Kinematics, dynamics, and integration of a redundant manipulator for laparoscopic robotic surgery
Artık serbestlik dereceli laparoskopik cerrahi robotunun kinematiği, dinamiği ve sistem bütünleştirilmesi
- Tez No: 527592
- Danışmanlar: Assist. Prof. Dr. MEHMET BERKE GÜR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Bahçeşehir Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 110
Özet
Son dönemde meydana gelen teknolojik gelişmeler, robot kollarının robot-destekli ameliyatlarda ve özellikle de minimal invazif cerrahide başarı ile kullanılmasını sağlamıştır. Robotlar yalnızca cerrahın kabiliyetlerini hassasiyet ve el-becerisi bakımından arttırmakla kalmayıp, aynı zamanda operasyon sırasında cerrahın üzerindeki fiziki ve bilişsel yükü de azaltmaktadır. Mevcut ticari robotik cerrahi sistemleri (örneğin, da Vinci robotik ameliyat sistemi) doku-alet arasındaki etkileşimden doğan kuvvetleri cerrahın eline yansıtma kabiliyetinden yoksundur. Bu eksikliği gidermek için gereken haptik yetenekler, robotik ameliyat sistemine çift-yönlü tele-operasyon yapısının uygulanması ile gerçekleştirilebilir. Bu amaç doğrultusunda ve TÜBİTAK projesi kapsamında bir robotik cerrahi platformu tasarlanmıştır. Tasarlanan bu robotik cerrahi sisteminin sahip olduğu haptik kuvvet geri besleme özelliği sayesinde mevcut ameliyat robotlarında yer alan bu boşluğun doldurulması hedeflenmiştir. Önerilen robotik cerrahi sistemi, artık 7 serbestlik derecesine sahip KUKA IIWA robot kolu ile proje ekibi tarafından tasarlanan, 3+1 serbestlik derecesine sahip özgün bir bilek mekanizmasından meydana gelmektedir. Robot kol, bilek mekanizmasının vücuda girdiği nokta çevresindeki dönel hareketini (uzak mesnet merkezi) sağla-maktadır. Buna karşılık, bilek mekanizması ise bu dönel hareket sonucu kaybedilen serbestlik derecelerini telafi eder. Bu yapı iki soruna yol açmaktadır. Öncelikle, robot kol ile bilek mekanizması birlikte, ters çözümü zor olan bir kinematik yapı oluşturmaktadır. Buna ek olarak, robot kol ve bilek mekanizmasının farklı kontrol yapılarına sahip olmaları sebebi ile, geliştirlen robotik cerrahi sistemininin gerçek zamanlı kontrolünü mümkün kılacak bir sistem ve yazılım mimarisi gereklidir. Bu tezde, yukarıda açıklanan bu iki soruna odaklanılmıştır. Ana görev olarak cerrahın tüm hareketlerinin tümleşik robot kol-bilek sistemi tarafından doğru bir şekikde tekrarlanması olarak belirlenmiştir. İlk sorunun çözümü için ana görevin gerçekleştirilmesini olanak sağlayacak geometrik bir kinematik ters çözüm geliştirilmiştir. KUKA IIWA robot kolunun artıklığından yararlanılarak, ana görevin gerçekleştirildiği sırada, bu görevi etkilemeyecek şekilde ikincil bir görevin de gerçekleştirilmesini sağlayan geometrik bir kinematik çözüm de geliştirilmiştir. Uzak mesnet merkezi hareketini sağlayan robot kol, bilek mekanizması ve haptik özelliklere sahip bir kumanda kolunun bütünleştirilmesine olanak sağlayan, ağ yapısına ve çok işlemli mimariye sahip bir yapı önerilmiştir. Buna ek olarak, robot kolun dinamik analizi gerçekle-ştirilmiş ve bir benzetim ortamı geliştirilmiştir. Son olarak, önerilen çözümler ve sistemin başarımı tek-yönlü ve çift-yönlü deneyler ile doğrulanmıştır.
Özet (Çeviri)
The recent advancements in robotic manipulators have resulted in a successful utilization of these technologies in robotic-assisted surgeries, particularly minimally invasive surgeries (MIS). Robots not only augment the surgeon's capabilities in terms of precision and dexterity but also mitigate the physical and cognitive efforts of the surgeon during operations. Currently available commercial surgical systems (the da Vinci Surgical System, for instance) lacks the ability to reflect forces of tool-tissue interaction back to the surgeon's hand. Such inadequacy necessitates implementing bilateral teleoperation to introduce haptics to the system. To this end, a robotic platform design was proposed within the scope of a TUBITAK1research project with the purpose of closing the gap in existing robotic surgical platforms by incorporating haptic force feedback to the system. The proposed design integrates the redundant 7-DoF manipulator Kuka IIWA with an in-house-designed 3+1-DoF wrist mechanism. The manipulator provides the pivoting motion that moves the wrist around the incision point. Whereas the wrist compensates the lost degrees of freedom due to the pivoting motion(Remote Center of motion RCM) Consequently, this produces results in two problems: firstly, such integration results in a complex inverse kinematic solution. Secondly, because the two systems use different controllers, it is necessary to develop a system architecture that integrates the manipulator and the wrist considering the real-time performance constraint. With this in mind, in this thesis, For the first problem, A geometric kinematic solution is obtained for the primary task that is to provide RCM for the combined manipulator-wrist structure so that surgeon motion is fully mapped to the forceps allowing intuitive manipulation. Utilizing the kinematic redundancy of IIWA a geometric kinematic solution is presented to perform a secondary task that optimizes the motion of IIWA while performing the primary task. For the Integration problem, A system architecture based on networking and multiprocessing is proposed to integrate the RCM manipulator, the wrist in addition to the haptic device. Moreover, dynamic analysis and a simulation environment of the manipulator is also provided. Finally, unilateral and bilateral experiments are performed to validate the actual system.
Benzer Tezler
- Modeling of redundant planar parallel manipulators
Gereğinden fazla serbestlik dereceli düzlemsel paralel manipülatörlerın modellenmesı
İBRAHİM BAŞAR KILIÇPARLAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADETTİN KAPUCU
- Control of redundant robot manipulators with telerobotic applications
Artık eklemli robot kollarının kontrolü ve telerobotik uygulamaları
KAMİL ÇETİN
Doktora
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ENVER TATLICIOĞLU
- Development of high performance grinding process using hybrid redundant manipulator
Hibrit artık robot kolu kullanarak yüksek performanslı taşlama işlemi geliştirmesi
MASOUD LATIFI NAVID
Doktora
İngilizce
2018
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERHAN İLHAN KONUKSEVEN
- Attitude estimation and reaction wheels based control of an earth-pointing small satellite
Küçük bir yer gözlem uydusunun yönelimini belirleme ve tepki tekerleklerine bağlı kontrolü
HAKAN GÜRSOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ HACIZADE
- Yerel, ulusal ve uluslararası sabit referans istasyonlarının kabuk ve yapısal deformasyon belirleme amaçlı tasarlanan jeodezik ağlara entegrasyonu, ölçme ve değerlendirme stratejileri
Designed for crustal and structural deformation for determining the geodetic networks integration local, national and international of continuously operating reference stations, measurement and processing strategies
PINAR DEMİRCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAHMİ NURHAN ÇELİK