Ultrasound image-based comanipulation for enhanced perception of the contacts with a distal soft organ

Abstract-In this paper, the concept of ultrasound imagebased force enhancement is introduced. It consists of a robotic comanipulation system that assists a surgeon performing an ultrasound exam through a minimally invasive access. The robot is programmed in such a way that the surgeon's feeling of the distal contact between the probe and the organ is enhanced, despite disturbances raising from interactions with the trocar or the natural orifice through which the probe is inserted. Contrarily to existing approaches for force enhancement, the proposed method does not require any distal, nor proximal force sensor. Rather, forces to be applied by the comanipulator are computed from the measurement of the organ deformations in the ultrasound image. In the paper, an example application to computer-assisted prostate biopsy procedures is given. A first implementation of the concept is then presented, involving an endorectal ultrasound probe and a one degree of freedom robot. In vitro experiments validate that the proposed mode of assistance significantly helps the detection of contacts between the probe and a balloon simulating a prostate despite large friction disturbances

Intuitive, iterative and assisted virtual guides programming for human-robot comanipulation

Pendant très longtemps, l'automatisation a été assujettie à l'usage de robots industriels traditionnels placés dans des cages et programmés pour répéter des tâches plus ou moins complexes au maximum de leur vitesse et de leur précision. Cette automatisation, dite rigide, possède deux inconvénients majeurs : elle est chronophage dû aux contraintes contextuelles applicatives et proscrit la présence humaine. Il existe désormais une nouvelle génération de robots avec des systèmes moins encombrants, peu coûteux et plus flexibles. De par leur structure et leurs modes de fonctionnement ils sont intrinsèquement sûrs ce qui leurs permettent de travailler main dans la main avec les humains. Dans ces nouveaux espaces de travail collaboratifs, l'homme peut être inclus dans la boucle comme un agent décisionnel actif. En tant qu'instructeur ou collaborateur il peut influencer le processus décisionnel du robot : on parle de robots collaboratifs (ou cobots). Dans ce nouveau contexte, nous faisons usage de guides virtuels. Ils permettent aux cobots de soulager les efforts physiques et la charge cognitive des opérateurs. Cependant, la définition d'un guide virtuel nécessite souvent une expertise et une modélisation précise de la tâche. Cela restreint leur utilité aux scénarios à contraintes fixes. Pour palier ce problème et améliorer la flexibilité de la programmation du guide virtuel, cette thèse présente une nouvelle approche par démonstration : nous faisons usage de l'apprentissage kinesthésique de façon itérative et construisons le guide virtuel avec une spline 6D. Grâce à cette approche, l'opérateur peut modifier itérativement les guides tout en gardant leur assistance. Cela permet de rendre le processus plus intuitif et naturel ainsi que de réduire la pénibilité. La modification locale d'un guide virtuel en trajectoire est possible par interaction physique avec le robot. L'utilisateur peut déplacer un point clé cartésien ou modifier une portion entière du guide avec une nouvelle démonstration partielle. Nous avons également étendu notre approche aux guides virtuels 6D, où les splines en déplacement sont définies via une interpolation Akima (pour la translation) et une 'interpolation quadratique des quaternions (pour l'orientation). L'opérateur peut initialement définir un guide virtuel en trajectoire, puis utiliser l'assistance en translation pour ne se concentrer que sur la démonstration de l'orientation. Nous avons appliqué notre approche dans deux scénarios industriels utilisant un cobot. Nous avons ainsi démontré l'intérêt de notre méthode qui améliore le confort de l'opérateur lors de la comanipulation.For a very long time, automation was driven by the use of traditional industrial robots placed in cages, programmed to repeat more or less complex tasks at their highest speed and with maximum accuracy. This robot-oriented solution is heavily dependent on hard automation which requires pre-specified fixtures and time consuming programming, hindering robots from becoming flexible and versatile tools. These robots have evolved towards a new generation of small, inexpensive, inherently safe and flexible systems that work hand in hand with humans. In these new collaborative workspaces the human can be included in the loop as an active agent. As a teacher and as a co-worker he can influence the decision-making process of the robot. In this context, virtual guides are an important tool used to assist the human worker by reducing physical effort and cognitive overload during tasks accomplishment. However, the construction of virtual guides often requires expert knowledge and modeling of the task. These limitations restrict the usefulness of virtual guides to scenarios with unchanging constraints. To overcome these challenges and enhance the flexibility of virtual guides programming, this thesis presents a novel approach that allows the worker to create virtual guides by demonstration through an iterative method based on kinesthetic teaching and displacement splines. Thanks to this approach, the worker is able to iteratively modify the guides while being assisted by them, making the process more intuitive and natural while reducing its painfulness. Our approach allows local refinement of virtual guiding trajectories through physical interaction with the robots. We can modify a specific cartesian keypoint of the guide or re- demonstrate a portion. We also extended our approach to 6D virtual guides, where displacement splines are defined via Akima interpolation (for translation) and quadratic interpolation of quaternions (for orientation). The worker can initially define a virtual guiding trajectory and then use the assistance in translation to only concentrate on defining the orientation along the path. We demonstrated that these innovations provide a novel and intuitive solution to increase the human's comfort during human-robot comanipulation in two industrial scenarios with a collaborative robot (cobot)

A Passive Force Amplifier

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