IT202100003431A1

IT202100003431A1 - Metodo per controllare una teleoperazione limitata, su un sottoinsieme di gradi libertà, di un sistema robotico di tipo master-slave per teleoperazione medica o chirurgica

Info

Publication number: IT202100003431A1
Application number: IT102021000003431A
Authority: IT
Inventors: Matteo Tanzini; Emanuele Ruffaldi; Massimiliano Simi; Giuseppe Maria Prisco
Original assignee: Medical Microinstruments Inc
Priority date: 2021-02-16
Filing date: 2021-02-16
Publication date: 2022-08-16
Also published as: BR112023016432A2; US20240122662A1; AU2022223741A1; JP2024507786A; EP4294309A1; KR20230160265A; CN117561036A; CA3207737A1; WO2022175798A1

Description

?Metodo per controllare una teleoperazione limitata, su un sottoinsieme di gradi libert?, di un sistema robotico di tipo master-slave per teleoperazione medica o chirurgica?

DESCRIZIONE

SFONDO TECNOLOGICO DELL?INVENZIONE

Campo di applicazione.

La presente invenzione riguarda un metodo per controllare una teleoperazione limitata, su un sottoinsieme di gradi libert?, di un sistema robotico di tipo master-slave per teleoperazione medica o chirurgica, e un corrispondente sistema robotico di tipo master-slave per teleoperazione medica o chirurgica equipaggiato in modo da eseguire il suddetto metodo.

Descrizione dell?arte nota.

Nell?ambito dei sistemi robotici di tipo masterslave per teleoperazione medica o chirurgica ? noto l?uso di fattori di riduzione di scala tra movimento in posizione del dispositivo master e del dispositivo slave, cos? come ? nota in teleoperazione l?entrata e l?uscita da specifici stati macchina in cui sono temporaneamente bloccati o disaccoppiati alcuni dei gradi di libert? da permettere un riposizionamento dei master stessi al centro del loro spazio di lavoro per una posizione pi? confortevole o per poter raggiungere le bordi dello spazio di lavoro dello slave.

In particolare, in tale ambito, sono note console master con un?appendice meccanicamente vincolata e motorizzata che funge da dispositivo ?master controller?. In tali casi, per permettere un facile rientro da uno stato di parziale teleoperazione ad uno di completa teleoperazione, nella fase di parziale teleoperazione ? costantemente mantenuto allineata l?orientazione masterslave bloccando i gradi di orientamento del master e in alcuni casi anche muovendo il dispositivo master mediante motori cos? da assicurare per tutta la durata della parziale teleoperazione la completa corrispondenza dell?orientamento del master con quello del dispositivo slave.

Recentemente sono emerse soluzioni con dispositivi master non vincolati meccanicamente alla console del sistema robotico, cio? dispositivi master non vincolati, o ?ungrounded? o ?volanti?, ossia del tipo come mostrato ad esempio nei documenti WO-2019-020407, WO-2019-020408, WO-2019-020409 a nome della medesima Richiedente, nonch? del tipo come mostrato ad esempio nel documento US-8521331.

Resta quindi aperto il problema di come garantire, anche nel caso di dispositivi master non vincolati o ?volanti? una fase iniziale di preparazione alla teleoperazione, in cui si deve raggiungere un soddisfacente livello di allineamento di partenza tra master e slave, consentendo al contempo all?operatore (ad esempio, medico o chirurgo) di porsi in una posizione iniziale conveniente per la teleoperazione. In tale fase, il dispositivo master deve essere naturalmente disaccoppiato nei movimenti dal dispositivo slave.

Tale caratteristica ? estremamente importante, dal momento che essa ? legata a requisiti di sicurezza estremamente stringenti che devono essere rispettati dal sistema robotico.

Inoltre, vi sono esigenze di comodit? e praticit? per il chirurgo, specie in casi in cui il rapporto di scala, o ?scaling?, tra movimenti del dispositivo master e del dispositivo slave ? elevato (in cui cio?, come avviene in applicazioni di micro-chirurgia, il movimento ?slave? ? minore del movimento ?master?, scalato di un fattore ad esempio tra 5 e 20.

In tal caso, pu? succedere che il chirurgo mentre impugna i master debba muovere le mani molto ampiamente, e possa addirittura arrivare con le mani ai confini dello spazio di lavoro del dispositivo master (si pu? per analogia pensare al movimento di un mouse su un tappetino, in condizioni in cui il mouse arriva al bordo del tappetino senza ancora aver portato il cursore al bordo dello schermo).

Quindi, vi sono numerose ragioni che richiedono un disaccoppiamento tra master e slave, e un dedicato metodo che gestisca la fase iniziale di preparazione alla teleoperazione.

Tale fase temporanea di disaccoppiamento comporta tuttavia il fatto che il dispositivo slave non segue il dispositivo master, e quindi, fino a che master e slave sono disaccoppiati, non ? possibile assicurare un allineamento soddisfacente di master e slave, il che costituisce un grave inconveniente non solo in termini di manovrabilit? del sistema di teleoperazione e sicurezza per il paziente.

Nell?ambito dei sistemi robotici di tipo masterslave per teleoperazione medica o chirurgica, ? quindi fortemente sentita l?esigenza di operare procedure ausiliarie alla teleoperazione, che consentano da un lato di garantire la assoluta sicurezza del paziente e la comodit? di azione del chirurgo, e dall?altro consentano di ottenere in modo efficace l?allineamento master-slave, al termine della fase iniziale di preparazione e prima dell?inizio della vera e propria teleoperazione nonch? nel contesto di transizioni da e/o verso uno stato di teleoperazione limitata.

SOMMARIO DELL?INVENZIONE

? scopo della presente invenzione quello di fornire un metodo per comandare un sistema robotico per teleoperazione medica o chirurgica, che consenta di ovviare almeno parzialmente agli inconvenienti qui sopra lamentati con riferimento alla tecnica nota, e di rispondere alle summenzionate esigenze particolarmente avvertite nel settore tecnico considerato. Tale scopo ? raggiunto mediante un metodo in accordo alla rivendicazione 1.

Ulteriori forme di realizzazione di tale metodo sono definite dalle rivendicazioni 2-16.

? altres? scopo della presente invenzione quello di fornire un sistema robotico per teleoperazione medica o chirurgica equipaggiato per effettuare il suddetto metodo di comando.

Tale scopo ? raggiunto mediante un metodo in accordo alla rivendicazione 17.

Ulteriori forme di realizzazione di tale sistema sono definite dalle rivendicazioni 18-19.

Grazie alle soluzioni proposte, si permette di garantire un certo soddisfacente livello di allineamento master-slave durante uno stato di teleoperazione limitata nonch? durante transizioni di stato da e/o verso detto stato di teleoperazione limitata.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del sistema e del metodo secondo l?invenzione risulteranno dalla descrizione di seguito riportata di esempi preferiti di realizzazione, dati a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento alle annesse figure, in cui:

- la figura 1 illustra un esempio di interazione tra dispositivo master e dispositivo slave previsto in una forma di realizzazione del metodo;

- la figura 2 ? uno schema a blocchi che illustra alcune fasi previste in una forma di realizzazione del metodo secondo l?invenzione;

- - la figura 3 ? uno schema a blocchi che illustra alcune fasi previste in un?altra forma di realizzazione del metodo secondo l?invenzione;

- la figura 4 mostra schematicamente alcuni sistemi di riferimento e trasformazioni tra i sistemi di riferimento adottati in alcune forme di realizzazione del metodo secondo l?invenzione;

- la figura 5 illustra un esempio di interazione tra dispositivo master e dispositivo slave previsto in una forma di realizzazione del metodo;

- la figura 6 illustra un esempio di dispositivo slave quando in uno stato di teleoperazione limitata, secondo una forma di realizzazione del metodo;

- la figura 7 mostra schematicamente un sistema robotico per chirurgia teleoperata, secondo una forma di realizzazione del sistema della presente invenzione;

- la figura 8 mostra schematicamente un esempio di dispositivo slave, secondo una forma di realizzazione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Con riferimento alle figure 1-8, viene descritto un metodo per comandare un sistema robotico per teleoperazione medica o chirurgica.

Tale sistema robotico comprende almeno un dispositivo master, impugnabile, meccanicamente non vincolato a terra (in inglese: ?mechanically unconstrained?, ?mechanically ungrounded?) e atto ad essere movimentato (ad esempio, tenuto in mano, in inglese ?hand-held?) da un operatore, e almeno un dispositivo slave comprendente uno strumento chirurgico atto ad essere comandato dal dispositivo master, in modo che movimenti del dispositivo slave, o dello strumento chirurgico del dispositivo slave, riferiti ad uno o pi? di una pluralit? di N gradi di libert? controllabili siano comandati da rispettivi movimenti del dispositivo master, secondo un?architettura di controllo master-slave.

Il metodo comprende innanzi tutto le fasi di definire un primo stato del sistema e un secondo stato del sistema.

Il primo stato del sistema corrisponde ad uno stato di teleoperazione con inseguimento completamente asservito, in cui lo strumento chirurgico del dispositivo slave (ovvero almeno un punto di controllo, appartenente o solidale allo strumento chirurgico del dispositivo slave) ? asservito ed insegue il dispositivo master in ognuno dei gradi di libert? di detta pluralit? di N gradi di libert? controllabili. Nel seguito, per brevit?, sar? fatto riferimento a detto ?primo stato di teleoperazione con inseguimento completamente asservito? anche con la terminologia equivalente per gli scopi di questa descrizione: ?primo stato di piena teleoperazione?.

Il secondo stato del sistema corrisponde ad uno stato di teleoperazione limitata, in cui il lo strumento chirurgico del dispositivo slave, o almeno il suddetto punto di controllo dello strumento chirurgico del dispositivo slave, ? disaccoppiato dal dispositivo master con riferimento ad almeno un grado di libert? disaccoppiato, ed ? asservito al dispositivo master solo in un sottoinsieme di detta pluralit? di N gradi di libert? controllabili che esclude detto almeno un grado di libert? disaccoppiato.

Il metodo prevede poi di fornire, nel suddetto sistema robotico, un mezzo di comando di transizioni di stato del sistema; e di comandare transizioni tra i suddetti primo stato del sistema e secondo stato del sistema, da parte dell?operatore, mediante azionamento del suddetto mezzo di comando di transizioni di stato.

La pluralit? di gradi di libert? controllabili comprende gradi di libert? di traslazione e gradi di libert? di orientazione.

Il suddetto secondo stato di teleoperazione limitata ? uno stato di riposizionamento del dispositivo master, in cui il suddetto almeno un grado di libert? disaccoppiato comprende tutti i gradi di libert? di traslazione. Quindi, lo strumento chirurgico del dispositivo slave, ovvero l?almeno un punto di controllo dello strumento chirurgico del dispositivo slave, non insegue il dispositivo master in traslazione.

Come sopra osservato, il secondo stato del sistema permette all?operatore di bloccare il movimento di alcuni gradi di libert? del dispositivo slave, e pi? precisamente di alcuni gradi di libert? dello strumento chirurgico del dispositivo slave, consentendo nel contempo di controllare i rimanenti gradi di libert? dello strumento chirurgico del dispositivo slave ad opera del dispositivo master.

Secondo una opzione implementativa, i movimenti asserviti e i gradi di libert? si riferiscono ad un punto di controllo, appartenente o solidale allo strumento chirurgico del dispositivo slave. Ad esempio, tale punto di controllo pu? essere un punto dello strumento chirurgico che presenta traslazioni bloccate, mentre altri punti della catena cinematica slave, quali ad esempio punti solidali a micro-manipolatori motorizzati e/o links associati in giunti rotazionali, possono traslare anche durante il suddetto secondo stato di teleoperazione limitata.

In accordo con una forma di realizzazione del metodo, la pluralit? di gradi di libert? controllabili comprende gradi di libert? di traslazione e gradi di libert? di orientazione.

Secondo una forma di realizzazione del metodo, il suddetto sottoinsieme di gradi di libert? controllabili comprende almeno due gradi di libert? di orientazione, e quindi lo strumento chirurgico del dispositivo slave, ovvero l?almeno un punto di controllo dello strumento chirurgico del dispositivo slave, insegue il dispositivo master nei suddetti almeno due gradi di libert? di orientazione.

In una opzione implementativa, il secondo stato di teleoperazione limitata prevede che lo strumento chirurgico del dispositivo slave segua il dispositivo master in almeno due gradi di libert? di orientazione, ovvero due gradi di libert? di rotazione, e non segua il dispositivo master in alcun grado di libert? di traslazione.

In questo modo, lo strumento chirurgico del dispositivo slave ? disaccoppiato dal punto di vista dei gradi di libert? di traslazione dal dispositivo master non vincolato. Ad esempio, nel secondo stato di teleoperazione limitata, sono asserviti soltanto i gradi di libert? di ?beccheggio? (nel seguito anche indicato con il termine inglese ?pitch?, diffusamente adottato) e di ?imbardata? (nel seguito anche indicato con il termine inglese ?yaw?, diffusamente adottato) del punto di controllo dello strumento chirurgico del dispositivo slave. In questa opzione implementativa, possono essere presenti anche gradi di libert? di rotazione, ad esempio di ?rollio? (nel seguito anche indicato con il termine inglese ?roll?, diffusamente adottato) che non sono asserviti quando nel secondo stato di teleoperazione limitata.

In un?opzione implementativa, il secondo stato di teleoperazione limitata prevede che il punto di controllo dello strumento chirurgico del dispositivo slave segua il dispositivo master in tutti i gradi di libert? di rotazione (ad esempio i suddetti gradi di libert? ?pitch?, ?yaw? e ?roll?) e non segua il dispositivo master in alcun grado di libert? di traslazione.

Secondo una forma di realizzazione del metodo, la suddetta pluralit? di gradi di libert? controllabili comprende inoltre almeno un grado di libert? di apertura/chiusura (nel seguito anche indicato con il termine inglese ?grip?, diffusamente adottato).

In un?opzione implementativa, il secondo stato di teleoperazione limitata prevede che lo strumento chirurgico del dispositivo slave, ovvero detto almeno un punto di controllo del dispositivo slave, segua il dispositivo master in tutti i gradi di libert? di rotazione e nel grado di libert? di apertura/chiusura (ad esempio, in tutti i gradi di libert? sopra definiti come ?pitch?, ?yaw?, ?roll? e ?grip?), e non segua il dispositivo master in alcun grado di libert? di traslazione.

Il grado di libert? controllabile di apertura/chiusura pu? essere controllato mediante un grado di libert? di apertura/chiusura previsto sul corpo del dispositivo master non vincolato che pu? essere elastico, o mediante un qualsiasi grado di libert? interno previsto nel dispositivo master (ad esempio un grado di libert? interno di allontanamento /avvicinamento lungo una traiettoria rettilinea; e/o un pulsante) che pu? essere elastico, nonch? mediante una interfaccia di controllo ad esempio non limitativo comprendente un sensore di pressione.

Secondo un?altra opzione implementativa, il metodo prevede che, nel secondo stato di teleoperazione limitata, lo strumento chirurgico del dispositivo slave, ovvero almeno il suddetto punto di controllo del dispositivo slave, operi nel seguente modo: insegue il dispositivo master in tutti i gradi di libert? di orientazione; non insegue il dispositivo master in traslazione; con riferimento al grado di libert? di apertura/chiusura, insegue il dispositivo master solo in direzione di apertura, e non insegue il dispositivo master in direzione di chiusura.

Secondo un?altra opzione implementativa, il metodo prevede che, nel suddetto secondo stato di teleoperazione limitata, lo strumento chirurgico del dispositivo slave, ovvero l?almeno un punto di controllo del dispositivo slave, operi nel seguente modo: insegue il dispositivo master in tutti i gradi di libert? di orientazione, non insegue il dispositivo master in traslazione, e, con riferimento al grado di libert? di apertura/chiusura, insegue il dispositivo master solo in direzione di chiusura, e non insegue il dispositivo master in direzione di apertura.

Tale opzione implementativa pu? essere utile, ad esempio, per evitare un?apertura involontaria dello strumento chirurgico slave, quando si trova nel secondo stato, per non modificare la condizione di presa durante il secondo stato.

In accordo con un?altra forma di realizzazione del metodo, in cui la pluralit? di gradi di libert? controllabili comprende inoltre almeno un grado di libert? di apertura/chiusura, nel suddetto secondo stato di teleoperazione limitata lo strumento chirurgico del dispositivo slave, ovvero l?almeno un punto di controllo del dispositivo slave, insegue il dispositivo master in tutti i gradi di libert? di orientazione e non insegue il dispositivo master nel grado di libert? di apertura/chiusura e non insegue il dispositivo master in traslazione.

In accordo con una forma di realizzazione del metodo, il suddetto primo stato del sistema corrisponde ad uno stato operativo nel quale il dispositivo slave agisce durante un?operazione chirurgica; e il suddetto secondo stato del sistema corrisponde ad uno stato di preparazione e/o accomodamento e/o di riposizionamento del dispositivo master non vincolato in un suo spazio di lavoro.

Inoltre, le suddette transizioni sono atte a consentire di stabilire una relazione desiderata, determinata dall?operatore durante il secondo stato del sistema, tra uno spazio di riferimento del dispositivo master, corrispondente allo spazio di lavoro in cui ? definito il movimento di comando del dispositivo master nel secondo stato del sistema, e lo spazio di riferimento del dispositivo slave, in cui ? definito il corrispondente movimento dello strumento chirurgico del dispositivo slave, o del punto di controllo dello strumento chirurgico.

Secondo diverse opzioni implementative del metodo, dati N gradi di libert? controllabili, il metodo prevede di gestire come gradi di libert? disaccoppiati un qualunque sottoinsieme degli N gradi di libert? controllabili, comprendente un qualunque numero di gradi di libert? disaccoppiati compreso tra 1 e N-1.

Come gi? osservato, in un?opzione implementativa, il suddetto secondo stato di teleoperazione limitata ? uno stato di riposizionamento del dispositivo master, in cui il dispositivo slave insegue il dispositivo master solo in orientazione e non in traslazione, risultando dunque disaccoppiato dal dispositivo master dal punto di vista dei movimenti di traslazione. In questo modo, si permette di mantenere l?allineamento delle orientazioni tra master e slave sia durante il primo stato, sia durante il secondo stato, sia durante le transizioni tra primo e secondo stato. Pertanto, le transizioni tra primo e secondo stato non richiedono una dedicata fase di allineamento master-slave.

Nel contesto di dispositivi master impugnabili, meccanicamente non vincolati e atto ad essere movimentati sostenuti in mano da un operatore che comandano asserviti dispositivi slave secondo un rapporto di scala, la transizione tra il primo stato e il secondo stato possono essere frequenti in risposta a necessit? di riposizionare il dispositivo master all?interno del suo spazio di lavoro.

Secondo un?opzione implementativa, la pluralit? di gradi di libert? controllabili comprende tre gradi di libert? di traslazione e tre gradi di libert? di orientazione (?roll?, ?pitch?, ?yaw?, gi? sopra illustrati). Pu? essere previsto un ulteriore grado di libert? controllabile di apertura/chiusura (?grip?, gi? sopra descritto).

In accordo con una forma di realizzazione del metodo (a cui si ? gi? precedentemente accennato, e che qui viene descritta pi? in dettaglio), viene definito un punto di controllo dello strumento chirurgico compreso nel dispositivo slave, e, nel secondo stato di teleoperazione limitata, viene inibita la traslazione del suddetto punto di controllo, mentre viene mantenuta la possibilit? di rotazione del punto di controllo, per variare l?orientazione dello strumento chirurgico del dispositivo slave in dipendenza dell?orientazione del dispositivo master, sino a raggiungere una condizione di allineamento, in cui presentano la stessa orientazione (entro i limiti di una predefinita tolleranza) tra dispositivo master e strumento chirurgico del dispositivo slave, mentre la posizione del suddetto punto di controllo, nello spazio di riferimento del dispositivo slave, resta invariata.

L?orientazione del punto di controllo pu? essere, secondo un?opzione implementativa preferita, tale da modellizzare l?orientazione dello strumento chirurgico slave e preferibilmente della porzione distale dello strumento chirurgico avente almeno una estremit? libera.

In tal caso, quindi, il metodo prevede che l?operatore possa controllare, durante il secondo stato di teleoperazione limitata, solo l?orientazione, e opzionalmente anche un ulteriore grado di libert? dello strumento chirurgico del dispositivo slave identificabile con la presa dello strumento chirurgico (apertura/chiusura o ?grip?), mantenendone fissa la posizione del punto di controllo dello strumento chirurgico slave. In questo modo, la transizione tra primo e secondo stato, o viceversa, non influenza l?allineamento tra il dispositivo master e lo strumento chirurgico del dispositivo slave.

Secondo un?opzione implementativa della suddetta forma di realizzazione, lo strumento chirurgico del dispositivo slave comprende un?articolazione distale di collegamento con il dispositivo slave e due punte configurate per afferrare e guidare un ago chirurgico, e il suddetto punto di controllo dello strumento chirurgico corrisponde ad un punto fisico posto tra detta articolazione distale e l?estremit? delle punte. Ciascuna punta (o beccuccio) pu? comprendere un corpo rigido e avere una estremit? libera. Non necessariamente le punte dello strumento chirurgico sono destinate ad afferrare un ago chirurgico, ancorch? possano esserlo.

Secondo un?opzione implementativa, il punto di controllo ? un punto medio tra le punte dello strumento chirurgico del dispositivo slave.

In un?altra opzione implementativa, il punto di controllo dello strumento chirurgico corrisponde al punto in cui le punte (beccucci) afferrano l?ago chirurgico, quando richiuse in configurazione di afferraggio.

Secondo altre opzioni implementative, il suddetto punto di controllo corrisponde ad un punto reale solidale con il punto fisico qui sopra illustrato, o un punto virtuale correlato in modo fisso al punto fisico qui sopra illustrato.

In accordo con un?opzione implementativa del metodo, al termine di una transizione dal secondo stato al primo stato, il dispositivo master e lo strumento chirurgico del dispositivo slave sono allineati, cio? presentano la stessa orientazione, perch? sono allineati il dispositivo master e il punto di controllo.

In tal modo, quando si esce dalla fase di teleoperazione limitata, il dispositivo master e lo strumento chirurgico del dispositivo slave sono gi? allineati, perch? sono allineati il dispositivo master e il punto di controllo.

Secondo una forma di realizzazione del metodo, prima di un ingresso nel primo stato del sistema di teleoperazione con inseguimento completamente asservito, viene definito un punto di zero che mette in relazione lo spazio di riferimento del dispositivo master e lo spazio di riferimento del dispositivo slave, per quanto riguarda la traslazione.

In tal caso, in corrispondenza di un?uscita dal secondo stato, al termine della fase di teleoperazione limitata, il risultante scostamento (o ?offset?) di traslazione tra di dispositivo master e il punto di controllo dello strumento chirurgico del dispositivo slave viene memorizzato e aggiunto ad un punto di zero corrente, in modo che, nella successiva fase di teleoperazione con inseguimento completamente asservito, il controllo del dispositivo slave da parte del dispositivo master ubbidisca ad una relazione che tiene conto di detto scostamento di traslazione avvenuto durante la fase di teleoperazione limitata.

In altri termini, il punto di zero viene riassegnato quando si esce dalla fase di teleoperazione limitata.

Secondo un?opzione implementativa, durante il secondo stato di teleoperazione limitata l?offset calcolato viene limitato ad un valore massimo che non pu? essere superato dall?operatore.

Secondo un?opzione implementativa, al termine di una transizione dal secondo stato al primo stato, e viceversa, il dispositivo master e lo strumento chirurgico del dispositivo slave sono allineati, cio? presentano la stessa orientazione perch? sono allineati il punto di controllo dello strumento chirurgico e il dispositivo master.

Secondo un?opzione implementativa, durante le suddette transizioni tra il primo stato e il secondo stato, i parametri cinematici di velocit? e accelerazioni vengono limitati in modo da rendere regolare il blocco o lo sblocco dei gradi di libert?.

Con riferimento ai parametri cinematici, si assuma, senza perdere di generalit?, l?utilizzo di un algoritmo di controllo che abbia come obiettivo primario l?inseguimento del dispositivo master da parte dello strumento chirurgico del dispositivo slave, o del punto di controllo dello strumento chirurgico secondi i gradi di libert? accoppiati. Si considerino poi come vincoli di detto obiettivo parametri cinematici quali velocit? ed accelerazioni massime espresse nello spazio di lavoro del dispositivo slave, ovvero rispetto ai giunti del sistema di attuazione del dispositivo slave.

Si consideri quindi un algoritmo di controllo che iterativamente effettui una ottimizzazione dell?asservimento prima rispetto all?obiettivo primario e poi vada a vincolare il risultato rispetto ai vincoli indicati, ovvero un algoritmo di controllo che effettui tale ottimizzazione tenendo conto di tali vincoli, tramite una qualche restrizione dello spazio di ricerca del risultato.

Nella transizione tra teleoperazione piena e teleoperazione limitata avverr? che il contributo all?inseguimento traslazionale, espresso nello spazio di lavoro del dispositivo slave, venga annullato.

Si noti come il disaccoppiamento della componente traslazionale possa essere espressa come un vincolo di velocit? traslazionale espresso nello spazio di lavoro del dispositivo slave.

Tali parametri che descrivono i limiti di velocit? e di accelerazione siano considerati costanti all?inizio e alla fine della transizione. In tal senso l?adattamento di tali parametri pu? essere variato in modo continuo durante la transizione secondo una opportuna formula di interpolazione. Dato lo stato iniziale A e lo stato finale B ed un tempo di transizione T e tempo di inizio transizione t0, dato un parametro P quale il limite di velocit? lungo un dato asse di attuazione, allora ? possibile utilizzare la formula di interpolazione lineare di tale vincolo:

P(t) = P_B (t-t0)/T P_A (1-(t-t0)/T)

Si valuti inoltre il fatto che per taluni parametri sia piuttosto preferibile una soluzione che interpoli il valore quadraticamente. Si introduca allora una variabile ? in funzione del tempo t e la funzione generale:

?(t) = (t-t0)/T

P(?) = q3 ?<3 >+ q2 ?<2 >+ q1 ? q0

dove a, b, c possano essere calcolati cos? che P(0)=P_A, P(1)=P_B. Si noti che tale formulazione comprende quella dell?interpolazione lineare per un?opportuna scelta dei parametri.

Secondo un?opzione implementativa, tali parametri cinematici vengono limitati in modo diverso a seconda che la transizione sia una transizione di stato verso il secondo stato di teleoperazione limitata o sia una transizione di stato verso il primo stato.

In accordo con una forma di realizzazione, nelle transizioni che coinvolgono lo stato di teleoperazione limitata le traiettorie dei gradi di libert? limitati non presentano discontinuit? apprezzabili nei principali parametri cinematici. In particolare, velocit? e accelerazioni vengono limitate, in ingresso e uscita dallo stato di teleoperazione limitata, in modo da rendere morbido il congelamento del grado di libert? interessato e quindi riprenderne l?attuazione senza generare distorsioni o scossoni percepibili dall?operatore.

I criteri utilizzati per la limitazione dei parametri cinematici durante cambiamenti di stato che involvono la teleoperazione limitata sono di preferenza pi? stringenti di quelli utilizzati nello stato di piena teleoperazione. Tali criteri sono di preferenza da intendersi diversi nel caso di ingresso e uscita dalla fase di teleoperazione limitata. Durante la fase di teleoperazione limitata, i gradi di libert? non limitati possono essere soggetti a una limitazione dei parametri cinematici velocit? e accelerazione pi? stringente di quella attiva durante la piena teleoperazione.

Nel seguito, verranno forniti alcuni ulteriori dettagli circa i sistemi di riferimento usati per coordinare il movimento dei dispositivi master e slave, secondo un particolare esempio implementativo del metodo.

A causa di possibili limitazioni nello spazio di lavoro dello strumento chirurgico del dispositivo slave, rispetto allo spazio di lavoro del dispositivo master non vincolato, il chirurgo deve essere il pi? possibile abilitato ad aggiustare la propria postura e posizione nonch? la collocazione della/e mano/i che tiene in mano il dispositivo master non vincolato all?interno dello spazio di lavoro del dispositivo master, in un modo tale da agevolare la procedura chirurgica o micro-chirurgica.

Secondo l?esempio implementativo qui di seguito presentata, la fase o stato di teleoperazione limitata ? percepita dall?operatore con l?analogo meccanico della ?frizione?, che disaccoppia temporaneamente le traslazioni del dispositivo master da quelle comandate al dispositivo slave. L?esistenza di un oggetto geometrico denominato ?punto di controllo? permette di considerare e quindi gestire la componente traslazionale della teleoperazione non come mappatura statica 1-1 tra lo spazio master e spazio slave, bens? come variazione vincolata di velocit? traslazionali tra dispositivo master e slave durante gli stati dove tale mappatura traslazionale ? consentita, ovvero durante detto primo stato di piena teleoperazione.

In particolare, questo ? utile nel caso in cui l?operatore necessiti di effettuare spostamenti relativamente grandi del dispositivo slave che non sono permessi nello/dallo spazio di lavoro del dispositivo master a causa della relazione di scalatura (cio? rapporto di scala, o ?scaling?). In questo scenario, l?operatore pu? raggiungere ogni posizione appartenente allo spazio di lavoro slave utilizzando l?algoritmo presentato nel diagramma di flusso della figura 3 (senza perdita di generalit?, ? stato considerato solo un grado di libert?).

Secondo una forma di realizzazione, il suddetto mezzo di comando di transizioni di stato comprende un bottone di comando.

Secondo un?opzione implementativa, tale bottone di comando ? un pedale di comando.

Secondo un?opzione implementativa, il bottone di comando ? solidale al dispositivo master non vincolato, ad esempio ? posto sul corpo del dispositivo master.

In un?opzione implementativa, l?ingresso e la permanenza in uno stato di teleoperazione limitata sono associate alla pressione di un pedale di comando. Il rilascio del pedale di comando determina automaticamente la transizione dal secondo stato di teleoperazione limitata al primo stato di piena teleoperazione.

In un?opzione implementativa, il fatto di essere in teleoperazione ? condizione sufficiente perch? la pressione del pedale di comando determini l?ingresso allo stato di teleoperazione limitata.

Nel seguito, viene presentata un?opzione implementativa del metodo di teleoperazione limitata.

A tale scopo pu? essere definito un Punto virtuale di controllo (VCP) che viene usato come l?origine delle coordinate di riferimento per la mappatura tra la posa del dispositivo master nello spazio di lavoro master e la posa dello strumento chirurgico del dispositivo slave (per brevit? anche solo riferito come ?dispositivo slave?) nello spazio di lavoro dello strumento chirurgico slave.

In un?opzione implementativa, vengono definiti due sistemi di coordinate di riferimento per ciascuno dei dispositivi master e slave (nella trattazione saranno usati i termini ?sistema di coordinate? e ?sistema di riferimento? come equivalenti): un sistema di coordinate ?Master Frame Origin? (MFO), ad esempio solidale al sistema di tracking, e un sistema di coordinate ?Master Frame? (MF), ad esempio solidale al dispositivo master non vincolato, usati per descrivere la posa (comprendente la coppia di informazioni ?posizione MP, orientamento?) del dispositivo master non vincolato; e un sistema di coordinate ?Slave Frame Origin? (SFO) e un sistema di coordinate ?Slave Frame? (SF) usati per descrivere la posa (comprendente la coppia di informazioni ?posizione MP, orientamento?) del dispositivo slave. Con ?dispositivo slave? si intende indicare di preferenza il punto di controllo dello strumento chirurgico del dispositivo slave?.

La posizione del dispositivo master MP ? definita come la posizione relativa (componente traslazionale) del sistema di coordinate ?Master Frame? MF rispetto al sistema di coordinate ?Master Frame Origin? MFO, e la posizione del dispositivo slave SP ? definita come la posizione relativa del sistema di coordinate ?Slave Frame? SF rispetto al sistema di coordinate ?Slave Frame Origin? SFO che ? solidale con il sistema robotico slave.

In un esempio di implementazione, i movimenti dei dispositivi master e slave sono vincolati in spazi di lavoro separati e indipendenti, che limitano rispettivamente la posizione del dispositivo master MP e la posizione del dispositivo slave SP.

Nella forma di realizzazione illustrata schematicamente in figura 4, si consideri un sistema di riferimento esterno fisso ?Fixed Reference System? (FSF). ? possibile dunque esprimere i sistemi di coordinate ?Master Frame Origin? MFO e ?Slave Frame Origin? SFO in tale sistema di riferimento fisso FSF e definire la trasformazione ?master slave transformation? (MST) che consente di mappare trasformazioni relative a ?Master Frame Origin? MFO in trasformazioni relative a ?Slave Frame Origin? SFO.

Quindi, ? possibile definire il sistema di coordinate ?Master frame in slave frame origin? (MSFO) nel sistema di riferimento ?Slave Frame Origin? SFO, ottenuto applicando la trasformazione MST al sistema di riferimento SFO, ed inoltre si definisce il sistema di coordinate ?Master in Slave Frame? (MSF) ottenuto applicando la trasformazione da ?Master frame? MF a ?Master frame origin? MFO rispetto a MSFO.

I sistemi di riferimento qui di seguito citati sono illustrati in particolare nella figura 5:

?master frame? (MF), ovvero ?sistema di riferimento del master?;

?master frame origin? (MFO), ovvero ?sistema di riferimento di origine del master?;

?slave frame? (SF), ovvero ?sistema di riferimento dello slave?;

?slave frame origin? (SFO), ovvero ?sistema di riferimento di origine dello slave?;

?fixed reference system? (FRS), ovvero sistema di riferimento esterno fisso;

?master to slave transformation? (MST), ovvero ?trasformazione da master a slave?;

?master frame in slave frame origin? (MSFO), ovvero ?sistema di riferimento del master nel sistema di riferimento di origine dello slave?.

Considerando una situazione di applicazione chirurgica in cui il rapporto tra movimenti dei dispositivi master e slave ? 1:1 (situazione applicativa in cui il metodo descritto in questa divulgazione pu? essere impiegato), e una condizione di piena teleoperazione, i movimenti dello strumento chirurgico (qui di seguito indicato anche con il termine inglese di ?end-effector?) del dispositivo slave vengono controllati dai movimenti del dispositivo master non vincolato, a cui il dispositivo slave ? asservito.

Ci? equivale, tralasciando eventuali offset traslazionali come spiegato in seguito, a controllare il movimento del dispositivo slave, rappresentato da ?Slave Frame? SF, utilizzando come riferimento ?Master frame in slave frame? MSF. In particolare, dal punto di vista traslazionale, la teleoperazione pu? essere vista come l?inseguimento da parte della posizione del dispositivo slave SP del sistema di coordinate MPS, dove MPS ? la posizione del frame ?Master frame in slave frame? MSF nel sistema di riferimento ?Slave Frame Origin? SFO.

All?ingresso in uno stato di teleoperazione, anche a causa della natura meccanicamente non-vincolata del dispositivo (o dei dispositivi) master, non vi ? alcuna relazione posizionale tra la posizione del dispositivo master nello spazio slave MPS e la posizione corrente del dispositivo slave SP.

Per questo motivo ? necessario, nell?istante che si entra nello stato di teleoperazione, sottrarre alla posizione MPS un offset MS: MPS(0) in modo tale che, supponendo che all?ingresso della teleoperazione lo slave si trovi all?origine del suo sistema di riferimento, la posizione risultante si trovi coincidente all?istante iniziale con la posizione del dispositivo slave SP. In questo modo, tale dispositivo slave sar? comandato solo da movimenti del dispositivo master avvenuti dopo l?ingresso in teleoperazione.

Tale posizione nello spazio del dispositivo slave ? chiamata ?Posizione Relativa del Master? (RMP), e viene calcolata in ogni istante di teleoperazione come: RMP: RMP(t)=MPS(t)-MS.

In un ulteriore contesto applicativo, nel quale il metodo descritto nella presente divulgazione pu? essere eseguito, cio? nel caso in cui il sistema robotico di teleoperazione ? configurato per eseguire operazioni di microchirurgia, ? necessario tenere conto di un fattore di scala s (con s < 1), che descrive un rapporto desiderato/richiesto tra l?estensione del movimento del dispositivo slave e l?estensione del movimento del dispositivo master. Per questo motivo, in questo caso ? necessario definire una posizione master scalata CSP definita come:

CSP = s ? RMP.

Tenendo conto del fattore di scala, il volume che pu? compiere la posizione master scalata CSP ? pari a s<3 >volte lo spazio di lavoro del dispositivo master. Per questo motivo, al crescere della scalatura (e quindi diminuire del fattore di scala s), solo una piccola porzione dello spazio di lavoro slave risulta raggiungibile durante la teleoperazione.

Per ovviare a questo, nonch? al fatto che il dispositivo slave potrebbe non trovarsi nell?origine del suo sistema di riferimento durante l?ingresso in teleoperazione, in un?opzione implementativa viene definito il sopra menzionato ?Punto di Controllo Virtuale? (VCP) che viene usato come l?origine delle coordinate di riferimento per il meccanismo di mappatura tra la posa (posizione e orientazione) del dispositivo master e la posa (posizione e orientazione) del dispositivo slave.

L?inserimento di questo punto, controllabile dall?utente, permette di ridefinire la posizione comandata al dispositivo slave, in questa opzione implementativa, come:

CSP: CSP = s ? ( RMP VCP ).

Il punto VCP ? inizializzato ad ogni t=0 in cui una teleoperazione viene cominciata rispettando la seguente formulazione:

VCP = SP(0) / s.

L?operatore, quindi, utilizzando qualsiasi fattore di scala s, ? sempre in grado di raggiungere qualunque punto dello spazio di lavoro del dispositivo slave, indipendentemente dalla sua dimensione, grazie al controllo del parametro ?Punto di controllo virtuale? VCP.

In un?opzione implementativa, il metodo che permette indirettamente in modo intuitivo il controllo del parametro ?Punto di controllo virtuale VCP? da parte dell?operatore ? l?utilizzo di un nuovo stato di teleoperazione, corrispondente al secondo stato di teleoperazione limitata. In questo secondo stato di teleoperazione limitata, il dispositivo slave insegue il dispositivo master solo in orientazione e non in traslazione.

Durante lo stato di teleoperazione limitata, secondo un?opzione implementativa, viene definito un punto di controllo virtuale temporaneo TVCP come:

TVCP(t) = VCP RMP(t_0) - RMP(t) =

= VCP MPS(t_0) - MPS(t),

dove MPS(t) ? la posizione corrente del master nello spazio slave, e MPS(t_0) ? la posizione del master nello spazio slave nell?istante di ingresso in teleoperazione limitata.

Quando si esce dallo stato di teleoperazione limitata, allora il punto di controllo virtuale temporaneo TVCP viene assegnato al punto di controllo virtuale: VCP := TVCP.

Come un esperto del ramo potr? apprezzare, al rientro in uno stato di piena teleoperazione la nuova definizione del Punto di controllo virtuale VCP non comporta una variazione della posizione comandata al dispositivo slave CSP. In altre parole, la ridefinizione dinamica del ?Punto virtuale di controllo? VCP sopra descritta permette che in entrata, durante e in uscita dello stato di teleoperazione limitata non vi sia alcuna traslazione comandata del dispositivo slave.

Viene ora descritto un esempio applicativo dello stato di ?teleoperazione limitata?, secondo le opzioni implementative sopra descritte.

Senza perdita di generalit?, l?esempio contempler? una teleoperazione avente un unico grado di libert? traslazionale, denominato con ?x?.

Sempre senza perdita di generalit?, si suppone che la mappatura da spazio del dispositivo master e spazio del dispositivo slave sia pari all?identit?, ovvero che MPS = MP.

In questo contesto, si supponga ad un istante di tempo t = 0 l?ingresso in teleoperazione con il dispositivo master con MP(0) = 10cm e SP(0) = 2cm nei rispettivi sistemi di riferimento.

Si supponga anche lo spazio master avere un?escursione massima di -30cm, e lo spazio slave avere un?escursione massima di -7cm.

Si supponga inoltre di essere nello stato di teleoperazione con fattore di scala 10x, ovvero s=0.1 (1cm di spostamento del dispositivo master equivale a 1mm di spostamento del dispositivo slave).

Nell?istante di ingresso in teleoperazione, viene fissato l?offset MS: MPS(0) = 10 cm e il punto di controllo VCP = 2 cm / 0.1 = 20cm.

In questo modo, la posizione controllata all?istante di tempo t risulta essere

CSP(t) = s ? ( RMP(t) VCP ) = 0.1 ? (MPS(t) ? 10 20).

Si noti che in t=0, MPS(0) = 10cm e CSP(0) = 0.2mm e non vi ? alcuna traslazione durante l?ingresso in uno stato di piena teleoperazione.

Sempre a titolo puramente esemplificativo, si suppone ora che l?operatore debba raggiungere il punto nello spazio del dispositivo slave x = 4.5cm, appartenente allo spazio di lavoro del dispositivo slave. Si noti che, senza uscire dello stato di piena teleoperazione, utilizzando tutto lo spazio di lavoro del dispositivo master sarebbe possibile comandare al pi? la posizione CSP = 0.1 ? (max(MPS) ? 10 20) = 0.1 ? (30 ? 10 20) = 4cm.

Per raggiungere tale posizione, l?operatore al tempo t_0 pu? svolgere, ad esempio, le seguenti azioni:

1) Ingresso nello stato di teleoperazione limitata. Il Punto di controllo temporaneo TVCP viene fissato a TVCP(t) = VCP MPS(t_0) - MPS(t) = 20 10 ? MPS(t) 2) L?operatore muove il dispositivo master fino a raggiungere la posizione x=0. Il punto di controllo temporaneo TVCP assume dunque il valore

TVCP = 20 10 ? 0 = 30cm

3) L?operatore esce dallo stato di teleoperazione limitata e rientra nello stato di completa teleoperazione. Il parametro VCP viene aggiornato con il valore corrente di TVCP, ovvero 30cm. Si noti che la nuova posizione comandata CSP ? uguale a quella precedente all?ingresso di teleoperazione limitata:

CSP(t) = s ? ( MPS(t) ? MS VCP(t) ) =

= 0.1 ? (0 -10 30 ) 2cm

4) L?operatore muove il dispositivo master fino a raggiungere la posizione x = 25 cm, appartenente allo spazio di lavoro master. In questo modo la nuova posizione comandata risulta essere uguale a CSP(t) = s ? ( MPS(t) ? MS VCP(t) ) = = 0.1 ? (25 -10 30 ) = 4.5cm Secondo un?ulteriore opzione implementativa del metodo, il cambio di stato tra teleoperazione e teleoperazione limitata pu? avvenire in un tempo finito non puntuale, in cui viene progressivamente limitata la velocit? e l?accelerazione, permettendo al dispositivo slave di fermarsi senza introdurre eccessive distorsioni del moto.

Analogamente, secondo un?altra opzione implementativa, il cambio di stato tra teleoperazione limitata e teleoperazione pu? avvenire in un tempo finito non puntuale in cui le velocit? e le accelerazioni iniziali comandate al dispositivo slave sono limitate per evitare eccessive distorsioni del moto.

Secondo un?altra opzione implementativa, la fase di teleoperazione limitata limita/impedisce temporaneamente la teleoperazione del grado di libert? di apertura/chiusura (?grip?) dello strumento, ovvero al momento di ingresso nella fase di teleoperazione limitata viene congelato il grado di apertura/chiusura (?grip?) dello strumento chirurgico del dispositivo slave per tutta la permanenza in suddetto secondo stato di teleoperazione limitata.

Secondo un?altra opzione implementativa, la fase di teleoperazione limitata impedisce soltanto un sottoinsieme degli stati possibili relativi a un determinato grado di libert?.

Secondo un?altra opzione implementativa, la fase di teleoperazione limitata impedisce la chiusura permettendo l?apertura dello strumento chirurgico del dispositivo slave. In altri termini, secondo questa opzione implementativa, il grado di libert? di apertura/chiusura viene soltanto parzialmente bloccato nel secondo stato di teleoperazione limitata, in quanto ? permesso il controllo in apertura ma non in chiusura.

Secondo un?opzione implementativa del metodo, nelle transizioni che coinvolgono lo stato di teleoperazione limitata le traiettorie dei gradi di libert? limitati non presentano discontinuit? apprezzabili nei principali parametri cinematici. In particolare, velocit? e accelerazioni vengono limitate, in ingresso e uscita dallo stato di teleoperazione limitata, in modo da rendere morbido il congelamento del grado di libert? interessato e quindi riprenderne l?attuazione senza generare distorsioni o scossoni percepibili dall?utente.

Secondo un?altra opzione implementativa del metodo, i criteri utilizzati per la limitazione dei parametri cinematici, durante cambiamenti di stato che involvono la teleoperazione limitata, prevedono che l?accelerazione e/o decelerazione dello slave nella fase di entrata o uscita dalla teleoperazione limitata sono molto minori del valore di accelerazione massima nel suddetto primo stato di piena teleoperazione, e pi? stringenti di quelli utilizzati dalla piena teleoperazione. Tali criteri, in una tipica opzione implementativa, sono diversi nel caso di ingresso e uscita dalla fase di teleoperazione limitata.

Secondo un?altra opzione implementativa del metodo, l?attuazione del mezzo di comando di transizioni di stato del sistema modifica i parametri di controllo masterslave, quali accelerazioni e velocit? di traslazione, fin quando la transizione di entrata in teleoperazione limitata o transizione in uscita da teleoperazione limitata non ? completata.

In un?opzione implementativa, durante la fase di teleoperazione limitata, i gradi di libert? non limitati possono essere soggetti a una limitazione dei parametri cinematici velocit? e accelerazione pi? stringente di quella attiva durante la piena teleoperazione.

Viene ora descritto un sistema robotico per chirurgia teleoperata, atto ad essere controllato mediante il suddetto metodo per comandare un sistema robotico.

Tale sistema comprende almeno un dispositivo master, impugnabile, meccanicamente non vincolato e atto ad essere movimentato senza vincoli meccanici da un operatore, in modo che il dispositivo master possa muoversi liberamente all?interno di un suo spazio di lavoro predefinito. Il sistema comprende inoltre almeno un dispositivo slave comprendente uno strumento chirurgico atto ad essere comandato dal dispositivo master, in modo che movimenti del dispositivo slave (oppure movimenti di almeno un punto di controllo, appartenente o solidale allo strumento chirurgico del dispositivo slave), riferiti ad uno o pi? di una pluralit? di N gradi di libert? controllabili, siano comandati da rispettivi movimenti del dispositivo master, secondo un?architettura di controllo master-slave.

Il sistema comprende inoltre un mezzo di comando di transizioni di stato del sistema, azionabile dall?operatore; e un?unit? di controllo, operativamente collegata sia al dispositivo master sia al dispositivo slave, sia al mezzo di comando di transizioni di stato. L?unit? di controllo ? configurata per controllare il sistema in modo da eseguire un metodo di comando del sistema robotico secondo una qualsiasi delle forme di realizzazione precedentemente illustrate.

Secondo una forma di realizzazione del sistema, il suddetto mezzo di comando di transizioni di stato comprende un bottone di comando, o un pedale di comando, che pu? essere premuto e/o mantenuto premuto e/o rilasciato dall?operatore. In tal caso, il secondo stato di teleoperazione limitata viene attivato, durante la teleoperazione, mantenendo premuto il pedale di comando, e viene disattivato rilasciando il pedale di comando.

Secondo una forma di realizzazione, il sistema ? un sistema robotico per micro-chirurgia teleoperata, e il suddetto strumento chirurgico del dispositivo slave ? uno strumento micro-chirurgico.

Nella forma di realizzazione mostrata in figura 7, ? illustrato un sistema robotico 700 per chirurgia teleoperata comprendente almeno un dispositivo master impugnabile, meccanicamente non vincolato e atto ad essere movimentato da un operatore 750 (nell?esempio illustrato sono mostrati due dispositivi master non vincolati MF1, MF2 all?interno di uno spazio di lavoro 715) e almeno un dispositivo slave 740 comprendente uno strumento chirurgico atto ad essere comandato dal dispositivo master (nell?esempio illustrato sono mostrati due strumenti chirurgici SF1, SF2 del dispositivo slave 740 comandati da rispettivi dispositivi master MF1, MF2).

Il sistema robotico 700 illustrato in figura 7 comprende inoltre un mezzo di comando 752 di transizioni di stato del sistema, azionabile dall?operatore 750, e un?unit? di controllo (?control unit?), operativamente collegata sia al dispositivo master non vincolato sia al dispositivo slave 740, sia al mezzo di comando 752 di transizioni di stato. Nell?esempio illustrato, l?unit? di controllo ? mostrata facente parte di una console 755 solidale allo spazio di lavoro 715 master.

La figura 6 illustra schematicamente un esempio del dispositivo slave 740 durante il secondo stato di teleoperazione limitata, in cui le traslazioni del punto di controllo 600 sono bloccate rispetto al sistema di riferimento ?Slave frame origin? SFO; in tale esempio sono mostrati schematicamente i gradi di libert? del punto di controllo 600 che restano asserviti durante il secondo stato: ?pitch? P, ?yaw? Y e, come previsto da alcune opzioni implementative, ?roll? R e/o ?grip? G ossia apertura e/o chiusura G delle punte (beccucci) 101, 102 dello strumento chirurgico SF del dispositivo slave.

La figura 1 illustra schematicamente un esempio del secondo stato di teleoperazione limitata, in cui le traslazioni del punto di controllo 600 sono bloccate rispetto al sistema di riferimento ?Slave frame origin? SFO, ancorch? il dispositivo master 110 abbia compiuto movimenti di traslazione e di rotazione dalla posa MF? (linea tratteggiata) alla posa MF rispetto al sistema di riferimento ?Master frame origin? MFO nello spazio di lavoro 715, mentre tenuto in mano dall?operatore 750; il punto di controllo 600 ? mostrato in questo esempio tra le punte (beccucci) 101, 102 dello strumento chirurgico 170 del dispositivo slave 740.

Nell?esempio mostrato in figura 8, lo strumento chirurgico 170 del dispositivo slave comprende un polsino articolato avente articolazioni (o giunti articolati) di roll R, pitch P e yaw Y, in cui viene definito un punto di controllo 600 avente traslazioni bloccate nel sistema di riferimento SFO quando nel secondo stato di teleoperazione limitata.

La figura 5 illustra schematicamente un dispositivo master 110 avente un grado di libert? interno di apertura/chiusura G? atto a comandare un asservibile grado di libert? di apertura/chiusura G tra le punte 101, 102 dello strumento chirurgico slave 170. Nell?esempio illustrato il grado di libert? di apertura/chiusura G? del dispositivo master 110 ? formato da due parti rigide 111, 112 vincolate in un giunto rotazionale 103 a ruotare relativamente attorno ad un asse comune.

Come si pu? constatare, gli scopi della presente invenzione, come precedentemente indicati, sono pienamente raggiunti dal metodo sopra descritto, in virt? delle caratteristiche sopra illustrate in dettaglio.

Infatti, il metodo e il sistema sopra descritti permettono di effettuare transizioni di stato, che da un lato di garantiscono la assoluta sicurezza del paziente e la comodit? di azione del chirurgo, e d?altro canto consentano di mantenere in modo efficace l?allineamento master-slave, durante le transizioni di stato della teleoperazione.

Ci? viene ottenuto grazie alle caratteristiche del metodo e sistema descritti, in particolare grazie alla definizione di due diversi stati di teleoperazione, uno di teleoperazione con completo asservimento e l?altro di teleoperazione limitata (in cui il dispositivo slave ? disaccoppiato dal dispositivo master con riferimento ai gradi di libert? di traslazione, ed ? asservito al dispositivo master solo in un sottoinsieme della pluralit? di N gradi di libert? controllabili), e grazie alla possibilit? offerta all?operatore (ad esempio, chirurgo) di controllare liberamente ogni transizione tra i suddetti due stati.

Durante il secondo stato di teleoperazione limitata, il chirurgo ? in grado di riposizionare o riaccomodare il dispositivo master non vincolato all?interno dello spazio di lavoro del dispositivo master, senza per questo imporre alcuna traslazione del punto di controllo dello strumento chirurgico del dispositivo slave.

Grazie alle soluzioni proposte, un sistema teleoperato per chirurgia e preferibilmente microchirurgia, in cui ? previsto un rapporto di scala tra le traslazioni del dispositivo master non vincolato e le asservite traslazioni del punto di controllo slave, e non vi ? alcun rapporto di scala tra le rotazioni del dispositivo master e le rotazioni del punto di controllo slave, si permette di mantenere l?allineamento masterslave in qualsiasi transizione tra primo e secondo stato, e viceversa.

Alle forme di realizzazione del metodo sopra descritto, un tecnico del ramo, per soddisfare esigenze contingenti, potr? apportare modifiche, adattamenti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti, senza uscire dall'ambito delle seguenti rivendicazioni. Ognuna delle caratteristiche descritte come appartenente ad una possibile forma di realizzazione pu? essere realizzata indipendentemente dalle altre forme di realizzazione descritte.

Claims

RIVENDICAZIONI

1. Metodo per comandare un sistema robotico per teleoperazione medica o chirurgica, in cui detto sistema robotico comprende almeno un dispositivo master (110), impugnabile, meccanicamente non vincolato e atto ad essere movimentato da un operatore, e almeno un dispositivo slave (740) comprendente uno strumento chirurgico (170) atto ad essere comandato dal dispositivo master (110), in modo che movimenti del dispositivo slave (740), o dello strumento chirurgico (170) del dispositivo slave, riferiti ad uno o pi? di una pluralit? di N gradi di libert? controllabili, siano comandati da rispettivi movimenti del dispositivo master (110), secondo un?architettura di controllo master-slave,

in cui il metodo comprende:

- definire un primo stato del sistema, corrispondente ad uno stato di teleoperazione con inseguimento completamente asservito, in cui lo strumento chirurgico (170) del dispositivo slave (740), oppure almeno un punto di controllo (600), appartenente o solidale allo strumento chirurgico (170) del dispositivo slave (740), ? asservito ed insegue il dispositivo master (110) in ognuno dei gradi di libert? di detta pluralit? di N gradi di libert? controllabili;

- definire un secondo stato del sistema, corrispondente ad uno stato di teleoperazione limitata, in cui lo strumento chirurgico (170) del dispositivo slave (740), o almeno detto punto di controllo (600) dello strumento chirurgico (170) del dispositivo slave (740), ? disaccoppiato dal dispositivo master (110) con riferimento ad almeno un grado di libert? disaccoppiato, ed ? asservito al dispositivo master solo in un sottoinsieme di detta pluralit? di N gradi di libert? controllabili che esclude detto almeno un grado di libert? disaccoppiato;

- fornire, in detto sistema robotico, un mezzo di comando di transizioni di stato del sistema;

- comandare transizioni tra detti primo stato del sistema e secondo stato del sistema, da parte dell?operatore, mediante azionamento di detto mezzo di comando di transizioni di stato del sistema;

in cui la pluralit? di gradi di libert? controllabili comprende gradi di libert? di traslazione e gradi di libert? di orientazione,

ed in cui detto secondo stato di teleoperazione limitata ? uno stato di riposizionamento del dispositivo master (110), in cui detto almeno un grado di libert? disaccoppiato comprende tutti i gradi di libert? di traslazione, e quindi detto strumento chirurgico (170) del dispositivo slave (740), ovvero detto almeno un punto di controllo (600) dello strumento chirurgico (170) del dispositivo slave (740), non insegue il dispositivo master in traslazione.

2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto sottoinsieme di gradi di libert? controllabili comprende almeno due gradi di libert? di orientazione, ed in cui quindi detto strumento chirurgico del dispositivo slave, ovvero l?almeno un punto di controllo dello strumento chirurgico del dispositivo slave, insegue il dispositivo master in detti almeno due gradi di libert? di orientazione.

3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui detti almeno due gradi di libert? di orientazione, con riferimento ai quali lo strumento chirurgico del dispositivo slave, ovvero l?almeno un punto di controllo dello strumento chirurgico del dispositivo slave, insegue il dispositivo master, ed ? ad esso asservito, comprendono un grado di libert? di ?beccheggio? o ?pitch?, e un grado di libert? di ?imbardata? o ?yaw?.

4. Metodo secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui:

in detto secondo stato di teleoperazione limitata, detto strumento chirurgico del dispositivo slave, o detto almeno un punto di controllo dello strumento chirurgico del dispositivo slave, insegue il dispositivo master in tutti i gradi di libert? di orientazione e non insegue il dispositivo master in traslazione,

in cui detti gradi di libert? di orientazione comprendono un grado di libert? di ?beccheggio? o ?pitch?, un grado di libert? di ?imbardata? o ?yaw?, e un grado di libert? di ?rollio? o ?roll?.

5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, in cui la pluralit? di gradi di libert? controllabili comprende inoltre almeno un grado di libert? di apertura/chiusura,

ed in cui, in detto secondo stato di teleoperazione limitata detto strumento chirurgico del dispositivo slave, ovvero detto almeno un punto di controllo del dispositivo slave, insegue il dispositivo master in tutti i gradi di libert? di orientazione e nel grado di libert? di apertura/chiusura e non insegue il dispositivo master in traslazione.

6. Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui, in detto secondo stato di teleoperazione limitata, detto strumento chirurgico del dispositivo slave, ovvero detto almeno un punto di controllo del dispositivo slave, opera nel seguente modo:

insegue il dispositivo master in tutti i gradi di libert? di orientazione, non insegue il dispositivo master in traslazione, e, con riferimento al grado di libert? di apertura/chiusura, insegue il dispositivo master solo in direzione di apertura, e non insegue il dispositivo master in direzione di chiusura.

7. Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui, in detto secondo stato di teleoperazione limitata, detto strumento chirurgico del dispositivo slave, ovvero detto almeno un punto di controllo del dispositivo slave, opera nel seguente modo:

insegue il dispositivo master in tutti i gradi di libert? di orientazione, non insegue il dispositivo master in traslazione, e, con riferimento al grado di libert? di apertura/chiusura, insegue il dispositivo master solo in direzione di chiusura, e non insegue il dispositivo master in direzione di apertura.

8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, in cui la pluralit? di gradi di libert? controllabili comprende inoltre almeno un grado di libert? di apertura/chiusura,

ed in cui, in detto secondo stato di teleoperazione limitata detto strumento chirurgico del dispositivo slave, ovvero detto almeno un punto di controllo del dispositivo slave, insegue il dispositivo master in tutti i gradi di libert? di orientazione e non insegue il dispositivo master nel grado di libert? di apertura/chiusura e non insegue il dispositivo master in traslazione.

9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui:

- detto primo stato del sistema corrisponde ad uno stato operativo nel quale il dispositivo slave agisce durante un?operazione chirurgica;

- detto secondo stato del sistema corrisponde ad uno stato di preparazione e/o accomodamento e/o di riposizionamento del dispositivo master in un suo spazio di lavoro;

- dette transizioni sono atte a consentire di stabilire una relazione desiderata, determinata dall?operatore durante il secondo stato del sistema, tra uno spazio di riferimento del dispositivo master, corrispondente allo spazio di lavoro in cui ? definito il movimento di comando del dispositivo master nel secondo stato del sistema, e lo spazio di riferimento del dispositivo slave, in cui ? definito il corrispondente movimento dello strumento chirurgico del dispositivo slave, o del punto di controllo dello strumento chirurgico.

10. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui, nel secondo stato di teleoperazione limitata, viene inibita la traslazione di detto punto di controllo, mentre viene mantenuta la possibilit? di rotazione di detto punto di controllo, per variare l?orientazione dello strumento chirurgico del dispositivo slave in dipendenza dell?orientazione del dispositivo master, mantenendo una condizione di allineamento, cio? presentando la stessa orientazione, tra dispositivo master e strumento chirurgico del dispositivo slave, mentre la posizione di detto punto di controllo, nello spazio di riferimento del dispositivo slave, resta invariata.

11. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strumento chirurgico del dispositivo slave comprende un?articolazione distale di collegamento con il dispositivo slave e due punte configurati per afferrare e guidare un ago chirurgico, ed in cui detto punto di controllo dello strumento chirurgico corrisponde ad un punto posto tra detta articolazione distale e l?estremit? delle punte.

12. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui, al termine di una transizione da detto secondo stato a detto primo stato, il dispositivo master e lo strumento chirurgico del dispositivo slave sono allineati, cio? presentano la stessa orientazione.

13. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui al termine di una transizione da detto primo stato a detto secondo stato, il dispositivo master e lo strumento chirurgico del dispositivo slave sono allineati, cio? presentano la stessa orientazione.

14. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui durante dette transizioni tra detto primo stato e detto secondo stato, i parametri cinematici di velocit? e accelerazioni vengono limitati in modo da rendere regolare il blocco/ lo sblocco dei gradi di libert? disaccoppiabili.

15. Metodo secondo la rivendicazione 14, in cui detti parametri cinematici vengono limitati in modo diverso a seconda che la transizione sia una transizione di stato verso detto secondo stato di teleoperazione limitata o sia una transizione di stato verso detto primo stato.

16. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui, prima di un ingresso nel primo stato del sistema, di teleoperazione con inseguimento completamente asservito, viene definito un punto di zero che mette in relazione lo spazio di riferimento del dispositivo master e lo spazio di riferimento del dispositivo slave, per quanto riguarda la traslazione, ed in cui, in corrispondenza di un?uscita dal secondo stato, al termine della fase di teleoperazione limitata, il risultante scostamento di traslazione tra di dispositivo master e dispositivo slave viene memorizzato e aggiunto ad un punto di zero corrente, in modo che, nella successiva fase di teleoperazione con inseguimento completamente asservito, il controllo del dispositivo slave da parte del dispositivo master ubbidisca ad una relazione che tiene conto di detto scostamento di traslazione avvenuto durante la fase di teleoperazione limitata.

17. Sistema robotico (700) per chirurgia teleoperata atto ad essere controllato mediante detto metodo per comandare un sistema robotico, in cui il sistema comprende:

- almeno un dispositivo master (110), impugnabile, meccanicamente non vincolato e atto ad essere movimentato senza vincoli meccanici da un operatore, in modo che il dispositivo master (110) possa muoversi liberamente all?interno di un suo spazio di lavoro predefinito;

- almeno un dispositivo slave (740) comprendente uno strumento chirurgico (170) atto ad essere comandato dal dispositivo master (110), in modo che movimenti del dispositivo slave (740), o movimenti di almeno un punto di controllo (600), appartenente o solidale allo strumento chirurgico (170) del dispositivo slave (740), detti movimenti essendo riferiti ad uno o pi? di una pluralit? di N gradi di libert? controllabili, siano comandati da rispettivi movimenti del dispositivo master (110), secondo un?architettura di controllo master-slave;

- un mezzo di comando (752) di transizioni di stato del sistema, azionabile dall?operatore;

- un?unit? di controllo operativamente collegata sia al dispositivo master (110) sia al dispositivo slave (740), sia a detto mezzo di comando (752) di transizioni di stato del sistema, configurata per controllare il sistema (700) in modo da eseguire un metodo di comando del sistema robotico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-16.

18. Sistema secondo la rivendicazione 17, in cui detto mezzo di comando di transizioni di stato comprende un bottone di comando, o un pedale di comando, che pu? essere premuto e/o mantenuto premuto e/o rilasciato dall?operatore, ed in cui il secondo stato di teleoperazione limitata viene attivato, durante la teleoperazione, mantenendo premuto detto bottone di comando, e viene disattivato rilasciando detto bottone di comando.

19. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 17 o 18, in cui il sistema ? un sistema robotico per micro-chirurgia teleoperata, ed in cui detto strumento chirurgico del dispositivo slave ? uno strumento microchirurgico.