Studiu de caz

Implementarea robotilor paraleli in aplicatii medicale

Cluj-Napoca 2014

Stadiul actual al cercetarilor in domeniul chirurgiei robotizate

Necesitatea si justificare temei

Stabilirea caietului de sarcini cu prezentarea avantajelor si dezavantajelor structurilor seriale si paralele

Definirea si modelul geometric al unei structuri paralele noi pentru chirurgia minim invaziva – PARAMIS

Modelul cinematic al robotului pentru chirurgie PARAMIS. Analiza singularitatilor si a spatiului de lucru.

Proiectarea constructiva a robotului PARAMIS si realizarea unui model de comanda utilizand pachetul software MATLAB - SIMULINK

Modelul experimental al robotului PARAMIS

Stadiul actual al cercetarilor in domeniul chirurgiei robotizate

Cu aproximativ 20 de ani in urma, evolutia din tehnica face posibila introducerea unei noi tehnici de interventie chirurgicala: chirurgia minim invaziva.

In ultima parte a anilor 90, s-a concretizat o alta etapa evolutiva in dezvoltarea tehnicilor chirurgicale prin introducerea sistemelor robotizate in chirurgie. Aceste inovatii au creat conditiile necesare pentru solutii minim invazive intr-un spectru larg de proceduri chirurgicale complexe in cele mai variate specialitati (toracica, abdominala, neurologica, ortopedica, etc.).

Master

Slave

Chirurg

Cativa metri 15 000 Km

Modul tactil

Pacient

Chirurgi Roboti

Puncte forte

Coordonare buna mana-ochi

Dexteritate mare (la o scala a omului)

Flexibil si adaptabil

Poate integra si prelucra informatii complexe

Poate folosi informatiile calitative

O bună judecata

Usor de informat

Puncte forte

O precizie geometrica mare

Stabil si imperturbabil

Poate fi conceput pentru o varietate mare de

functii

Poate fi sterilizat

Rezistent la radiatii si infecţii

Poate folosi diferiti senzori (chimici, fizici,

acustici etc.) în control

Limitari

Dexteritate limitata in afara scalei naturale

Predispus la oboseala si tremur

Limitare a preciziei geometrice

Limitare in a folosi informatiile calitative

Necesitatea unui camp de operatie mare

Posibilitate limitata de sterilizare

Vulnerabil la radiatii si infectii

Limitari

Judecată slaba

Dexteritate si coordonare mana-ochi limitate

Limitat unor proceduri relative simple

Pret ridicat

Tot timpul in pas de a fi depasit din punct de

vedere tehnologic

Greu de construit si de reparat

Bratul robotic AESOP (Automated Endoscopic System for Optimal Positioning)

Necesitatea si justificarea temei abordate

Distrugerea ţesuturilor sănătoase este minimă; Durata de spitalizare, în majoritatea cazurilor este sub 24 de

ore; Impactul psihologic al procedurii asupra pacientului este scăzut

semnificativ; Datorită sistemului robotic precizia intervenţiei este sub o

sutime de milimetru; Riscul unor tăieturi greşite (secţionare de vase, atingerea unor

nervi etc.) este minim; Riscul infecţiilor intraoperatorii este minim; Se pot realiza interventii imposibile pe cale clasica.

Campul vizual al chirurgului este limitat;

Ergonomia sistemului este scazuta si impune un numar mare de ore de pregatire;

Chirurgul nu simte tesuturile (nu are feedback tactil);

Spatiul ocupat in sala de operatie este mare;

Numarul mic de solutii disponibile si prohibitive ca si costuri si dificil de utilizat;

Costurile unui astfel de sistem si a unei interventii sunt foarte ridicate.

eficacitatea sistemelor existente;

nevoia dezvoltării unor sisteme mai accesibile din punct de vedere economic;

integrarea pe scară largă a sistemelor robotizate în sălile de operaţii;

încurajarea cercetărilor în domeniu pentru găsirea unor noi concepte care să elimine limitările şi dezavantajele sistemelor existente.

Se poate concluziona că sistemele robotizate aduc beneficii mari în sălile de operaţie, însă acestea sunt încă la început, iar reacţiile chirurgilor evidenţiază:

Stabilirea caietului de sarcini cu prezentarea avantajelor si dezavantajelor

structurilor seriale si paralele

Precizie ridicata; Spatiu de lucru mic; Control eficient al vitezei si fortei in spatiul de lucru; Feedback tactil; Sisteme de siguranta; Imun la interferentele magnetice; Evitarea singularitatilor; Inerţie redusa; Sterilizare usoara; Dimensiuni compacte si greutate redusa; Brate compacte.

Caracteristicile structurilor paralele şi seriale

Tendinta Caracteristica Robot Serial Robot

Paralel

Precizie Medie - mica Foarte mare

Repetabilitate Medie - mare Foarte mare

Raport masa

proprie / masa

manipulată

Foarte mare Mic

Spaţiu de lucru Mare Mic

Rigiditate Mică Mare

Viteze, acceleratii Medii Foarte mari

Mase în miacare Mari Mici

Definirea si modelul geometric al unei structuri paralele inovative pentru

chirurgia minim invaziva – PARAMIS

Z

1hh

laparoscope

X

Y

Ey'

Ex'

z'E

AA AA(X , Y , Z )

BB BB(X , Y , Z )

EEEE(X , Y , Z )

Modelul geometric invers

Modelul geometric direct

EEE ZYX ,, 3,2,1, iqi

Date Necunoscute

EEE ZYX ,,3,2,1, iqi

Date Necunoscute

Date: 321 ,, qqq BBB ZYXhdb ,,;,,

2122 qqdbrA

133 ,sin,cos qZqrYqrX AAAAA

Doua cazuri:

Solutie analitica!

BABA YYXX ,BABA YYXX ,

hZZ

YYXX

AE

BEBE ,

Modelul geometric direct

222 ABABAB ZZYYXXe

e

ZZ

e

ZZa BABA ,12tan

2

ABAB XXYYa ,2tan

cos

sinsin

cossin

hZZ

hYY

hXX

AE

AE

AE

Date: EEE ZYX ,, BBB ZYXhdb ,,,,,

2221 EBEBEB ZZYYXXh

BEBE YYXX ,BEBE YYXX ,

22AAA YXr

AZq 1

AA XYaq ,2tan3

hZZ

YY

XX

EA

EA

EA

Modelul geometric invers

Doua cazuri:

Solutie analitica!

1

2

1

,12tanh

ZZ

h

ZZa EBEB BEBE XXYYa ,2tan

cos

sinsin

cossin

hZZ

hYY

hXX

EA

EA

EA

2212 brdqq A

Robotul paralel PARAMIS – model cinematic CAD

Modelul cinematic virtual

Delta X: -84.01 mm Delta Y: 411.02 mm Delta Z: 650.49 mm

Date de intrare

q1=535.28 mm

q2=864.39 mm

q3=0°

h=270 mm

D=545.356 mm

Date calculate

XE=650.488 mm

YE=151.224 mm

ZE=311.603 mm

Date masurate

Delta X: 151.22 mm Delta Y: -311.60 mm Delta Z: -650.49 mm

Modelul cinematic al robotului paralel pentru chirurgie PARAMIS. Analiza

singularitatilor si a spatiului de lucru

0,

0sin,,,

0cos,,,

11

13

32

122

13212

32

122

13211

qh

ZZhZqZf

qqqdbh

YYhYqqqYf

qqqdbh

XXhXqqqXf

EBEE

EBEE

EBEE

11

13

212

2

13

212

2

sin

cos

h

ZZhqZ

h

YYhqqqdbY

h

XXhqqqdbX

EBE

EBE

EBE

0 qBXA

EEE

EEE

EEE

Z

f

Y

f

X

f

Z

f

Y

f

X

f

Z

f

Y

f

X

f

A

333

222

111

3

3

2

3

1

3

3

2

2

2

1

2

3

1

2

1

1

1

q

f

q

f

q

f

q

f

q

f

q

f

q

f

q

f

q

f

B

EEE

EEE

EEE

Z

f

dt

d

Y

f

dt

d

X

f

dt

d

Z

f

dt

d

Y

f

dt

d

X

f

dt

d

Z

f

dt

d

Y

f

dt

d

X

f

dt

d

A

333

222

111

3

3

2

3

1

3

3

2

2

2

1

2

3

1

2

1

1

1

q

f

dt

d

q

f

dt

d

q

f

dt

d

q

f

dt

d

q

f

dt

d

q

f

dt

d

q

f

dt

d

q

f

dt

d

q

f

dt

d

B

0 qBqBXAXA

qBAX 1

001

cossinsin

sincoscos

32

122

32

122

123

212

2

21

32

122

32

122

123

212

2

21

qqqdbq

qqd

qqq

qqd

qq

qqqdbq

qqd

qqq

qqd

qq

B

2

31

31

31

31

2

31

31

31

31

2

31

1

12

1

1

1)()()()(

)()(1)()(

)()()()(1

)(1

1

EBEBEBEBEB

EBEBEBEBEB

EBEBEBEBEB

ZZh

hZZYY

h

hZZXX

h

h

YYZZh

hYY

h

hYYXX

h

h

XXZZh

hXXYY

h

hXX

h

h

hh

hMa

h

h

A

3331

1

113

11

1

331

12

1

1333

122

31

1

1

cos

sinsincos1

qqCYYXXh

h

hh

hqZZXX

h

h

hh

h

qYYXXh

h

AA

qq

hh

hqqCq

AA

qqXX

h

h

hh

hX

EBEBEBEB

EBEBEBE

33311

113

11

1

331

12

1

1333

122

311

1

cos

sinsinsin1

qqCYYXXh

h

hh

hqZZXX

h

h

hh

h

qYYXXh

h

AA

qq

hh

hqqCq

AA

qqYY

h

h

hh

hY

EBEBEBEB

EBEBEBE

2

31

11

1

33312

31

1

1333

12

1

1

1

cossinsincos

EB

EBEBEBEBE

ZZh

hq

hh

h

qqCqAA

qqZZYY

h

h

hh

hqqCq

AA

qqZZXX

hh

hZ

Solutie analitica!

XABq 1

0cos1

sin1

1sincos

100

1

32

122

32

122

312

212

2

312

212

2

212

2

212

2

12

1

q

qqdb

q

qqdb

qqq

qqdq

qq

qqd

Mb

qqdb

qqd

qqB

31

2

131

31

31

31

2

131

31

31

31

2

1

1

1

1

h

ZZh

h

h

h

YYYZh

h

XZYZh

h

ZZYYh

h

YYh

h

h

h

XXYYh

h

ZZXXh

h

YYXXh

h

XXh

h

h

A

EBEBEBEBEB

EBEBEBEBEB

EBEBEBEBEB

331

3312 sincos1sincos qYqXAAh

hqYYqXXEAAqq EEEBEB

331

333 sincos1

1sincos1

qXqYCh

hqXXqYYE

Cq EEEBEB

EBEEBEEBEEBEE ZZZYYYXXXZZh

h

h

hZZq

311

1

Solutie analitica!

qBqBXAAX 1

31313131

21212131

1111112

311

1 11

DBQBBDQDAXZZXXh

h

DBQBBDQDAXYYXXh

hDBQBBDQDAXXX

h

h

hh

hX

EBEB

EBEBEBE

31313131

2121212

31

111111311

1 11

DBQBBDQDAXZZYYh

h

DBQBBDQDAXYYh

hDBQBBDQDAXYYXX

h

h

hh

hY

EBEB

EBEBEBE

3131312

31

21212131

111111311

1

1

1

DBQBBDQDAXZZh

h

DBQBBDQDAXZZYYh

hDBQBBDQDAXZZXX

h

h

hh

hZ

EB

EBEBEBEBE

Solutie analitica!

qBXAXABq 1

3131311 BDQDAXDDAXq

3313131212121

31111112

sin

cos1

qBDQDAXDDAXBDQDAXDDAXA

qBDQDAXDDAXAq

C

qBDQDAXDDAX

C

qBDQDAXDDAXq 3212121

31111113

cossin1

Solutie analitica!

0det B

212

2

212

2

12)det( qqdb

qqd

qqB

21 qq

122

122 qqdqqd

02122 qqdb

0det A

2

1

1det

h

hA 1hh

0det A 0det Bsi

Tipul 1.

Tipul 3.

Tipul 2.

0 qBXA

Nu exista puncte de singulatitate!

Traiectorie paralelă cu axa Z cu laparoscopul aflat în poziţie oarecare mZmZmYYmXX

fifi EEEEfEiE331.0,281.0,0,,660.0

Deplasarea robotului, pe o traiectorie liniară între două puncte în spaţiul de lucru

mZmZmYmYmXmX fifi EEEEfEiE 250.0,281.0,020.0,0,750.0,679.0

Traiectorie circulară cu parametrii de mişcare R=0.03 m, v=0.01 m/s a = 0.005 2/ sm

Spaţiul de lucru efectiv al punctului E

Spaţiul de lucru cu vizibilitate al punctului E

Proiectarea constructiva a robotului paralel PARAMIS si realizarea unui

model de comanda utilizand pachetul software MATLAB - SIMULINK

Translatie

Rotatie

Motorul pentru cupla motoare 1q

IKx

F

MJPm

JJJ

motorcolf

surubsurubPiulitacurearotimotRED

_

_1_6

2

_ 102

surubPiulitacurearotimotRED JPm

JJJA _6

2

_ 102

A

x

A

MI

A

Kmotor 11

-K-

torque-speed

gradient

comanda

Viteza poz. l iniara

Viteza poz unghi

Step

PID

Regulator

-K-

Reductor

Product2

Product1

Product

In1

Plot3

In1

In2

Plot2

In1

In2

Plot1

1

u

Math

Function

-C-

Kmotor2

-C-

Kmotor1

-C-

Kmotor

1

s

Integrator

Vit ung. Poz.

1

s

Integrator

Acc. ungh. vit

-K-

Gain3

1

Gain2

1

Gain1

-K-

Gain

2.4

Forta_f

1.415

Display

du/dt

Derivative

Add

Out1Out2Out3Out4Out5Out6

A

0'

0'

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.005

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-5

0

5

10

15

20

25

30

35

Semnal comanda

Deplasare liniara Variatie unghiulara

P- 4, I-0.065, D-2.2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.005

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-5

0

5

10

15

20

25

30

35

Semnal comanda

Deplasare liniara Variatie unghiulara

P- 4.5, I-0.065, D-2.2

A

MI

A

K frmotor

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-5

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-2

0

2

4

6

8

10

12

P- 130, I-0.4, D-90

Modelul experimental al robotului PARAMIS

Intrebari