تحليل سينماتيك و طراحي مكاترونيكي يك ربات سه درجه آزادي موازي با كاربرد جراحي كرينيوتومي

Kinematic analysis and mechatronic design of a 3-DOF parallel robot for craniotomy surgery

استفاده از سيستم‌هاي رباتيك در جراحي به دليل خصوصياتي همچون دقت بالا، خستگي‌ناپذيري و عدم اشتباه روز به روز رو به افزايش است. به طور ويژه، اين سيستم‌ها در اعمال جراحي بر روي بافت استخواني به دليل ثابت بودن و عدم تغيير شكل و امكان برنامه‌ريزي پيش از عمل مناسب هستند. با اين وجود سيستم‌هاي رباتيك با توانايي برش و سوارخكاري جمجمه براي جراحي‌هاي مغز و اعصاب در مرحله تحقيقاتي به سر مي‌برند. در اين تحقيق با بررسي نيازمندي‌هاي جراحي‌هاي روي جمجمه، انتظارات جراحان از يك سيستم رباتيك مد نظر قرار داده شد و بر اساس آن طراحي، تحليل، ساخت و راه‌اندازي يك نمونه ربات جراحي بر روي جمجمه با يك مكانيزم كروي و داراي مركز آني دوران بيروني انجام گرفت. معادلات سينماتيك و ژاكوبين ربات به صورت تحليلي استخراج و توسط شبيه‌سازي نرم‌افزاري صحه‌گذاري شدند. با انجام طراحي جزئي و تحليل نيرويي، عملگرهاي مناسب از موتورهاي متناوب سروو براي اين سيستم انتخاب گرديدند. يك ربات نمونه از سيستم طراحي شده از جنس آلومينيوم ساخته شد. در فرآيند راه‌اندازي، عملكرد روش‌هاي مختلف ارتباط با سروو درايوها آزمايش شد و تركيبي از آنها براي دستيابي به قابليت اطمينان و سرعت بالا استفاده گرديد. در نهايت پس از راه‌اندازي سيستم سخت‌افزاري، كتابخانه نرم‌افزاري براي ارتباط راحت با موتورها و كنترل آنها كدنويسي شد.

Recently, robotic systems are widely used in surgery, due to their characteristics such as having high precision, being tireless and making no mistakes. They are especially suitable for operation on hard tissue, as the bone is stationary and does not change shape and therefore preoperative planning of the system is much more straightforward. Nevertheless, proposed robotic systems for surgery on skull bone are still in the research stage. In this study, by considering the requirements of craniotomy surgery, a Remote Center of Motion spherical mechanism is used in design and prototyping of a surgical system. The kinematic equations and Jacobian of the mechanism are calculated analytically and later verified through software simulation. Detailed design and force analysis helped selection and use of appropriate AC servo motors for actuation. An aluminum prototype is fabricated out of CNC machined parts. Performance of different connection methods between PC and the robot were tested and a combination of them is proposed for higher reliability and speed. Finally, a software library is generated in LabVIEW environment to simplify the connection with servo motors and utilization and control of the robotic system.