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Actuation and Control Strategies for Miniature Robotic Surgical Systems / Stevens, Jason M. in Transactions of the ASME . Journal of dynamic systems, measurement, and control, Vol. 127 N° 4 (Décembre 2005) 

Public ISBD [article]  in Transactions of the ASME . Journal of dynamic systems, measurement, and control > Vol. 127 N° 4 (Décembre 2005) . - 537-549 p. Titre : Actuation and Control Strategies for Miniature Robotic Surgical Systems Titre original : Stratégies de Mise en Action et de Commande pour les Systèmes Chirurgicaux Robotiques Miniatures Type de document : texte imprimé Auteurs : Stevens, Jason M., Auteur ; Buckner, Gregory D., Auteur Article en page(s) : 537-549 p. Note générale : Génie Mécanique Langues : Anglais (eng) Mots-clés : Chirurgie  cardiaque  Robotique  Vision  tridimensionnelle  Système  robotique  Manipulateur  chirurgical  Réseau  neurologique  artificiel  Rétroaction  visuelle  Déclancheur  Système  robotique  chirurgical  miniature Index. décimale : 629.8 Résumé : During the past 20 years, tremendous advancements have been made in the fields of minimally invasive surgery (MIS) and minimally invasive, robotically assisted (MIRA) cardiac surgery. Benefits from MIS include reduced pain and trauma, reduced risks of post-operative complications, shorter recovery times, and more aesthetically pleasing results. MIRA approaches have extended the capabilities of MIS by introducing three-dimensional vision, eliminating hand tremors, and enabling the precise articulation of smaller instruments. These advancements come with their own drawbacks, however. Robotic systems used in MIRA cardiac procedures are large, costly, and do not offer the miniaturized articulation necessary to facilitate tremendous advancements in MIS. This paper demonstrates that miniature actuation can overcome some of the limitations of current robotic systems by providing accurate, repeatable control of a small end effector. A 10× model of a two link surgical manipulator is developed, using antagonistic shape memory alloy wires as actuators, to simulate motions of a surgical end-effector. Artificial neural networks are used in conjunction with real-time visual feedback to "learn" the inverse system dynamics and control the manipulator endpoint trajectory. Experimental results are presented for indirect, on-line learning and control. Manipulator tip trajectories are shown to be accurate and repeatable to within 0.5 mm. These results confirm that SMAs can be effective actuators for miniature surgical robotic systems, and that intelligent control can be used to accurately control the trajectory of these systems. Pendant les 20 dernières années, des avancements énormes ont été faits dans les domaines de la chirurgie d'une façon minimum invahissante (mis) et d'une façon minimum (MIRA) de la chirurgie cardiaque invahissante et robotically aidée. Les avantages du mis incluent la douleur et le trauma réduit, les risques réduits des complications postopératoires, les temps plus courts de rétablissement, et les résultats plus esthétiquement de satisfaction. Les approches de MIRA ont prolongé les possibilités du mis en présentant la vision tridimensionnelle, en éliminant des tremblements de main, et en permettant l'articulation précise de plus petits instruments. Ces avancements viennent avec leurs propres inconvénients, cependant. Les systèmes robotiques utilisés dans des procédures cardiaques de MIRA sont grands, coûteux, et n'offrent pas l'articulation miniaturisée nécessaire pour faciliter les avancements énormes dans le mis. Cet article démontre que la mise en action miniature peut surmonter certaines des limitations des systèmes robotiques courants en fournissant la commande précise et qu'on peut répéter d'un petit terminal. Un modèle 10× d'un manipulateur chirurgical de deux liens est développé, en utilisant les fils antagoniques d'alliage de mémoire de forme comme déclencheurs, pour simuler des mouvements d'un terminal chirurgical. Des réseaux neurologiques artificiels sont employés en même temps que la rétroaction visuelle en temps réel "apprennent" la dynamique inverse de système et commandent la trajectoire de point final de manipulateur. Des résultats expérimentaux sont présentés pour indirect, sur l'étude de ligne et la commande. La trajectoire de bout de manipulateur s'avèrent précise et qu'on peut répéter à à moins de 0.5 millimètre. Ces résultats confirment que SMAs peut être les déclencheurs efficaces pour les systèmes robotiques chirurgicaux miniatures, et que la commande intelligente peut être employée pour commander exactement la trajectoire de ces systèmes. En ligne : greg_buckner@ncsu.edu [article] Actuation and Control Strategies for Miniature Robotic Surgical Systems = Stratégies de Mise en Action et de Commande pour les Systèmes Chirurgicaux Robotiques Miniatures [texte imprimé] / Stevens, Jason M., Auteur ; Buckner, Gregory D., Auteur . - 537-549 p. Génie Mécanique Langues : Anglais (eng) in Transactions of the ASME . Journal of dynamic systems, measurement, and control > Vol. 127 N° 4 (Décembre 2005) . - 537-549 p. Mots-clés : Chirurgie  cardiaque  Robotique  Vision  tridimensionnelle  Système  robotique  Manipulateur  chirurgical  Réseau  neurologique  artificiel  Rétroaction  visuelle  Déclancheur  Système  robotique  chirurgical  miniature Index. décimale : 629.8 Résumé : During the past 20 years, tremendous advancements have been made in the fields of minimally invasive surgery (MIS) and minimally invasive, robotically assisted (MIRA) cardiac surgery. Benefits from MIS include reduced pain and trauma, reduced risks of post-operative complications, shorter recovery times, and more aesthetically pleasing results. MIRA approaches have extended the capabilities of MIS by introducing three-dimensional vision, eliminating hand tremors, and enabling the precise articulation of smaller instruments. These advancements come with their own drawbacks, however. Robotic systems used in MIRA cardiac procedures are large, costly, and do not offer the miniaturized articulation necessary to facilitate tremendous advancements in MIS. This paper demonstrates that miniature actuation can overcome some of the limitations of current robotic systems by providing accurate, repeatable control of a small end effector. A 10× model of a two link surgical manipulator is developed, using antagonistic shape memory alloy wires as actuators, to simulate motions of a surgical end-effector. Artificial neural networks are used in conjunction with real-time visual feedback to "learn" the inverse system dynamics and control the manipulator endpoint trajectory. Experimental results are presented for indirect, on-line learning and control. Manipulator tip trajectories are shown to be accurate and repeatable to within 0.5 mm. These results confirm that SMAs can be effective actuators for miniature surgical robotic systems, and that intelligent control can be used to accurately control the trajectory of these systems. Pendant les 20 dernières années, des avancements énormes ont été faits dans les domaines de la chirurgie d'une façon minimum invahissante (mis) et d'une façon minimum (MIRA) de la chirurgie cardiaque invahissante et robotically aidée. Les avantages du mis incluent la douleur et le trauma réduit, les risques réduits des complications postopératoires, les temps plus courts de rétablissement, et les résultats plus esthétiquement de satisfaction. Les approches de MIRA ont prolongé les possibilités du mis en présentant la vision tridimensionnelle, en éliminant des tremblements de main, et en permettant l'articulation précise de plus petits instruments. Ces avancements viennent avec leurs propres inconvénients, cependant. Les systèmes robotiques utilisés dans des procédures cardiaques de MIRA sont grands, coûteux, et n'offrent pas l'articulation miniaturisée nécessaire pour faciliter les avancements énormes dans le mis. Cet article démontre que la mise en action miniature peut surmonter certaines des limitations des systèmes robotiques courants en fournissant la commande précise et qu'on peut répéter d'un petit terminal. Un modèle 10× d'un manipulateur chirurgical de deux liens est développé, en utilisant les fils antagoniques d'alliage de mémoire de forme comme déclencheurs, pour simuler des mouvements d'un terminal chirurgical. Des réseaux neurologiques artificiels sont employés en même temps que la rétroaction visuelle en temps réel "apprennent" la dynamique inverse de système et commandent la trajectoire de point final de manipulateur. Des résultats expérimentaux sont présentés pour indirect, sur l'étude de ligne et la commande. La trajectoire de bout de manipulateur s'avèrent précise et qu'on peut répéter à à moins de 0.5 millimètre. Ces résultats confirment que SMAs peut être les déclencheurs efficaces pour les systèmes robotiques chirurgicaux miniatures, et que la commande intelligente peut être employée pour commander exactement la trajectoire de ces systèmes. En ligne : greg_buckner@ncsu.edu