28831

مدل‌سازي ديناميكي بازوي ربات جراح همراه با قيچي لاپاروسكوپي و بررسي روش‌هاي كنترل آن با استفاده از سنسور ليپ موشن

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1398

1401/9/27

دكتر محرم حبيب نژاد كورايم

مهندسي مكانيك

استفاده از تكنولوژي‌هاي پيشرفته‌ي رباتيك، نه تنها امكان رفع اغلب محدوديت‌هاي جراحي لاپاروسكوپيك را فراهم مي‌كند، بلكه قابليت هاى جديدى را نيز در اختيار جراح قرار مي‌دهد. ربات‌هاي جراح اين امكان را ايجاد مي‌كنند كه جراح در حالت مناسب ارگونوميك در پشت كنسول، عمل جراحي را در موقعيت عملكردي بسيار راحت‌تر و با كيفيت بسيار بهتري انجام دهد. به علاوه، اين ربات‌ها با حذف لرزش‌ها و حركات زائد دست جراح و فراهم آوردن امكان مقياس‌گذاري حركات به صورت مطلوب، انجام عمل‌هاي ظريف جراحي را امكانپذير مي‌نمايند. جراحان از انواع وسيعي از ابزار‌هاي لاپاراسكوپيك در بازوي نهايي ربات جراح، استفاده مي‌كنند. قيچي‌هاي لاپاراسكوپي بر اساس كاربرد و شكل سوزن به انواع مختلفي تقسيم مي‌شوند و عموماً در طراحي اين قيچي‌ها به طراحي ارگونوميك به منظور تسهيل در جراحي و كنترل، توجه ويژه‌اي مي‌شود و در اين زمينه مقالات متعددي به بررسي آن پرداخته‌اند. همچنين با توجه به فضاي كاري محدود در اتاق عمل توجه به سمت استفاده از افزونه‌هاي مجازي و سنسور‌هاي غير تماسي براي حركت ابزار جراحي معطوف شده است. در اين پايان‌نامه هدف مدل‌سازي سينماتيكي و ديناميكي ربات جراح همراه با قيچي لاپاراسكوپي مي‌باشد كه به منظور انجام اين مهم از روش لاگرانژ سيستماتيك براي استخراج معادلات حركت پايه و گرسپر استفاده شده است. به منظور صحت سنجي معادلات به دست آمده، شبيه‌سازي در نرم‌افزار تحليل ديناميكي آدامز صورت گرفته است و نتايج حاصل از دو روش با يكديگر مقايسه شده‌اند. در پژوهش‌هاي پيشين تنها به مدلسازي ديناميكي حركت خطي قيچي پرداخته شده است. مزيت اين پژوهش گسترش مدلسازي و درنظر گرفتن حركت دوراني قيچي نيز مي‌باشد. بدين ترتيب مدلي كامل از ربات جراح استخراج شده كه مي‌توان با استفاده از سنسور غير تماسي ليپ موشن شرايطي بهينه براي كنترل اين ربات ايجاد كرد. با توجه به آن كه قرار دادن سنسور در نقطه اثر انتهايي گرسپر لاپاروسكوپي امري بسيار دشوار است و كنترل نيروي اعمالي به بافت به منظور جلوگيري از وارد كردن آسيب ناخواسته بسيار ضروري است در اين پايان‌نامه به تحقيق درباره روش‌هاي كنترل نيروي اعمالي به بافت نيز پرداخته شده است و ربات و گرسپر در حضور بافت با اعمال روش‌هاي كنترل تناسبي_مشتقي_انتگرال‌گير و روش كنترل مود لغزشي ربات و گرسپر لاپاروسكوپي كنترل شده‌اند به منظور به حداقل رساندن خطا و تلاش كنترلي از روش‌هاي بهينه‌سازي الگوريتم ژنتيك و الگوريتم بهينه‌سازي شيرمورچه و گرگ خاكستري استفاده شده است. با استفاده از الگوريتم ژنتيك مجموع مربعات خطا از 0.0032283 به 0.0018 كاهش يافت و مجموع انتگرال مربع تلاش هاي كنترلي نيز از 136250 به 18.8868 كاهش يافت و با استفاده از بهينه سازي گرگ خاكستري و شير مورچه تلاش كنترلي تا 67 درصد كاهش يافت خطاي حالت ماندگار صفر فراجهش صفر از مزاياي ديگر اين طراحي به شمار مي‌رود.

1402/07/16

Dynamic modeling of the surgeon robot’s arm with laparoscopic grasper and investigating its control methods using leap motion sensor

12/18/2023 12:00:00 AM

The usage of advanced robotics technologies not only provides the possibility of removing most of the restrictions of laparoscopic surgery, but also provides new capabilities to the surgeon. Surgeon robots make it possible for the surgeons to perform the surgery in a much more comfortable position with a much better quality in an ergonomic position behind the console. In addition, these robots make it possible to perform delicate surgical operations by eliminating unnecessary vibrations and movements of the surgeon's hand by providing the possibility of scaling the movements in an optimal way. Surgeons use a wide variety of laparoscopic instruments on the terminal arm of the surgeon robots. Laparoscopic scissors are divided into different types based on the usage and shape of the needle and generally, during the procedure of designing of these scissors, special attention is paid to ergonomic design in order to facilitate better control for the surgeon. Therefor, many researches have been conducted in this field. Due to the limited working space in the operating room, attention has been directed towards the use of virtual additions and non-contact sensors for the movement of surgical instruments. This thesis aims to model the dynamics and kinematics of the surgeon robot with laparoscopic scissor and in order to do this, the systematic Lagrange method has been used to derive the motion equations of the base and gripper. In order to verify the obtained equations, simulation has been done in Adams dynamic analysis software and the results of two methods have been compared. In the previous researches, only the dynamic modeling of the linear motion of the scissors has been discussed. The contribution of this research is the expansion of modeling and considering the rotational movement of the scissors. For this purpose, a complete model of the surgeon robot has been developed, which can be used to create optimal conditions for controlling the robot using a non-contact leap motion sensor. Considering difficulties of placing the sensor at the end-effector of the laparoscopic gripper and necessity of controlling the force applied to the tissue in order to prevent unintended damage, tissue properties have also been used to control the force applied to the tissues. Finally, two control methods namely, proportional-derivative-integral control and the sliding mode control have been selected to control the robot and the grasper, Moreover, in order to minimize the error and control effort, genetic algorithm optimization and coco search optimization algorithm have been utilized.

مدلسازي-ديناميكي , كنترل_ربات_جراح , لاپاروسكوپي , سنسور-ليپ-موشن

dynamic_modeling , surgeon_robot_control , laparoscopy , leap_motion_sensor

Mohammad Amin Alamdari

Prof. Moharam Habibnejad Korayem