<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Robot. AI</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Robotics and AI</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Robot. AI</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-9144</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">741807</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/frobt.2021.741807</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Robotics and AI</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>A Human Gesture Mapping Method to Control a Multi&#x2010;Functional Hand for Robot&#x2010;Assisted Laparoscopic Surgery: The MUSHA Case</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Ficuciello et&#x20;al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">A Mapping Method to Control the MUSHA Hand</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Ficuciello</surname>
<given-names>Fanny</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/943529/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Villani</surname>
<given-names>Alberto</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1323368/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Lisini Baldi</surname>
<given-names>Tommaso</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/897918/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Prattichizzo</surname>
<given-names>Domenico</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Department of Electrical Engineering and Information Technology, University of Naples Federico II</institution>, <addr-line>Napoli</addr-line>, <country>Italy</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Department of Information Engineering and Mathematics, University of Siena</institution>, <addr-line>Siena</addr-line>, <country>Italy</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<sup>3</sup>
<institution>Department of Advanced Robotics, Istituto Italiano di Tecnologia</institution>, <addr-line>Genova</addr-line>, <country>Italy</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/267225/overview">Ka-Wai Kwok</ext-link>, The University of Hong Kong, Hong Kong SAR, China</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/439315/overview">Antonia Tzemanaki</ext-link>, University of Bristol, United&#x20;Kingdom</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/816111/overview">Luigi Manfredi</ext-link>, University of Dundee, United&#x20;Kingdom</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Fanny Ficuciello, <email>fanny.ficuciello@unina.it</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Biomedical Robotics, a section of the journal Frontiers in Robotics and&#x20;AI</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>10</day>
<month>12</month>
<year>2021</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2021</year>
</pub-date>
<volume>8</volume>
<elocation-id>741807</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>15</day>
<month>07</month>
<year>2021</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>29</day>
<month>10</month>
<year>2021</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2021 Ficuciello, Villani, Lisini Baldi and Prattichizzo.</copyright-statement>
<copyright-year>2021</copyright-year>
<copyright-holder>Ficuciello, Villani, Lisini Baldi and Prattichizzo</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these&#x20;terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>This work presents a novel technique to control multi-functional hand for robot-assisted laparoscopic surgery. We tested the technique using the MUSHA multi-functional hand, a robot-aided minimally invasive surgery tool with more degrees of freedom than the standard commercial end-effector of the da Vinci robot. Extra degrees of freedom require the development of a proper control strategy to guarantee high performance and avoid an increasing complexity of control consoles. However, developing reliable control algorithms while reducing the control side&#x2019;s mechanical complexity is still an open challenge. In the proposed solution, we present a control strategy that projects the human hand motions into the robot actuation space. The human hand motions are tracked by a LeapMotion camera and mapped into the actuation space of the virtualized end-effector. The effectiveness of the proposed method was evaluated in a twofold manner. Firstly, we verified the Lyapunov stability of the algorithm, then an user study with 10 subjects assessed the intuitiveness and usability of the system.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>medical robot</kwd>
<kwd>surgical gripper</kwd>
<kwd>robotics</kwd>
<kwd>surgical robot</kwd>
<kwd>teleoperation</kwd>
</kwd-group>
<contract-sponsor id="cn001">Horizon 2020 <named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100007601</named-content>
</contract-sponsor>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>In minimally invasive surgery (MIS), surgical instruments are introduced into the patient&#x2019;s body through small incisions, this practice allows to reduce trauma. As scientific research has amply demonstrated, MIS offers several benefits such as reduced pain, limited post-operative course, and short patient recovery times (<xref ref-type="bibr" rid="B30">Perigli et&#x20;al., 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B34">Sood et&#x20;al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Hanley et&#x20;al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B6">Chadi et&#x20;al., 2020</xref>). On the other hand, 1) the surgeon loses dexterity due to the limited range of movement of the instruments and their limited number of degrees of freedom (DoFs), 2) there is a reduction of tactile sensations with a consequent risk of tissue damage, and 3) the hand-eye coordination decrease. Nowadays, according to <xref ref-type="bibr" rid="B40">Tonutti et&#x20;al. (2017)</xref>, such of these issues are addressed by the introduction of technology in surgical rooms. Indeed, robotics has proven to be a viable solution to mitigate the limitations associated with the MIS. Rapid advances in image systems and computer technologies have led to significant advances in robotics applied to medicine. Robot-assisted surgery is now a common practice for several surgical operations and will probably become the most exploited surgical procedure of the future (<xref ref-type="bibr" rid="B33">Song et&#x20;al., 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B29">Parisi et&#x20;al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Kulaylat et&#x20;al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B32">Sheetz et&#x20;al., 2020</xref>). In this context, the da Vinci robot (Intuitive Surgical Inc.) demonstrated effective recovery of hand-eye coordination and motion dexterity. Research done in the last decade has been focused on overcoming existing deficiencies of robotic surgery systems, e.g., lack of haptic feedback (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Okamura, 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B22">Manganelli et&#x20;al., 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Meli et&#x20;al., 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B26">Mohareri et&#x20;al., 2014</xref>), enhancement of system integration (<xref ref-type="bibr" rid="B11">Handini et&#x20;al., 2004</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B18">Leven et&#x20;al., 2005</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B38">Tak&#xe1;cs et&#x20;al., 2015</xref>), and combination of augmented reality navigation functionalities (<xref ref-type="bibr" rid="B35">Sugimoto et&#x20;al., 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B42">Yamamoto et&#x20;al., 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B37">Tabrizi and Mahvash, 2015</xref>). Other research and development activities aim to realize outstanding training systems, including the next generation of virtual reality simulators (<xref ref-type="bibr" rid="B41">Van der Meijden et&#x20;al., 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B9">Fontanelli et&#x20;al., 2018</xref>).</p>
<p>More than one thousand publications are available in literature discussing medical robots control approaches and surgeon side console (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Beasley, 2012</xref>). A bilateral control, with position-position architecture, is the standard approach to control short distance tele-robotic systems for surgery, according to <xref ref-type="bibr" rid="B27">Niemeyer and Slotine (1991)</xref>. For instance, in setups equipped with the da Vinci robot the position of the surgeon&#x2019;s hand is mapped into the position of the surgery tool and the foot-pedal enables a temporary disconnection between the two sides to reconfigure the control manipulator into a more comfortable and ergonomic pose. For some applications, impedance control and switched-impedance control are used as a valid alternative (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Cheng and Tavakoli, 2018</xref>). For instance, a strategy exploiting force based model predictive control for beating heart surgery is presented by <xref ref-type="bibr" rid="B3">Bebek and Cavusoglu (2006)</xref>. These approaches are usually reinforced by identification techniques of robotic arms as described in <xref ref-type="bibr" rid="B8">Fontanelli et&#x20;al. (2017)</xref>, and by techniques of shared autonomy as motion compensation, collision avoidance (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Moccia et&#x20;al., 2020</xref>), active constrains, and shared task space (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Bowyer et&#x20;al., 2013</xref>).</p>
<p>An innovative surgery control console is presented in <xref ref-type="bibr" rid="B36">Sukhoon et&#x20;al. (2009)</xref>, the developed robot controller fully replicate the reference movements. Similarly, in <xref ref-type="bibr" rid="B16">Kim et&#x20;al. (2013)</xref> the authors propose a control device mechanically similar to the robot end effector, coupled with a system for regulating the joints stiffness in accordance with the exerted force. On this line, new consoles are designed to recover tactile perception integrating haptic technologies. For instance, (<xref ref-type="bibr" rid="B43">Yin et&#x20;al., 2015</xref>) used magnetorheological fluids to return haptic sensations. Grounded commercial haptic devices as Omega (Force Dimension, CH) or Falcon (Novint Technologies Inc., United&#x20;States) replace the control side in some experiments to project a more portable and sensorily complete experience of control as in the case reported in <xref ref-type="bibr" rid="B39">Tang et&#x20;al. (2016)</xref>. In <xref ref-type="bibr" rid="B21">Madhani et&#x20;al. (1998)</xref> a solution built with two PHANToM haptic devices is presented, whereas (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Cavusoglu et&#x20;al., 1999</xref>) shows a six DoFs laparoscopic telesurgery workstation composed of an Immersion System Impulse Engine 3000 and two additional motors. the authors in <xref ref-type="bibr" rid="B14">Hu et&#x20;al. (2016)</xref> developed a tendon driven exoskeleton to control a surgical robot and provide force stimuli, a camera system tracks the positions of fingers of the surgeon, while bilateral Bowden cables return kinesthetic information.</p>
<p>However, an open issue is the limited number of DoFs of robotic surgical end-effectors. In fact, the surgeon side manipulators of the da Vinci robot provides only eight DoFs to control the (Patient Side Manipulator) PSM position and the orientation and enclosure state of the common EndoWrist (Intuitive Surgical Inc., United&#x20;States), bipolar and monopolar tools used to grasp, stamp or cut the organic tissues. Introducing extra degrees of freedom requires the development of suitable control (<xref ref-type="bibr" rid="B10">Gioioso et&#x20;al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B23">Meeker et&#x20;al., 2018</xref>), or the development of alternative control consoles to move them independently. For instance, the MUSHA hand (depicted in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1</xref>) is a three-soft-finger robotic gripper for surgical application (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Liu et&#x20;al., 2020</xref>). It is developed to be connected with the da Vinci robot, but it has more degrees of actuation (DoA) than DoFs of surgeon console interface. For this reason, the DoAs of the MUSHA hand are controlled synergistically, however, this reduces the potential of the instrument by limiting the number of configurations that can be reached by the fingers.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>The MUSHA hand.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frobt-08-741807-g001.tif"/>
</fig>
<p>The contribution of this paper is a human to MUSHA hand mapping algorithm to perform full teleoperation of surgical hand DoAs, without increasing the mechanical complexity of the surgeon console. For this purpose, we use a camera system to track the human hand motion. The algorithm can easily be adapted to any robotic tool, the resulted algorithm is corroborated by a theoretical analysis of stability and it is followed by a preliminary study about forces exerted by fingertips.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Materials and Methods</title>
<p>The teleoperated MUSHA hand system is composed of surgical gripper and the da Vinci robot arm in patient side, while the surgeon side is comprehensive of a human hand tracker system. Communication between the surgeon and patient side is provided by Robot Operating System (ROS).</p>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 MUSHA Hand Modelling</title>
<p>The MUSHA hand is the main and innovative part of the teleoperation system, while the PSM of the da Vinci robot is already a known system. Then, in what follows we describe the multi-functionality of the MUSHA hand and its kinematic model which is crucial in the development of the entire control approach. According to <xref ref-type="bibr" rid="B19">Liu et&#x20;al. (2019)</xref>, and as anticipated in <xref ref-type="sec" rid="s1">Section 1</xref>, the tool is a three-fingered underactuated miniature hand, each finger is composed of 12 segments and connected with a one DoF wrist, the kinematic model is composed of 37 joints connected by 36 links. An optoelectronic force sensor is designed, calibrated and presented in <xref ref-type="bibr" rid="B20">Liu et&#x20;al. (2020)</xref>, and located at the tip of each finger. In the range of the sensors, equal to 4&#xa0;N, the maximal error on x-, y-, and z-direction is 0.28, 0.24, and 0.75&#xa0;N, respectively. The MUSHA is actuated by the four motors of da Vinci PSM plus two additional motors. As a result, six joints are independent and directly connected to actuators by tendons, while the other ones are passive. For these reasons, it is possible to define a reduced kinematic model composed of actuated joints and equivalent links (<xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref>). The kinematic structure and the actuation system are designed to be multi-functional allowing the MUSHA hand performing three main methods of grasp, depicted in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure&#x20;3</xref>: 1) power grasp (<italic>Po</italic>), 2) precision grasp (<italic>Pr</italic>) and 3) retractor (<italic>Rt</italic>). During the power grasp method, all fingertips and phalanges are involved to hold firmly tissue, in the precision grasp method only the fingertips are used to pinch tissue, and the retractor method allows the retraction of the tissues that come in contact with phalanges of index and middle fingertips. The relationship between joints and the tips position for a single robotic finger results as:<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m1">
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <italic>q</italic>
<sub>
<italic>i</italic>,<italic>&#x3c1;</italic>
</sub> is the value of the <italic>i-th</italic> joint of the robotic hand <italic>r</italic> <italic>&#x3c1;</italic>
<italic>-th</italic> finger and <italic>a</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> is the length of the <italic>i-th</italic> link. We refer with <italic>T, I, M</italic> the thumb, index, and middle finger, respectively. Thanks to the mechanical properties of the robotic tool tendon-driven transmission, <italic>q</italic>
<sub>3,<italic>&#x3c1;</italic>
</sub> and <italic>q</italic>
<sub>2,<italic>&#x3c1;</italic>
</sub> are decoupled and thus they can be independently controlled, it follows that the model can be rewritten as<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m2">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>The full kinematic model of the MUSHA hand and the reduced model into joint actuated&#x20;space.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frobt-08-741807-g002.tif"/>
</fig>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Main grasping method of MUSHA, from left to right are respectively depicted the approach poses in case of precision grasp (Pr) in A, power grasp (Po) in B and retractor (Rt) in C.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frobt-08-741807-g003.tif"/>
</fig>
<p>The complete kinematic model of the MUSHA hand, <italic>p</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub> &#x3d; <italic>K</italic>(&#x22c5;), is obtained exploiting <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">(2)</xref> for each finger, thus <italic>p</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub> &#x3d; <italic>K</italic>(<italic>q</italic>
<sub>1,<italic>T</italic>
</sub>, <italic>q</italic>
<sub>2,<italic>T</italic>
</sub>, <italic>q</italic>
<sub>3,<italic>T</italic>
</sub>, <italic>q</italic>
<sub>1,<italic>I</italic>
</sub>, <italic>q</italic>
<sub>2,<italic>I</italic>
</sub>, <italic>q</italic>
<sub>3,<italic>I</italic>
</sub>, <italic>q</italic>
<sub>1,<italic>M</italic>
</sub>, <italic>q</italic>
<sub>2,<italic>M</italic>
</sub>, <italic>q</italic>
<sub>3,<italic>M</italic>
</sub>). According to the sub-actuation constrains we define the wrist angle position, <italic>q</italic>
<sub>
<italic>W</italic>
</sub>, and the index and medium proximal one, <italic>qPIP</italic>,:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m3">
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>&#x2009;and&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>we can simplify the kinematic relationship, obtaining:<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m4">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>where <italic>p</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub> is a vector containing the fingertips position expressed in Cartesian coordinate. It is worth noticing that in the exploited model, the length of the links <italic>a</italic>
<sub>2</sub> and <italic>a</italic>
<sub>3</sub> depends on the joint values. Indeed, the coupling motion of the phalanx segments (generated by the tendons) causes links shrinkage. In accordance with the chord theorem (see <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref>), the length of the links can be computed as<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m5">
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Details of a bended MUSHA finger.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frobt-08-741807-g004.tif"/>
</fig>
<p>Let <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m6">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> be the joint <italic>j</italic> in the phalanx <italic>i</italic> of the finger <italic>&#x3c1;</italic>, &#x2200;<italic>i</italic>&#x20;&#x2208; {2, 3} and &#x2200;<italic>&#x3c1;</italic> &#x2208; {<italic>T</italic>, <italic>I</italic>, <italic>M</italic>}. Consequently, it is possible to write the length of the chord in kinematic model and the length of the link in the actuated model as follows:<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m7">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;if&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where <italic>L</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>, <italic>&#x3c1;</italic> is the length of the arc of the <italic>i-th</italic> phalanx of the finger <italic>&#x3c1;</italic>. Assuming that the action of the tendons is equal on all the segments, the angular displacements are equal to a fraction of the equivalent joint in the reduced model:<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m8">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1,6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>,&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mn>2,3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>&#x2009;and&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>As a consequence, &#x2200;<italic>&#x3c1;</italic> &#x2208; {<italic>T</italic>, <italic>I</italic>, <italic>M</italic>} the single finger model becomes:<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m9">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ1">
<mml:math id="m10">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ2">
<mml:math id="m11">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ3">
<mml:math id="m12">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;if&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ4">
<mml:math id="m13">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;if&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Therefore, the explicit full hand model (reported in the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>) has 14 equations nine of which linearly independent, in six variables. Finally, we can express <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m14">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m15">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is the Jacobian matrix of the robotic fingers of MUSHA expressed in reference frame of the wrist. The differential model is fully reported in the Supplementary (see <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Section&#x20;S5.2</xref>).</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Human Hand Modelling</title>
<p>In this section, we report the simplified kinematic model of the hand, which will be instrumental in the design of the control technique. Even if a complete human hand model has about 30 DoF (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Lee and Kunii, 1995</xref>), for the sake of simplicity and without loss of generality we use a simplified kinematic hand structure. We modeled each finger as a planar kinematic chain, with three 1-D hinges. As in <xref ref-type="bibr" rid="B1">Lisini et&#x20;al. (2017)</xref>, we assume that each finger has the metacarpal (MC) bone fixed with respect to the hand frame, and it is characterized by three DoFs. In a more complete model of the human hand, the thumb has at least five DoFs: two in the trapeziometacarpal (TM) joint, two in the metacarpophalangeal (MCP) joint, and one in the interphalangeal (IP) joint. However, the thumb abduction/adduction motion range of the MCP joint usually can be neglected so the thumb can be modeled with two DoFs. Index, middle, ring, and pinky fingers have one DoFs in the MCP revolute joint for flexion/extension, one in the proximal IP (PIP), and one in the distal IP (DIP). <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5</xref> shows the model of the hand used in this work. Therefore, the exploited hand model has 20 DoFs. i.e.,&#x20;14 DoFs describing the fingers and six DoFs (position and orientation) for the palm. Finally, we introduce the relationship between fingertips and joints velocities, which can be described by the differential model:<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m16">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>where the matrix <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m17">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is the hand Jacobian, that maps the joint velocities (<inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m18">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>) to the Cartesian fingertip velocities (<inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m19">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>).</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>The simplified kinematic model of the human hand, structure with links, joints, base, and rotation axes are in evidence.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frobt-08-741807-g005.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 Mapping Algorithms to Teleoperate da Vinci Arm and MUSHA Hand</title>
<p>Starting from the definition of the human hand and the MUSHA hand models, the developed method to control the MUSHA hand and the da Vinci robot arm are explained. A standard point-to-point mapping technique is used to control the PSM, while an innovative approach based on the theory of mapping in object domain to teleoperate the MUSHA fingers is designed and implemented. We assume that the human and the robotic hands are constantly in touch with a similar virtual object, all possible contact points are called <italic>active points</italic>. The positions of MUSHA active points <italic>p</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub> are defined as the positions of fingertips, while the human active points (<inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m20">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2282;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>) are given by the positions of palm (P), thumb, index, and middle fingertips:<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m21">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>We indicate with <italic>p</italic>
<sub>
<italic>h</italic>,<italic>&#x3c1;</italic>
</sub> a vector of Cartesian positions of the <italic>&#x3c1;</italic>-<italic>th</italic> finger of the human hand <italic>h</italic> expressed in the world reference frame:<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m22">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Depending on the grasping method, we define the vector of <italic>interaction points</italic>, <italic>c</italic>
<sub>
<italic>h</italic>
</sub>, equal to a subset of active points of the human hand involved in the desired grasp, and evaluated as:<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m23">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>being<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m24">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;with&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>and<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m25">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="double-struck">1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mtext>if&#x2009;method</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>Pr</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="double-struck">0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="double-struck">1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mtext>if&#x2009;method</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="double-struck">1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="double-struck">0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="double-struck">1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mtext>if&#x2009;method</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>It is worth noticing that &#x3a9; is a selection vector that is evaluated on-line to allow switch control reference without discontinuity and according to the grasping method required. The palm-thumb distance is used to recognize the current grasping method.</p>
<p>The reference of PSM in cartesian space is calculated as integration over time <italic>&#x3c4;</italic> of the velocity components of the user hand centroid <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m26">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> until the time instant <italic>t</italic>. In this way, during a temporary disconnection between the patient side and control side, the relocation of the palm in more ergonomic poses or in a position far from the boundaries of the vision cone of the camera system is allowed. This results in:<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m27">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>Where the value of centroid changes according to method of grasping, in fact:<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m28">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;with&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;if&#x2009;method</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;if&#x2009;method</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Similarly, the orientation of the human hand is exploited to orient the PSM. To this end Euler angles in roll (<italic>&#x3b1;</italic>), pitch (<italic>&#x3b2;</italic>), and yaw (<italic>&#x3b3;</italic>) convention are computed as:<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m29">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>tan</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,1,1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,2,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0,2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m30">
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>tan</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0,2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2,0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m31">
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>tan</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1,1,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2,0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,2,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>being <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>i</italic>,<italic>j</italic>,<italic>k</italic>
</sub> the second order central moments of cloud of contact points<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m33">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>We exploited a sphere as virtual object to easily project the human hand motions into MUSHA fingers and wrist movements.</p>
<p>The roto-translations and deformations of a sphere can be completely defined by the following seven parameters: 1) <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m34">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> Cartesian coordinate of the center of sphere; 2) <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m35">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> the orientation of the frame attached to the sphere with respect to the world frame, expressed as roll, pitch, and yaw angles; 3) <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m36">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> the sphere radius. Combining <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">(13)</xref> and the aforementioned seven parameters, it is possible to obtain a linear relationship between human hand motions and sphere transformation<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m37">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Thus, there exists a Jacobian matrix <italic>J</italic>
<sub>
<italic>hs</italic>
</sub> such that its pseudo-inverse, <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m38">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, projects the human fingertip velocities into derivative parameters of the sphere:<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m39">
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The resulting Jacobian matrix depends on the current position&#x20;of interaction points of human hand and on the sphere center that is a function of the active points of the human hand. Indeed, the sphere center is the circumcenter of a triangle with three of the current interaction points as vertices.<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m40">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="" close=")">
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>where &#x394;<sub>
<italic>h</italic>,<italic>ki</italic>
</sub> is the difference between the position vector of the <italic>k-th</italic> fingertip <italic>c</italic>
<sub>
<italic>h</italic>,<italic>k</italic>
</sub> in contact with the sphere and the <italic>i-th</italic> fingertip <italic>c</italic>
<sub>
<italic>h</italic>,<italic>i</italic>
</sub>, then, <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">(23)</xref> can be rewritten as:<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m41">
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>As a further step towards the mapping, the sphere manipulated by the human is properly transformed into the one manipulated by the MUSHA through a scale factor <italic>K</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub>, that is equal to the ratio between the radius of human and MUSHA manipulated spheres. The algorithm computes the Jacobian of the sphere manipulated by the robot (i.e.,&#x20;<italic>J</italic>
<sub>
<italic>rs</italic>
</sub>) and evaluates the velocities of the robotic fingertips,<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m42">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Velocities are estimated by a closed loop kinematic inversion<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m43">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m44">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, <italic>J</italic>
<sub>
<italic>rs</italic>
</sub> and <italic>J</italic>
<sub>
<italic>hs</italic>
</sub> are the Jacobian matrices of the robot, of the sphere manipulated by the robot, and of the sphere manipulated by the user, respectively. <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m45">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the corrective action on the error between the current position of MUSHA interaction points <italic>p</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub> and the desired ones <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m46">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, weighted by the gain <italic>K</italic>
<sub>
<italic>c</italic>
</sub>. It is worth pointing out that the pseudo-inversion of <italic>J</italic>
<sub>
<italic>hs</italic>
</sub> induces an indeterminacy in the estimated positions far from the current pose in case of multiple solutions, for this reason, the right position of the thumb in the retractor method may be not correctly computed. This situation is visually depicted in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure&#x20;6</xref>. A projection into the null-space of mapping actions is used to overcome this limitation. To this end, <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">(27)</xref> is extended as follows,<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m47">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m48">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="double-struck">0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>if&#x2009;method</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>if&#x2009;method</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>being <italic>K</italic>
<sub>
<italic>Rt</italic>
</sub> the gain that multiplies the error between current joint position <italic>q</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub> and <italic>q</italic>
<sub>
<italic>Rt</italic>
</sub>, the expected joint position in retractor pose. Regarding the initial condition, at the beginning of any task, the MUSHA lies in a rest position with all the fingers closed with joint configuration <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m49">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="double-struck">0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. This particular configuration results in a kinematic singularity, in fact when <italic>q</italic>(<italic>t</italic>) &#x3d; <italic>q</italic>
<sub>
<italic>r</italic>0</sub> the rank of Jacobian of robot decreases, <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m50">
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. For this reason, an initialization procedure is required. In accordance with<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m51">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>arg</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>det</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mtext>,&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>we select <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m52">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as initial position. It corresponds to the joint configuration with the maximum manipulability. In conclusion, combining <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">(28</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e30">30)</xref>, we obtain the entire human-MUSHA hand joints mapping:<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m53">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>&#x2009;if&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>&#x2009;if&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>with<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m54">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Graphic representation of thumb indeterminacy in retractor method with two reachable positions, in the correct one in <bold>(A)</bold> the thumb is between middle and index to allow the hand to reach the position scoop-like while in wrong one, depicted in <bold>(B)</bold>, the thumb is in opposition respect the other two fingers and the reached posed of MUSHA hand is equal to approach pose in power grasp method. This is a consequence of the high similarity between the virtual spheres generated by the contact points in the Rt case and in the Po&#x20;case.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frobt-08-741807-g006.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s2-4">
<title>2.4 User Interface, Software and Communication</title>
<p>The camera system LeapMotion (Ultraleap inc., United&#x20;States) is used to acquire active points of human hand. This camera system is composed of two monochromatic IR cameras and three LEDs that observe a hemispherical area and capture snapshots of up to 200 frames per second, and it returns information about positions of some fixed notable points of acquired hand as tips of fingers, the center of palm and knuckles.&#x20;A ROS node acquires these from LeapMotion and publishes the values of active points, selecting only those useful for the mapping algorithm. To test the control law a virtual model of MUSHA hand is imported in V-rep (Coppelia Robotics GmbH, CH), and here its kinematic and dynamic behavior is simulated.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Results</title>
<p>First of all, a theoretical analysis of applied forces is conducted to evaluate the effect of contact between MUSHA and a generic organic tissue for each method of grasp, then a validation of the control algorithm is pursued to demonstrate its stability. An experimental campaign follows, during which naive participants are asked to complete a pick and place operation using the virtual model of the MUSHA&#x20;hand.</p>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Theoretical Grasping Forces Evaluation</title>
<p>During surgery, the grasping and manipulation of tissue may generate both internal and external forces. The former impresses deformation and allows to avoid the sliding of the manipulated tissue, the latter generates twists. In accordance with the grasping theory (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Prattichizzo and Trinkle, 2016</xref>), it is possible to evaluate from the applied force (i.e.,&#x20;<italic>&#x3bb;</italic>) the components that generate the squeezing (i.e.,&#x20;<italic>&#x3be;</italic>), and the ones that generate twisting (i.e.,&#x20;<italic>&#x3c9;</italic>). This can be done by exploiting the grasping matrix <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m55">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>18</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and the null space projector <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m56">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>18</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>18</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, following the relationship<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m57">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>with<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m58">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m59">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is the transposed grasping matrix that maps sources of twist from contact point reference to world reference. <italic>H</italic> is a selection matrix depending on the contact finger model. Considering the consistency of organic tissues, it is possible to approximate the grasp with the <italic>Soft Finger</italic> (SF) contact model. Interested reader is referred to <xref ref-type="bibr" rid="B31">Prattichizzo and Trinkle (2016)</xref> for further details. Therefore, admitting the applicability of the principle of kineto-static duality, it is possible to apply generalized forces exclusively in the directions of constrained motions. Directions of force application are shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure&#x20;7</xref> in case of contact with one finger. We assumed SF contact model for each point, thus the selection matrix <italic>H</italic> can be defined as<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m60">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>18</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>18</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>with<disp-formula id="e36">
<mml:math id="m61">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>In <bold>(A)</bold>, the contact model with one finger. The red area surrounding the contact point <italic>c</italic>
<sub>
<italic>j</italic>
</sub> is the deformation zone. Red arrows display the directions in which motion is not allowed, thus it is possible to apply force or torques. In <bold>(B)</bold>, the contact surface and the axes of the main reference systems are depicted.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frobt-08-741807-g007.tif"/>
</fig>
<p>Consequently, the complete grasp matrix <italic>G</italic>
<sup>
<italic>T</italic>
</sup> can be modeled as <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m62">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, being<disp-formula id="e37">
<mml:math id="m63">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>18</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>with<disp-formula id="e38">
<mml:math id="m64">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>and<disp-formula id="e39">
<mml:math id="m65">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(39)</label>
</disp-formula>where <italic>R</italic>
<sup>
<italic>T</italic>
</sup> &#x2208; <italic>R</italic>
<sup>3&#xd7;3</sup> are the rotation matrices describing the orientation of each contact point reference frame &#x3a3;<sub>
<italic>j</italic>
</sub>, <italic>j</italic>&#x20;&#x3d; <italic>T</italic>, <italic>I</italic>, <italic>M</italic> with respect to the world reference frame &#x3a3;<sub>
<italic>O</italic>
</sub>, <italic>S</italic>(<italic>c</italic>
<sub>
<italic>j</italic>
</sub> &#x2212; <italic>p</italic>
<sub>
<italic>ts</italic>
</sub>) is the cross-product matrix of the vector <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <italic>p</italic>
<sub>
<italic>ts</italic>
</sub> is center of mass of the grasped portion of tissue. Accounting the available grasping configurations, we can refine the general formula as follows:<disp-formula id="e40">
<mml:math id="m67">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>if&#x2009;method</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>if&#x2009;method</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>if&#x2009;method</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(40)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>At each time instant, the position of the centroid of the manipulated tissues and the positions of the contact points may be known, so the grasping matrix can be computed and a projector in its null space can be evaluated:<disp-formula id="e41">
<mml:math id="m68">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(41)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Thus, given measure of contact force, <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the value of <italic>&#x3be;</italic> and <italic>&#x3c9;</italic> can be evaluated as:<disp-formula id="e42">
<mml:math id="m70">
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>if&#x2009;method</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>if&#x2009;method</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>if&#x2009;method</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(42)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e43">
<mml:math id="m71">
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>if&#x2009;method</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>if&#x2009;method</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(43)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Lyapunov Stability Proof</title>
<p>The stability of the proposed control law was assessed by Lyapunov conditions. To this aim, we choose as positive definite Lyapunov functions the function of error:<disp-formula id="e44">
<mml:math id="m72">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(44)</label>
</disp-formula>Where &#x3f5; is the distance between the actual (<italic>p</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub>) and desired (<inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) MUSHA fingertip.<disp-formula id="e45">
<mml:math id="m74">
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
<label>(45)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>It is possible to evaluate its time derivative value as:<disp-formula id="e46">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(46)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Consequently, the time derivative of the Lyapunov function is<disp-formula id="e47">
<mml:math id="m76">
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(47)</label>
</disp-formula>Where <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Jacobian matrix of model of MUSHA hand evaluated in real current position. Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">(28)</xref> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e47">(47)</xref>, the derivative Lyapunov function becomes<disp-formula id="e48">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(48)</label>
</disp-formula>Where <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m79">
<mml:mi mathvariant="double-struck">M</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is the mapping action of control law<disp-formula id="e49">
<mml:math id="m80">
<mml:mi mathvariant="double-struck">M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(49)</label>
</disp-formula>and <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m81">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> is the projection action in null space of <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m82">
<mml:mi mathvariant="double-struck">M</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> used to overcome the duality of thumb pose in retractor method:<disp-formula id="e50">
<mml:math id="m83">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(50)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The desired velocity <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m84">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> is chosen as the result of mapping <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m85">
<mml:mi mathvariant="double-struck">M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and projection in null space of mapping <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m86">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>,<disp-formula id="e51">
<mml:math id="m87">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">M</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(51)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Introducing <xref ref-type="disp-formula" rid="e48">(48)</xref> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e51">(51)</xref>, it is obtained that:<disp-formula id="e52">
<mml:math id="m88">
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(52)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Reintroducing <xref ref-type="disp-formula" rid="e52">(52)</xref> the error evaluated in accordance with <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">(45)</xref>, we obtain<disp-formula id="e53">
<mml:math id="m89">
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(53)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>If MUSHA is accurately calibrated the Jacobian matrix evaluated on the real position of fingers and on the estimated one are approximately equal, <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, and the time derivative Lyapunov function becomes<disp-formula id="e54">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(54)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Since the Lyapunov function <xref ref-type="disp-formula" rid="e47">(47)</xref> is positive definite (<italic>V</italic>(<italic>t</italic>) &#x3e; 0) and its time derivative is negative definite <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the system is Lyapunov stable.</p>
<p>It is possible assert the BIBO stability, too. In fact, substituting definition of desired position <xref ref-type="disp-formula" rid="e51">(51)</xref> in control law <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">(28)</xref>, we obtain that<disp-formula id="e55">
<mml:math id="m93">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(55)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>It is possible to evaluate the tendency of error, using the definition of time derivative of error metric:<disp-formula id="e56">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:math>
<label>(56)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The error evolves as first order linear system, so the Lyapunov stability implies the BIBO stability.</p>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>3.3 User Studies</title>
<p>Ten inexperienced participants (six males and four females, aged 24&#x2013;59, all right-handed) took part in user studies. Each subject gave her/his consent to participate and was able to discontinue participation at any time during experiments. The experimental evaluation protocols followed the declaration of Helsinki, and there was no risk of harmful effects on subjects&#x2019; health. Participants performed 10 pick-and-place tasks of two cubes with 10 different initial scenarios pseudo-randomly sorted. The experimental set-up is shown in<xref ref-type="fn" rid="fn1">
<sup>1</sup>
</xref> <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure&#x20;8</xref>. The dimension of each cube is 0.02&#xa0;m &#xd7; 0.02&#xa0;m&#xd7;0.02&#xa0;m and the weight is equal to 20&#xa0;g. To help the participant to complete the task, force feedback is provided by two vibromotors NFP-C1234L to inform them about internal and external forces applied on cubes. The two components of force are evaluated starting from the results of <xref ref-type="sec" rid="s3-1">Section 3.1</xref> using <xref ref-type="disp-formula" rid="e42">(42)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e43">(43)</xref>, respectively, and their norms in <italic>&#x2113;</italic>
<sup>2</sup> space, &#x2016;<italic>&#x3be;</italic>&#x2016; and &#x2016;<italic>&#x3c9;</italic>&#x2016;, are used to calculate the motor PWMs as:<disp-formula id="e57">
<mml:math id="m95">
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="&#x2308;" close="&#x2309;">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mn>255</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(57)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e58">
<mml:math id="m96">
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="&#x2308;" close="&#x2309;">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mn>255</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(58)</label>
</disp-formula>where &#x394;<italic>F</italic> is the range of forces that can be acquired through MUSHA hand force sensors (&#x394;<italic>F</italic>&#x20;&#x3d; 4<italic>N</italic>). The dimension disparity between the internal force space (<inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m97">
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>18</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>) and the external one (<inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m98">
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>) introduces an imbalance of haptic stimulus intensity which has been compensated by scaling the <italic>&#x2113;</italic>
<sup>2</sup> norm &#x2016;<italic>&#x3be;</italic>&#x2016; with a <italic>k</italic>&#x2013;factor equal to the ratio of the dimensions of the two spaces (<italic>k</italic>&#x20;&#x3d;&#x20;3).</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>The experimental set-up consisted in the LeapMotion controller, the haptic bracelet and a couple of screen to visualize the Virtual environment and the reconstructed model of tracked hand. In the virtual scene, cubes pseudo-randomly changed their position at the beginning of the single repetition of experiment.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frobt-08-741807-g008.tif"/>
</fig>
<p>At the end of each session, a NASA Task Load Index questionnaire (TLX) (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Hart, 2006</xref>) was proposed to the participants, with the aim of assessing the perceived load in terms of Mental Demand (MD), Temporal Demand (TD), Physical Demand (PD), Performance (PE), Effort (EF), and Frustration (FR). This method assesses workload on a point-based scale. Each of the six questions has a scale of 21 levels, considering 1 as &#x201c;very low&#x201d; and 21 as &#x201c;very high.&#x201d; Questions are reported in what follows:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>- Mental demand: <italic>&#x201c;How mentally demanding was the task?&#x201d;</italic>
</p>
</list-item>
<list-item>
<p>- Physical demand: <italic>&#x201c;How physically demanding was the task?&#x201d;</italic>
</p>
</list-item>
<list-item>
<p>- Temporal demand: <italic>&#x201c;How hurried or rushed was the pace of the task?&#x201d;</italic>
</p>
</list-item>
<list-item>
<p>- Performance: <italic>&#x201c;How successful were you in accomplishing what you were asked to do?&#x201d;</italic>
</p>
</list-item>
<list-item>
<p>- Effort: <italic>&#x201c;How hard did you have to work to accomplish your level of performance?&#x201d;</italic>
</p>
</list-item>
<list-item>
<p>- Frustration: <italic>&#x201c;How insecure, discouraged, irritated, stressed, and annoyed were you?&#x201d;</italic>
</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>All participants successfully completed the ten pick and place repetitions of the two cubes, so the completion times for each trial and the results of the questionnaires were considered as metrics for evaluation. Results are reported in <xref ref-type="table" rid="T1">Table&#x20;1</xref> and <xref ref-type="table" rid="T2">Table&#x20;2</xref>. The mean time to complete the task is 16.49&#xa0;s and no participant took more than 30s. The load of the task performed with the proposed control law is evaluated from answers of the NASA TLX questionnaire and its mean value is equal to 35%. According with the proposed task and experimental set-up we used the following weights: <italic>w</italic>
<sub>
<italic>MD</italic>
</sub> &#x3d; 3, <italic>w</italic>
<sub>
<italic>PD</italic>
</sub> &#x3d; 0, <italic>w</italic>
<sub>
<italic>TD</italic>
</sub> &#x3d; 5, <italic>w</italic>
<sub>
<italic>PE</italic>
</sub> &#x3d; 1, <italic>w</italic>
<sub>
<italic>FR</italic>
</sub> &#x3d; 3, <italic>w</italic>
<sub>
<italic>EF</italic>
</sub> &#x3d; 3. The physical demand was excluded from task load evaluation (PD &#x3d; 0) because the physical load is due to the absence of arm support that is provided by the surgeon console in a real scenario.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Time to complete tasks (mean and &#xb1;std).</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">User &#x23;</th>
<th align="center">1</th>
<th align="center">2</th>
<th align="center">3</th>
<th align="center">4</th>
<th align="center">5</th>
<th align="center">6</th>
<th align="center">7</th>
<th align="center">8</th>
<th align="center">9</th>
<th align="center">10</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">Means (s)</td>
<td align="char" char=".">21.5</td>
<td align="char" char=".">23.9</td>
<td align="char" char=".">25.3</td>
<td align="char" char=".">12.6</td>
<td align="char" char=".">11.80</td>
<td align="char" char=".">14.0</td>
<td align="char" char=".">16.9</td>
<td align="char" char=".">12.2</td>
<td align="char" char=".">12.2</td>
<td align="char" char=".">14.0</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Std (s)</td>
<td align="char" char=".">&#xb1;4.3</td>
<td align="char" char=".">&#xb1;6.9</td>
<td align="char" char=".">&#xb1;6.3</td>
<td align="char" char=".">&#xb1;2.3</td>
<td align="char" char=".">&#xb1;2.0</td>
<td align="char" char=".">&#xb1;4.7</td>
<td align="char" char=".">&#xb1;3.9</td>
<td align="char" char=".">&#xb1;2.2</td>
<td align="char" char=".">&#xb1;2.5</td>
<td align="char" char=".">&#xb1;4.7</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>NASA TLX questionnaire results, tally of importance selections: <italic>w</italic>
<sub>
<italic>MD</italic>
</sub> &#x3d; 3, <italic>w</italic>
<sub>
<italic>PD</italic>
</sub> &#x3d; 0, <italic>w</italic>
<sub>
<italic>TD</italic>
</sub> &#x3d; 5, <italic>w</italic>
<sub>
<italic>PE</italic>
</sub> &#x3d; 1, <italic>w</italic>
<sub>
<italic>FR</italic>
</sub> &#x3d; 3, <italic>w</italic>
<sub>
<italic>EF</italic>
</sub> &#x3d; 3.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">User &#x23;</th>
<th align="center">1</th>
<th align="center">2</th>
<th align="center">3</th>
<th align="center">4</th>
<th align="center">5</th>
<th align="center">6</th>
<th align="center">7</th>
<th align="center">8</th>
<th align="center">9</th>
<th align="center">10</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">MD</td>
<td align="center">6</td>
<td align="center">8</td>
<td align="center">5</td>
<td align="center">10</td>
<td align="center">8</td>
<td align="center">6</td>
<td align="center">8</td>
<td align="center">5</td>
<td align="center">5</td>
<td align="center">6</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">PD</td>
<td align="center">10</td>
<td align="center">7</td>
<td align="center">12</td>
<td align="center">18</td>
<td align="center">13</td>
<td align="center">6</td>
<td align="center">5</td>
<td align="center">12</td>
<td align="center">6</td>
<td align="center">6</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">TD</td>
<td align="center">3</td>
<td align="center">4</td>
<td align="center">2</td>
<td align="center">7</td>
<td align="center">8</td>
<td align="center">11</td>
<td align="center">13</td>
<td align="center">9</td>
<td align="center">5</td>
<td align="center">7</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">PE</td>
<td align="center">8</td>
<td align="center">4</td>
<td align="center">2</td>
<td align="center">5</td>
<td align="center">6</td>
<td align="center">6</td>
<td align="center">6</td>
<td align="center">5</td>
<td align="center">5</td>
<td align="center">6</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">EF</td>
<td align="center">12</td>
<td align="center">12</td>
<td align="center">10</td>
<td align="center">13</td>
<td align="center">11</td>
<td align="center">6</td>
<td align="center">7</td>
<td align="center">5</td>
<td align="center">6</td>
<td align="center">5</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">FR</td>
<td align="center">12</td>
<td align="center">12</td>
<td align="center">10</td>
<td align="center">9</td>
<td align="center">7</td>
<td align="center">2</td>
<td align="center">10</td>
<td align="center">5</td>
<td align="center">2</td>
<td align="center">2</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Load</td>
<td align="center">7.5</td>
<td align="center">8.2</td>
<td align="center">6.4</td>
<td align="center">9.1</td>
<td align="center">8.2</td>
<td align="center">6.8</td>
<td align="center">12.2</td>
<td align="center">6.3</td>
<td align="center">4.9</td>
<td align="center">5.5</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Discussion</title>
<p>In this work, we present a reliable and intuitive method for the bilateral asymmetric teleoperation of the MUSHA hand. A camera-based device is in charge of tracking the human hand, and a mapping algorithm projects the human motion in the end-effector actuation space through the virtual object domain. The developed technique consists in a remote control for the projection of the human gestures into the robot space of actuation by crossing the object domain and switching in the function of the current gripping method, which is recognized online by the posture of the user&#x2019;s hand. A sphere is chosen as virtual objects due to the reduced number of parameters that describe its pose and deformation. A closed-loop inverse kinematic algorithm makes more robust the control action and guarantees the BIBO stability of the algorithm, while a projection in the null of the object space allows the correct estimation of indeterminate poses. Starting from the kinematics description of the MUSHA hand and its main grasping methods, we theoretically evaluated the grasping forces applied by the tool during each method and an experimental campaign assesses the functionality and the usability of the algorithm. All the participants completed the assigned task in less than 30&#xa0;s (15&#xa0;s per cube) with a limited cognitive load. The obtained results demonstrate the intuitiveness of the teleoperation system.</p>
<p>The proposed control algorithm has been designed, developed, and tested to control the MUSHA hand, nevertheless it can be generalized and extended to different grippers and robotic hands. Indeed the proposed methodology relies on a mapping algorithm that exploits contact points and grasping methods. Thus, a redefinition of the differential kinematic equations and of the related Jacobian Matrix of the gripper allow the reader adapting the algorithm to the hand of interest. A preliminary analysis of the instrument grasping capacity and the redefinition of the selection vector, &#x3a9;, allows to maintain the validity of the theoretical results regarding the evaluation of the applied forces. In future work, experiments will be conducted considering expert users asking them to complete elementary surgical procedures using the real MUSHA hand mounted on the da Vinci robot and we will test the compatibility of the algorithm with several standard end-effector during the same procedures. Finally, the entire system will be integrated with the surgeon console of the da Vinci&#x20;robot.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s5">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The raw data supporting the conclusion of this article will be made available by the authors, without undue reservation.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Ethics Statement</title>
<p>Ethical review and approval was not required for the study on&#x20;human participants in accordance with the local legislation and institutional requirements. The patients/participants provided their written informed consent to participate in this study.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Author Contributions</title>
<p>FF and DP were project coordinators, they contributed to conception and design of the study. AV and TL worked on the experimental setup and runned the experiments. FF, AV, and DP proposed algorithm and supervised the experiments. FF, AV, and TL were principal investigators, and wrote the manuscript. All authors contributed to manuscript revision, read, and approved the submitted version.</p>
</sec>
<sec id="s8">
<title>Funding</title>
<p>This project has received funding from the European Union&#x2019;s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 101017008.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s9">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s10">
<title>Publisher&#x2019;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<sec id="s11">
<title>Supplementary Material</title>
<p>The Supplementary Material for this article can be found online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/frobt.2021.741807/full#supplementary-material">https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/frobt.2021.741807/full&#x23;supplementary-material</ext-link>
</p>
<supplementary-material xlink:href="Table1.pdf" id="SM1" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
</sec>
<fn-group>
<fn id="fn1">
<label>1</label>
<p>A video demonstration of the experimental task is available at the following link: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://youtu.be/6DYI1MfqI7A">https://youtu.be/6DYI1MfqI7A</ext-link>.</p>
</fn>
</fn-group>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Beasley</surname>
<given-names>R. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Medical Robots: Current Systems and Research Directions</article-title>. <source>J.&#x20;Robotics</source> <volume>2012</volume>, <fpage>401613</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2012/401613</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bebek</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cavusoglu</surname>
<given-names>M. C.</given-names>
</name>
</person-group> &#x201c;<article-title>Model Based Control Algorithms for Robotic Assisted Beating Heart Surgery</article-title>,&#x201d; in <conf-name>Proceedings of the 2006 International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (IEEE)</conf-name>, <conf-loc>New York, NY, USA</conf-loc>, <conf-date>August 2006</conf-date>, <fpage>823</fpage>&#x2013;<lpage>828</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/IEMBS.2006.260562</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bowyer</surname>
<given-names>S. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Davies</surname>
<given-names>B. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>y Baena</surname>
<given-names>F. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Active Constraints/virtual Fixtures: A Survey</article-title>. <source>IEEE Trans. Robotics</source> <volume>30</volume>, <fpage>138</fpage>&#x2013;<lpage>157</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TRO.2013.2283410</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cavusoglu</surname>
<given-names>M. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tendick</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cohn</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sastry</surname>
<given-names>S. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1999</year>). <article-title>A Laparoscopic Telesurgical Workstation</article-title>. <source>IEEE Trans. Robot. Automat.</source> <volume>15</volume>, <fpage>728</fpage>&#x2013;<lpage>739</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/70.782027</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chadi</surname>
<given-names>S. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guidolin</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Caycedo-Marulanda</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sharkawy</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Spinelli</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Quereshy</surname>
<given-names>F. A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Current Evidence for Minimally Invasive Surgery during the COVID-19 Pandemic and Risk Mitigation Strategies</article-title>. <source>Ann. Surg.</source> <volume>272</volume>, <fpage>e118</fpage>&#x2013;<lpage>e124</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1097/sla.0000000000004010</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tavakoli</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Switched-impedance Control of Surgical Robots in Teleoperated Beating-Heart Surgery</article-title>. <source>J.&#x20;Med. Robot. Res.</source> <volume>03</volume>, <fpage>1841003</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/s2424905x18410039</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fontanelli</surname>
<given-names>G. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ficuciello</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Villani</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Siciliano</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> &#x201c;<article-title>Modelling and identification of the da vinci research kit robotic arms</article-title>,&#x201d; in <conf-name>Proceedings of the 2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) (IEEE)</conf-name>, <conf-loc>Vancouver, BC, Canada</conf-loc>, <conf-date>September 2017</conf-date>, <fpage>1464</fpage>&#x2013;<lpage>1469</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fontanelli</surname>
<given-names>G. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Selvaggio</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ferro</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ficuciello</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vendittelli</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Siciliano</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> &#x201c;<article-title>A v-rep simulator for the da vinci research kit robotic platform</article-title>,&#x201d; in <conf-name>Proceedings of the 2018&#x20;7th IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (Biorob) (IEEE)</conf-name>, <conf-loc>Enschede, Netherlands</conf-loc>, <conf-date>August 2018</conf-date>, <fpage>1056</fpage>&#x2013;<lpage>1061</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gioioso</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Salvietti</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Malvezzi</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Prattichizzo</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Mapping Synergies from Human to Robotic Hands with Dissimilar Kinematics: an Approach in the Object Domain</article-title>. <source>IEEE Trans. Robot.</source> <volume>29</volume>, <fpage>825</fpage>&#x2013;<lpage>837</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tro.2013.2252251</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Handini</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yeong</surname>
<given-names>T. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hong</surname>
<given-names>L. V.</given-names>
</name>
</person-group> &#x201c;<article-title>System Integration of Neurobot: a Skull-Base Surgical Robotic System</article-title>,&#x201d; in <conf-name>Proceedings of the IEEE Conference on Robotics, Automation and Mechatronics, 2004. (IEEE)</conf-name>, <conf-loc>Singapore</conf-loc>, <conf-date>December 2004</conf-date>, <fpage>43</fpage>&#x2013;<lpage>48</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hanley</surname>
<given-names>D. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thompson</surname>
<given-names>R. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rosenblum</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yenokyan</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lane</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>McBee</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Efficacy and Safety of Minimally Invasive Surgery with Thrombolysis in Intracerebral Haemorrhage Evacuation (Mistie Iii): a Randomised, Controlled, Open-Label, Blinded Endpoint Phase 3 Trial</article-title>. <source>Lancet</source> <volume>393</volume>, <fpage>1021</fpage>&#x2013;<lpage>1032</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0140-6736(19)30195-3</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hart</surname>
<given-names>S. G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Nasa-task Load index (Nasa-tlx); 20&#x20;Years Later</article-title>. <source>Proc. Hum. Factors Ergon. Soc. Annu. Meet.</source> <volume>50</volume>, <fpage>904</fpage>&#x2013;<lpage>908</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/154193120605000909</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yoon</surname>
<given-names>C.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Park</surname>
<given-names>S. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jo</surname>
<given-names>Y.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Design of a Haptic Device with Grasp and Push-Pull Force Feedback for a Master-Slave Surgical Robot</article-title>. <source>Int. J.&#x20;CARS</source> <volume>11</volume>, <fpage>1361</fpage>&#x2013;<lpage>1369</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11548-015-1324-9</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jintae Lee</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kunii</surname>
<given-names>T. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1995</year>). <article-title>Model-based Analysis of Hand Posture</article-title>. <source>IEEE Comput. Grap. Appl.</source> <volume>15</volume>, <fpage>77</fpage>&#x2013;<lpage>86</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/38.403831</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>C. Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kang</surname>
<given-names>B. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>M. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yoon</surname>
<given-names>S. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Design of Master Console Haptic Handle for Robot Assisted Laparoscopy</article-title>. <source>Intell. Autonomous Syst.</source> <volume>12</volume>, <fpage>3</fpage>&#x2013;<lpage>10</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-642-33932-5_1</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kulaylat</surname>
<given-names>A. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mirkin</surname>
<given-names>K. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Puleo</surname>
<given-names>F. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hollenbeak</surname>
<given-names>C. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Messaris</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Robotic versus Standard Laparoscopic Elective Colectomy: where Are the Benefits?</article-title> <source>J.&#x20;Surg. Res.</source> <volume>224</volume>, <fpage>72</fpage>&#x2013;<lpage>78</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jss.2017.11.059</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Leven</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Burschka</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kumar</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Blumenkranz</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dai</surname>
<given-names>X. D.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2005</year>). &#x201c;<article-title>Davinci Canvas: a Telerobotic Surgical System with Integrated, Robot-Assisted, Laparoscopic Ultrasound Capability</article-title>,&#x201d; in <conf-name>International Conference on Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention</conf-name>, <conf-loc>Palm Springs, CA, USA</conf-loc>, <conf-date>October 2005</conf-date> (<publisher-name>Springer</publisher-name>), <fpage>811</fpage>&#x2013;<lpage>818</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/11566465_100</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lisini</surname>
<given-names>B. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scheggi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Meli</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mohammadi</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Prattichizzo</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Gesto: A Glove for Enhanced Sensing and Touching Based on Inertial and Magnetic Sensors for Hand Tracking and Cutaneous Feedback</article-title>. <source>IEEE Trans. Human-mach. Syst.</source> <volume>47</volume>, <fpage>1066</fpage>&#x2013;<lpage>1076</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/thms.2017.2720667</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ferrentino</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Selvaggio</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pirozzi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ficuciello</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> &#x201c;<article-title>Design of the Musha Hand Ii for Robotic-Assisted Laparoscopic Surgery</article-title>,&#x201d; in <conf-name>Proceedings of the 12th The Hamlyn Symposium on Medical Robotics</conf-name>, <conf-loc>London, United&#x20;Kingdom</conf-loc>, <conf-date>June 2019</conf-date>. </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Selvaggio</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ferrentino</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moccia</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pirozzi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bracale</surname>
<given-names>U.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>The Musha Hand Ii: A Multi-Functional Hand for Robot-Assisted Laparoscopic Surgery</article-title>. <source>Ieee/asme Trans. Mechatron.</source> <volume>26</volume>, <fpage>1</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMECH.2020.3022782</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Madhani</surname>
<given-names>A. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niemeyer</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Salisbury</surname>
<given-names>J.&#x20;K.</given-names>
</name>
</person-group> &#x201c;<article-title>The Black falcon: a Teleoperated Surgical Instrument for Minimally Invasive Surgery</article-title>,&#x201d; in <conf-name>Proceedings of the 1998 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Innovations in Theory, Practice and Applications (Cat. No. 98CH36190) (IEEE)</conf-name>, <conf-loc>Victoria, BC, Canada</conf-loc>, <conf-date>October 1998</conf-date>, <fpage>936</fpage>&#x2013;<lpage>944</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Manganelli</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chinello</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Formaglio</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Prattichizzo</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>A Teleoperation System for Micro-invasive Brain Surgery</article-title>. <source>Paladyn, J.&#x20;Behav. Robotics</source> <volume>1</volume>, <fpage>198</fpage>&#x2013;<lpage>203</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.2478/s13230-011-0006-8</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Meeker</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rasmussen</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ciocarlie</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> &#x201c;<article-title>Intuitive Hand Teleoperation by Novice Operators Using a Continuous Teleoperation Subspace</article-title>,&#x201d; in <conf-name>Proceedings of the 2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) (IEEE)</conf-name>, <conf-loc>Brisbane, QLD, Australia</conf-loc>, <conf-date>May 2018</conf-date>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Meli</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pacchierotti</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Prattichizzo</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Sensory Subtraction in Robot-Assisted Surgery: Fingertip Skin Deformation Feedback to Ensure Safety and Improve Transparency in Bimanual Haptic Interaction</article-title>. <source>IEEE Trans. Biomed. Eng.</source> <volume>61</volume>, <fpage>1318</fpage>&#x2013;<lpage>1327</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tbme.2014.2303052</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Moccia</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Iacono</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Siciliano</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ficuciello</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Vision-based Dynamic Virtual Fixtures for Tools Collision Avoidance in Robotic Surgery</article-title>. <source>IEEE Robot. Autom. Lett.</source> <volume>5</volume>, <fpage>1650</fpage>&#x2013;<lpage>1655</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/lra.2020.2969941</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mohareri</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schneider</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Salcudean</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> &#x201c;<article-title>Bimanual Telerobotic Surgery with Asymmetric Force Feedback: a Davinci&#xae; Surgical System Implementation</article-title>,&#x201d; in <conf-name>In Proceedings of the 2014 Ieee/Rsj International Conference on Intelligent Robots and Systems (IEEE)</conf-name>, <conf-loc>Chicago, IL, USA</conf-loc>, <conf-date>September 2014</conf-date>, <fpage>4272</fpage>&#x2013;<lpage>4277</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Niemeyer</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Slotine</surname>
<given-names>J.-J.&#x20;E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1991</year>). <article-title>Stable Adaptive Teleoperation</article-title>. <source>IEEE J.&#x20;Oceanic Eng.</source> <volume>16</volume>, <fpage>152</fpage>&#x2013;<lpage>162</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/48.64895</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Okamura</surname>
<given-names>A. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Haptic Feedback in Robot-Assisted Minimally Invasive Surgery</article-title>. <source>Curr. Opin. Urol.</source> <volume>19</volume>, <fpage>102</fpage>&#x2013;<lpage>107</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1097/mou.0b013e32831a478c</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Parisi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Reim</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Borghi</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nguyen</surname>
<given-names>N. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Qi</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Coratti</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Minimally Invasive Surgery for Gastric Cancer: A Comparison between Robotic, Laparoscopic and Open Surgery</article-title>. <source>Wjg</source> <volume>23</volume>, <fpage>2376</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3748/wjg.v23.i13.2376</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Perigli</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cortesini</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Qirici</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Boni</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cianchi</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Clinical Benefits of Minimally Invasive Techniques in Thyroid Surgery</article-title>. <source>World J.&#x20;Surg.</source> <volume>32</volume>, <fpage>45</fpage>&#x2013;<lpage>50</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00268-007-9259-0</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Prattichizzo</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Trinkle</surname>
<given-names>J.&#x20;C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). &#x201c;<article-title>Grasping</article-title>,&#x201d; in <source>Springer Handbook of Robotics</source>. Editors <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Siciliano</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khatib</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
</person-group> (<publisher-loc>Berlin, Germany</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>), <fpage>955</fpage>&#x2013;<lpage>988</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-319-32552-1_38</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sheetz</surname>
<given-names>K. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Claflin</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dimick</surname>
<given-names>J.&#x20;B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Trends in the Adoption of Robotic Surgery for Common Surgical Procedures</article-title>. <source>JAMA Netw. Open</source> <volume>3</volume>, <fpage>e1918911</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1001/jamanetworkopen.2019.18911</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Song</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kang</surname>
<given-names>W. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Oh</surname>
<given-names>S. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hyung</surname>
<given-names>W. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Choi</surname>
<given-names>S. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Noh</surname>
<given-names>S. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Role of robotic gastrectomy using da vinci system compared with laparoscopic gastrectomy: initial experience of 20 consecutive cases</article-title>. <source>Surg. Endosc.</source> <volume>23</volume>, <fpage>1204</fpage>&#x2013;<lpage>1211</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00464-009-0351-4</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sood</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Meyer</surname>
<given-names>C. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Abdollah</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sammon</surname>
<given-names>J.&#x20;D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sun</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lipsitz</surname>
<given-names>S. R.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Minimally Invasive Surgery and its Impact on 30-day Postoperative Complications, Unplanned Readmissions and Mortality</article-title>. <source>J.&#x20;Br. Surg.</source> <volume>104</volume>, <fpage>1372</fpage>&#x2013;<lpage>1381</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/bjs.10561</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sugimoto</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yasuda</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Koda</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Suzuki</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yamazaki</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tezuka</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Image Overlay Navigation by Markerless Surface Registration in Gastrointestinal, Hepatobiliary and Pancreatic Surgery</article-title>. <source>J.&#x20;hepato-biliary-pancreatic Sci.</source> <volume>17</volume>, <fpage>629</fpage>&#x2013;<lpage>636</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00534-009-0199-y</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sukhoon</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bin</surname>
<given-names>L. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Muk</surname>
<given-names>J.&#x20;J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yong-San</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> &#x201c;<article-title>Design of Master Console Robot for Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery</article-title>,&#x201d; in <conf-name>Proceedings of the 2009 ICCAS-SICE (IEEE)</conf-name>, <conf-loc>Fukuoka, Japan</conf-loc>, <conf-date>August 2009</conf-date>, <fpage>1152</fpage>&#x2013;<lpage>1157</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tabrizi</surname>
<given-names>L.B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mahvash</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Augmented Reality-Guided Neurosurgery: Accuracy and Intraoperative Application of an Image Projection Technique</article-title>. <source>Jns</source> <volume>123</volume>, <fpage>206</fpage>&#x2013;<lpage>211</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3171/2014.9.jns141001</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tak&#xe1;cs</surname>
<given-names>&#xc1;.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rudas</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Haidegger</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Open-source Research Platforms and System Integration in Modern Surgical Robotics</article-title>. <source>Acta Universitatis Sapientiae; Electr. Mech. Eng.</source> <volume>14</volume>, <fpage>20</fpage>&#x2013;<lpage>34</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tang</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cao</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tan</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fujie</surname>
<given-names>M. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pan</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). &#x201c;<article-title>Motion Control of a Master-Slave Minimally Invasive Surgical Robot Based on the Hand-Eye-Coordination</article-title>,&#x201d; <source>Computer Aided Surgery</source>. Editor <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Fujie</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<publisher-loc>Berlin, Germany</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>), <fpage>57</fpage>&#x2013;<lpage>71</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-4-431-55810-1_5</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tonutti</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Elson</surname>
<given-names>D. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>G.-Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Darzi</surname>
<given-names>A. W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sodergren</surname>
<given-names>M. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>The Role of Technology in Minimally Invasive Surgery: State of the Art, Recent Developments and Future Directions</article-title>. <source>Postgrad. Med. J.</source> <volume>93</volume>, <fpage>159</fpage>&#x2013;<lpage>167</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1136/postgradmedj-2016-134311</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Van der Meijden</surname>
<given-names>O. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Broeders</surname>
<given-names>I. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schijven</surname>
<given-names>M. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>The SEP "robot": a Valid Virtual Reality Robotic Simulator for the Da Vinci Surgical System?</article-title> <source>Surg. Technol. Int.</source> <volume>19</volume>, <fpage>51</fpage>&#x2013;<lpage>58</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B42">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yamamoto</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Abolhassani</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jung</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Okamura</surname>
<given-names>A. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Judkins</surname>
<given-names>T. N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Augmented Reality and Haptic Interfaces for Robot-Assisted Surgery</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Med. Robotics Comput. Assist. Surg.</source> <volume>8</volume>, <fpage>45</fpage>&#x2013;<lpage>56</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/rcs.421</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B43">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yin</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> &#x201c;<article-title>Force Model-Based Haptic Master Console Design for Teleoperated Minimally Invasive Surgery Application</article-title>,&#x201d; in <conf-name>2015 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA) (IEEE)</conf-name>, <conf-loc>Beijing, China</conf-loc>, <conf-date>August 2015</conf-date>, <fpage>749</fpage>&#x2013;<lpage>754</lpage>. </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>
