IT202000001900A1 - APPARATUS AND CONTROL METHOD OF A ROBOTIC MANIPULATOR - Google Patents

APPARATUS AND CONTROL METHOD OF A ROBOTIC MANIPULATOR Download PDF

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IT202000001900A1
IT202000001900A1 IT102020000001900A IT202000001900A IT202000001900A1 IT 202000001900 A1 IT202000001900 A1 IT 202000001900A1 IT 102020000001900 A IT102020000001900 A IT 102020000001900A IT 202000001900 A IT202000001900 A IT 202000001900A IT 202000001900 A1 IT202000001900 A1 IT 202000001900A1
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tapping
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Clemente Lauretti
Francesca Cordella
Loredana Zollo
Pietro Larizza
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Univ Campus Bio Medico Di Roma
Masmec S P A
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Description

APPARATO E METODO DI CONTROLLO DI UN MANIPOLATORE APPARATUS AND METHOD OF CONTROL OF A MANIPULATOR

ROBOTICO ROBOTIC

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Campo tecnico dell?invenzione Technical field of the invention

La presente invenzione si riferisce ad un apparato e ad un metodo di controllo associati ad un manipolatore robotico, quest?ultimo in particolare per chirurgia spinale. The present invention relates to an apparatus and a control method associated with a robotic manipulator, the latter in particular for spinal surgery.

Background Background

L'inserimento di viti peduncolari ? diventata una procedura standard nella pratica clinica, specialmente per la stabilizzazione del tratto lombare o toracico della colonna vertebrale in pazienti con instabilit? o deformit? spinali. The insertion of pedicle screws? become a standard procedure in clinical practice, especially for stabilization of the lumbar or thoracic spine in patients with instability. or deformity? spinal.

A causa della prossimit? anatomica dei peduncoli vertebrali con tessuti delicati (quali il midollo spinale, le radici di nervi e vasi sanguigni), ? indispensabile che il posizionamento delle viti sia accurato, appunto per evitare danni neurologici, vascolari e viscerali al paziente. Due to the proximity? anatomy of vertebral peduncles with delicate tissues (such as the spinal cord, nerve roots and blood vessels),? It is essential that the positioning of the screws is accurate, precisely to avoid neurological, vascular and visceral damage to the patient.

La procedura di cosiddetta maschiatura consiste nel filettare il peduncolo del paziente per un inserimento delle viti pi? accurato, al fine di ridurre significativamente il rischio di malposizionamento della vite stessa. The so-called tapping procedure consists in threading the patient's pedicle for insertion of the pi? accurate, in order to significantly reduce the risk of malpositioning of the screw itself.

Nell?ultimo decennio, l'adozione di dispositivi robotici nella chirurgia spinale ha aumentato la ripetibilit? e l?accuratezza degli interventi di fissazione della colonna vertebrale. I robot possono infatti raggiungere livelli di precisione superiori, se si compara un intervento robot-mediato agli interventi manuali eseguiti dal chirurgo, non sono affetti da affaticamento e tremori e svolgono attivit? ripetitive senza che le prestazioni vengano ridotte. Over the past decade, the adoption of robotic devices in spinal surgery has increased repeatability. and the accuracy of spinal fixation surgeries. Robots can in fact reach higher levels of precision, if you compare a robot-mediated intervention to the manual interventions performed by the surgeon, they are not affected by fatigue and tremors and perform activities? repetitive without reducing performance.

La letteratura propone diversi sistemi robotici per la maschiatura o trapanatura del percorso della vite. Tali sistemi possono essere suddivisi in tre categorie principali: i) robot teleoperati, tipicamente guidati completamente da remoto dal chirurgo attraverso un?interfaccia aptica; ii) robot passivi, che forniscono al chirurgo una guida durante la fase di trapanatura, quest?ultima svolta in modo completamente manuale; e iii) robot attivi, che, sulla base di traiettorie prepianificate, eseguono la trapanatura del peduncolo in maniera autonoma sotto il completo controllo di un computer. The literature proposes various robotic systems for tapping or drilling the screw path. These systems can be divided into three main categories: i) teleoperated robots, typically guided completely remotely by the surgeon through a haptic interface; ii) passive robots, which provide the surgeon with a guide during the drilling phase, the latter carried out completely manually; and iii) active robots, which, on the basis of pre-planned trajectories, drill the pedicle autonomously under the complete control of a computer.

Un esempio di robot per chirurgia spinale teleoperato ? il Cooperative Robotic Assistant (CoRA) [ An example of a teleoperated spinal surgery robot? the Cooperative Robotic Assistant (CoRA) [

- Cooperative robotic assistant with drill-by-wire end-effector for spinal fusion surgery - Industrial Robot: An International Journal, 36(1): 60?72, 2009], che si basa su un sistema di controllo master/slave disaccoppiato meccanicamente per eseguire una perforazione del peduncolo ad alta velocit?. In altre parole, il chirurgo afferra e ruota un manipolo che ? collegato ad un motore solidale con l?organo terminale del robot lato master. L?angolo di rotazione del manipolo ? misurato attraverso sensori di posizione integrati nel motore stesso ed ? convertito, attraverso un meccanismo di vite a ricircolo di sfere, nel movimento lineare di un trapano ad alta velocit?, montato sull?organo terminale del robot lato slave. - Cooperative robotic assistant with drill-by-wire end-effector for spinal fusion surgery - Industrial Robot: An International Journal, 36 (1): 60? 72, 2009], which is based on a mechanically decoupled master / slave control system to perform a high speed pedicle perforation. In other words, the surgeon grabs and rotates a handpiece that? connected to a motor integral with the terminal part of the robot on the master side. The rotation angle of the handpiece? measured through position sensors integrated in the engine itself and? converted, through a ball screw mechanism, into the linear movement of a high speed drill, mounted on the end member of the slave side robot.

Tale sistema ha il duplice vantaggio di aumentare l?accuratezza dell?intervento chirurgico e ridurre l?affaticamento muscolare del chirurgo rispetto ad un intervento di chirurgia spinale manuale. This system has the dual advantage of increasing the accuracy of the surgery and reducing the surgeon's muscle fatigue compared to manual spinal surgery.

Di contro, il chirurgo non controlla finemente la velocit? di rotazione o la coppia dello strumento chirurgico, a scapito della accuratezza e affidabilit? dell?intero intervento. On the other hand, the surgeon does not finely control the speed? rotation or the torque of the surgical instrument, at the expense of accuracy and reliability? of the entire intervention.

Inoltre, questo sistema non permette al chirurgo di effettuare la maschiatura del peduncolo del paziente in modo assistito od automatico. Al chirurgo ? dunque richiesto uno sforzo fisico e cognitivo significativo per portare a termine tale procedura chirurgica, con il rischio di adottare posture scorrette e di incorrere in danni muscoloscheletrici. Furthermore, this system does not allow the surgeon to carry out the tapping of the patient's pedicle in an assisted or automatic way. To the surgeon? therefore, a significant physical and cognitive effort is required to complete this surgical procedure, with the risk of adopting incorrect postures and incurring musculoskeletal damage.

Un esempio di robot passivo ? il dispositivo commerciale Mazor X [ An example of a passive robot? the Mazor X commercial device [

- The arrival of robotics in spine surgery: a review of the literature - Spine, 43(23): 1670?1677, 2018]. Tale robot ? utilizzato come dispositivo di posizionamento dello strumento chirurgico e fornisce una guida meccanica passiva durante l?utilizzo. Pertanto, l'orientamento e la posizione dello strumento chirurgico (il trapano) sono vincolati dal dispositivo robotico e il chirurgo pratica manualmente la trapanatura del peduncolo. - The arrival of robotics in spine surgery: a review of the literature - Spine, 43 (23): 1670? 1677, 2018]. Such a robot? used as a positioning device for the surgical instrument and provides passive mechanical guidance during use. Therefore, the orientation and position of the surgical instrument (the drill) are constrained by the robotic device and the surgeon manually drills the pedicle.

Questo sistema, come il precedente, non permette al chirurgo di effettuare la maschiatura del peduncolo del paziente in modo assistito od automatico. This system, like the previous one, does not allow the surgeon to carry out the tapping of the patient's pedicle in an assisted or automatic way.

Un esempio di robot attivo che pu? eseguire un intervento di chirurgia spinale in maniera completamente autonoma ? lo Spinebot [ An example of an active robot that can? to perform a spinal surgery in a completely autonomous way? the Spinebot [

- An image-guided robotic surgery system for spinal fusion - International Journal of Control, Automation, and Systems, 4(1): 30?41, 2006]. Un modulo di tale robot pianifica le traiettorie che devono essere eseguite, tenendo conto anche dei movimenti involontari del paziente, grazie all?utilizzo di sistemi optoelettronici e marker posti sul paziente e sullo strumento chirurgico. Tali traiettorie vengono poi eseguite dal robot grazie ad un controllo di posizione di tipo PID (Proporzionale-Integrale-Derivativo). - An image-guided robotic surgery system for spinal fusion - International Journal of Control, Automation, and Systems, 4 (1): 30? 41, 2006]. A module of this robot plans the trajectories that must be performed, also taking into account the involuntary movements of the patient, thanks to the use of optoelectronic systems and markers placed on the patient and on the surgical instrument. These trajectories are then performed by the robot thanks to a PID (Proportional-Integral-Derivative) position control.

Questo sistema presenta il vantaggio di non esporre il chirurgo a posizioni scorrette e di non sottoporlo ad affaticamento muscolare durante l?intervento, dal momento che la trapanatura ? eseguita in maniera completamente autonoma dal robot. This system has the advantage of not exposing the surgeon to incorrect positions and not subjecting him to muscle fatigue during the operation, since drilling? performed completely autonomously by the robot.

Tuttavia, uno dei principali svantaggi di tale dispositivo robotico ? la mancanza di supervisione da parte del chirurgo sulle forze e/o coppie che vengono esercitate sul peduncolo dallo strumento chirurgico. However, one of the main disadvantages of such a robotic device? the lack of supervision by the surgeon over the forces and / or torques that are exerted on the pedicle by the surgical instrument.

Sommario dell?invenzione Summary of the invention

Il problema tecnico posto e risolto dalla presente invenzione ? pertanto quello di fornire un apparato robotico ed un relativo metodo di controllo che consentano di ovviare agli inconvenienti sopra menzionati con riferimento alla tecnica nota. Tale problema viene risolto da un apparato secondo la rivendicazione 1 e da un metodo secondo la rivendicazione 13. The technical problem posed and solved by the present invention? therefore that of providing a robotic apparatus and a relative control method which allow to overcome the drawbacks mentioned above with reference to the known art. This problem is solved by an apparatus according to claim 1 and by a method according to claim 13.

Caratteristiche preferite della presente invenzione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti. Preferred features of the present invention are the subject of the dependent claims.

L?invenzione fornisce un apparato basato su di un metodo di controllo condiviso chirurgo-robot, e in particolare un manipolatore robotico configurato per chirurgia spinale, pi? specificamente per una operazione di maschiatura di un peduncolo vertebrale. Il metodo consente al chirurgo di eseguire la maschiatura in maniera semi-autonoma consentendogli/le di controllare la coppia e la forza applicata secondo l?asse di maschiatura e vincolando invece in modo automatico almeno l?orientamento spaziale di tale asse. The invention provides an apparatus based on a shared surgeon-robot control method, and in particular a robotic manipulator configured for spinal surgery. specifically for a spinal pedicle tapping operation. The method allows the surgeon to perform the tapping in a semi-autonomous way, allowing him / her to control the torque and the force applied according to the tapping axis and instead automatically constraining at least the spatial orientation of this axis.

In particolare, secondo forme di realizzazione preferite il chirurgo pu? controllare l?organo terminale (?end-effector?) del manipolatore robotico, al quale ? collegato uno strumento maschiatore, lungo un asse di movimento identificato in fase pre-operatoria e corrispondente al suddetto asse di maschiatura. Il chirurgo gestisce in maniera continua le forze e le coppie applicate alla spina dorsale del paziente secondo l?asse di maschiatura, mentre la posizione e l?orientamento dell?organo terminale del manipolatore sono vincolate lungo le direzioni ortogonali a detto asse, in cui ? richiesta infatti un?elevata accuratezza di posizionamento. Pertanto, il manipolatore robotico ? completamente passivo lungo l?asse di maschiatura e, in varianti di realizzazione, pu? essere movimentato lungo tale asse dal chirurgo che esercita delle forze e/o coppie controllate. In particular, according to preferred embodiments, the surgeon can? control the terminal organ (? end-effector?) of the robotic manipulator, to which? connected a tapping tool, along an axis of movement identified in the pre-operative phase and corresponding to the aforementioned tapping axis. The surgeon continuously manages the forces and torques applied to the patient's spine according to the tapping axis, while the position and orientation of the manipulator end organ are constrained along the directions orthogonal to said axis, in which? in fact, a high positioning accuracy is required. Therefore, the robotic manipulator? completely passive along the tapping axis and, in variants of realization, can? be moved along this axis by the surgeon who exerts controlled forces and / or torques.

Vantaggiosamente, il chirurgo interagisce con il manipolatore mediante un approccio di tipo cosiddetto ?hands-on?, ossia manovrando direttamente una porzione del manipolatore o una unit? remota in comunicazione con il manipolatore medesimo. Advantageously, the surgeon interacts with the manipulator by means of a so-called? Hands-on? Approach, that is, by directly maneuvering a portion of the manipulator or a unit? remote in communication with the manipulator itself.

In base ad una implementazione preferita, il metodo di controllo prevede che, durante la maschiatura del peduncolo, la coppia esercitata dal braccio robotico attorno all?asse di maschiatura sia direttamente proporzionale alla forza esercitata dal chirurgo lungo lo stesso asse. According to a preferred implementation, the control method provides that, during the tapping of the pedicle, the torque exerted by the robotic arm around the tapping axis is directly proportional to the force exerted by the surgeon along the same axis.

Una variante del controllo pu? invece prevedere che, durante la maschiatura del peduncolo, la forza esercitata dal braccio robotico lungo l?asse di maschiatura sia direttamente proporzionale alla coppia esercitata dal chirurgo attorno allo stesso asse. A variant of the control can? instead provide that, during the tapping of the pedicle, the force exerted by the robotic arm along the tapping axis is directly proportional to the torque exerted by the surgeon around the same axis.

L?invenzione garantisce quindi al chirurgo di mantenere un controllo diretto e continuo della forza e/o coppia di interazione applicata sul peduncolo vertebrale lungo l'asse di maschiatura, senza perdere l'accuratezza nella posizione lungo le altre direzioni. The invention therefore guarantees the surgeon to maintain a direct and continuous control of the force and / or torque of interaction applied on the vertebral pedicle along the tapping axis, without losing the accuracy in the position along the other directions.

L?invenzione permette altres? di ridurre significativamente lo sforzo fisico e cognitivo del chirurgo ed il relativo affaticamento e riduce il rischio di posture scorrette e danni muscoloscheletrici. Risulta dunque massimizzata sia l?ergonomia dell?operatore che la sicurezza per il paziente. The invention also allows? to significantly reduce the surgeon's physical and cognitive effort and related fatigue and reduces the risk of incorrect posture and musculoskeletal damage. Both operator ergonomics and patient safety are therefore maximized.

Il medesimo approccio qui proposto nel contesto di un apparato e di un metodo per chirurgia spinale pu? essere utilizzato anche in ambiti medici diversi, ad esempio la chirurgia ortopedica. Inoltre, l?apparato ed il metodo proposti si prestano per applicazioni non mediche, quali la robotica industriale, ad esempio per l?assemblaggio di componenti, e tutti gli ambiti nei quali si pu? facilitare l?esecuzione di operazioni che al momento richiedono un elevato sforzo cognitivo e fisico da parte degli operatori, in aggiunta ad una elevata accuratezza. The same approach proposed here in the context of an apparatus and a method for spinal surgery can? also be used in different medical fields, for example orthopedic surgery. Furthermore, the apparatus and the proposed method are suitable for non-medical applications, such as industrial robotics, for example for the assembly of components, and all areas in which it is possible to do so. facilitate the execution of operations that currently require a high cognitive and physical effort on the part of the operators, in addition to high accuracy.

In termini generali, l?invenzione pu? essere facilmente integrata in tutti i manipolatori con almeno 4 gradi di libert?. In general terms, the invention can? be easily integrated into all manipulators with at least 4 degrees of freedom.

Altri vantaggi, caratteristiche e le modalit? di impiego della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo. Other benefits, features and methods? of use of the present invention will become evident from the following detailed description of some embodiments, presented by way of non-limiting example.

Descrizione breve delle figure Brief description of the figures

Verr? fatto riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui: Will come reference is made to the figures of the attached drawings, in which:

? la Figura 1 mostra uno schema a blocchi esemplificativo della struttura e dell?architettura di controllo generale di un apparato robotico secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, che prevede un controllo della coppia esercitata da un relativo strumento chirurgico, o organo terminale, attorno all?asse di maschiatura; ? Figure 1 shows an exemplary block diagram of the structure and general control architecture of a robotic apparatus according to a preferred embodiment of the present invention, which provides for a control of the torque exerted by a relative surgical instrument, or terminal organ, around to the tapping axis;

? la Figura 2 mostra un altro schema a blocchi esemplificativo della struttura e dell?architettura di controllo generale di un apparato robotico secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, che prevede un controllo della velocit? di rotazione dello strumento chirurgico attorno all?asse di maschiatura; ? Figure 2 shows another exemplary block diagram of the structure and of the general control architecture of a robotic apparatus according to a preferred embodiment of the present invention, which provides for a speed control; rotation of the surgical instrument around the tapping axis;

? la Figura 3 mostra un altro schema a blocchi esemplificativo della struttura e dell?architettura di controllo generale di un apparato robotico secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, che prevede un controllo della forza che lo strumento chirurgico applica lungo l?asse di maschiatura; ? Figure 3 shows another exemplary block diagram of the structure and general control architecture of a robotic apparatus according to a preferred embodiment of the present invention, which provides for a control of the force that the surgical instrument applies along the tapping axis ;

? la Figura 4 mostra un altro schema a blocchi esemplificativo della struttura e dell?architettura di controllo generale di un apparato robotico secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, che prevede un controllo della velocit? lineare dello strumento chirurgico lungo l?asse di maschiatura; ? Figure 4 shows another exemplary block diagram of the structure and of the general control architecture of a robotic apparatus according to a preferred embodiment of the present invention, which provides for a speed control; linear of the surgical instrument along the tapping axis;

? la Figura 5 mostra una rappresentazione esemplificativa di una configurazione chirurgo-robot dell?apparato di Figura 1 o 2, evidenziando il posizionamento di terne cartesiane di riferimento; ? Figure 5 shows an exemplary representation of a surgeon-robot configuration of the apparatus of Figure 1 or 2, highlighting the positioning of reference Cartesian triples;

? la Figura 6 mostra un diagramma di flusso di una forma di realizzazione di uno schema di controllo per l?apparato di Figura 1 o 2; ? Figure 6 shows a flow diagram of an embodiment of a control scheme for the apparatus of Figure 1 or 2;

? la Figura 7 mostra un diagramma di maggiore dettaglio di una forma di realizzazione di schema di controllo condiviso chirurgo-robot per l?apparato di Figura 1 o 2; ? Figure 7 shows a more detailed diagram of an embodiment of a shared surgeon-robot control scheme for the apparatus of Figure 1 or 2;

? la Figura 8 mostra un altro diagramma di maggiore dettaglio di una forma di realizzazione di schema di controllo condiviso chirurgo-robot, che ? disaccoppiato sui tre assi di una terna di riferimento di un effettore finale dell?apparato di Figura 1 o 2; ? Figure 8 shows another diagram of greater detail of an embodiment of a surgeon-robot shared control scheme, which? decoupled on the three axes of a reference frame of a final effector of the apparatus of Figure 1 or 2;

? la Figura 9 mostra una rappresentazione esemplificativa di una configurazione chirurgo-robot dell?apparato di Figura 1 o 2, con azione di controllo in forza su un asse z di una terna di riferimento dello strumento chirurgico corrispondente ad un asse di maschiatura; e ? Figure 9 shows an exemplary representation of a surgeon-robot configuration of the apparatus of Figure 1 or 2, with a force control action on a z axis of a reference frame of the surgical instrument corresponding to a tapping axis; And

? la Figura 10 mostra una rappresentazione esemplificativa di una configurazione chirurgo-robot dell?apparato di Figura 1 o 2, con azione di controllo in velocit? su un asse z di una terna di riferimento dello strumento chirurgico corrispondente ad un asse di maschiatura. ? Figure 10 shows an exemplary representation of a surgeon-robot configuration of the apparatus of Figure 1 or 2, with speed control action on a z axis of a reference triad of the surgical instrument corresponding to a tapping axis.

Descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite Detailed description of preferred embodiments

A seguire verranno descritte varie forme di realizzazione e varianti dell?invenzione, e ci? con riferimento alle figure sopra introdotte. Various embodiments and variants of the invention will be described below, with reference to the figures introduced above.

Componenti analoghi o corrispondenti si intendono denotati, nelle diverse figure, con il medesimo riferimento numerico o alfabetico. Similar or corresponding components are understood to be denoted, in the various figures, with the same numerical or alphabetical reference.

Nella descrizione dettagliata che segue, forme di realizzazione e varianti ulteriori rispetto a forme di realizzazione e varianti gi? trattate nella descrizione medesima verranno illustrate limitatamente alle differenze con quanto gi? esposto. In the detailed description that follows, further embodiments and variants with respect to embodiments and variants already mentioned. treated in the same description will be illustrated limited to the differences with what already? exposed.

Inoltre, le diverse forme di realizzazione e varianti descritte a seguire sono suscettibili di essere impiegate in combinazione, ove compatibili. Furthermore, the different embodiments and variants described below are capable of being used in combination, where compatible.

Con riferimento inizialmente alla Figura 1, un apparato robotico secondo una forma di realizzazione preferita dell?invenzione ? complessivamente denotato con 100. With reference initially to Figure 1, a robotic apparatus according to a preferred embodiment of the invention? altogether denoted with 100.

L?apparato 100 include un manipolatore, o braccio, robotico 1, dotato di organo terminale 11 (?end effector?) disposto in corrispondenza di una estremit? distale del manipolatore 1 medesimo. L?organo terminale 11 - che ?, o reca solidalmente, uno strumento chirurgico - ? dotato di un asse di lavoro A secondo il quale l?organo terminale, o una parte distale di esso, applica una forza e/o una coppia su un distretto corporeo. The apparatus 100 includes a robotic manipulator, or arm 1, equipped with an end member 11 (? End effector?) Arranged at one end? distal of the manipulator 1 itself. The terminal organ 11 - which is, or integrally bears, a surgical instrument -? equipped with a work axis A according to which the terminal organ, or a distal part of it, applies a force and / or a torque on a body district.

Nel presente esempio, l?organo terminale 11 ?, o reca solidalmente, un utensile, o strumento, maschiatore configurato per la filettatura di una sede peduncolare di una vertebra secondo l?asse di lavoro A, che quindi ? un asse di maschiatura. In the present example, the terminal organ 11?, Or integrally bears, a tool, or instrument, tapper configured for the threading of a pedicle seat of a vertebra according to the work axis A, which therefore? a tapping axis.

Il manipolatore robotico 1 include una base 12 configurata per rimanere fissa con l?ambiente operatorio ed una porzione mobile 13, che include l?organo terminale 11 e che comprende altres? una parte di manovra 14 configurata per essere appunto manovrata da un operatore, in particolare un chirurgo vertebrale, secondo il suddetto approccio di tipo ?hands on?. The robotic manipulator 1 includes a base 12 configured to remain fixed with the operating environment and a movable portion 13, which includes the end member 11 and which also includes a maneuvering part 14 configured to be maneuvered by an operator, in particular a vertebral surgeon, according to the aforementioned "hands on" approach.

Varianti di realizzazione possono prevedere che l?operatore esegua un controllo manipolatorio su una unit? remota dell?apparato 100 e che tale azione manipolatoria venga trasferita, secondo il metodo di controllo descritto pi? avanti, all?organo terminale 11. Variants of realization can foresee that the operator carries out a manipulatory control on a unit? remote control of the apparatus 100 and that this manipulative action is transferred, according to the control method described above. forward, to the terminal organ 11.

L?apparato 100 include inoltre una unit? di controllo 101 configurata per comandare il manipolatore 1, con particolare riferimento alla posizione lineare e/o angolare dell?organo terminale 11 lungo/secondo l?asse A e/o alla forza e/o coppia applicata secondo tale asse. L?unit? di controllo 101 vincola inoltre la posizione lineare e angolare dell?organo terminale 11 nelle direzioni ortogonali all?asse A. The apparatus 100 also includes a unit? control 101 configured to control the manipulator 1, with particular reference to the linear and / or angular position of the terminal member 11 along / according to the axis A and / or to the force and / or torque applied according to this axis. The unit? control 101 also constrains the linear and angular position of the end member 11 in the directions orthogonal to axis A.

L?unit? di controllo 101 pu? essere incorporata nel manipolatore 1 o disposta, completamente o in parte, in corrispondenza di una stazione remota dell?apparato 100 ed in comunicazione con elementi di controllo integrati nel manipolatore 1 medesimo. The unit? control 101 can? be incorporated in the manipulator 1 or arranged, completely or in part, at a remote station of the apparatus 100 and in communication with control elements integrated in the manipulator 1 itself.

L?apparato 100 include inoltre sensori o trasduttori di forza 21 e/o sensori o trasduttori di coppia 22, per rilevare la forza e/o la coppia esercitate dall?operatore secondo l?asse di maschiatura A e/o dall?organo terminale 11 sul distretto corporeo. The apparatus 100 also includes force sensors or transducers 21 and / or torque sensors or transducers 22, to detect the force and / or torque exerted by the operator according to the tapping axis A and / or by the end member 11 on the body district.

L?apparato 100 include anche sensori o trasduttori 23 di posizione, lineare e/o angolare, dell?organo terminale 11 e/o della porzione di manovra 14 azionata dal chirurgo. Una parte di tali sensori o trasduttori 23 pu? anche essere disposta sul distretto corporeo, in particolare su una vertebra del paziente. The apparatus 100 also includes linear and / or angular position sensors or transducers 23 of the terminal organ 11 and / or of the operating portion 14 operated by the surgeon. A part of such sensors or transducers 23 can? also be placed on the body district, in particular on a vertebra of the patient.

Vantaggiosamente, tali sensori o trasduttori 23 sono parte di, o cooperano con, un sistema di visione 30. Quest?ultimo ? in particolare costituito da mezzi optoelettronici e, in tale forma di realizzazione, i sensori o trasduttori 23 possono essere, o includere, marker ottici. Advantageously, such sensors or transducers 23 are part of, or cooperate with, a vision system 30. in particular consisting of optoelectronic means and, in this embodiment, the sensors or transducers 23 can be, or include, optical markers.

Sulla base dei dati forniti dal sistema di visione 30 in tempo reale e/o di dati pre-memorizzati inerenti l?anatomia del distretto corporeo operato ? ad esempio radiografie del peduncolo effettuate in fase pre-operatoria - l?unit? di controllo 101 pu? ricevere o determinare una posizione desiderata per l?organo terminale 11, eseguire un confronto con la posizione attuale e comandare di conseguenza l?organo terminale 11 medesimo. On the basis of the data provided by the vision system 30 in real time and / or pre-stored data concerning the anatomy of the operated body district? for example, x-rays of the pedicle taken in the pre-operative phase - the unit? control 101 can? receiving or determining a desired position for the end member 11, making a comparison with the current position and consequently controlling the end member 11 itself.

I sensori o traduttori 21, 22 e 23 e componenti ad essi associati possono presentare diversa collocazione sul manipolatore 1, su sue parti o sul soggetto operato e, anche per questo motivo, essi sono rappresentati in Figura 1 in modo funzionale, senza indicarne la specifica collocazione. The sensors or translators 21, 22 and 23 and components associated with them may have different locations on the manipulator 1, on its parts or on the subject operated and, also for this reason, they are represented in Figure 1 in a functional way, without indicating their specific collocation.

Una variante di realizzazione semplificata pu? prevedere che l?asse di maschiatura A presenti posizione vincolata, fissa e predeterminata. A variant of simplified realization can? provide that the tapping axis A has a constrained, fixed and predetermined position.

In base allo schema di controllo rappresentato in modo schematico in Figura 1 e 3, la forza e/o la coppia misurate dai sensori o trasduttori 21 e/o 22 vengono pesate, una o entrambe, attraverso un fattore di scala determinato empiricamente e quindi fornite in input, come valori indipendenti o associati attraverso una operazione o equazione matematica ad esempio di tipo differenziale, ad un modulo di controllo di forza dell?unit? di controllo 101. On the basis of the control scheme represented schematically in Figures 1 and 3, the force and / or torque measured by the sensors or transducers 21 and / or 22 are weighed, one or both, through an empirically determined scale factor and then provided in input, as independent values or associated through an operation or mathematical equation, for example of a differential type, to a force control module of the unit? control 101.

Similmente, nell?esempio qui considerato la posizione desiderata e la posizione misurata dell?organo terminale 11 vengono fornite in input, come valori indipendenti o associati attraverso una operazione o equazione matematica ad esempio di tipo differenziale, ad un modulo di controllo di posizione dell?unit? di controllo. Similarly, in the example considered here, the desired position and the measured position of the terminal member 11 are provided in input, as independent values or associated through a mathematical operation or equation, for example of a differential type, to a position control module of the unit? control.

Attraverso un ulteriore modulo di controllo basato, ad esempio, su di un algoritmo di dinamica inversa, si determina il segnale di controllo (ad esempio di corrente) per ciascun attuatore del robot come conseguenza dalla forza e/o coppia esercitata dall?operatore nella zona di manovra 14. Ugualmente, vengono imposti la posizione e l?orientamento dell?organo terminale 11 secondo i piani ortogonali all?asse A. Through a further control module based, for example, on an inverse dynamics algorithm, the control signal (for example of current) for each robot actuator is determined as a consequence of the force and / or torque exerted by the operator in the area maneuver 14. Similarly, the position and orientation of the end member 11 are set according to planes orthogonal to axis A.

Le Figura 2 e 4 mostrano uno schema analogo a quello di Figura 1 e 3, in cui la coppia e la forza misurata sono sostituite, rispettivamente, da una velocit? angolare e una velocit? lineare, misurate attraverso sensori o trasduttori 24 e dunque l?unit? di controllo 101 include un modulo di controllo di velocit?. Figures 2 and 4 show a diagram similar to that of Figures 1 and 3, in which the torque and the force measured are replaced, respectively, by a speed? angular and a speed? linear, measured through sensors or transducers 24 and therefore the unit? Control 101 includes a speed control module.

In base a questa variante di controllo preferita, l?operatore controlla finemente la velocit? di rotazione dello strumento chirurgico 11 attorno all?asse di maschiatura A semplicemente modulando la forza che egli/ella esercita lungo l?asse di maschiatura A. According to this preferred control variant, the operator finely controls the speed. rotation of the surgical instrument 11 around the tapping axis A simply by modulating the force he / she exerts along the tapping axis A.

In tutte le modalit? di controllo descritte, l?apparato 100 ? configurato in modo tale che la posizione lineare e angolare dell?organo terminale 11 rispetto ad un piano ad esso ortogonale, e in particolare quella di un suo asse corrispondente all?asse di maschiatura A, sia determinata, ovvero imposta, dall?unit? di controllo 101. Secondo una modalit? di controllo condivisa che ? uno degli aspetti salienti dell?invenzione, l?azione dell?operatore determina invece una o pi? delle seguenti grandezze associate all?azione dell?organo terminale 11 secondo l?asse A: forza applicata, coppia applicata, velocit? angolare e lineare e posizione angolare e lineare. In all modes control described, the apparatus 100? configured in such a way that the linear and angular position of the terminal member 11 with respect to a plane orthogonal to it, and in particular that of one of its axes corresponding to the tapping axis A, is determined, or imposed, by the unit? control 101. According to a modality? shared control that? one of the salient aspects of the invention, the action of the operator instead determines one or more? of the following quantities associated with the action of the terminal organ 11 according to the axis A: applied force, applied torque, speed? angular and linear and angular and linear position.

In altre parole, la posizione e l?orientamento de ? e preferibilmente le sollecitazioni applicate da - l?organo terminale 11 nelle direzioni ortogonali all?asse di maschiatura A sono vincolate tramite il comando dell?unit? di controllo 101 e dunque non modificabili dall?operatore che agisce sulla parte di manovra 14 dello strumento. In other words, the position and orientation of? and preferably the stresses applied by the end member 11 in the directions orthogonal to the tapping axis A are constrained by the command of the unit? control 101 and therefore not modifiable by the operator acting on the maneuvering part 14 of the instrument.

Al contrario, l?azione di controllo in posizione, velocit?, coppia e/o forza secondo l?asse di maschiatura ? passiva o esercitata in funzione degli input dell?operatore. Conversely, the control action in position, speed, torque and / or force according to the tapping axis? passive or exercised according to the operator's inputs.

In base ad una realizzazione preferita, l?azione di controllo di coppia ? configurata in modo che la coppia esercitata dall?organo terminale 11 attorno all?asse di maschiatura A sia direttamente proporzionale alla forza esercitata dal chirurgo lungo lo stesso asse, quest?ultima vantaggiosamente misurata attraverso i sensori o trasduttori 21. According to a preferred embodiment, the torque control action? configured so that the torque exerted by the end member 11 around the tapping axis A is directly proportional to the force exerted by the surgeon along the same axis, the latter advantageously measured through the sensors or transducers 21.

Tale strategia garantisce quindi al chirurgo di controllare in maniera diretta le forze/coppie di interazione lungo l?asse di maschiatura A, senza perdere accuratezza nel posizionamento dello strumento chirurgico nelle direzioni ortogonali all?asse di maschiatura. This strategy therefore guarantees the surgeon to directly control the interaction forces / torques along the tapping axis A, without losing accuracy in positioning the surgical instrument in the directions orthogonal to the tapping axis.

Con riferimento anche alle Figure 5 e 6, il modello dinamico di un manipolatore robotico a n Gradi di Libert? (GdL) ? descritto dalle seguenti equazioni: With reference also to Figures 5 and 6, the dynamic model of a robotic manipulator with n Degrees of Freedom? (WG)? described by the following equations:

dove ? la matrice di inerzia, ? la matrice che descrive gli effetti centrifughi e di Coriolis, ? la coppia di attrito viscoso, ? la coppia di attrito statico, ? il contributo della gravit?, ? il vettore delle forze e dei momenti esercitati dall? organo terminale del robot sull?ambiente, ? la trasposta dello Jacobiano geometrico, and sono rispettivamente la posizione, la velocit? e l?accelerazione angolare and ? la coppia ai giunti erogata dagli attuatori del robot. where is it ? the inertia matrix,? the matrix describing the centrifugal and Coriolis effects,? the viscous friction torque,? the static friction torque,? the contribution of gravity? the vector of forces and moments exerted by? terminal organ of the robot on the environment,? the transpose of the geometric Jacobian, and are respectively the position, the velocity? and the angular acceleration and? the torque at the joints delivered by the robot actuators.

Data l?equazione del modello dinamico (1), la strategia di controllo implementata nell?apparato 100, in particolare per determinare le coppie ai giunti che devono essere erogate dagli attuatori del robot, pu? essere derivata da un controllo a dinamica inversa espresso dalla seguente equazione Given the equation of the dynamic model (1), the control strategy implemented in the apparatus 100, in particular to determine the torques at the joints that must be delivered by the robot actuators, can? be derived from an inverse dynamic control expressed by the following equation

in cui ? la coppia di controllo in ingresso agli attuatori, ? una stima della matrice di inerzia del robot, ? una stima della matrice che descrive gli effetti centrifughi e di Coriolis, ? una stima della coppia di attrito viscoso ? una stima della coppia di attrito statico e ? una stima del contributo di gravit?. E? importante precisare che la strategia di controllo implementata nell?apparato 100 si pu? derivare da un qualsiasi controllo convenzionale di tipo centralizzato, ad es. un controllo con compensazione di gravit?. Tuttavia un controllo a dinamica inversa garantisce prestazioni maggiori in termini di interazione chirurgo-robot. in which ? the input control torque to the actuators,? an estimate of the inertia matrix of the robot,? an estimate of the matrix describing the centrifugal and Coriolis effects,? an estimate of the viscous friction torque? an estimate of the static friction torque and? an estimate of the gravity contribution. AND? It is important to specify that the control strategy implemented in the apparatus 100 can be derive from any conventional centralized control, eg. a gravity compensated control. However, an inverse dynamic control guarantees greater performance in terms of surgeon-robot interaction.

In base ad una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, la legge di controllo convenzionale ? formulata nel seguente modo: According to a preferred embodiment of the present invention, the conventional control law? formulated as follows:

dove ? la matrice pseudo-inversa destra dello Jacobiano geometrico o analitico (tale scelta dipende dalla rappresentazione che viene utilizzata per definire l?orientamento) e e sono, rispettivamente, l?errore in velocit? e posizione espressi nella terna di riferimento base where is it ? the right pseudo-inverse matrix of the geometric or analytical Jacobian (this choice depends on the representation that is used to define the orientation) and and are, respectively, the error in velocity? and position expressed in the base reference frame

I vettori e sono rispettivamente l?errore di posizione e velocit? Cartesiana dell?organo terminale 11 del manipolatore 1. Al contrario, and sono rispettivamente la posizione e velocit? angolare dello stesso. The vectors and are respectively the position and velocity error? Cartesian of the terminal organ 11 of the manipulator 1. On the contrary, and are the position and velocity, respectively. angular of the same.

Al fine di rispettare i requisiti di accuratezza richiesti dalla procedura di maschiatura, come gi? menzionato la posa di riferimento dell?organo terminale 11 del manipolatore 1 pu? essere pre-pianificata attraverso un sistema di navigazione chirurgica che, dipendentemente dalla posizione del peduncolo da filettare, individua la direzione ottima dell?asse di maschiatura A. Grazie, ad esempio, all?utilizzo del sistema optoelettronico 30 con marker opportunamente posizionati su una vertebra del paziente e sull?organo terminale 11, la direzione ottima dell?asse di maschiatura A pu? essere individuata, in tempo reale, rispetto alla posizione del peduncolo da filettare. In order to comply with the accuracy requirements required by the tapping procedure, how already? mentioned the reference pose of the terminal member 11 of the manipulator 1 can? be pre-planned through a surgical navigation system which, depending on the position of the pedicle to be threaded, identifies the optimal direction of the tapping axis A. Thanks, for example, to the use of the optoelectronic system 30 with markers appropriately positioned on a vertebra of the patient and on the end organ 11, the optimal direction of the tapping axis A pu? be identified, in real time, with respect to the position of the pedicle to be threaded.

In altre parole, viene definita una terna di riferimento tale che coincida con il versore dell?asse di maschiatura e e siano scelti in modo che la terna sia ortogonale e destrorsa. In una condizione ideale, in cui il paziente ? immobile, la posa desiderata dell?organo terminale 11 del manipolatore 1 rimane costante e la velocit? e accelerazione e sono nulle. Al contrario, in condizioni non ideali in cui si deve tener conto dei movimenti del paziente durante l?intervento chirurgico, la posa di riferimento del robot dovrebbe essere definita nel seguente modo In other words, a reference triad is defined such that it coincides with the vector of the tapping axis and and are chosen so that the triad is orthogonal and right-handed. In an ideal condition, in which the patient? immobile, the desired position of the terminal organ 11 of the manipulator 1 remains constant and the speed and acceleration and are null. On the contrary, in less than ideal conditions in which the patient's movements must be taken into account during surgery, the reference pose of the robot should be defined as follows

(5) (5)

dove , e sono rispettivamente la posa, la velocit? e l?accelerazione della terna di riferimento rispetto alla terna di riferimento base . Una posa di riferimento come quella mostrata in (5) garantisce che l?azione di controllo in posizione contenuta in (4) vincoli l?asse z della terna (Figura 3) ad essere coincidente con l?asse della terna di riferimento , ovvero l?asse ottimo di maschiatura individuato dal sistema optoelettronico. where, and are respectively the pose, the speed? and the acceleration of the reference frame with respect to the base reference frame. A reference pose like the one shown in (5) ensures that the control action in position contained in (4) constrains the z axis of the triad (Figure 3) to be coincident with the axis of the triad of reference, i.e. Optimal tapping axis identified by the optoelectronic system.

? interessante notare che, grazie all?uso del sistema optoelettronico 30 e associati marker, i movimenti involontari del paziente, come ad esempio quelli dovuti alla respirazione, possono essere corretti e dunque non alterare la posizione relativa tra il peduncolo del paziente e lo strumento chirurgico, permettendo cos? di mantenere un?elevata accuratezza durante la procedura. Nell?equazione (4), ? la trasposta della matrice aggiunta che ? stata opportunamente inserita al fine di trasformare l?errore di posizione e velocit? dalla terna di riferimento base alla terna di riferimento dell?organo terminale del robot ed ? espressa nel seguente modo ? It is interesting to note that, thanks to the use of the optoelectronic system 30 and associated markers, the patient's involuntary movements, such as those due to breathing, can be corrected and therefore not alter the relative position between the patient's pedicle and the surgical instrument, allowing cos? to maintain high accuracy during the procedure. In equation (4),? the transpose of the added matrix that? was suitably inserted in order to transform the error of position and speed? from the triad of reference base to the triad of reference of the terminal organ of the robot and d? expressed as follows

(6) (6)

dove ? la matrice di rotazione che esprime l?orientamento della terna di riferimento dell?organo terminale, , rispetto a quella base, where is it ? the rotation matrix that expresses the orientation of the reference triad of the terminal organ, with respect to the base one,

. Mentre ? la matrice skew simmetrica della posizione dell?organo terminale, . . While ? the symmetrical skew matrix of the position of the terminal organ,.

Un importante vantaggio introdotto dalla matrice aggiunta ? la possibilit? di disaccoppiare la legge di controllo sugli assi cartesiani del sistema di riferimento dell?organo terminale (come mostrato in Figura 5 e 8). Ci? permette di applicare un?azione di controllo in posizione nelle direzioni in cui ? necessaria un?accuratezza di posizione pi? elevata (ovvero gli assi ) e un?azione di controllo in forza e/o coppia nelle direzioni in cui ? necessario un controllo pi? fine della forza/coppia di interazione tra lo strumento chirurgico e il peduncolo da filettare. Questo pu? essere ottenuto scegliendo opportunamente le matrici dei guadagni dell?azione di controllo in posizione, e , e forza, , come di seguito mostrato. An important advantage introduced by the added matrix? the possibility? to decouple the control law on the Cartesian axes of the reference system of the end organ (as shown in Figures 5 and 8). There? allows you to apply a control action in position in the directions in which? need a? accuracy of position pi? high (ie the axes) and a? control action in force and / or torque in the directions in which? need a more control? end of the interaction force / torque between the surgical instrument and the pedicle to be threaded. This can? be obtained by appropriately choosing the matrices of the gains of the control action in position, and, and strength, as shown below.

e sono le matrici dei guadagni del controllo di posizione e sono matrici diagonali semidefinite positive and are the matrices of the gains of the position control and are positive semidefinite diagonal matrices

(7) (7)

(8) (8)

in cui in which

sono nulli in modo che l?azione del controllo in posizione non ha effetto lungo e attorno all?asse z (asse di maschiatura). Da qui, il chirurgo ? in grado di muovere l?organo terminale del robot lungo tale asse, mediante il succitato approccio di tipo ?hands-on?. they are null so that the action of the control in position has no effect along and around the z axis (tapping axis). Hence, the surgeon? able to move the terminal organ of the robot along this axis, by means of the aforementioned "hands-on" approach.

Al contrario, ? una matrice identit? e ? l?azione di controllo in forza/coppia che ? stata specificatamente ideata in modo da permettere al chirurgo di controllare la coppia e la forza esercitata dallo strumento chirurgico sulla spina dorsale del paziente. In reverse, ? an identity matrix? And ? the control action in force / torque which? It has been specifically designed to allow the surgeon to control the torque and force exerted by the surgical instrument on the patient's spine.

In Figura 5 ? mostrato uno schema a blocchi dell?azione di controllo in forza/coppia agente sull?asse di maschiatura. In Figure 5? shown a block diagram of the control action in force / torque acting on the tapping axis.

? la matrice dei guadagni del controllo di forza definita come ? the force control gains matrix defined as

(9) (9)

e sono rispettivamente la forza desiderata e misurata espresse nella terna di riferimento dell?effettore finale del robot . and are respectively the desired and measured force expressed in the reference frame of the final effector of the robot.

(10) (10)

(11) (11)

? la forza esercitata dal chirurgo sul paziente lungo la direzione dell?asse di maschiatura, che ? filtrata e scalata di un fattore c. ? the force exerted by the surgeon on the patient along the direction of the tapping axis, which? filtered and scaled by a factor c.

La forza di interazione robot-paziente, , pu? essere misurata, direttamente, per mezzo di un sensore posizionato sulla punta dello strumento chirurgico o per mezzo di sensori di coppia integrati nel robot sfruttando la seguente equazione, The force of robot-patient interaction,, can? be measured, directly, by means of a sensor positioned on the tip of the surgical instrument or by means of torque sensors integrated in the robot using the following equation,

(12) (12)

dove sono le coppie misurate dai sensori del robot e ? l?inversa dello Jacobiano trasposto. where are the torques measured by the sensors of the robot and? the inverse of the transposed Jacobian.

Dalle equazioni (9)-(11) e dallo schema a blocchi mostrato in Figura 7 e 9 ? From equations (9) - (11) and the block diagram shown in Figure 7 and 9?

evidente che l?azione del controllo di coppia evident that the action of the torque control

? stata ideata in modo che la coppia esercitata dal maschiatore attorno all?asse di maschiatura, , ? finemente modulata dal chirurgo il quale esercita forze controllate, , lungo la direzione dell?asse di maschiatura. ? been designed so that the torque exerted by the tapper around the tapping axis,,? finely modulated by the surgeon who exerts controlled forces, along the direction of the tapping axis.

Una variante dell?azione di controllo in coppia, proposta in Figura 9, ? l?azione di controllo in velocit? angolare mostrata in Figura 10 e descritta dalla seguente equazione A variant of the torque control action, proposed in Figure 9,? the speed control action angular shown in Figure 10 and described by the following equation

(13) (13)

dove ? la velocit? angolare dello strumento chirurgico (il maschiatore) attorno all?asse di maschiatura e sono i guadagni del controllo in velocit?. Tali guadagni sono opportunamente scelti al fine di permettere al chirurgo di controllare finemente la velocit? di rotazione dello strumento chirurgico attorno all?asse di maschiatura semplicemente modulando la forza, che egli esercita sul paziente lungo l?asse di maschiatura. where is it ? the speed? angular of the surgical instrument (the tap) around the tapping axis and are the gains of the speed control. These gains are appropriately chosen in order to allow the surgeon to finely control the speed? rotation of the surgical instrument around the tapping axis simply by modulating the force it exerts on the patient along the tapping axis.

Allo stesso modo, altre varianti dell?azione di controllo sono descritte dalle equazioni seguenti Similarly, other variants of the control action are described by the following equations

(14) (14)

(15) (15)

(14) descrive l?azione di controllo in forza ideata in modo che la forza esercitata dal maschiatore lungo l?asse di maschiatura, , ? finemente modulata dal chirurgo il quale esercita una coppia controllata, , attorno all?asse di maschiatura. (14) describes the force control action designed so that the force exerted by the tapper along the tapping axis,,? finely modulated by the surgeon who exercises a controlled torque around the tapping axis.

(15) descrive l?azione di controllo in velocit? lineare ideata in modo che la velocit? lineare con cui si muove il maschiatore lungo l?asse di maschiatura, , ? finemente modulata dal chirurgo il quale esercita una coppia controllata, , attorno all?asse di maschiatura. (15) describes the speed control action? linear designed so that the speed? linear with which the tapper moves along the tapping axis,,? finely modulated by the surgeon who exercises a controlled torque around the tapping axis.

Sar? compreso che il metodo di controllo sopra esposto pu? essere impiegato nell?ambito di un intervento di fissazione, ossia di stabilizzazione, della colonna vertebrale, che ? diviso tipicamente in quattro fasi, ossia: (a) decorticazione della corteccia dorsale peduncolare (mediante un punteruolo); (b) maschiatura e/o trapanatura del percorso delle viti peduncolari, mirata ad ottenere una filettatura od un semplice foro, eseguibile con l?apparato e la metodologia sin qui descritta; (c) posizionamento delle viti; e (d) collegamento delle viti ad un?asta che divarica le vertebre, in caso in cui l?intervento sia mirato a ridurre compressione sulle strutture nervose locali. Sar? understood that the control method described above can? be used in the context of a fixation intervention, that is to say stabilization, of the spinal column, which? typically divided into four phases, namely: (a) decortication of the dorsal peduncular cortex (by means of an awl); (b) tapping and / or drilling of the path of the pedicle screws, aimed at obtaining a thread or a simple hole, which can be performed with the apparatus and the methodology described up to now; (c) placement of the screws; and (d) connecting the screws to a rod that spreads the vertebrae, in case the intervention is aimed at reducing compression on the local nerve structures.

La presente invenzione ? stata fin qui descritta con riferimento a forme preferite di realizzazione. ? da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, come definito dall?ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate. The present invention? It has been described heretofore with reference to preferred embodiments. ? it is to be understood that other embodiments may exist which pertain to the same inventive nucleus, as defined by the scope of the claims set forth below.

Claims (16)

RIVENDICAZIONI 1. Apparato robotico (100) configurato per l?applicazione di una coppia o forza ad un elemento esterno, il quale apparato robotico comprende: - un organo terminale (11) mobile in traslazione e/o rotazione secondo un proprio asse di lavoro (A); - una porzione di manovra (14) associata a detto organo terminale (11) e manovrabile da un operatore; - mezzi rilevatori (21, 22, 24) configurati per rilevare una grandezza operativa selezionata fra forza, coppia e velocit? lineare o angolare applicata dall?operatore in corrispondenza di detta porzione di manovra (14); - una unit? di controllo (101) di detto organo terminale (11), configurata per: ? calcolare, mediante un algoritmo di controllo centralizzato per esempio a dinamica inversa, una grandezza efficace, selezionata in un gruppo comprendente coppia, forza, velocit? angolare o lineare, secondo detto asse di lavoro (A) che detto organo terminale (11) deve applicare all?elemento esterno in funzione della grandezza rilevata da detti mezzi rilevatori (21, 22, 24), in cui l?orientamento e la posizione cartesiana di detto organo terminale (11) sono vincolate nelle direzioni ortogonali a detto asse di lavoro (A) e non modificabili dall?operatore. CLAIMS 1. Robotic apparatus (100) configured for the application of a torque or force to an external element, which robotic apparatus comprises: - an end member (11) movable in translation and / or rotation according to its own working axis (A); - a maneuvering portion (14) associated with said terminal member (11) and operable by an operator; - detection means (21, 22, 24) configured to detect an operating quantity selected among force, torque and speed? linear or angular applied by the operator in correspondence with said maneuvering portion (14); - a unit? control (101) of said terminal member (11), configured for:? calculate, by means of a centralized control algorithm, for example with inverse dynamics, an effective quantity, selected in a group comprising torque, force, speed? angular or linear, according to said work axis (A) that said end member (11) must apply to the external element according to the size detected by said detector means (21, 22, 24), in which the orientation and the Cartesian position of said terminal member (11) are constrained in the directions orthogonal to said work axis (A) and cannot be modified by the operator. 2. Apparato (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detta unit? di controllo (101) ? configurata per calcolare detta grandezza efficace come proporzionale, direttamente o inversamente, a detta grandezza operativa. Apparatus (100) according to claim 1, wherein said unit? control (101)? configured to calculate said effective quantity as proportional, directly or inversely, to said operating quantity. 3. Apparato (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta unit? di controllo (101) ? configurata per vincolare detto orientamento spaziale e posizione di detto organo terminale (11) nelle direzioni ortogonali a detto asse di lavoro (A) sulla base di dati di posizione rilevati e/o dati di posizione pre-memorizzati. Apparatus (100) according to claim 1 or 2, wherein said unit? control (101)? configured to constrain said spatial orientation and position of said end member (11) in the directions orthogonal to said work axis (A) on the basis of detected position data and / or pre-stored position data. 4. Apparato (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto organo terminale (11) o una parte di esso ? mobile in traslazione lungo detto asse di lavoro (A) ed in cui preferibilmente il corrispondente spostamento assiale ? determinato da detta unit? di controllo (101) in funzione di una azione di manovra eseguita dall?operatore in corrispondenza di detta porzione di manovra (14). Apparatus (100) according to any one of the preceding claims, wherein said terminal member (11) or a part thereof? movable in translation along said work axis (A) and in which preferably the corresponding axial displacement? determined by this unit? control (101) as a function of a maneuvering action performed by the operator in correspondence with said maneuvering portion (14). 5. Apparato (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi rilevatori comprendono sensori e/o trasduttori di forza e/o coppia e/o velocit? angolare o lineare (21, 22, 24). 5. Apparatus (100) according to any one of the preceding claims, in which said sensing means comprise sensors and / or transducers of force and / or torque and / or speed? angular or linear (21, 22, 24). 6. Apparato (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente ulteriori mezzi rilevatori (23) configurati per rilevare una posizione, lineare e/o angolare, di detto organo terminale (11) o dell?elemento esterno. Apparatus (100) according to any one of the preceding claims, comprising further detecting means (23) configured to detect a position, linear and / or angular, of said terminal member (11) or of the external element. 7. Apparato (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un sistema optoelettronico (30) per la rilevazione e/o la stima di grandezze di posizione, velocit? o accelerazione lineari o angolari. 7. Apparatus (100) according to any one of the preceding claims, comprising an optoelectronic system (30) for the detection and / or estimation of position and velocity quantities. or linear or angular acceleration. 8. Apparato (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unit? di controllo (101) comprende un modulo di correzione di movimenti dell?elemento esterno, in particolare un distretto corporeo di un paziente. Apparatus (100) according to any one of the preceding claims, wherein said unit? control unit (101) comprises a module for correcting movements of the external element, in particular a body district of a patient. 9. Apparato (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unit? di controllo (101) ? configurata per disaccoppiare una legge di controllo esercitata secondo gli assi cartesiani di un sistema di riferimento solidale a detto organo terminale (11), in modo da applicare in modo selettivo una azione di controllo in posizione, in forza e/o in coppia su ciascun asse. Apparatus (100) according to any one of the preceding claims, wherein said unit? control (101)? configured to decouple a control law exercised according to the Cartesian axes of a reference system integral with said end member (11), so as to selectively apply a control action in position, force and / or torque on each axis . 10. Apparato (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, che comprende un manipolatore robotico (1) ed in cui detto organo terminale ? uno strumento maschiatore di estremit? (11) configurato per eseguire una filettatura di un peduncolo vertebrale, detto asse di lavoro essendo un asse di maschiatura (A). Apparatus (100) according to any one of the preceding claims, which comprises a robotic manipulator (1) and wherein said terminal member? an end tapping tool? (11) configured to thread a vertebral peduncle, said working axis being a tapping axis (A). 11. Apparato (100) secondo la rivendicazione precedente, che comprende mezzi di inserimento di una vite peduncolare entro una sede vertebrale ricavata da detto strumento maschiatore (11). Apparatus (100) according to the preceding claim, which comprises means for inserting a pedicle screw into a vertebral seat obtained from said tapping instrument (11). 12. Apparato (100) secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui detto algoritmo di controllo ? basato sulla seguente equazione (o parte di essa): Apparatus (100) according to claim 10 or 11, wherein said control algorithm? based on the following equation (or part of it): dove ? la matrice pseudo-inversa destra dello Jacobiano geometrico o analitico (tale scelta dipende dalla rappresentazione che viene utilizzata per definire l?orientamento) e e sono, rispettivamente l?errore in velocit? e posizione espressi nella terna di riferimento base where is it ? the right pseudo-inverse matrix of the geometric or analytical Jacobian (this choice depends on the representation that is used to define the orientation) and and are, respectively, the error in velocity? and position expressed in the base reference frame vettori e sono rispettivamente l?errore di posizione e velocit? Cartesiana dell?organo terminale 11 del manipolatore 1; and sono rispettivamente la posizione e velocit? angolare dello stesso; ? la trasposta della matrice aggiunta che ? stata opportunamente inserita al fine di trasformare l?errore di posizione e velocit? dalla terna di riferimento base alla terna di riferimento dell?organo terminale del robot ed ? espressa nel seguente modo vectors and are respectively the error of position and velocity? Cartesian of the terminal organ 11 of the manipulator 1; and are respectively the position and speed? angular of the same; ? the transpose of the added matrix that? was suitably inserted in order to transform the error of position and speed? from the base reference frame to the reference frame of the robot terminal and? expressed in the following way dove ? la matrice di rotazione che esprime l?orientamento della terna di riferimento dell?organo terminale, , rispetto a quella base, , ? la matrice skew simmetrica della posizione dell?organo terminale, . e sono le matrici dei guadagni del controllo di posizione e sono matrici diagonali semidefinite positive where is it ? the rotation matrix that expresses the orientation of the reference triad of the terminal organ, with respect to the base one,,? the symmetrical skew matrix of the position of the terminal organ,. and are the matrices of the gains of the position control and are positive semidefinite diagonal matrices in cui in which sono nulli in modo che l?azione del controllo in posizione non ha effetto lungo e attorno all?asse di maschiatura, ? una matrice identit? e ? l?azione di controllo che in funzione della grandezza rilevata da detti mezzi rilevatori (21, 22, 24) permette a detto organo terminale (11) di applicare all?elemento esterno detta grandezza efficace secondo l?asse di maschiatura. are null so that the action of the control in position has no effect along and around the tapping axis, ? an identity matrix? And ? the control action which according to the size detected by said detecting means (21, 22, 24) allows said terminal member (11) to apply said effective size to the external element according to the tapping axis. 13. Metodo di controllo di un attuatore robotico (11) configurato per l?applicazione di una grandezza efficace, selezionata in un gruppo comprendente coppia, forza, velocit? angolare o lineare, secondo un asse di lavoro (A), il quale metodo prevede di vincolare la posizione e l?orientamento spaziale di detto attuatore (11) nelle direzioni ortogonali a detto asse di lavoro (A) in modo che non siano modificabili dall?operatore, il quale metodo prevede di determinare detta grandezza efficace mediante un algoritmo di controllo centralizzato, per esempio a dinamica inversa, in funzione della forza e/o coppia operativa esercitata da un operatore su una porzione di manovra (14) di detto organo terminale (11) e rilevata da mezzi rilevatori (21, 22). 13. Control method of a robotic actuator (11) configured for the application of an effective quantity, selected in a group comprising torque, force, speed? angular or linear, according to a work axis (A), which method provides for constraining the position and spatial orientation of said actuator (11) in the directions orthogonal to said work axis (A) so that they cannot be modified by the operator, which method provides for determining said effective quantity by means of a centralized control algorithm, for example with reverse dynamics, as a function of the force and / or operating torque exerted by an operator on a maneuvering portion (14) of said terminal member (11) and detected by detector means (21, 22). 14. Metodo secondo la rivendicazione precedente, in cui detta grandezza efficace ? calcolata come proporzionale, direttamente o inversamente, a detta grandezza operativa. 14. Method according to the preceding claim, wherein said effective quantity? calculated as proportional, directly or inversely, to said operating quantity. 15. Metodo secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui detto algoritmo di controllo ? basato sula seguente equazione (o parte di essa): Method according to claim 13 or 14, wherein said control algorithm? based on the following equation (or part of it): dove ? la matrice pseudo-inversa destra dello Jacobiano geometrico o analitico (tale scelta dipende dalla rappresentazione che viene utilizzata per definire l?orientamento) e e sono, rispettivamente, l?errore in velocit? e posizione espressi nella terna di riferimento base where is it ? the right pseudo-inverse matrix of the geometric or analytical Jacobian (this choice depends on the representation that is used to define the orientation) and and are, respectively, the error in velocity? and position expressed in the base reference frame vettori e sono rispettivamente l?errore di posizione e velocit? Cartesiana dell?organo terminale 11 del manipolatore 1. Al contrario, and sono rispettivamente la posizione e velocit? angolare dello stesso. ? la trasposta della matrice aggiunta che ? stata opportunamente inserita al fine di trasformare l?errore di posizione e velocit? dalla terna di riferimento base alla terna di riferimento dell?organo terminale del robot ed ? espressa nel seguente modo vectors and are respectively the error of position and velocity? Cartesian of the terminal organ 11 of the manipulator 1. On the contrary, and are the position and velocity, respectively. angular of the same. ? the transpose of the added matrix that? was suitably inserted in order to transform the error of position and speed? from the triad of reference base to the triad of reference of the terminal organ of the robot and d? expressed as follows dove ? la matrice di rotazione che esprime l?orientamento della terna di riferimento dell?organo terminale, , rispetto a quella base, . Mentre ? la matrice skew simmetrica della posizione dell?organo terminale, . e sono le matrici dei guadagni del controllo di posizione e sono matrici diagonali semidefinite positive (7) (8) in cui where is it ? the rotation matrix that expresses the orientation of the reference triad of the terminal organ, with respect to the base one,. While ? the symmetrical skew matrix of the position of the terminal organ,. and are the matrices of the gains of the position control and are positive semidefinite diagonal matrices (7) (8) in which sono nulli in modo che l?azione del controllo in posizione non ha effetto lungo e attorno all?asse di maschiatura, ? una matrice identit? e ? l?azione di controllo che in funzione della grandezza rilevata da detti mezzi rilevatori (21, 22, 24) permette a detto organo terminale (11) di applicare all?elemento esterno detta grandezza efficace secondo l?asse di maschiatura. are null so that the action of the control in position has no effect along and around the tapping axis, ? an identity matrix? And ? the control action which according to the size detected by said detecting means (21, 22, 24) allows said terminal member (11) to apply said effective size to the external element according to the tapping axis. 16. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 13 a 15, che ? applicato per il controllo di un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 12. Method according to any one of claims 13 to 15, which? applied for controlling an apparatus according to any one of claims 1 to 12.
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