Robin Heart INCITE - application of haptic feedback to surgical telemanipulator

Abstract

Celem pracy jest przedstawienie rozwoju projektu systemu sterowania robota Robin Heart z zastosowaniem specjalnych mikro--czujników 3D MEMS, dla weryfikacji ich następujących funkcji: 1) sterowanie robotem toru endoskopowego za pomocą mikro--dżojstika zintegrowanego z rękojeścią narzędzia laparoskopowego dla ergonomicznej manipulacji. 2) pomiar wartości i kierunku działania siły pomiędzy szczęką narzędzia laparoskopowego, a organem. 3) diagnostyki tkanek podczas pracy za pomocą czujnika dotykowego 3D umieszczonego w czołowej części narzędzia. Piezorezystancyjne sensory krzemowe zostały zaprojektowane i wykonane przez węgierską firmę EK MFA. Przeprowadzone zostały symulacje MES w celu określenia podstawowych parametrów mechanicznych czujnika. Czujniki zostały pokryte polimerem półprzewodnikowym PDMS (polidimetylosiloksan), następnie przeprowadzono badania wpływu powłoki elastycznej pod kątem czułości i czasu odpowiedzi. Zgodnie z wymaganiami medycznymi i funkcjonalnymi czujniki dodatkowo zostały pokryte biokompatybilnym elastycznym polimerem. Wykonany został prototyp miniaturowego zadajnika ruchu umieszczonego na części chwytowej narzędzia laparoskopowego. Przeprowadzone zostały testy polegające na orientacji robota w polu operacyjnym za pomocą trójosiowego czujnika siły. Przeprowadzono wstępne testy sensorycznego narzędzia laparoskopowego zintegrowanego z robotem ROBIN HEART i zadajnikiem ruchu Robin Hand. Zrealizowane badania prototypowych czujników wykazały ich użyteczność w układzie siłowego sprzężenia zwrotnego robota. Potwierdzono celowość aplikacji do oceny stanu tkanki i siły zacisku graspera laparoskopowego. Praca została wykonana w ramach projektu EU INCITE finansowana częściowo przez NCBiR.The aim of this work is to demonstrate the applicability and functionality of the Robin Heart robot's control systems integrated with special MEMS based 3D force micro-sensors. Three different robot functions and corresponding detector devices are proposed: 1) Micro-joystick type actuator to be integrated in the hilt of the laparoscope to control easily robotic movement during operation. 2) 1D force sensor located inside the laparoscopic jaw to provide feedback to the surgeon by measuring the grasping strength and 3) 3D (vectorial) force/tactile sensor placed at the tip of the laparoscope which facilitates palpation for tissue diagnostics during operation. The silicon based piezoresistive sensors have been designed and prepared by micromachining technologies in the MEMS Laboratory of EK MFA (Budapest, Hungary). According to the medical and functional requirements the sensors were electro-mechanically integrated and covered by biocompatible elastic polymer (polydimethylsiloxane – PDMS) by BME (Budapest, Hungary). The device geometry was modelled by coupled finite element simulation to determine its expected performance. The effect of the elastic coverage was studied in terms of sensitivity and response time also. Preliminary test of the laparoscopic head equipped with MEMS sensors and integrated in the ROBIN HEART surgery robot system was performed by FRK (Zabrze, Poland). A model of the robot controller using a prototype of 3D force sensor has been also successfully tested during the tests of the functional robot. Studies of the prototypes of “smart” sensory laparoscopes have demonstrated their remarkable usefulness in force feedback robotic systems to recognize the state of tissue and to determine the clamping force of the grasper of surgical system. The international cooperation to develop “smart” laparoscope for robotic surgery was done in the frame of the ENIAC “INCITE” project No.621278 and partially financed by the ENIAC JU and the National Centre for Research and Development (NCBR - Poland) and National Research, Development and Innovation Fund (NKFIA – Hungary)