A practical multirobot localization system

We present a fast and precise vision-based software intended for multiple robot localization. The core component of the software is a novel and efficient algorithm for black and white pattern detection. The method is robust to variable lighting conditions, achieves sub-pixel precision and its computational complexity is independent of the processed image size. With off-the-shelf computational equipment and low-cost cameras, the core algorithm is able to process hundreds of images per second while tracking hundreds of objects with a millimeter precision. In addition, we present the method's mathematical model, which allows to estimate the expected localization precision, area of coverage, and processing speed from the camera's intrinsic parameters and hardware's processing capacity. The correctness of the presented model and performance of the algorithm in real-world conditions is verified in several experiments. Apart from the method description, we also make its source code public at \emph{http://purl.org/robotics/whycon}; so, it can be used as an enabling technology for various mobile robotic problems

Ανάπτυξη τεχνολογιών επαυξημένης πραγματικότητας στην ιατρική εκπαίδευση με προσομοιωτές

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζουμε ένα πρωτοπόρο σύστημα εκπαίδευσης και αξιολόγησης βασικών δεξιοτήτων λαπαροσκοπικής χειρουργικής σε περιβάλλον Επαυξημένης Πραγματικότητας (ΕΠ). Το προτεινόμενο σύστημα αποτελεί μια πλήρως λειτουργική πλατφόρμα εκπαίδευσης η οποία επιτρέπει σε χειρουργούς να εξασκηθούν χρησιμοποιώντας πραγματικά λαπαροσκοπικά εργαλεία και αλληλεπιδρώντας με ψηφιακά αντικείμενα εντός ενός πραγματικού περιβάλλοντος εκπαίδευσης. Το σύστημα αποτελείται από ένα τυπικό κουτί λαπαροσκοπικής εκπαίδευσης, πραγματικά χειρουργικά εργαλεία, κάμερα και συστοιχία αισθητήρων που επιτρέπουν την ανίχνευση και καταγραφή των κινήσεων του χειρουργού σε πραγματικό χρόνο. Χρησιμοποιώντας το προτεινόμενο σύστημα, σχεδιάσαμε και υλοποιήσαμε σενάρια εκπαίδευσης παρόμοια με τις ασκήσεις του προγράμματος FLS®, στοχεύοντας σε δεξιότητες όπως η αίσθηση βάθους, ο συντονισμός χεριού-ματιού, και η παράλληλη χρήση δύο χεριών. Επιπλέον των βασικών δεξιοτήτων, το προτεινόμενο σύστημα χρησιμοποιήθηκε για τον σχεδιασμό σεναρίου εξάσκησης διαδικαστικών δεξιοτήτων, οι οποίες περιλάμβανουν την εφαρμογή χειρουργικών clips καθώς και την απολίνωση εικονικής αρτηρίας, σε περιβάλλον ΕΠ. Τα αποτελέσματα συγκριτικών μελετών μεταξύ έμπειρων και αρχαρίων χειρουργών που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής υποδηλώνουν την εγκυρότητα του προτεινόμενου συστήματος. Επιπλέον, εξήχθησαν σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με την πιθανή χρήση της ΕΑ στην λαπαροσκοπική προσομοίωση. Η συγκεκριμένη τεχνολογία προσφέρει αυξημένη αίσθηση οπτικού ρεαλισμού και ευελιξία στον σχεδιασμό εκπαιδευτικών σεναρίων, παρουσιάζοντας σημαντικά μικρότερες απαιτήσεις από πλευράς εξοπλισμού σε σύγκριση με τις υπάρχουσες εμπορικές πλατφόρμες. Βάσει των αποτελεσμάτων της παρούσας διατριβής μπορεί με ασφάλεια να εξαχθεί το συμπέρασμα πως η ΕΠ αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον σχεδιασμό προσομοιωτών λαπαροσκοπικής χειρουργικής ως εναλλακτική των υπαρχόντων τεχνολογιών και συστημάτων.In this thesis we present what is, to the best of our knowledge, the first framework for training and assessment of fundamental psychomotor and procedural laparoscopic skills in an interactive Augmented Reality (AR) environment. The proposed system is a fully-featured laparoscopic training platform, allowing surgeons to practice by manipulating real instruments while interacting with virtual objects within a real environment. It consists of a standard laparoscopic box-trainer, real instruments, a camera and a set of sensory devices for real-time tracking of surgeons’ actions. The proposed framework has been used for the implementation of AR-based training scenarios similar to the drills of the FLS® program, focusing on fundamental laparoscopic skills such as depth-perception, hand-eye coordination and bimanual operation. Moreover, this framework allowed the implementation of a proof-of-concept procedural skills training scenario, which involved clipping and cutting of a virtual artery within an AR environment. Comparison studies conducted for the evaluation of the presented framework indicated high content and face validity. In addition, significant conclusions regarding the potentials of introducing AR in laparoscopic simulation training and assessment were drawn. This technology provides an advanced sense of visual realism combined with a great flexibility in training task prototyping, with minimum requirements in terms of hardware as compared to commercially available platforms. Thereby, it can be safely stated that AR is a promising technology which can indeed provide a valuable alternative to the training modalities currently used in MIS

A continuum robotic platform for endoscopic non-contact laser surgery: design, control, and preclinical evaluation

The application of laser technologies in surgical interventions has been accepted in the clinical domain due to their atraumatic properties. In addition to manual application of fibre-guided lasers with tissue contact, non-contact transoral laser microsurgery (TLM) of laryngeal tumours has been prevailed in ENT surgery. However, TLM requires many years of surgical training for tumour resection in order to preserve the function of adjacent organs and thus preserve the patient’s quality of life. The positioning of the microscopic laser applicator outside the patient can also impede a direct line-of-sight to the target area due to anatomical variability and limit the working space. Further clinical challenges include positioning the laser focus on the tissue surface, imaging, planning and performing laser ablation, and motion of the target area during surgery. This dissertation aims to address the limitations of TLM through robotic approaches and intraoperative assistance. Although a trend towards minimally invasive surgery is apparent, no highly integrated platform for endoscopic delivery of focused laser radiation is available to date. Likewise, there are no known devices that incorporate scene information from endoscopic imaging into ablation planning and execution. For focusing of the laser beam close to the target tissue, this work first presents miniaturised focusing optics that can be integrated into endoscopic systems. Experimental trials characterise the optical properties and the ablation performance. A robotic platform is realised for manipulation of the focusing optics. This is based on a variable-length continuum manipulator. The latter enables movements of the endoscopic end effector in five degrees of freedom with a mechatronic actuation unit. The kinematic modelling and control of the robot are integrated into a modular framework that is evaluated experimentally. The manipulation of focused laser radiation also requires precise adjustment of the focal position on the tissue. For this purpose, visual, haptic and visual-haptic assistance functions are presented. These support the operator during teleoperation to set an optimal working distance. Advantages of visual-haptic assistance are demonstrated in a user study. The system performance and usability of the overall robotic system are assessed in an additional user study. Analogous to a clinical scenario, the subjects follow predefined target patterns with a laser spot. The mean positioning accuracy of the spot is 0.5 mm. Finally, methods of image-guided robot control are introduced to automate laser ablation. Experiments confirm a positive effect of proposed automation concepts on non-contact laser surgery.Die Anwendung von Lasertechnologien in chirurgischen Interventionen hat sich aufgrund der atraumatischen Eigenschaften in der Klinik etabliert. Neben manueller Applikation von fasergeführten Lasern mit Gewebekontakt hat sich die kontaktfreie transorale Lasermikrochirurgie (TLM) von Tumoren des Larynx in der HNO-Chirurgie durchgesetzt. Die TLM erfordert zur Tumorresektion jedoch ein langjähriges chirurgisches Training, um die Funktion der angrenzenden Organe zu sichern und damit die Lebensqualität der Patienten zu erhalten. Die Positionierung des mikroskopis chen Laserapplikators außerhalb des Patienten kann zudem die direkte Sicht auf das Zielgebiet durch anatomische Variabilität erschweren und den Arbeitsraum einschränken. Weitere klinische Herausforderungen betreffen die Positionierung des Laserfokus auf der Gewebeoberfläche, die Bildgebung, die Planung und Ausführung der Laserablation sowie intraoperative Bewegungen des Zielgebietes. Die vorliegende Dissertation zielt darauf ab, die Limitierungen der TLM durch robotische Ansätze und intraoperative Assistenz zu adressieren. Obwohl ein Trend zur minimal invasiven Chirurgie besteht, sind bislang keine hochintegrierten Plattformen für die endoskopische Applikation fokussierter Laserstrahlung verfügbar. Ebenfalls sind keine Systeme bekannt, die Szeneninformationen aus der endoskopischen Bildgebung in die Ablationsplanung und -ausführung einbeziehen. Für eine situsnahe Fokussierung des Laserstrahls wird in dieser Arbeit zunächst eine miniaturisierte Fokussieroptik zur Integration in endoskopische Systeme vorgestellt. Experimentelle Versuche charakterisieren die optischen Eigenschaften und das Ablationsverhalten. Zur Manipulation der Fokussieroptik wird eine robotische Plattform realisiert. Diese basiert auf einem längenveränderlichen Kontinuumsmanipulator. Letzterer ermöglicht in Kombination mit einer mechatronischen Aktuierungseinheit Bewegungen des Endoskopkopfes in fünf Freiheitsgraden. Die kinematische Modellierung und Regelung des Systems werden in ein modulares Framework eingebunden und evaluiert. Die Manipulation fokussierter Laserstrahlung erfordert zudem eine präzise Anpassung der Fokuslage auf das Gewebe. Dafür werden visuelle, haptische und visuell haptische Assistenzfunktionen eingeführt. Diese unterstützen den Anwender bei Teleoperation zur Einstellung eines optimalen Arbeitsabstandes. In einer Anwenderstudie werden Vorteile der visuell-haptischen Assistenz nachgewiesen. Die Systemperformanz und Gebrauchstauglichkeit des robotischen Gesamtsystems werden in einer weiteren Anwenderstudie untersucht. Analog zu einem klinischen Einsatz verfolgen die Probanden mit einem Laserspot vorgegebene Sollpfade. Die mittlere Positioniergenauigkeit des Spots beträgt dabei 0,5 mm. Zur Automatisierung der Ablation werden abschließend Methoden der bildgestützten Regelung vorgestellt. Experimente bestätigen einen positiven Effekt der Automationskonzepte für die kontaktfreie Laserchirurgie

Touching the void: exploring virtual objects through a vibrotactile glove

This paper describes a simple low-cost approach to adding an element of haptic interaction within a virtual environment. Using off-the-shelf hardware and software we describe a simple setup that can be used to explore physically virtual objects in space. This setup comprises of a prototype glove with a number of vibrating actuators to provide the haptic feedback, a Kinect camera for the tracking of the user's hand and a virtual reality development environment. As proof of concept and to test the efficiency of the system as well as its potential applications, we developed a simple application where we created 4 different shapes within a virtual environment in order to try to explore them and guess their shape through touch alone