Experiencias en el desarrollo de una aplicación robótica con control de fuerza para taladrado de huesos

Abstract

[EN] In computer assisted orthopedic surgery (CAOS), bone drilling performed during long bone fracture repair (in order to stabilize it with plates, screws, or pins) is a complex task that requires a high accuracy while avoiding excessive heating of the bone tissue. Previous work on robot-assisted surgery has mainly used industrial robots (Robodoc, Caspar, Crigos) adapted for surgical environments in order to enhance surgeon capabilities and provide safety and accuracy in performing surgical tasks. The bone drilling process control should take into account several aspects such as bone heating, cutting speed, feed rate and applied forces and torques. The development of control algorithms that allow to correctly perform a bone drilling task by using a robot, while guaranteeing that the related parameters, previously mentioned, take optimal values under surgeon control, should be very useful. However, the control architecture of most industrial robots is a closed one, preventing the implementation of external algorithms based on multisensorial feedback (vision, force) for task control. In this paper we present the design and implementation of a control architecture "build on top" of the existing controller platform of a Staubli robot, that allows for the implementation of force feedback control algorithms suitable for controlling bone drilling tasks. Force feedback is used to provide precision and safety during the bone drilling process. The on-line measured forces and torques are used as input to modify the drilling feed rate and to guarantee that force-defined thresholds are not exceeded during the drilling process. Initial experimental results are obtained under laboratory conditions with a manipulating robot equipped with a force/torque sensor attached to the wrist and a surgical tool (a drill) placed below the force sensor.

[ES] En los sistemas de cirugía ortopédica asistida por ordenador (CAOS), el taladrado del hueso en la reparación de fracturas de huesos largos (para estabilizarlos con placas, clavos o tornillos) es una tarea compleja que el cirujano debe realizar con gran precisión, evitando el calentamiento excesivo del tejido óseo. En la cirugía asistida por robots, se han utilizado principalmente robots industriales (Robodoc, Caspar, Crigos) adaptados a ambientes quirúrgicos para ayudar al cirujano en esta tarea. En esta tarea de taladrado de huesos es necesario tener en cuenta varios factores: temperatura del hueso, velocidades de giro y avance de la herramienta de taladrado y fuerzas y pares que actúan sobre el hueso durante su taladrado. Es fundamental el desarrollo de algoritmos de control del robot manipulador para garantizar que las distintas variables que intervienen en el proceso de taladrado tomen los valores adecuados, bajo el control del cirujano, y así lograr una mayor calidad y precisión en la tarea quirúrgica de taladrado del hueso. Desafortunadamente, la mayoría de los robots industriales tienen una arquitectura de control propietaria que impide una fácil implantación de algoritmos de control externos basados en realimentación multisensorial (visión, fuerza). En este artículo se presenta el diseño de una arquitectura de control distribuido y abierto, que se ha implantado sobre el controlador de un robot Staubli. En ella se ha desarrollado una estrategia de control basada en realimentación de fuerza, que permite al cirujano realizar la tarea quirúrgica de taladrado del hueso con elevada precisión. Durante el taladrado con el robot, las fuerzas y pares que actúan sobre el hueso son medidos y utilizados para controlar la velocidad de avance de la herramienta de taladrado, y para controlar la fuerza aplicada al hueso. Se han obtenido resultados experimentales en condiciones de laboratorio con el manipulador equipado con un sensor de fuerza/par y una herramienta para taladrado quirúrgico.