Studiu de caz - CESTER · 2020. 7. 7. · Studiu de caz Implementarea robotilor paraleli in...
Transcript of Studiu de caz - CESTER · 2020. 7. 7. · Studiu de caz Implementarea robotilor paraleli in...
-
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