assistida por Robô; Modelação de Contacto; Controlo em Espaço Nulo; Controlo de Força; Robótica Médica
Issue Date: 14-Sep-2017
Project: info:eu-repo/grantAgreement/FCT/SFRH/SFRH/BD/69557/2010/PT/AUTONOMOUS CONTROL FOR ROBOTIC-ASSISTED ECHOGRAPHY 
info:eu-repo/grantAgreement/FCT/3599-PPCDT/72253/PT/Robotic-assisted minimally invasive surgery 
Abstract: Medical ultrasound examination is one the most common medical imaging procedures, being a crucial diagnostic tool for several medical specialties. This procedure requires skilled and experienced physicians, which might not always be available, especially in emergency scenarios or in geographically remote areas. Furthermore, some tasks require the physician to perform forceful and repetitive movements in uncomfortable body postures, leading to substantial prevalence of work-related musculoskeletal disorders among sonographers. A robotic-assisted teleechography system pops up as a solution to these problems, where a haptic device can be used to tele-control a robot manipulator for echographic inspection. To accomplish this, probe motion must accurately replicate physician’s movements, either in free space or under contact constraints, avoiding force peaks and jerky behaviors when moving from free-space to contact and vice-versa. This thesis addresses strategies and methodologies to develop a teleoperation control architecture for robotic-assisted tele-echography, relying on computed-torque techniques, robot dynamics, contact stiffness estimation and task space and null space designs. The slave manipulator control architecture follows a hierarchical approach, where explicit Cartesian force control arises as the primary task while orientation control is designed in the null space. This solution allows accurate orientation control with compliant positioning, which resembles the physician behavior when handling the probe in a traditional ultrasound procedure. Based on a 3D time-of-flight camera and force data, contact stiffness is anticipated, allowing control adaptation before contact. This approach is adequate for tele-echographic tasks since it reduces robot dynamics before contact, enabling smooth transitions from free-space to contact and vice-versa. Additionally, free space inertial forces are also eliminated from the control loop, improving free space motion control. In contact, the environment stiffness is estimated online using robot inertial properties and force data. A strong correlation between the perceived stiffness and the effective mass exists, being this correlation used in the stiffness estimation algorithm to improve force control performance. In this way, the perceived stiffness can be seen, not as a well defined physical property, but as a force control optimization parameter. The teleoperation control architecture is validated in both clinical and non-clinical scenarios. In the clinical experiment, a gynecologist performs a robotic-assisted pelvic ultrasound examination in a healthy volunteer.
A ecografia é uma técnica de imagiologia médica comum e transversal a várias especialidades médicas. É um meio de diagnóstico que requer médicos especialistas para a sua execução, os quais nem sempre se encontram disponíveis, especialmente em locais com baixa densidade populacional ou em situações de emergência. Para além da falta de especialistas, alguns exames requerem que os radiologistas exerçam forças em posições não naturais durante largos períodos de tempo, o que leva a que haja uma elevada incidência de lesões músculo-esqueléticas entre a comunidade de radiologistas. Uma possível solução para estes problemas é a utilização de um sistema de tele-ecografia assistida por robô. Ao controlar a sonda através de um dispositivo háptico, o radiologista consegue efetuar o exame de forma similar ao procedimento tradicional, mantendo a perceção das forças que está a exercer no paciente. Porém, para esta solução ser adotada, a sonda tem que replicar fidedignamente os movimento que o médico efetua no dispositivo háptico, quer em aproximação ao paciente em espaço livre, quer em contacto com este. A dinâmica do robô deve ser adaptada ao tipo de exame, impondo limites nas forças aplicadas no paciente. Ao longo desta tese vão ser apresentadas as estratégias e metodologias adotadas no desenvolvimento da arquitetura de controlo para tele-ecografia assistida por robô. A arquitetura de controlo apresenta uma estrutura hierárquica, sendo o controlo explicito de força a tarefa com maior prioridade, permitindo impor uma dinâmica de interação adequada entre sonda e paciente. O controlo de orientação é efetuado utilizando formalismo de controlo no espaço das juntas e no espaço da tarefa, o que permite ultrapassar limitações presentes em soluções de controlo efetuado apenas no espaço da tarefa. O controlo de orientação é considerado uma tarefa secundária, sendo projetado no espaço nulo. A dinâmica do manipulador é estabelecida através de uma câmara 3D tempo de voo e de um sensor de força. Utilizando dados de distância e de força, o contacto é antecipado, aumentando a rigidez do ambiente no modelo do controlador em situações de pre-contacto. Esta estratégia reduz a dinâmica do robô, permitindo uma transição suave entre o movimento em espaço livre e contacto (e vice-versa). Permite ainda eliminar as forças inerciais da malha de controlo, melhorando o desempenho do sistema em espaço livre. Em contacto, a rigidez é estimada em tempo real, usando as propriedades inerciais do manipulador e dados de força. Existe uma correlação entre a massa efetiva e a rigidez percecionada pelo controlo, sendo esta correlação utilizada no algoritmo de estimação da rigidez, o que permite melhorar o desempenho do controlador. Desta forma, o parâmetro da rigidez deixa de ter um significado físico claro, passando a ser interpretado como um parâmetro de otimização do controlo de força. A arquitetura de tele-operação é validada clinicamente por um médico ginecologista, efetuando uma tele-ecografia pélvica num voluntário saudável.
Description: Tese de doutoramento em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, Ramo de Especialização em Automação e Robótica, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/90509
Rights: openAccess
Appears in Collections:FCTUC Eng.Electrotécnica - Teses de Doutoramento

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