Strumento laparoscopico sensorizzato per la manipolazione robotica mediante controllo di impedenza in forza

La chirurgia minimamente invasiva riduce l'entità delle incisioni e il trauma tissutale; tuttavia, l'impiego di strumenti laparoscopici introduce vincoli ergonomici, effetto fulcro e perdita del feedback tattile diretto sulla forza applicata ai tessuti. In tale contesto, la disponibilità di misure di forza/coppia e di strategie di controllo dell'interazione può contribuire ad aumentare la sicurezza, la controllabilità e la ripetibilità delle procedure di contatto. A partire da queste premesse, il presente lavoro di tesi affronta la progettazione e la realizzazione di uno strumento laparoscopico sensorizzato basato sull'utensile chirurgico manuale Medtronic Endo Dissect e sul sensore di forza/coppia a sei assi Resense HEX10, destinato alla manipolazione robotica in controllo di impedenza cartesiano su un manipolatore KUKA LWR 4+. L'integrazione meccanica tra sensore e strumento è stata condotta mediante reverse engineering geometrico-funzionale dell'utensile in commercio e prototipazione additiva, al fine di preservarne il cinematismo originario. A livello software, è stata sviluppata in ambiente ROS Noetic una pipeline per l’acquisizione seriale del wrench e per il filtraggio del segnale mediante una catena a due stadi, composta da un filtro mediano per la soppressione degli spike impulsivi e da un successivo filtro a media mobile esponenziale (EMA) per l’attenuazione del rumore regolare. La pipeline include inoltre la compensazione in tempo reale degli offset di misura del sensore e del contributo gravitazionale della massa a valle del sensore, come adattatore e parte terminale dell’utensile laparoscopico. In questo modo, si ottiene un wrench di contatto più stabile e utilizzabile come variabile di controllo. È stata inoltre implementata una logica di controllo di impedenza cartesiana operante a 500 Hz, basata su una macchina a stati finiti e corredata da protezioni di sicurezza. Le attività condotte hanno permesso di validare quantitativamente il prototipo meccanico, verificandone la compatibilità dimensionale, la rigidità strutturale e la conservazione del cinematismo originario dello strumento. La pipeline di acquisizione e condizionamento del segnale, la procedura di calibrazione gravimetrica e la logica di controllo di impedenza, con le relative transizioni della macchina a stati, sono state sottoposte a una campagna di verifiche qualitative, condotta attraverso l'analisi dei log di esecuzione registrati durante prove e sessioni esplorative di contatto a bassa e alta forza. La caratterizzazione quantitativa dell'intera catena di misura e la validazione sperimentale del sistema integrato in scenari di contatto controllato in forza costituiscono l'evoluzione naturale del presente lavoro e sono previste come attività prioritarie negli sviluppi futuri.