ETD

• End-effector
• Haptic feedback
• Robotic Minimally Invasive Surgery
• Sacrocolpopexy
• Teleoperation
• Virtual fixtures

This thesis presents a bilateral teleoperation framework for robot-assisted surgical training, focusing on the sacrocolpopexy procedure. The system integrates a Franka Emika manipulator equipped with a force/torque sensor, a Geomagic Touch haptic device, a wearable cutaneous feedback device (W-FYD AIR) for softness rendering, and a realistic anatomical pelvic simulator. During an initial autonomous exploration phase, the robot performs vertical indentations on the simulator while a neural network classifies each probed point according to the corresponding tissue type, grouping the points into safe and unsafe regions to construct a body map. Through spatial filtering, DBSCAN clustering, and reconstruction of unsafe anatomical surfaces using Alpha Shapes, Virtual Fixtures are generated and employed during teleoperation to discourage the robot from entering anatomical regions whose accidental contact could result in severe damage in real clinical scenarios. Two feedback modalities were experimentally compared: kinesthetic force feedback, rendered through the Geomagic Touch and stabilized using Time-Domain Passivity Control (TDPC), and cutaneous feedback, provided by the W-FYD AIR, which is intrinsically stable. The experimental results demonstrate that both approaches are viable solutions for enabling effective telepalpation. Finally, to facilitate the deployment of the proposed framework in real-world surgical training environments, a new probing end-effector featuring a slimmer profile and integrating a more compact force/torque sensor was designed.

Questa tesi presenta un framework di teleoperazione bilaterale per l'addestramento chirurgico robot-assistito, con particolare attenzione alla procedura di sacrocolpopessi. Il sistema integra un manipolatore Franka Emika dotato di un sensore di forza/coppia, un dispositivo aptico Geomagic Touch, un dispositivo cutaneo indossabile (W-FYD AIR) per il rendering della softness, e un simulatore anatomico pelvico realistico. Durante una fase iniziale di esplorazione autonoma, il robot esegue indentazioni verticali sul simulatore mentre una rete neurale classifica ogni punto sondato in base al tipo di tessuto corrispondente, raggruppando i punti in regioni sicure e non sicure per costruire una mappa corporea. Attraverso il filtraggio spaziale, il clustering DBSCAN e la ricostruzione delle superfici anatomiche a rischio mediante Alpha Shapes, vengono generate delle Virtual Fixtures, impiegate durante la teleoperazione per scoraggiare il robot dall'entrare in regioni anatomiche il cui contatto accidentale potrebbe causare danni gravi in scenari clinici reali. Sono state confrontate sperimentalmente due modalità di feedback: il feedback di forza cinestetico, reso tramite il Geomagic Touch e stabilizzato mediante Time-Domain Passivity Control (TDPC), e il feedback cutaneo, fornito dal W-FYD AIR, intrinsecamente stabile. I risultati sperimentali dimostrano che entrambi gli approcci rappresentano soluzioni valide per consentire una telepalpazione efficace. Infine, per favorire l'impiego del framework proposto in contesti reali di addestramento chirurgico, è stato progettato un nuovo end-effector di probing, caratterizzato da un profilo più sottile e dall'integrazione di un sensore di forza/coppia più compatto.