Ingegneria Biomedica

Tipologia

Attività formative affini o integrative

SSD

ING-INF/04

Anno

N/D

Semestre

N/D

CFU

3

Distribuzione delle ore

30 classroom hours

Docenti

MARILENA VENDITTELLI
MARILENA VENDITTELLI

Tipologia

Attività formative affini o integrative

SSD

ING-INF/04

Anno

N/D

Semestre

N/D

CFU

3

Distribuzione delle ore

30 classroom hours

Docenti

MARILENA VENDITTELLI

Fornire un’introduzione e una panoramica sull’uso delle tecnologie robotiche nell’ambito medico, con particolare riferimento alla chirurgia assistita.

Lo studente conoscerà i principali sistemi di chirurgia assistita da robot, delle problematiche inerenti alla progettazione di robot medicali e al loro controllo.
Lo studente sarà in grado di:
• leggere criticamente articoli che descrivano le principali tecnologie coinvolte nella robotica medica;
• discutere dettagliatamente lo stato dell'arte delle applicazioni robotiche in medicina;
• stimare i potenziali benefici derivanti dall'introduzione di tecniche robotiche in una procedura medica;
• argomentare sullo sviluppo di una particolare tecnologia non ancora esistente o non ancora sperimentata;
• comunicare e collaborare con persone di diversa formazione tecnica;
• valutare i vincoli clinici, sociali ed economici nella implementazione di una tecnologia robotica in un settore medico;
• progettare schemi di controllo per la teleoperazione di robot medicali e per l’esecuzione di compiti condivisi tra umani e robot.

Modulo 1
Obiettivi generali
Fornire strumenti di base per la modellistica e il controllo dei sistemi robotici per applicazioni industriali, di servizio e medicali.

Obiettivi specifici

Conoscenza e comprensione:
Lo studente apprenderà il funzionamento dei componenti di attuazione e sensoriali dei robot, i metodi di base per la modellistica, l'analisi e il controllo cinematico di manipolatori robotici, gli algoritmi di controllo del moto.

Applicare conoscenza e comprensione:
Lo studente sarà in grado di analizzare le strutture cinematiche di manipolatori seriali e di progettare algoritmi per il controllo del moto e l’esecuzione di compiti assegnati.

Capacità critiche e di giudizio:
Lo studente sarà in grado di individuare le caratteristiche funzionali di un sistema robotico con riferimento al tipo di compito, prevalentemente di interesse per applicazioni mediche, di analizzarne la complessità di realizzazione, le possibili prestazioni e le eventuali criticità.

Capacità comunicative:
Il corso mette in grado lo studente di presentare le principali problematiche applicative e le soluzioni tecniche riguardanti l'impiego dei robot.

Capacità di apprendimento:
Il corso mira a creare attitudini di apprendimento autonomo orientate all'analisi e alla soluzione di problemi connessi all'uso dei robot.

Modulo 2
Obiettivi generali

Fornire un’introduzione e una panoramica sull’uso delle tecnologie robotiche nell’ambito medico, con particolare riferimento alla chirurgia assistita.
Lo/a studente conoscerà i principali sistemi di chirurgia assistita da robot, delle problematiche inerenti alla progettazione di robot medicali e al loro controllo.

Obiettivi specifici

Conoscenza e comprensione:
Lo/a studente imparerà: a leggere criticamente articoli che descrivono le principali tecnologie coinvolte nella robotica medica; discutere in dettaglio lo stato dell'arte delle applicazioni robotiche in medicina; a conoscere le metodologie per la modellistica e il controllo di robot necessarie allo sviluppo di sistemi robotici medicali.

Applicare conoscenza e comprensione:
Lo/a studente saprà affrontare la progettazione di nuove tecnologie robotiche per applicazioni medicali. In particolare, sarà in grado di sviluppare modelli cinematici di robot medicali, analizzare e progettare architetture funzionali e di controllo per l’esecuzione di procedure chirurgiche assistite da robot.

Capacità critiche e di giudizio:
Lo/a studente saprà stimare i potenziali benefici derivanti dall'introduzione di tecniche robotiche in una procedura medica e di valutare i vincoli clinici, legali, sociali ed economici nella implementazione di una tecnologia robotica in un settore medico.

Abilità comunicative:
Lo/a studente imparerà a comunicare e collaborare con persone di diversa formazione per la definizione di obiettivi e vincoli nel progetto di robot medicali basati su bisogni clinici.

Capacità di apprendimento:
Lo/a studente sarà in grado di apprendere autonomamente nuovi concetti utili alla progettazione e sviluppo di nuove tecnologie per applicazioni medicali.

Modulo 1
• Controllo di sistemi dinamici lineari
• Meccanica di base
• Nozioni di base di programmazione

Modulo 2
• Controllo di sistemi dinamici lineari
• Meccanica di base
• Nozioni di base di programmazione
• Cinematica dei robot manipolatori e controllo cinematico

Modulo 1
Cinematica dei manipolatori: rappresentazioni dell'orientamento di un corpo rigido; cinematica diretta e inversa; cinematica differenziale: Jacobiano analitico e Jacobiano geometrico.
Statica: trasformazioni di forze.
Controllo: architetture di controllo; controllo cinematico (nello spazio dei giunti e del compito); controllo indipendente ai giunti.

Modulo 2
Introduzione: sommario del corso e prospettiva storica; analisi delle principali funzioni chirurgiche: il punto di vista ingegneristico; descrizione di alto livello dei principali sistemi chirurgici assistiti da robot.
Classificazione dei sistemi chirurgici assistiti da robot.
Cinematica dei robot usati in chirurgia.
Controllo: controllo di sistemi semi-autonomi; controllo con vincoli imposti dalle tecniche di chirurgia mininvasiva; teleoperazione; controllo cooperativo e sistemi “hands-on”; "fixture" virtuali per il controllo condiviso.
Metodi di registrazione robotica.
Analisi dei sistemi chirurgici in uso: il sistema chirurgico da Vinci; il sistema Cyberknife per la radiochirurgia; il robot Acrobot per la chirurgia ortopedica; il sistema Robodoc per la chirurgia ortopedica; prototipi di ricerca.
Casi di studio.

Modulo 1
B. Siciliano, L. Villani, G. Oriolo, A. De Luca
Foundations of Robotics, Springer, September 2025

Modulo 2
Materiale didattico fornito dalla docente.

Modulo: MODULO II
N/D
Modulo: MODULO I
N/D

- Lesioni frontali
- Esercitazioni numeriche
- Sessioni pratiche, con sperimentazione di prototipi di ricerca

Non obbligatoria

Due modalità alternative:
- Esame scritto e orale
- Progetto (per l’assegnazione di un progetto è necessario svolgere due homework)

Testi d'esame selezionati: https://elearning.uniroma1.it/course/section.php?id=116145

• Introduzione al corso e organizzazione [2 ore]
  • Testi di riferimento: B. Siciliano, L. Villani, G. Oriolo, A. De LucaFoundations of Robotics, Springer, September 2025


• Cinematica dei manipolatori: rappresentazioni dell'orientamento di un corpo rigido [4 ore]
  • Testi di riferimento: B. Siciliano, L. Villani, G. Oriolo, A. De LucaFoundations of Robotics, Springer, September 2025


• Cinematica dei manipolatori: cinematica diretta [4 ore]
  • Testi di riferimento: B. Siciliano, L. Villani, G. Oriolo, A. De LucaFoundations of Robotics, Springer, September 2025


• Cinematica dei manipolatori: inversa [4 ore] 
  • Testi di riferimento: B. Siciliano, L. Villani, G. Oriolo, A. De LucaFoundations of Robotics, Springer, September 2025


• cinematica differenziale: Jacobiano analitico e Jacobiano geometrico [6 ore]
  • Testi di riferimento: B. Siciliano, L. Villani, G. Oriolo, A. De LucaFoundations of Robotics, Springer, September 2025


• Statica: trasformazioni di forze [2 ore]
  • Testi di riferimento: B. Siciliano, L. Villani, G. Oriolo, A. De LucaFoundations of Robotics, Springer, September 2025


• Architetture di controllo [4 ore]
  • Testi di riferimento: B. Siciliano, L. Villani, G. Oriolo, A. De LucaFoundations of Robotics, Springer, September 2025


• Controllo cinematico (nello spazio dei giunti e del compito) [4 ore] 
  • Testi di riferimento: B. Siciliano, L. Villani, G. Oriolo, A. De LucaFoundations of Robotics, Springer, September 2025


• Panoramica sull’evoluzione della robotica chirurgica [2 ore]
  • Testi di riferimento: Materiale didattico fornito dalla docente


• Analisi delle principali funzioni chirurgiche e delle loro controparti robotiche [4 ore]
  • Testi di riferimento: Materiale didattico fornito dalla docente


• Classificazione dei sistemi robotici chirurgici [2 ore]
  • Testi di riferimento: Materiale didattico fornito dalla docente


• Progettazione cinematica dei robot chirurgici [4 ore]
  • Testi di riferimento: Materiale didattico fornito dalla docente


• Controllo dei sistemi robotici chirurgici: controllo della forza di interazione per robot medicali [3 ore]
  • Testi di riferimento: Materiale didattico fornito dalla docente


• Controllo dei sistemi robotici chirurgici: teleoperazione [2 ore]
  • Testi di riferimento: Materiale didattico fornito dalla docente


• Controllo dei sistemi robotici chirurgici: sistemi cooperativi o “hands-on” [3 ore]
  • Testi di riferimento: Materiale didattico fornito dalla docente


• Controllo dei sistemi robotici chirurgici: vincoli virtuali (“virtual fixtures”) per il controllo cooperativo [3 ore]
  • Testi di riferimento: Materiale didattico fornito dalla docente


• Registrazione robotica [2 ore]
  • Testi di riferimento: Materiale didattico fornito dalla docente


• Il sistema chirurgico da Vinci [2 ore]
  • Testi di riferimento: Materiale didattico fornito dalla docente


• Casi di studio (possono variare di anno in anno): sistema robotico per ipertermia superficiale; simulatore del sistema di chirurgia robotica da Vinci. [3 ore]
  • Testi di riferimento: Materiale didattico fornito dalla docente