Development of a sensorless haptic teleoperation system for robotic minimally invasive surgery
Robotik minimal invazif cerrahi için sensörsüz haptik teleoperasyon sistemi geliştirilmesi
- Tez No: 539169
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ UĞUR TÜMERDEM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Marmara Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 96
Özet
Minimal invazif cerrahi, hasta vücuduna küçük insizyonlardan girilerek dışarıdan kontrol edilebilen özel enstrümanlarla operasyon yapılmasıdır. Robotik minimal invazif cerrahi ise cerrahlara operasyon sırasında daha fazla hassasiyet, esneklik ve kontrol kazandırmaktadır. Bu sayede, ameliyatlar daha düşük enfeksiyon riski ve hızlı taburcu imkanı ile daha kolay bir şekilde gerçekleştirilebilmektedir. Ancak, günümüzde kullanılan cerrahi robotlarda operasyonlarda transmisyon sisteminden kaynaklı problemler yaşanmakta ve vücut içerisinde dokunma hissi cerraha iletilememektedir. Bahsedilen problemi çözmek amacıyla Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu tarafından desteklenen bir proje kapsamında 1.5-2cm'lik bir delikten geçebilen, insan bileği hareketlerini yapabilen ve vücut dışarısından rijit çubuklarla kontrol edilen 3-serbestlik-dereceli paralel bilek mekanizması tasarlanmıştır. Mekanizmanın ucuna mikro motor bağlanmasıyla makas açma-kapama hareketi ile birlikte vücut içerisinde 4-serbestlik-derecesinde bir robotik forseps elde edilmiştir. Rijit transmisyon kullanıldığından forsepse etki eden kuvvetler, tez kapsamında geliştirilen kestirim metodu ile motorlarda oluşan kuvvetlerden hesaplanabilmektedir. Ayrıca, bu forsepsin 7-eksenli robot koluna monte edilmesiyle hasta içerisinde x-y-z yönlerinde yer değiştirme, pitch-yaw-roll eksenlerinde dönüş ve tutucu ekseninde açma-kapama olmak üzere 7-serbestlik-derecesine ulaşılmaktadır. Bu tezde dinamik denklemleri bilinmeyen ve kuvvet sensörü bulunmayan herhangi bir robota dıştan etki eden kuvvet-torkların kestirimini sağlayan bir metot geliştirilmiştir. Bu metot ile forseps mekanizmasında kuvvet kestirimi ve tümör tespiti deneyleri yapılmıştır. Daha sonra, bu metot temel alınarak 7-serbestlik-dereceli cerrahi robotun kuvvet-tork ilişkileri elde edilip kuvvet kestirimi çalışmaları yapılmış ve sonuçlar her eksende sırasıyla doğrulanmıştır. Son olarak geliştirilen kestirim metodu kullanılarak, ticari Phantom Omni robotları için teleoperasyon mimarileri tasarlanmıştır. Teleoperasyon sırasında robotlara etki eden kuvvetler, kuvvet sensörü kullanılarak doğrulanmıştır ve hassas sonuçlar ile metodun işlevselliği de kanıtlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Minimally invasive surgery is a medical procedure where the surgeon operates on a patient with special instruments that enter the body through small incisions. Compared with minimally invasive surgery, robotic minimally invasive surgery gives surgeons flexibility and more accurate control during operations. However, the surgical robots used today have problems due to their transmission and control systems and cannot transmit the sense of touch to the surgeon within the body. Within the scope of a project supported by The Scientific and Technological Research Council of Turkey, a 3-degrees-of-freedom parallel wrist mechanism that is capable of mirroring human wrist motions, and that can pass through incisions of 1.5cm has been designed to solve the stated problem. By mounting a linear motor actuated gripper on the wrist, the resulting forceps has 4-degrees-of-freedom inside the body. Due to the use of rigid transmissions, the forces acting on the forceps can be calculated from the joint motors by an estimation method developed within the scope of this thesis. By mounting the mentioned forceps on a 7-axis robotic arm, 7-degree-of-freedom motion in the body with translation in x-y-z directions, rotation in pitch-yaw-roll axes and gripping is achieved. The main contribution of this thesis is a method for force sensorless external force-torque estimation that can be implemented on any robot whose dynamic equations are not known. Force estimation and tumor detection experiments have been carried out on the developed robotic forceps using the proposed method. Then, Cartesian Space-Joint Space force transformations of the surgical robot were derived and force estimation studies were carried out on the 7-degrees-of-freedom system and the results were verified on each axis, separately. Finally, teleoperation architectures have been designed for the commercial robot Phantom Omni using the proposed method. The forces acting on the robots during teleoperation were validated with a force sensor, and the accuracy of the proposed method has been demonstrated.
Benzer Tezler
- Dokunsal geri bildirimlerin sanal gerçeklik ortamlarında motor imgeleme eeg sinyallerine etkisinin incelenmesi
The effect of haptic feedback on motor imagery eeg signals in virtual reality environments
HARUN YENİŞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiElektronik ve Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ULVİ BAŞPINAR
- Object-aware interactive perception
Nesne farkındalıklı etkileşimli algılama
ÇAĞATAY KOÇ
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SANEM SARIEL UZER
PROF. DR. SİNAN KALKAN
- Numerical and experimental investigation of bioinspired soft robotic actuator that creates vacuum
Tasarımında doğadan esinlenilmiş ve vakum kuvveti yaratabilen yumuşak robotik aktüatörün nümerik ve deneysel incelenmesi
UMUT SERDAR ÇİVİCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEYNEP PARLAR
- Simulation and circuit design of an inverter driver with sensorless field oriented control for a PMSM used in compressor
PMSM kullanılan kompresör için ve algılayıcısız alan yönlendirmeli kontrol kullanılan evrici sürücünün benzetim ve devre tasarımı
TOLGA ODABAŞI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LALE ERGENE
- Bir fırçasız doğru akım motoru için sensörsüz konum algılama yöntemi belirlenmesi ve gerçeklenmesi
Determination and realization of sensorless position detection method for a brushless DC motor
FATİH SEREZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURCU ERKMEN