Safety in Automated Surgery with the da Vinci Robot

Sikkerhed i Automatiseret Kirurgi med da Vinci Robotten

Lykkegaard, Christian Køcks ; Jakobsen, Britt Louise

4. term

Control and Automation, Master

2015

2015-06-03

92

Robotkirurgi er gennem de seneste årtier blevet standard inden for visse typer indgreb. Den gør det muligt at arbejde meget præcist med små ar og giver kirurgen et godt overblik over operationsfeltet. Samtidig udvikles der mere automatisering af robotværktøjerne, som kan aflaste kirurgen og øge præcisionen. Denne afhandling bidrager til den udvikling ved at fokusere på sikkerheden i automatiseret styring ved hjælp af barrierecertifikater – matematiske garantier for, at robotten ikke bevæger sig ind i farlige områder. Vi udvikler styresystemer til brug i robotkirurgi, herunder sikker bevægelse i 3D euklidisk rum (almindelig tredimensionel positionering) og kontrol med såkaldte virtuelle fiksturer omkring et bankende hjerte (softwaredefinerede "værn", der guider og begrænser bevægelsen). Sikkerheden sikres ved at opstille en matematisk barriere omkring områder, der betegnes som usikre, så værktøjet aldrig krydser denne grænse. Vi undersøger to tilgange: (1) design af sikkerhedsstyringer baseret på manuelt konstruerede kontrolbarrierefunktioner, og (2) analytisk verifikation af systemets sikkerhed ved hjælp af et softwareværktøj, der konstruerer certifikaterne. Denne verifikationsudvikling udgør en ramme, hvor ethvert system kan valideres i forhold til sine sikkerhedskrav. Controllerne er implementeret i C++ via ROS-rammeværket på en operationsrobot af første generation (da Vinci). Sikkerheden er verificeret for de udviklede styresystemer, hvilket viser, at barrierecertifikater er praktisk anvendelige i robotkirurgi.

Over the last few decades, robotic surgery has become standard for certain procedures. It enables highly precise work with minimal scarring and gives surgeons a clear view of the surgical site. At the same time, more automation is being added to robotic tools to support surgeons and increase precision. This thesis advances that development by focusing on the safety of automated control using barrier certificates—mathematical guarantees that the robot will not enter unsafe regions. We design control systems for surgical use, including safe motion in 3D Euclidean space (ordinary three-dimensional positioning) and control with so-called virtual fixtures around a beating heart (software-defined guards that guide and limit motion). Safety is enforced by constructing a mathematical barrier around areas labeled unsafe, ensuring the tool never crosses that boundary. We pursue two approaches: (1) designing safety controllers based on manually crafted control barrier functions, and (2) analytically verifying system safety with a software tool that constructs the certificates. This verification work forms a framework in which any system can be validated against its safety requirements. The controllers are implemented in C++ using the ROS framework on a first-generation da Vinci surgical robot. Safety is verified for the developed control systems, demonstrating that barrier certificates are practical for surgical robotics.

[This abstract was generated with the help of AI]

da Vinci ; operation ; robot ; automatisering ; sikkerhed ; SOSTOOLS ; barriere certifikat ; CBF ; Putinar ; Sum of Squares

Download
View record in AAU Student Projects