• attuazione a bordo
• meccanismi di attuazione
• meccanismo differenziale
• chirurgia endoscopica
• manipolatori robotici

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è la progettazione meccanica della porzione distale di una piattaforma endoscopica robotizzata per operazioni chirurgiche TEM. La TEM (transanal endoscopic microsurgery) prevede l’accesso attraverso l’orifizio anale per la cura di lesioni situate nel tratto iniziale del retto. L’idea del progetto deriva dal dispositivo proposto in un brevetto universitario, che descrive una piattaforma bimanuale ancorabile tramite supporto rigido a qualsiasi endoscopio commerciale, in grado di eseguire task chirurgici quali manipolazione, dissezione e rimozione dei tessuti in difetto.
L'idea di base è di inserire il complesso endoscopio flessibile-piattaforma bimanuale attraverso l'orifizio anale, in accordo alle procedure TEM, e di utilizzare l'endoscopio per guidare la piattaforma robotica sino al target anatomico. L'utilizzo di una piattaforma ancorata all’endoscopio consente di incrementare le possibilità di esplorazione della cavità interna del paziente. La piattaforma robotica in punta all’endoscopio consente di avere gradi di libertà interni e giunti articolati in prossimità del sito da operare, facilitando l’esecuzione dei vari task chirurgici. L'endoscopio flessibile è una tecnologia già disponibile negli ambienti clinici pertanto è possibile abbassare i costi complessivi nella realizzazione del dispositivo.
Considerando le caratteristiche evidenziate dal brevetto e i limiti della strumentazione attuale per procedure TEM sono state definite le specifiche di progettazione. La piattaforma robotica è caratterizzata da 2 bracci robotici, entrambi con catena cinematica seriale antropomorfa a 6 gradi di libertà, a cui va aggiunto 1 grado di libertà dell’end-effector: Deployment-Spalla 2 gradi di libertà, Gomito 2 gradi di libertà, Polso 2 gradi di libertà+1 grado di libertà per l’end-effector.
La piattaforma bimanuale ha un diametro di 40 millimetri, massima apertura dell'orifizio anale, prevede una configurazione con endoscopio centrale, i bracci robotici hanno a disposizione un diametro di 29 millimetri, 14.5 millimetri ciascuno, devono avere una lunghezza ≤ 60 millimetri e devono sviluppare forze in punta fino a 1.5 Newton, in modo da garantire la manipolazione dei tessuti.
I bracci robotici sono caratterizzati da una struttura soft-rigida, infatti, utilizzano un’attuazione di tipo fluidico per i movimenti di Deployment e Spalla, mentre Gomito e Polso sono azionati con motori a bordo, muniti di sensori, in modo da garantire un controllo in retroazione per una precisa orientazione nel workspace.
Il presente lavoro di tesi si focalizza sulla progettazione meccanica della porzione distale, quindi di Gomito e Polso, mentre i gradi di libertà prossimali sono stati sviluppati precedentemente con un sistema di attuazione pneumatica.
Date le specifiche molto restrittive, in relazione alle tecnologie attualmente disponibili, è stata privilegiata una soluzione che rispetti in primo luogo le dimensioni prefissate, in modo da garantire un’applicabilità del dispositivo in ambito clinico. Lo scopo è stato quello di definire una struttura funzionale realizzata con elementi commercialmente disponibili, che possa al meglio rispettare i requisiti necessari alla procedura chirurgica, in termini di dimensioni e di forza.
Definite le specifiche, è stato scelto come meccanismo di attuazione per i movimenti di Gomito e Polso, il meccanismo differenziale che consente di sfruttare al meglio gli spazi a disposizione assicurando i gradi di libertà e le forze richieste. Sono quindi state disegnate le varie componenti per la realizzazione del differenziale, ed è stato studiato un criterio montaggio ed una struttura in modo da ottimizzarne l'efficienza. Sono state effettuate una serie di valutazoini strutturali e sulla resistenza delle componenti. È stato progettato un sistema di posizionamento mirato a garantire il miglior accoppiamento tra gli ingranaggi conici del differenziale in modo da non inficiare eccessivamente sulla coppia trasmessa. Parallelamente è stata effettuata un panoramica sui motori elettrici rotazionali e i relativi riduttori da accoppiarvi, disponibili in commercio e sono stati selezionati i dispositivi che meglio rispecchiavano i requisiti desiderati, ovvero un buon compromesso tra diametro e lunghezza ridotti e alta coppia d’uscita, in modo da rispettare i vincoli dimensionali e allo stesso tempo garantire le forze necessarie per l’applicazione. Inizialmente è stata studiata una configurazione della piattaforma robotica con l'endoscopio centrale e bracci robotici, laterali e paralleli, e sono dunque stati disegnati i primi prototipi, individuandone punti di forza e punti deboli. La configurazione a endoscopio centrale assicura una certa simmetria alla struttura che permette la triangolazione degli strumenti, ovvero la convergenza, nel campo dell'ottica, degli strumenti operativi e del bersaglio, che in tal modo disegnano un triangolo ideale. Successivamente è stata analizzata la possibilità di privilegiare in termini di forza e dimensioni il braccio robotico della pinza, montandovi motori più potenti ma più ingombranti, e contemporaneamente ridurre il numero di gradi di libertà e dimensioni del braccio robotico del cauterizzatore, in modo da assicurare l’integrazione dei bracci sulla piattaforma nei limiti dimensionali prefissati. Sono stati disegnati diversi prototipi per la realizzazione del braccio robotico del cauterizzatore e della pinza, differenti per gradi di libertà, per struttura, per meccanismo di attuazione e per le forze massime esercitabili in punta. È stato realizzato un database con le diverse soluzioni proposte. Il presente lavoro di tesi è stato rivolto, più che alla realizzazione di un singolo prototipo, alla creazione di soluzioni utilizzabili a seconda dell’ambito di applicazione. Questo permette di impiegare le risorse economiche disponibili in futuro alla realizzazione di una specifica configurazione, in accordo con la componente medica. Il design dei meccanismi di attuazione è stato curato nel dettaglio definendo, durante la progettazione, tutti gli elementi necessari alla loro effettiva costruzione. Ogni componente dei diversi meccanismi è stata progettata tenendo conto delle effettive possibilità di fabbricazione e della disponibilità in commercio. Sono state definite lavorazioni specifiche su ogni pezzo in modo funzionale alla costruzione dei manipolatori e sono state fornite diverse soluzioni in modo da risolvere preventivamente alcuni delle problematiche comuni durante l'assemblaggio.