INTEGRAZIONE DI UN’INTERFACCIA APTICA PER LA GUIDA IN TELEOPERAZIONI DI CHIRURGIA ROBOTICA: CONTROLLO DIREZIONALE E SIMULAZIONE DELL’ATTRAVERSAMENTO TISSUTALE

This thesis addresses the integration of a haptic interface within a master-slave robotic system designed for navigated cerebral surgical procedures, emphasizing directional control and the realistic simulation of tissue penetration. The proposed system synergistically pairs the Omega 7 haptic device (master) with the KUKA LBR Med robotic arm (slave), thereby enabling precise alignment of surgical instruments along a predetermined trajectory. Key contributions of this work include the development of a kinematic model to implement directional constraints, the execution of dynamic simulations for interactions with various biological tissues (including air, soft tissue, and bone), and the design of force feedback algorithms grounded in Hooke’s law to emulate elasticity and viscous resistance. The methodological framework comprises the precise alignment of the haptic interface’s end-effector orientation with that of the robotic system, the imposition of directional constraints through orthogonal projections, and the simulation of tissue resistance using viscoelastic models. Validation tests, conducted using the Force Dimension SDK in conjunction with OpenGL, confirm the system’s proficiency in maintaining trajectory accuracy, effectively managing deviations, and reproducing realistic force feedback during the process of tissue penetration. Experimental results indicate minimal positional errors (<0.1 mm) and effective force responses, with maximum corrective forces reaching up to 8N in response to deviations. This work significantly advances the field of teleoperated surgical systems by enhancing operator precision and safety through intuitive haptic feedback. Prospective directions for further research include clinical trials, integration with real-time imaging techniques, and the optimization of system latency. These findings highlight the potential of haptic interfaces to reduce errors in minimally invasive robotic surgery, thereby paving the way for the development of more adaptive and intelligent surgical assistance systems.

Questa tesi affronta l’integrazione di un’interfaccia aptica in un sistema robotico master-slave per procedure chirurgiche cerebrali navigate, con particolare attenzione al controllo direzionale e alla simulazione realistica della penetrazione tissutale. Il sistema proposto combina il dispositivo aptico Omega 7 (master) con il braccio robotico KUKA LBR Med (slave), consentendo un allineamento preciso degli strumenti chirurgici lungo una traiettoria predefinita. I principali contributi includono un modello cinematico per vincoli direzionali, simulazioni dinamiche delle interazioni con tessuti biologici (aria, tessuto molle e osso) e algoritmi di feedback di forza basati sulla legge di Hooke per l’elasticità e la resistenza viscosa. La meto- dologia prevede l’allineamento dell’orientamento dell’effettore finale dell’interfaccia aptica con il sistema robotico, l’imposizione di vincoli direzionali tramite proiezioni ortogonali e la simulazione della resistenza tissutale utilizzando modelli viscoelastici. I test di validazione, condotti tramite Force Dimension SDK e OpenGL, dimostrano la capacità del sistema di mantenere la precisione della traiettoria, gestire le devia- zioni e replicare un feedback di forza realistico durante la penetrazione tissutale. I risultati sperimentali confermano errori posizionali minimi (<0.1 mm) e risposte di forza efficaci, con forze di correzione massime di 8N durante le deviazioni. Questo lavoro avanza i sistemi chirurgici teleoperati migliorando la precisione e la sicurezza dell’operatore attraverso un feedback aptico intuitivo. Le direzioni future includono sperimentazioni cliniche, l’integrazione con imaging in tempo reale e l’ottimizzazione della latenza. I risultati evidenziano il potenziale delle interfacce aptiche nel ridurre gli errori nella chirurgia robotica minimamente invasiva, aprendo la strada a sistemi di assistenza chirurgica più adattivi e intelligenti.