بخشی از مقاله
چکیده - ربات گرسپر لاپاروسکوپی ابزاری برای جراحی لاپاروسکوپی با حداقل دخالت دست جراح می باشد و یکی از مهمترین کاربردهای آن طراحی و ساخت سیستم های جراحی از راه دور است. در این ربات دستیابی به اهدافی چون ردیابی دقیق، تضمین پایداری و حذف اغتشاشات بسیار مهم بوده و همین امر باعث گردیده که انتخاب یک کنترل کننده مناسب برای آن به یکی از موضوعات مهم در حوزه کنترل این سیستم ها تبدیل گردد. در این مقاله در ابتدا مراحل طراحی وشبیه سازی یک ربات گرسپر لاپاروسکوپی چهار درجه آزادی بیان گردیده و دلایل استفاده از مواد در نظر گرفته شده برای قطعات طراحی شده تشریح می گردد.
این بخش از ربات که وظیفه اصلی انجام عملیات جراحی را بر عهده دارد، لازم است بر اساس ویژگی های بافت بدن بیمار که به صورت نامعینی می باشد، کنترل گردد. لذا برای کنترل این قسمت از ربات جراح کنترل کننده تطبیقی غیر خطی پیشنهاد شده است. شبیه سازی های انجام شده بر روی سیستم عملی ساخته شده نیز توانایی این کنترل کننده را در دستیابی به عملکرد مطلوب نشان می دهند.
- 1 مقدمه
در زمینه جراحی از راه دور مطالعات زیادی انجام گرفته و مقالات متعددی ارائه گردیده است .[2-1] یکی از روش های مطرح در این زمینه عمل اندوسکوپی می باشد.[3] در این روش از طریق یک سوراخ کوچک، دوربین و ادوات جراحی به داخل بدن بیمار فرستاده می شود و به وسیله مانیتورهای مخصوص، مسیر حرکت آن کنترل می گردد.
هر چند در این حالت به علت کوچکی سوراخ ایجاد شده، دوره نقاهت و بستری بودن بیمار کم است ولی مشکلات ناشی از نبود ارتباط فیزیکی بین جراح و بیمار باعث شده تا توجه به ساختار های رباتیک مورد تاکید قرار گیرد تا علاوه بر دقیقتر و ساده تر شدن فرایند جراحی، به کمک ساختار هپتیک و فیدبک گیری از نیرو، ارتباط جراح و بیمار به حداقل رسیده و از بروز صدمات ناخواسته به بافت بدن اجتناب گردد[.5-4]
دانشمندان طی 30 سال گذشته تلاشهای زیادی را برای ساخت ربات جراح انجام داده اند. استفاده از رباتهای جراح علاوه بر اینکه موجب کاهش نیروهای انسانی متخصص می گردد و خطای عملهای جراحی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد، نقش مهمی در طراحی سیستم های جراحی از راه دور دارد. یکی از قسمتهای مهم در رباتهای جراح، گرسپر آنها می باشد که با بافتهای بدن بیمار در تماس است.
هوشمند کردن گرسپر رباتهای جراح نقش مهمی در کاهش خطای عمل جراحی ایفا کرده و به پزشکان این امکان را می دهد که درحین عمل درک بیشتری از منطقه تحت عمل داشته باشند. این رباتها بر اساس حرکت دست جراح، اعمالی مانند برش بافتی را بسیار دقیق انجام داده و تصاویر هنگام عمل را نیز به صورت واضح و شفاف در اختیار جراح قرار می دهند.
در زمینه کنترل قسمت اندفکتور ربات در مقالات ، روشهای خاصی پیشنهاد شده است. یکی از روشهای پیشنهادی استفاده از کنترل کننده دینامیک وارون است .[6] از معایب اصلی این روشها ثابت بودن ساختار کنترلی آنها می باشد.چون قسمت اندفکتور،مستقیما با بافت بدن انسان که ویژگیهای کاملا نامعینی دارد در ارتباط است، استفاده از یک ساختار کنترلی ثابت ممکن است باعث بروز ضایعات ناخواسته ای در بافت گردد.
در روشهای پیشنهادی دیگر که از کنترل کننده غیر خطی استفاده شده است نیز با وجود تضمین پایداری کل سیستم، مسئله خطای ردیابی مشکلات خاص خود را پیش آورده و ممکن است صدماتی به بافت های کناری محل جراحی وارد آید .[9-7] در این مقاله یک کنترل کننده دینامیک وارون تطبیقی غیرخطی، برای بهبود ردیابی و غلبه بر نامعینی های موجود پیشنهاد شده است. نشان داده شده است که استفاده از این روش می تواند علاوه بر تضمین پایداری، به عملکرد مناسبی در ردیابی دست پیدا کند.
در ادامه، ابتدا مراحل طراحی وشبیه سازی یک ربات گرسپر لاپاروسکوپی چهار درجه آزادی بیان می گردد و دلایل استفاده از مواد در نظر گرفته شده برای قطعات طراحی شده تشریح می گردد. سپس مدل دینامیکی قسمت اندفکتور ربات جراح در نظر گرفته شده و روش پیشنهادی برای کنترل آن به تفصیل شرح داده خواهد شد. در انتها نیز شبیه سازی های مربوطه عملکرد سیستم تحت کنترل و توانایی بکارگیری آن در دستیابی به اهداف مورد نظر را نشان خواهند داد. به ترتیب انواع گریپر های متداول در ابزار جراحی و مدل گریپر استفاده شده در این مقاله را که توسط نرم افزار مدلسازی شده است را نشان می دهد.
- 2 طراحی ربات گرسپر لاپاروسکوپی
در قسمت طراحی ربات ، در ابتدا یک مدل اولیه از مکانیک ربات طراحی شده و مواد و ابزار مورد نیاز برای ساخت آن انتخاب می شوند. سپس با توجه به نیروها و گشتاورهای مورد نیاز برای قسمتهای متحرک ربات و با ضریب اطمینان دو، موتورها - ازنوع سرو موتور - انتخاب می گردند. شکل 1 مدل ربات گرسپر لاپاروسکوپی طراحی شده را نشان می دهد.
-1-2 طراحی گریپر
گریپرها ، اندافکتورهای رباتهای جراح می باشند که شکلها و کاربردهای گوناگون دارند و از آنها برای انجام عملیات پزشکی استفاده می شود. بدیهی است استفاده از گریپرهای آماده در ابزار پزشکی به علت استاندارد بودن ابعاد آنها برای داخل شدن به بدن و بکارگیری مواد استاندارد در ساخت آنها بهتر از طراحی و ساخت گریپر برای چنین پروژه هایی می باشد . در این مقاله هم از گریپر استاندارد پزشکی استفاده شده است.
شکل 2 و شکل 3 لوله رابط از جنس استیل 316 می باشد. سیمهای انتقال قدرت از درون لوله رابط عبور کرده و حرکت مورد نیاز را به گریپر منتقل می کنند. یک سر لوله رابط به محفظه استوانه ای شامل موتورها و سر دیگر آن به گریپر متصل است. لوله رابط توسط روکشی لاستیکی پوشانده شده است. انتقال دهنده های حرکت به گریپر شامل فنر وسیم بکسلها می باشند .
فنر گریپر را به لوله رابط متصل می کند و قابلیت حرکت گریپر توسط فنر حول لوله رابط امکان پذیر می باشد. همچنین 5 عدد سیم بکسل - از نوع سیمهای تابیده به قطر 0,8 میلیمتر - قدرت را از موتورهای سرو با عبور از داخل لوله رابط به گریپر انتقال می دهند ، بدین صورت که دوران موتورها به چپ و راست موجب کشش سیمها می گردد و با کشش سیمها حرکتهای مختلف گریپر انجام می پذیرد.
-2-2 محرک های ربات برای به حرکت درآوردن لوله رابط از سه چرخ دنده استفاده می شود که دوتا از آنها مستقیما به سرو موتور متصلند و چرخ دنده وسطی هرزگرد می باشد. حرکت دورانی لوله رابط یکی از 4 درجه آزادی در نظر گرفته شده برای ربات را تامین می کند. با ثابت شدن بازوهای نگهدارنده بالا و پایین کل استوانه به همراه لوله رابط دوران می کنند.
در شکل 1 نیز می توان این مخزن استوانه ای حاوی موتورهای محرک را مشاهده کرد. در داخل استوانه پایه هایی وجود دارند که نگه دارنده سه سروو موتور دیگر هستند. سروو موتور وسط برای کشیدن و رها کردن کابل متصل به گریپراست که موجب باز و بسته شدن آن می شود. دو سروو موتور دیگر کابل های متصل به فنر را می کشند که دو درجه آزادی باقی مانده را تامین می کنند.
-3-2 جنس بدنه محفظه جنس بدنه محفظه از تفلون انتخاب شده است . تفلونها ترکیبی
از کربن و فلور هستند که تقریبا در تمام محیطهای خورنده تا دمای 550 درجه فارنهایت مقاوم هستند. علاوه بر مقاومت در برابر خوردگی ، تفلون ها دارای ضریب اصطکاک کمی هستند، ارزان بوده و ماشینکاری آنها راحت می باشد. بنابراین ماده ای ایده آل برای ساخت بدنه ربات هستند. جنس قسمت های فلزی نیز از فولاد ضد زنگ 316 می باشد. مشخصه اصلی این طبقه از فولادهای زنگ نزن مقاومت به خوردگی عالی، نرم و انعطاف پذیر بودن برای کارسرد وغیرمغناطیس بودن آنها می باشد.
- 3 مدل دینامیکی و محاسبات هندسی ربات گرسپر
برای اینکه بتوان محل قرارگیری اندافکتور ربات را در هر لحظه در فضای مختصات کارتزین و نسبت به زمین به دست آورد، می توان از جدول پارامترهای دناویت -هارتینبرگ[10] استفاده کرد. به این منظور و صرفا برای انجام محاسبات، فنر گرسپر با سه مفصل جایگزین شده است. همان طور که در شکل 7 نشان داده شده است، دوتا از این مفصلها دورانی در نظر گرفته شده اند تا دوران حول محورهای z1 وz2 را تامین کنند و یکی از مفصلها خطی و در راستای z3 در نظر گرفته شده تا تاثیر افزایش طول فنر در اثر دورانها را نشان دهد.
