SSD: ING-IND/34
CFU: 9
Insegnamenti propedeutici (se previsti dall'Ordinamento del CdS)
Foundations of Robotics.
Eventuali prerequisiti
Conoscenze di base sulle tecniche di programmazione; conoscenze di base sui sistemi di controllo a ciclo chiuso.
Obiettivi formativi
Il corso di Robotica Medica si pone l’obiettivo di fornire le nozioni e le basi di progettazione, realizzazione e controllo di sistemi robotici per applicazioni mediche (e.g., in chirurgia e riabilitazione). Oltre all’utilizzo di metodi per la modellazione e il controllo di sistemi robotici costituiti da catene cinematiche rigide, come alcuni robot manipolatori attualmente utilizzati in chirurgia e riabilitazione, saranno forniti metodi teorici per la modellazione e il controllo di sistemi che prevedono parti soffici integrate nella struttura o strutture completamente soffici, robot capaci di riconfigurarsi e adattarsi all’ambiente, nonché robot indossabili come protesi ed esoscheletri. Attraverso applicazioni pratiche delle conoscenze acquisite mediante l’utilizzo di simulatori per casi studio, saranno fornite conoscenze di base dei software più comuni usati per la programmazione di robot.
Risultati di apprendimento attesi
Conoscenza e capacità di comprensione
Lo studente deve dimostrare di conoscere i sistemi robotici attualmente utilizzati in chirurgia e riabilitazione, in particolare la struttura meccanica e le sue caratteristiche, i tipici sistemi di controllo e i software utilizzati per la programmazione. Lo studente deve dimostrare di conoscere le problematiche relative all’interazione paziente/robot-medico/robot e i conseguenti requisiti necessari al corretto ed efficace funzionamento dei sistemi robotici. Lo studente deve dimostrare di aver acquisito le tecniche di modellazione e controllo di sistemi robotici caratterizzati da strutture soft che interagiscono in stretto contatto fisico con l’essere umano, includendo i sistemi mininvasivi per la chirurgica e i sistemi indossabili per la riabilitazione.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente deve dimostrare di saper progettare un sistema di controllo, scelto tra i sistemi classici studiati, per adattarlo ad una particolare applicazione medica utilizzando uno dei sistemi robotici più diffusi in chirurgia e/o in riabilitazione (come il da Vinci, il KUKA etc). Lo studente deve essere in grado di saper implementare tale sistema di controllo utilizzando strumenti di simulazione forniti durante il corso. A tal fine, lo studente deve dimostrare di saper utilizzare strumenti software tipicamente utilizzati in robotica (tra cui ROS, Gazebo, Matlab/Simulink, C++, Python, CoppeliaSim). Inoltre, lo studente deve dimostrare di avere conoscenza di base di tipici strumenti open-source di prototipazione rapida, elettronica e stampa 3D.
Programma - Syllabus
- Introduzione alla robotica medica.
- Classificazione di robot chirurgici e applicazioni.
- Controllo dell’interazione (controllo di impedenza e forza; controllo di impedenza variabile, gestione della priorità di più task in manipolatori ridondanti).
- Teleoperazione unilaterale e bilaterale: passività e stabilità.
- Interfacce aptiche.
- Controllo condiviso e semi-autonomo.
- Sistema robotico da Vinci e da Vinci Research Kit (cinematica, dinamica, architettura di controllo, software per il controllo).
- Esercitazioni sul sistema da Vinci Research Kit.
- Esempi di tecniche di apprendimento applicate al controllo di robot per applicazioni chirurgiche.
- Introduzione all’impiego di robot continui e snake-like alla chirurgia robotica.
- Modellazione di meccanismi continui.
- Controllo della interazione e della locomozione di robot continui iper-ridondanti.
- Introduzione alla robotica soft.
- Modellazione di robot soft.
- Controllo di robot soft.
- Introduzione alla robotica riabilitativa e alla robotica per assistenza.
- Esercitazioni sul robot KUKA MED.
- Materiali e metodi per la misura di segnali fisiologici (EMG, EEG, ECoG, eye tracking).
- Esoscheletri e robotica indossabile: principi costruttivi e strategie di controllo.
- Attuatori ad impedenza variabile.
- Protesi robotiche: mani e gambe robotiche.
- Principi di controllo della locomozione.
- Progetto meccanico di mani robotiche, modellazione, sensoristica e attuazione.
- Esercitazioni sulla PRISMA Hand II.
- Controllo della presa e della manipolazione.
- Esempi di tecniche di apprendimento applicate alla manipolazione e alla locomozione.
Materiale didattico
Si veda il sito web del docente della materia.
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
Il docente utilizzerà: a) lezioni frontali per circa il 70% delle ore totali, b) esercitazioni in aula mediante l’utilizzo
di strumenti di simulazione di robot noti per la chirurgia e la riabilitazione, basati su ROS, Gazebo e CoppeliaSim, c) 3/4 seminari di 2 ore tenuti da medici, ricercatori robotici e rappresentanti dell’industria di robot medicali.
Verifica di apprendimento e criteri di valutazione
Modalità di esame
L'esame si articola in prova solo orale e discussione di elaborato progettuale. In caso di prova scritta i quesiti sono: a risposta libera.
L’elaborato in simulazione deve essere consegnato al docente una settimana prima della prova orale e poi discusso all’orale mediante una presentazione dei risultati ottenuti. L’elaborato ha l’obiettivo di verificare la capacità dello studente di progettare semplici algoritmi di controllo per applicazioni di robotica medica (a scelta chirurgica o riabilitativa), utilizzando uno dei simulatori (a scelta dello studente), basati su ROS, Gazebo e CoppeliaSim, i quali sono stati introdotti e utilizzati durante le esercitazioni del corso. Il colloquio orale segue la discussione dell’elaborato ed è rivolto ad una discussione critica della/e soluzione/i data/e dallo studente ai problemi proposti nell’elaborato in simulazione, ed all’accertamento dell’acquisizione dei concetti e dei contenuti introdotti durante le lezioni.