Design of Novel Sensors and Instruments for Minimally Invasive Lung Tumour Localization via Palpation

Minimally Invasive Thoracoscopic Surgery (MITS) has become the treatment of choice for lung cancer. However, MITS prevents the surgeons from using manual palpation, thereby often making it challenging to reliably locate the tumours for resection. This thesis presents the design, analysis and validation of novel tactile sensors, a novel miniature force sensor, a robotic instrument, and a wireless hand-held instrument to address this limitation. The low-cost, disposable tactile sensors have been shown to easily detect a 5 mm tumour located 10 mm deep in soft tissue. The force sensor can measure six degrees of freedom forces and torques with temperature compensation using a single optical fiber. The robotic instrument is compatible with the da Vinci surgical robot and allows the use of tactile sensing, force sensing and ultrasound to localize the tumours. The wireless hand-held instrument allows the use of tactile sensing in procedures where a robot is not available

Measurement and modelling of soil-structure interaction for open caisson shafts

Monolithic open caissons are a common method of constructing underground shafts, for applications including storage tanks, pumping stations, deep foundations and tunnelling. The caisson construction process uses concurrent casting of massive reinforced concrete walls and excavation of soil within the structure, causing the caisson to ‘sink’ into the ground under its self-weight. Achieving controlled sinking relies on accurate estimation of the resistance generated by the interaction between the caisson and the surrounding soil. The lack of dedicated research and design methods means there is significant uncertainty in determining the frictional and bearing resistances during design, particularly in cohesionless soils. This thesis aims to explore the soil-structure interaction during caisson sinking in sands, through numerical modelling and experimental testing. The outputs of recent caisson field monitoring were limited by critical failures of electrical sensors. To facilitate measurement of the caisson-soil contact stresses, the development of more robust sensor technology is necessarily pursued. A new framework for multi-axis force sensing is demonstrated, to enable optical strain measurement in the form of FBGs to be utilised. This is applied to create a sensor for detailed measurements of combined normal and frictional interface stresses in underground construction applications. Numerical simulation and physical testing build confidence in the new design, as well as exploring a novel approach for measuring effective normal stress. Friction at the caisson external surface is explored through laboratory-scale testing in dense sand, using a bespoke large-displacement interface shear apparatus. The new optical sensors are employed to obtain localised contact stress measurements and particle image velocimetry provides observations of the soil displacements. The results give insight into the mechanisms associated with different interface conditions, including over-cut creation and lubrication. The bearing capacity at the base of the caisson wall is explored through numerical modelling. An extensive parametric study using finite element limit analysis considers the influence of salient caisson parameters, including the taper angle and cutting shoe. A complimentary targeted study with finite element analysis is used to assess the influence of soil non-associativity and the development of horizontal reaction. Detailed observations of the soil failure mechanisms provide new insight into the bearing behaviour in sands. The numerical results are compared against recent laboratory-scale experimental tests and used to develop simplified closed-form expressions for bearing capacity estimation in routine design

An Optical Sensor Design: Concurrent Multi-axis Force Measurement and Tactile Perception.

PhD ThesesForce and tactile sensing have experienced a surge of interest over recent decades, as they convey useful information about the direct physical interaction between the sensor and the external environment. A robot end effector is a device designed to interact with the environment. End effectors such as robotic hands and grippers can be used to pick up, place or generally manipulate objects. There is a clear need to equip such end effectors with appropriate sensing means to be able to measure tactile and force information. Work to date has explored these two modalities separately. Tactile sensors have been developed for integration with gripper fingertips or as skins embedded with the outer side of manipulators, mainly to measure normal force and its distribution across a surface patch. On the other hand, force sensors have commonly been integrated with the joints of robotic arms or fingers to measure external multi-axis forces and torques via the connected links. We observe that a force sensor cannot measure tactile information, and current tactile sensors cannot accurately measure force information. This can become a particular issue when integrating force sensors remotely to measure forces indirectly, especially if the connecting link is flexible or, generally, difficult to model potentially impacting negatively on the force estimates. We aim to provide a solution for an integrated sensor capable of measuring tactile and force information at the point of contact, i.e., on the fingertip of a robot hand or arm. In this thesis, we explore the idea of integrating the two sensing modalities, tactile and force sensing, in one sensor housing with the signal acquisition being performed by a single monocular camera acting as the transducer. The hypothesis is that an integrated force/tactile sensor will perform in a better way than having these sensor modalities separated. This thesis shows that an integrated sensor achieves a tactile sensing performance comparable to existing vision-based tactile sensors and at the same time proves to provide more accurate force sensor information whilst extending the field of similar vision-based sensors from 3 DoF to 6 DoF. In addition, the tactile sensing element of our sensor is not affected by the patterns superimposed on to the flexible element of comparable vision-based sensors used to infer force information. In this thesis, we have implemented several sensor prototypes; designs and experimental analyses for each prototype are being provided. The manufactured sensor prototypes prove the validity of the proposed vision-based dual-modality sensing approach, and the proposed sensing principle and structure shows high versatility and accuracy, as well as the potential for further miniaturization, making the proposed concept suitable for integration with standard robot end effectors

Caracterización, Modelado y Diseño de Sensores Táctiles Piezorresistivos

Un sensor táctil es un dispositivo con el que se obtiene información del entorno mediante el contacto con él. Su implementación se basa en distribuir una serie de unidades sensoriales de fuerza, a las que denominamos tácteles, de forma matricial; de modo que al contactar con un objeto se detecta la distribución de fuerzas, su forma, su orientación, etc. El campo de aplicación de estos sensores es muy amplio, por ejemplo en medicina, robótica, o tele-presencia, siendo especialmente necesarios en entornos complejos, no estructurados o peligros. En el presente trabajo se proponen diferentes sensores basados en polímeros piezorresistivos, cuya estructura se basa en una matriz flexible de electrodos sobre la que se coloca una lámina de un material electro-activo que disminuye su resistencia con el aumento de la presión aplicada. Se analizan y caracterizan los sensores, que están orientados a aplicaciones de gran área con tecnologías de bajo coste. Para la elaboración de las matrices de electrodos se utilizan dos tecnologías: una placa de circuito impreso sobre un sustrato flexible (tecnología PCB), y técnicas de serigrafía sobre un sustrato plástico (tecnología screen-printing). Los sensores fabricados se caracterizan desde el punto de vista de su respuesta, evaluando parámetros como la sensibilidad, la linealidad, la histéresis, el tiempo de respuesta, la deriva y la dispersión; y analizando también la influencia que ciertos factores de diseño, como el tamaño y geometría de los electrodos, o la conductividad del material activo, tienen sobre estas características. Para los sensores fabricados con la tecnología de screen-printing (construidos mediante la superposición de capas de diferentes materiales) se propone un método de control de la sensibilidad y rango en base a la constante elástica de dos de las capas. Para explicar los resultados experimentales se hace uso de una herramienta de análisis de elementos finitos y del modelo de Winkler, que permite modelar las rugosidades en la interfaz de contacto entre los electrodos y el material piezorresistivo. Por otro lado, se proponen, diseñan y fabrican dos estructuras que superpuestas a los sensores anteriores les dotan de la capacidad de detectar fuerzas tanto normales como tangenciales. Las componentes de las fuerzas tangenciales se obtienen del desequilibrio de fuerzas que registran los tácteles del sensor que hace de base. Ambas propuestas se analizan con una herramienta de análisis de elementos finitos. Además, se muestran resultados experimentales de los prototipos fabricados para ilustrar su viabilidad. Por último, se describe un trabajo concreto de fabricación de un sensor de gran área para cubrir el brazo de un robot de rescate haciendo uso de elementos discretos de fuerza comerciales (FSR). En él se proponen, implementan y evalúan algunas estrategias de diseño que mejoran la respuesta de los FSR. De todo el trabajo desarrollado, se adquiere un conocimiento acerca de cómo abordar el diseño de este tipo de sensores táctiles y de aquellos realizados con tecnologías similares, extrayendo conclusiones y reglas de diseño básicas. Así mismo, se describen las diversas plataformas de test para los sensores táctiles que han sido fabricadas y que en su conjunto constituyen una infraestructura automatizada de caracterización, muy útil para futuros trabajos

Propuesta y Evaluación de Algoritmos para la Corrección de Errores en Sensores Táctiles

Los sensores táctiles suelen ser matrices de unidades detectoras denominadas tácteles, utilizados habitualmente en robótica para proporcionar capacidades de percepción en aplicaciones que requieren de contacto físico con objetos. Así, es posible determinar su forma, tamaño, textura o dureza permitiendo a los robots interactuar de forma autónoma y con seguridad en un entorno que puede mostrar condiciones cambiantes. Sin embargo, la necesidad de cubrir grandes áreas de contacto de manera flexible y con bajo coste, lleva a utilizar sensores que presentan errores de histéresis, no linealidad, deriva o dispersión. Esto provoca una escasa presencia efectiva de estos sensores en las plataformas robóticas existentes en la actualidad. En esta tesis, en primer lugar, se estudia el efecto de estos errores sobre la información de control derivada de las imágenes táctiles obtenidas como respuesta de un sensor al contacto con un objeto, y que se utiliza en tareas de manipulación robótica. Se realiza el estudio sobre dos sensores táctiles piezo-resistivos, uno flexible de bajo coste y propenso a errores, y otro comercial con menores limitaciones. En segundo lugar, a nivel de táctel, se exploran y proponen algoritmos de corrección de las no linealidades de histéresis complejas mostradas por el sensor de bajo coste, que permitan obtener medidas precisas y fiables de la presión ejercida sobre su superficie. Se analizan tres métodos utilizados por otro tipo de sensores y actuadores: el modelo generalizado de Prandtl-Ishlinskii, un modelo modificado del método clásico de Prandtl-Ishlinskii y un modelo basado en polinomios que aproximan las curvas externas de los bucles de histéresis. Además, como aportación principal de esta tesis, se propone un nuevo algoritmo de modelado denominado ELAM. Este método se basa en la determinación por algoritmos de aproximación de unos puntos intermedios en las curvas y la aplicación de distintas estrategias de mapeo lineal de las curvas externas a las internas del bucle de histéresis medido experimentalmente. El análisis de las medidas y pruebas realizadas, muestra que los errores a nivel de matriz tienen una influencia sobre los parámetros de control similar a otras fuentes admitidas como la dispersión y la resolución limitada. La información extraída del contacto del objeto con un sensor de bajo coste es suficientemente buena en términos de distribución espacial y orientación como para ser utilizada en aplicaciones robóticas, pero no lo es sobre la fuerza de contacto, por lo que en aplicaciones que necesiten una alta precisión en la medida de la presión ejercida, será necesario compensar los errores del sensor. En este sentido, se demuestra que el método ELAM propuesto en esta tesis, consigue un modelo con un ajuste mucho más preciso a los datos experimentales que los otros métodos evaluados. Además, se trata de un método flexible, simple de implementar en dispositivos como FPGAs para aplicaciones en tiempo real, con pocos parámetros de control, apropiado para ciclos de histéresis complejos de otros tipos de sensores o actuadores y que permite corregir los errores de histéresis, no linealidad y dispersión en la respuesta de los sensores táctiles