30363

مدلسازي ديناميكي و كنترل امپدانس ربات جراح لاپاراسكوپي در حضور سنسور ليپموشن

كارشناسي ارشد

مكانيك

1399

1402/4/25

دكتر حبيب نژاد كورايم

مكانيك

تحقيق و توسعه رباتهاي جراحي در دهههاي اخير به طور فزايندهاي فعال بوده است. براي اينكه رباتهاي جراح بهآساني در اتاق عمل پذيرفته شوند، بايد كنترل و جريان كار جراحي، آسان و راحت باشد. جراحي لاپاراسكوپي، گروهي از جراحيهاي كم تهاجمي است كه بينايي از طريق برشهايي بر روي ديواره شكم بيماران به دست ميآيد و عمل با استفاده از تصاوير دوربين فيلمبرداري انجام ميشود. جنبه مكانيكي ابزار، توانايي جراح را براي بهدستآوردن اطلاعات تشخيصي محدود ميكند. جراحان در حين استفاده از قيچي لاپاراسكوپي، توانايي خود را براي واردكردن نيروي لازمه بر روي بافت را از دست ميدهند، جايي كه اطلاعات لمسي مانند سفتي بافت، نيروي وارده بر بافت كاهش مييابد؛ بنابراين كنترل و حركت قيچي لاپاراسكوپي توسط ربات جراح موردتوجه است. كنترل امپدانس بهعنوان يك طرح كنترل يكپارچه مناسب براي مقابله با وظايف تعامل مكانيكي كه شامل فرايندهاي تماس است ارائه شد. كنترل امپدانس يك راه مؤثر براي كنترل موقعيت و نيروي تماس به طور همزمان فراهم ميكند. ازاينرو عملكرد ربات جراح را ميتوان بهبود بخشيد و ايمني تعامل انسان و ربات در حين جراحي را ميتوان تضمين كرد. با بررسي مدلي بهينه براي ربات جراح لاپاراسكوپي و ارائه روش كنترل امپدانس بهمنظور كنترل همزمان نيرو و موقعيت، ميتوان بسياري از چالشها را پشت سر گذاشت. در اين مقاله ديناميك ربات جراح به همراه قيچي لاپاراسكوپي براي پيادهسازي روش كنترل امپدانس بررسي شده است، تا بتوان موقعيت و نيروي ربات را در حين برخورد با محيط بيمار بهدرستي كنترل كرد. اثر بهرههاي كنترلي مورد بررسي قرار گرفت كه بهره مناسب منجر به پاسخ سريعتر شده است و ازآنجاييكه گشتاورهاي بازوي ربات بيشتر ميشود، انتظار ميرود زمان پاسخ كوتاهتري به دست آيد. هدف اصلي، كنترل نيروي ربات جراح لاپاراسكوپي زير حد آسيب بافتي است، جايي كه كنترل نيروي بازوهاي ربات در تماس با بافت انسان بسيار حائز اهميت است. در اين راستا، مناسبترين بهره كنترلي 𝑘=500 و 𝑙=200 انتخاب شد كه در آن گشتاورهاي بازوهاي ربات وخطاي رديابي مسير در كمتر از 2 ثانيه به صفر مي رسد. ثابت هاي كنترلي 𝑙 معمولاً براي ايجاد ميرايي بحراني انتخاب مي شوند. كنترل نيروي بازشدگي قيچي لاپاراسكوپي ربات جراح كه در تماس با بافت انسان مي باشد نيز مورد بررسي قرار گرفت. نيروي لازم جهت حركت خطي و دوراني قيچي لاپاراسكوپي با انتخاب مناسبترين بهره 𝑘 و 𝑙 به خوبي كنترل شد و دهانه قيچي لاپاراسكوپي در كمترين زمان و بدون نوسان باز شد. كنترلر در حركت چرخشي شفت قيچي لاپاراسكوپي برخلاف حركت خطي با ثابت هاي ميرايي متفاوت توانست نيرو و موقعيت را به خوبي كنترل كند.

1402/10/27

Dynamic modeling and impedance control of a laparoscopic surgeon robot in the presence of a leap motion sensor

7/15/2024 12:00:00 AM

Surgical robot research and development has become increasingly active in recent decades. Control and flow of surgical operations should be simple and comfortable in order for surgical robots to be easily accepted in the operating room. Laparoscopic surgery is a type of minimally invasive surgery in which vision is acquired through incisions in the patient's abdominal wall and the operation is carried out utilizing video camera pictures. The surgical work space is constrained by the degree of freedom and the structure of the tools. Furthermore, the instrument's mechanical design limits the surgeon's ability to obtain diagnostic information. Surgeons lose their ability to apply the necessary force on tissue while using a laparoscopic grasper, and tactile information such as tissue stiffness, tissue force, and diagnostic information are reduced; thus, the robot surgeon's control and movement of the laparoscopic grasper are important. Impedance control was offered as an effective control technique for dealing with mechanical interaction problems involving contact processes. Impedance control is an efficient method for controlling both position and contact force at the same time. As a result, the surgeon robot's performance can be increased, and the safety of human-robot interaction during surgery can be ensured. Many obstacles may be solved by studying an appropriate model for the laparoscopic surgeon robot and introducing an impedance control technique to control force and position at the same time. The dynamics of the surgeon's robot with laparoscopic grasper were researched in this study in order to implement the impedance control method, which allows the robot's position and force to be correctly controlled while dealing with the patient's environment. The effect of control gains was explored; the appropriate gain led to a faster response, and as the robot arm's torques grow, a shorter response time is predicted. The main purpose is to keep the force of the laparoscopic surgeon robot below the tissue damage limit, which is especially critical when the robot arms in contact with human tissue. In this way, the best control gain of k = 500 and l = 200 was chosen. In which the robot arm torques and path tracking error achieve zero in less than 2 seconds. Typically, control constants 𝑙 are set to provide critical damping. Control of the opening force of the robot surgeon's laparoscopic grasper, which comes into touch with human tissue, was also analyzed. The necessary force for the laparoscopic grasper's linear and rotational movement was well controlled by choosing the most appropriate gain k and l, and the laparoscopic grasper was opened in the shortest time without oscillation. In comparison to the linear motion with different damping constants, the controller was able to control the force and position well during the rotation of the laparoscopic grasper shaft.

ربات جراح , قيچي لاپاراسكوپي , كنترل امپدانس , سنسور ليپموشن

laparoscopic surgery , surgeon robot , impedance control

reza dehqanian

Dr.M. H. Korayem