Development of Force-Space Navigation for Surgical Robotics

Surgical robotics have been used for many years in orthopaedic procedures in the hip and knee. Robots tend to offer high accuracy and repeatability but add increased cost, complexity, time, and workflow disruption. This work outlines the design and development of a surgical robot that navigates using force feedback. Flexible components tether the patient to the robot and reaction loads are measured allowing the robot to “feel” its way around the pre-operative plan. Differences calculated between measured and desired loads are converted to Cartesian corrections that the robot used to navigate. The robot was tested first using simple square paths to test accuracy, repeatability and functionality. A pre-operative plan was established for implantation of the surgical system and allowed the robot to be tested doing a complex glenoid implant path. Finally, a study was performed and compared the robot’s surgical method to current surgical techniques of a trained surgical fellow on shoulder analogs. Based on this study, the robot performed as well as or better than the surgeon in almost every measurement parameter with less than 1 mm of implant placement error in many measurement metrics and less than 2° of implant orientation error in each angular measurement

Analyse de l'équilibre à la marche face à des perturbations imprédictibles chez des sujets en santé

Lorsqu’un sujet est soumis à des perturbations à la marche au sol ou sur tapis roulant, les réactions posturales et les ajustements posturaux anticipatoires s’améliorent progressivement avec la répétition des perturbations, entraînant une diminution de la perte d’équilibre. L’objectif du mémoire était d’analyser les ajustements posturaux et de l’équilibre anticipatoire entre des perturbations variées et aux déclenchements imprédictibles avec ou sans habituation au préalable. Deux études ont été effectuées pour le présent mémoire dans lesquelles 24 sujets jeunes en santé (moyenne ± écart type : 25,3 ±2,3 ans) ont été inclus. Les participants marchaient sur un tapis roulant à double courroie à marche confortable, sous différentes conditions : sans perturbation (Etudes 1 et 2), avec perturbations répétées (Etude 2), avec perturbations aléatoires (Etudes 1et 2). Les perturbations étaient générées par des accélérations ou des décélérations de différentes amplitudes, d’une des courroies du tapis pendant la phase d’appui droite ou gauche de façon aléatoire tous les 8 à 20 pas. Les données cinématiques et cinétiques ont été enregistrées. La difficulté à maintenir l’équilibre augmentait à la fin des essais de perturbations aléatoires comparativement au début avec (Etude 2) et sans habituation préalable (Etude 1) et à la fin des deux derniers essais d’habituations aux perturbations de type décélération (Etude 2). Aucun changement de l’équilibre n’a été observé lors des essais d’habituation aux perturbations de type accélération. L’augmentation de la difficulté à maintenir l’équilibre était due principalement à une diminution de la distance entre le centre de pression et la base de support. Aucun changement de l’équilibre n’a été observé lors des essais d’habituation aux perturbations de type accélération. Les changements observés lors des essais aléatoires seraient une stratégie posturale non-spécifique adoptée par les participants afin de répondre aux perturbations et en particulier lorsqu’elles sont imprévisibles.When repeated postural perturbations are induced while walking on the floor or on a treadmill, reactive and proactive postural adjustments improve progressively. The objective of the study was to analyse proactive postural and balance adjustments between varied perturbations with unpredictable onsets with and without a previous period of habituation. Two studies have been conducted in which 24 young healthy subjects (mean ± standard deviation: 25.3 ± 2.3 years) participated. Participants walked on a slip-belt treadmill at comfortable speed under different conditions: without perturbations (studies 1 and 2), with repeated perturbations (study2), and with random perturbations (studies 1 and 2). Perturbations consisted in an accelerations or a decelerations of various magnitude, of one of the belt of the treadmill during right or left single support stance every 8 to 20 steps. Three dimensional whole-body kinematic and kinetic data were recorded. The difficulty to maintain balance increased at the end of trials with random perturbations compared to the beginning with (study 2) and without (study 1) habituation to the perturbations. Balance difficulty also increased at the end of the trials with repeated deceleration perturbations (Study 2). No change were observed during repeated acceleration perturbation trials. The increase of the difficulty to maintain balance was mainly due to a decrease between the center of pressure and the base of support. No change were observed during repeated acceleration perturbation trials. Changes observed during random trials may be a non-specific strategy adopted by the participants to respond to perturbations, particularly when they were unpredictable