ITEM METADATA RECORD
Title: Kinaesthetic Feedback and Enhanced Sensitivity in Robotic Endoscopic Telesurgery (Kinesthetische terugkoppeling en verhoogde gevoeligheid in robotische endoscopische telechirurgie)
Other Titles: Kinaesthetic Feedback and Enhanced Sensitivity in Robotic Endoscopic Telesurgery
Authors: De Gersem, Gudrun
Issue Date: 18-Feb-2005
Abstract: Een master-slave systeem voor heelkundige ingrepen, voorzien van be trouwbare krachtterugkoppeling, maakt het mogelijk ook voor complexere i ngrepen minimaal invasieve technieken te gebruiken. Voor het lokaliseren van tumoren, verborgen aders en venen, of de kwaliteitscontrole van een steek, baseren de chirurgen zich voornamelijk op de stijfheid van het w eefsel. Dit werk integreert de karakteristieken van de menselijke perceptie van stijfheid in het ontwerpproces van de teleoperatiecontrole. Bij gebruik van traditionele controleschema¬ís limiteert de wrijving in de medische r obot de kwaliteit van de krachtterugkoppeling. Een combinatie van het online schatten van de omgevingsstijfheid met een directe weergave van deze stijfheid in de haptische interface is ontwik keld. Deze techniek ontkoppelt de controle voor het uitvoeren van de taa k van de terugkoppeling van de informatie. De regelaars van de medische robot en de haptische interface kunnen onafhankelijk van elkaar worden o ntwikkeld, wat resulteert in verhoogde stabiliteit en positienauwkeurigh eid. De wrijving in de medische robot heeft bij gebruik van deze technie k geen invloed meer op de teruggekoppelde stijfheid. Dit werk introduceert verder het concept van verhoogde gevoeligheid voor het discrimineren van stijfheidsverschillen. Met het telechirurgisch sy steem kan de chirurg zo kleinere stijfheidsverschillen detecteren dan me t de blote hand. Deze techniek verhoogt de nauwkeurigheid en biedt een h oger zekerheidsniveau bij palpatie. Een experiment met directe weergave van de stijfheid in de haptische interface, gecombineerd met het online vormen van het gewenste gevoel, toont de technische haalbaarheid aan.
Table of Contents: Table of contents
Abstract III
Beknopte Samenvatting V
Symbols, definitions and abbreviations VII
Table of contents XIII
1 Introduction 1
1.1 Minimally invasive surgery (MIS) . . . . . . . . . . . 1
1.2 Robot assisted minimally invasive surgery . . . . . . 3
1.2.1 Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Surgical telemanipulation systems in research
labs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.3 Commercially available telesurgical systems . 10
1.2.4 Other medical robots . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.5 Surgical trainers . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Force feedback for medical teleoperation . . . . . . . 15
1.4 Thesis goal and contributions . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 Thesis overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Human kinaesthetic perception 19
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Human mechanoreception . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1 Cutaneous receptors . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.2 The kinaesthetic system . . . . . . . . . . . . 23
2.4 Classical psychophysical methods . . . . . . . . . . . 23
2.4.1 Difference thresholds and Weber’s law . . . . 23
XIII
Table of contents
2.4.2 Stimulus presentation . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.3 Three classical psychophysical methods . . . 25
2.4.3.1 Method of constant stimuli . . . . . 25
2.4.3.2 Method of limits . . . . . . . . . . . 26
2.4.3.3 Method of adjustment . . . . . . . . 27
2.5 Psychophysics of kinaesthesia . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.1 Discrimination of movements and forces . . . 27
2.5.2 Compliance and damping resolution . . . . . 30
2.6 Discrimination of stiffness using the
PHANTOMR° haptic interface . . . . . . . . . . . . 33
2.6.1 Realistic human-machine interaction . . . . . 33
2.6.2 Experiment setup and procedure . . . . . . . 35
2.6.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . 38
2.7 Sensing and control bandwidth . . . . . . . . . . . . 39
2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 Force feedback in teleoperation control 43
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 General description of a teleoperation system and its
applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.1 Telemanipulation system components . . . . 44
3.2.2 Haptic rendering of a virtual environment . . 47
3.2.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3 Representation of a teleoperation system . . . . . . . 49
3.3.1 Human Operator . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.2 Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.3 Hybrid 2-port network representation of a
master-slave manipulator . . . . . . . . . . . 51
3.3.4 Total system description . . . . . . . . . . . . 53
3.4 Force feedback control goals and performance criteria 54
3.4.1 Total transparency . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.2 Scaled telemanipulation . . . . . . . . . . . . 57
3.4.3 Impedance shaping . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5 Stability of a teleoperation system . . . . . . . . . . 60
3.5.1 Based on transfer functions . . . . . . . . . . 60
3.5.2 System passivity . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5.3 Damping injection . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6 Control schemes for motion control and force feedback 65
3.6.1 General Teleoperator Architecture . . . . . . 65
XIV
Table of contents
3.6.2 Two-channel control . . . . . . . . . . . . . . 67
3.6.2.1 Direct force feedback (DFF) . . . . 67
3.6.2.2 Position - position teleoperation . . 69
3.6.2.3 Force - force teleoperation . . . . . 71
3.6.2.4 Force - position teleoperation . . . . 71
3.6.3 Four-way controller . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.6.4 Implementation issues and extra features . . 72
3.6.4.1 Shared compliance control (SCC) . 72
3.6.4.2 Local force feedback . . . . . . . . . 73
3.6.4.3 Standard loop shaping tools and H1-
control . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.6.5 Design based on passivity . . . . . . . . . . . 75
3.6.6 Rate control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.6.7 Local adaptive control . . . . . . . . . . . . . 77
3.7 Impedance control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.7.1 Bilateral impedance controller . . . . . . . . . 79
3.7.2 Adaptive control . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.7.3 On line estimation of dynamical properties of
an unknown environment . . . . . . . . . . . 84
3.8 Design trade-offs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.9 Time delay in teleoperation . . . . . . . . . . . . . . 91
3.10 Discussion and conclusion . . . . . . . . . . . . . . . 92
4 Optimisation for reliable stiffness perception and enhanced
sensitivity 95
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2 Control design strategy . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.3 The use of kinaesthetic information within surgical
procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4 Optimisation for feedback of stiffness information . . 101
4.4.1 Human tangible region for stiffness perception 101
4.4.2 Homogeneous stiffness perception . . . . . . . 102
4.4.3 Affine stiffness perception transmission . . . . 105
4.5 Optimisation constraints . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.5.1 Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.5.2 Robust stability . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.6 Goal for optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.6.1 Minimisation goal . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.6.2 Performance bandwidth . . . . . . . . . . . . 108
XV
Table of contents
4.6.3 Use as a performance evaluation tool . . . . . 109
4.7 Optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5 Experimental verification on a one-dimensional
setup 111
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2.1 Manual tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.3 Optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.4 Direct force feedback (DFF) . . . . . . . . . . . . . . 117
5.4.1 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.4.1.1 Quasi-static behaviour . . . . . . . . 117
5.4.1.2 Dynamic behaviour . . . . . . . . . 119
5.4.2 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.5 Position error based force feedback (PEBFF) . . . . 122
5.5.1 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.5.2 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.6 Four-way control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.7 Manipulation with a virtual tool . . . . . . . . . . . 127
5.8 Influence of non-linearities on the transparency . . . 128
5.8.1 Extended flow graph . . . . . . . . . . . . . . 130
5.8.2 Theoretical analysis . . . . . . . . . . . . . . 130
5.8.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . 132
5.8.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6 Enhanced sensitivity in soft tissue teleoperation 139
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.2 Affine enhanced sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.2.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.2.2 Control scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.2.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . 141
6.3 Online stiffness estimation: extended Kalman filter for
soft tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.3.1 Problem definition and tissue properties . . . 143
6.3.2 Extended Kalman filter design . . . . . . . . 146
6.3.3 Simulations and experiments . . . . . . . . . 149
6.3.3.1 Environment stiffness step . . . . . 149
6.3.3.2 Off line reference estimation . . . . 149
XVI
Table of contents
6.3.3.3 Experimental results . . . . . . . . . 151
6.4 Online impedance shaping for teleoperation . . . . . 152
6.4.1 Impedance reflection . . . . . . . . . . . . . . 153
6.4.2 Impedance shaping . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.5 Homogeneously enhanced sensitivity . . . . . . . . . 155
6.5.1 Goal description . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.5.2 Control scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.5.3 Stability for enhanced sensitivity through
adaptive impedance control . . . . . . . . . . 158
6.6 Adaptive direct force feedback . . . . . . . . . . . . 161
6.6.1 Experiment description . . . . . . . . . . . . 161
6.6.2 Experimental results and discussion . . . . . 162
6.7 Adaptive impedance control . . . . . . . . . . . . . . 162
6.7.1 Experiment description . . . . . . . . . . . . 162
6.7.2 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . 163
6.7.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7 Force feedback and enhanced sensitivity on an endoscopic
robot 171
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.2 Slave: Storz endoscopic robot . . . . . . . . . . . . . 172
7.2.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.2.2 Rotation around vertical axis . . . . . . . . . 174
7.2.3 Rotation around horizontal axis . . . . . . . . 174
7.2.4 Linear zoom movement . . . . . . . . . . . . 175
7.3 Master: PHANTOMR° haptic interface . . . . . . . 176
7.4 Teleoperation setup with PHANTOMR° and Storz . 176
7.5 Aim of the experiments . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.6 Direct force feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.7 Impedance reflection teleoperation . . . . . . . . . . 179
7.7.1 Control channel . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.7.2 Information channel . . . . . . . . . . . . . . 182
7.7.3 Experiments on stiffness transparency . . . . 182
7.7.4 Experiments on homogeneously enhanced sensitivity
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
XVII
Table of contents
8 General conclusion 189
8.1 Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.2 Main contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.3 Suggestions for further developments . . . . . . . . . 192
References 195
A Open and closed loop gain of a teleoperator 215
B Kinematic transformations for the PHANTOMR°
and the Storz 219
B.1 Storz kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
B.2 PHANTOMR° -Storz coupling . . . . . . . . . . . . . 221
Curriculum Vitae 223
List of Publications 225
Nederlandse Samenvatting I
1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I
2 Menselijke kinesthetische perceptie . . . . . . . . . . IV
3 Telemanipulatie met krachtterugkoppeling . . . . . . VI
4 Optimaliseren voor betrouwbare stijfheidsweergave en
verhoogde gevoeligheid . . . . . . . . . . . . . . . . . X
5 Experimentele verificatie op een eendimensionale
testopstelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII
6 Verhoogde gevoeligheid in telechirurgie op weke weefsels
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVI
7 Krachtterugkoppeling en verhoogde gevoeligheid op
een realistische endoscopische robot . . . . . . . . . . XXI
8 Algemeen besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXIII
XVIII
Publication status: published
KU Leuven publication type: TH
Appears in Collections:Biomechanics Section
Mechanical Engineering - miscellaneous
Production Engineering, Machine Design and Automation (PMA) Section

Files in This Item:
File Description Status SizeFormat
GDG_PhD.pdf Published 8362KbAdobe PDFView/Open

 


All items in Lirias are protected by copyright, with all rights reserved.