بخشی از مقاله
چکیده
هدف از انجام این مقاله، ارائه روندی است که که بتوان با استفاده از آن، معیاری برای طراحی بهینه مسیر یک ربات جراح ارائه داد. در ادبیات این معیار را مهارت ربات می گویند. در این مقاله مفهوم مهارت ربات معرفی و نحوه محاسبه آن با روش مونت کارلو بیان می شود. برای یافتن اینکه کدام حالت از حالات ممکن برای انتخاب طول لینک های ربات بهترین حالت است بایستی یک بهینه سازی روی این تابع مهارت با در نظر گرفتن طول لینک ها به عنوان متغیر مستقل برای این تابع انجام شود.
برای محاسبه این تابع در هر نقطه، نیاز به حل معادلات سینماتیک مستقیم و معکوس و استخراج ماتریس ژاکوبین است. در این مقاله ابتدا این معادلات حل میشوند. سپس به کار بردن الگوریتم ژنتیک برای بهینه سازی منجر به محاسبه شدن طول لینک های ربات به نحو بهینه می شود و در آخر روشی برای طراحی بهینه مسیر ارائه میشود. شبیه سازی انجام شده و نتایج، کارآمدی روش را نشان میدهد.
مقدمه
مبحث اصلی این مقاله در واقع تنظیم یک ربات جراح به صورت بهینه مربوط می شود. این که مشخصات فیزیکی و ساختاری یک بازوی رباتیکی چگونه باشد تا برای کار خاصی مانند جراحی بتواند به صورت بهینه و با مهارت کافی عمل نماید و نیز، این که حین جراحی مسیر مورد نظر چگونه طراحی شود تا معیار بهینگی را ارضا کند. با کاهش قیمت محصولات سختافزاری و نرمافزاری در سالهای اخیر، سیستمهای رباتیکی چند بازویی کاربردهای زیادی در صنعت پیدا کردهاند. سیستمهای رباتیکی دارای کاربردهای فراوان در صنایع نظامی و پزشکی هستند.
به هر حال، به منظور استفاده مناسب از بازوهای رباتیکی نیاز است تا عملکرد آن ها به خوبی تنظیم شود. منظور از تنظیم در این پایان نامه آن است که طراحی به بهترین نحو انجام گیرد. ما در این پایان نامه معیارهایی تعریف خواهیم نمود که این معیارها عددی بوده و مرتبط با مهارت هستند. سپس طول لینک ها را به صورتی به دست میآوریم که این معیار به حداکثر برسد. ضمناً تعیین خواهیم نمود که مسیر حرکت ربات بر چه اساسی طراحی شود تا تا ماهرترین حالت را داشته باشد.
همیشه بین صاحب نظران رباتیک و فعالان رباتیک در دانشگاه ها بحث در مورد تعریف ربات وجود داشته است، گاهی اوقات بر اساس تولید ربات در شرکتی، تعریفی صنعتی و بر اساس تولید آن شرکت از ربات ارائه می شود و در مواردی نسبت به تکنولوژی ربات توصیف شده است. ربات یک ماشین هوشمند است که قادر است در شرایط خاصی که در آن قرار می گیرد، کار تعریف شده ای را انجام دهد و همچنین قابلیت تصمیم گیری در شرایط مختلف را نیز ممکن است داشته باشد. با این تعریف می توان گفت ربات ها برای کارهای مختلفی می توانند تعریف و ساخته شوند. مانند کارهایی که انجام آن برای انسان غیرممکن یا دشوار باشد.
هدف
پس از کاربردهای فراوانی که رباتیک در صنعت داشته است، در دو دهه اخیر، از رباتیک در پزشکی و به خصوص جراحی نیز استفاده شده است. در جراحی رباتیکی اصول کار استفاده از یک سیستم نیمه خودکار است که در آن یک ناظر انسانی با توجه به تصویری که از محل انجام جراحی برایش ارسال می شود تصمیم گیری می کند. سیستم عمل از راه دور یا راهبر- پیرو1 سیستمی متشکل از یک ربات راهبر و یک ربات پیرو به همراه لینک ارتباطی و کنترل کننده و عملگر است که به انسان توانایی ارسال فرامین از ربات راهبر به ربات پیرو را میدهد. این ساختار کمک میکند که کارهایی را از فاصله دور، در شرایط نامناسب یا غیرقابل دسترسی انجام دهیم.
در مورد جراحی لاپاروسکوپیک، واضح است که محل انجام عمل که در واقع همان عضو مورد جراحی است، از دسترس و دید جراح دور است. به همین دلیل استفاده از چنین سیستمی در جراحی رباتیک مفید خواهد بود. از سوی دیگر، ربات پیرو می تواند با به کارگیری مناسب سنسورهای نیرو، اطلاعاتی از شدت برخورد ابزار جراحی با بافت نرم را به بازوی راهبر و دست جراح منتقل کند. در نتیجه احساس جراح از عمل، مانند یک عمل باز خواهد بود که در آن دست وی مستقیماً با بافت زنده برخورد دارد.
مهارت بالای ربات پیرو در چنین سیستمی بسیار مهم است. زیرا ربات پیرو در برخورد با بافت نرم، چه از نظر جابجایی و چه از نظر نیرو، تاثیر میپذیرد و مهارت کم میتواند در سیستم خطا به وجود آورد. مثلاً مانع از آن شود که ربات تحت فرمانپذیری کامل از جراح و ربات راهرو قرار گیرد. به طور کلی در سیستم های جراحی رباتیک دو عامل باعث افت کیفیت کار جراح می شود که باید با بهبود عملکرد سیستم رباتیک جبران شوند. اولین عامل، تبدیل تصویر سه بعدی در جراحی کلاسیک به تصویر دوبعدی بر روی مانیتور در این گونه جراحی ها است. بدین معنی که در جراحی کلاسیک که به صورت باز انجام میشود، جراح دید مستقیم نسبت به اعضای مورد عمل بیمار دارد و در این حالت تصویر سه بعدی و کاملی از آن عضو در اختیار جراح است.
در حالی که در جراحی لاپاروسکوپیک، جراح تنها می تواند تصویری دوبعدی از عضو مورد جراحی را از طریق مانیتور مشاهده کند. عامل دوم، حذف تماس مستقیم دست جراح با عضو مورد عمل است. در جراحی کلاسیک دست جراح از طریق ابزار جراحی مستقیماً نیروی وارد عضو مورد جراحی را حس می کند. در حالیکه در جراحی لاپاروسکوپیک، این نیرو به صورت مستقیم و درست به دست جراح منعکس نمیشود و معمولاً جراح تصور درستی از میزان نیرویی که اعمال می کند، ندارد.
این دو عامل باعث افزایش خطا، افزایش زمان جراحی و افزایش نیروی اعمال شده توسط جراح به ابزار جراحی میشود و ممکن است به بیمار آسیب وارد نماید. امروزه روشهای جراحی با حداقل آسیب، به دلیل کاهش زمان بستری بیمار و نیز خونریزی کمتر در حین اجرای عمل، مورد استقبال گستردهای در جامعه پزشکی قرار گرفته است. یکی از مشکلاتی که جراحان در این روش جراحی با آن مواجه هستند این است که انجام جراحی توسط ابزارهای لاپاروسکوپی نیازمند مهارت بالای ربات عمل کننده است. این مهارت بالا، نیازمند دقت و صرف هزینه بیشتر در ساخت و جایدهی بازو میباشد. هدف از انجام این مقاله طراحی مسیر بازو به نحو بهینه است از این منظر که مهارت ربات طراحی شده در بالاترین حالت ممکن باشد.
پیشینه تحقیق
پیشینه تحقیق در مورد ربات جراح
کووه kwoh و همکاران، در حین یک جراحی اعصاب ربات - Puma560 که یک ربات صنعتی معروف است - را برای نگه داشتن ادوات نمونهبرداری نزدیک سر یک بیمار به کار بردند .[7] تیلور در شرکت IBM یک سیستم رباتیکی صنعتی- چیزی شبیه ربات -Scara را برای جراحی لگن به کار برد. پس از مطالعات بیشتر این ربات به عنوان »ربات دامپزشک« زیر نظر دکتر هاپ پال در جراحیهای لگن سگهای خانگی به کار رفت .[8] این ربات بعدها توسط یک شرکت ژاپنی با ربات Scara جایگزین شد. نخستین تلاشها برای استفاده رباتها در جراحی به صورت فعالانه توسط گروه مکاترونیک در پزشکی در امپریال کالج لندن صورت گرفت. این گروه از Puma 560 در عملیات برش پروستات استفاده کردند .[9]
برای نخستین بار یک ربات به صورت فعال برای خارج کردن بافتهای آسیب دیده بیمار از محل جراحی استفاده شد. این ربات پس از تحقیقاتی که در امپریال کالج بر روی جراحی رباتیکی پروستات انجام گرفته بود ساخته شد. این ربات به عنوان نسل دوم پروستات-ربات - پربات - در نظر گرفته میشود .[10] نسخه بهبود یافته سیستم سانکو سیکی که به روبوداک معروف است، در عملیات کلینیکی روی انسان به کار رفت .[11] AESOP 1000 برای گرفتن دوربین آندوسکوپی در جراحی با کمترین آسیب به کار رفت.
این عملیات رایانهای توسط FDA تأیید و تصدیق شد .[12] سیستم جراحی داوینچی که توسط Intuitive Surgrical Inc. ساخته شده، نخستین ربات دستیار در اتاق عمل بود که مورد تأیید FDA قرار گرفت تا در عملیات لاپاروسکوپی جراحان را یاری کند .[13] این ربات نخستین بار برای عملیات برداشتن کیسه صفرا به کار رفت. سیستم جراحی ZEUS® مورد تأیید FDA قرار گرفت. [14] ZEUS برای برداشتن صفرای یک بیمار 68 ساله، در یک جراحی فرااقیانوسی به کار رفت. جراح در نیویورک و بیمار در فرانسه بودند .[6]
مواد و روش ها
برای دانستن روند حل مسئله لازم است ابتدا در مورد مدلسازی سینماتیکی ربات در نظر گرفته شده مطالبی ارائه شود. سپس ربات مورد مطالعه و نیز سینماتیک مستقیم و معکوس آن بیان می شود و روند محاسبه ژاکوبین نیز گفته میشود. بعد از آن، از آن جا که بهینه سازی با الگوریتم ژنتیک انجام میشود، مطالبی راجع به آن خواهیم آورد.
