Strukturalna optymalizacja wektorowa narzędzia robota medycznego z wykorzystaniem metody elementów skończonych

• Autorzy: Ilewicz G. , Nawrat Z.

Warianty tytułu

EN

Structural vectorial optimization of medical robot’s tool using finite element method

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Praca przybliża analizy strukturalne z wykorzystaniem algorytmu metody elementów skończonych, która a priori daje prawidłowe wyniki dla układów o skomplikowanej geometrii, dla której trudno jest uzyskać rozwiązanie analityczne lub dla której przeprowadzenie testów fizycznych jest utrudnione. Eksperymenty numeryczne zostały przeprowadzone dla narzędzia robota kardiochirurgicznego Robin Heart 1, który został przetestowany podczas operacji na zwierzętach. W artykule pokazano wyniki analizy deformacji, częstotliwości drgań własnych oraz optymalizację wektorową mającą na celu określenie ekstremum w oparciu o algorytm genetyczny. Wykorzystano również metodę powierzchni odpowiedzi, globalny front Pareto i metodę elementów skończonych. Zaprezentowany model optymalizacji wielokryteralnej umożliwia uzyskiwanie struktury o minimalnej masie i maksymalnej sztywności oraz odstrajanie układu od częstotliwości bliskich rezonansowym. Przy minimalnym wzroście masy, co skutkuje minimalizacją amplitudy drgań podczas ruchu narzędzia. Celem pracy jest wyjaśnienie zjawiska rezonansu dla wyznaczonych częstotliwości drgań własnych narzędzia do serwisowania sztucznego narządu i wektorów własnych, które przedstawiają kształty deformacji przy pojawieniu się tego negatywnego zjawiska.

EN

The work explains structural analysis using algorithm of finite element method, which gives a priori correct results for systems with complicate geometry for which it is difficult to obtain analytical solution or when conducting physical tests is hampered. Numerical experiments were performed for endoscopic tool of cardiosurgical robot Robin Heart 1, which was tested during the operating experiment on animals. The article shows the results of the analysis of deformation, natural frequency of vibrations, and vectorial optimization aiming at calculations of extremum on the basis of genetic algorithm. Response surface method, global Pareto front, and finite element method were also used. The presented model of vectorial optimization allows to obtain the structure with minimal mass and maximal stiffness and tuning away from frequency that are close to resonant frequency. At minimum mass increase which results in minimizing the amplitude of vibration during movement of the tool. The aim of the work is also to explain of the phenomenon of resonance for the designated vibration natural frequencies of the tool for servicing an artificial organ and eigenvectors which show shapes of deformation as a result of this negative phenomenon.

Słowa kluczowe

PL

narzędzie robota medycznego; zjawiska rezonansu; optymalizacja wektorowa; powierzchnia odpowiedzi; metoda elementów skończonych

EN

medical robot tool; phenomena of resonance; vectorial optimization; response surface; finite element method

• Wydawca: Jacek Doskocz
• Czasopismo: Acta Bio-Optica et Informatica Medica. Inżynieria Biomedyczna
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 22, nr 4
• Strony: 234--244
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz.

Twórcy

autor

Ilewicz G.

• Uniwersytet Rzeszowski, Wydział Matematyczno-Przyrodniczy, Katedra Mechatroniki i Automatyki, 35-310 Rzeszów, ul. Pigonia 1

autor

Nawrat Z.

• Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii, 41-800 Zabrze, ul. Wolności 345a
• Śląski Uniwersytet Medyczny, 41-800 Zabrze, ul. Szpitalna 2

Bibliografia

• [1] P. Gomez (red.): Medical robotics, Minimally invasive surgery, Woodhead Publishing Limited, 2012.
• [2] Z. Dobrowolski, R. Tadeusiewicz: Robotyka urologiczna, Wydawnictwo Lettra-Graphic, Kraków 2014
• [3] G. Ilewicz: Systematyzacja struktury mechanizmu stałopunktowego, Wokół mechatroniki, Rzeszów 2014
• [4] G. Ilewicz: Wytrzymałościowy dyskretny model optymalizacyjny mechanizmu stałopunktowego, Mechanika w medycy-nie, Rzeszów 2014
• [5] Z. Nawrat: Co robią roboty w medycynie, Wiadomości Elektrotechniczne – Czasopismo Stowarzyszenia Elektryków Polskich, s. 31−35, 2007.
• [6] Z. Nawrat, P. Kostka, W. Dybka, K. Rohr, L. Podsędkowski, J. Śliwka, R. Cichoń, M. Zembala, G. Religa: Pierwsze eksperymenty na zwierzętach robota chirurgicznego Robin Heart, Pomiary Automatyka Robotyka, vol. 14, 2010, s. 539−545.
• [7] G. Ilewicz, Z. Nawrat, J. Śliwka: Modelowanie sterowalnego teleoperatora medycznego, Materiały Konferencyjne Analiza Ruchu Teoria i praktyka w zastosowaniach klinicznych, Instytut Pomnik Centrum Zdrowia Dziecka, Warszawa 2014
• [8] G. Ilewicz, Z. Nawrat: Optymalizacja robota medycznego z wykorzystaniem algorytmu genetycznego i metody powierzchni odpowiedzi, Materiały konferencyjne, Medical Robots, Zabrze 2016.
• [9] G. Ilewicz, Z. Nawrat: Wyboczenie liniowe robota medycznego obliczane metodą elementów skończonych, Roboty medyczne 2014
• [10] G. Ilewicz: Modelowanie drgań swobodnych urządzenia mechatronicznego metodą elementów skończonych, Postępy Akustyki, Rzeszów 2013, s. 498−506.
• [11] G. Ilewicz: Metoda elementów skończonych w modelowaniu przepływowych i wytrzymałościowych zjawisk fizycznych, Wokół mechatroniki tom. IV, Wydawnictwo Uniwersytetu Rzeszowskiego, Rzeszów 2015, s. 111−128.
• [12] G. Ilewicz: Natural frequencies and multi-objective optimization of the model of medical robot with serial kinematical chain, Advances in Inteligent Systems and Computing, vol. 519, Springer, Switzerland 2017 s. 371−379.
• [13] G. Ilewicz, L. Leniowska: Dynamika robota medycznego z otwartym łańcuchem kinematycznym w stanach nieustalonych z zastosowaniem metody elementów skończonych, Materiały konferencyjne Międzynarodowej Konferencji, BioMedTech Silesia, Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii, Zabrze 2016.
• [14] J. K’Nevez, M. Cherif, M. Zapciu, A. Gerard: Experimental characterization of robot arm rigidity in order to be used in machining operation, Proceedings in Manufacturing Systems, vol. 5, 2010.
• [15] C. Germain, S. Briot, S. Caro, P. Wenger: Natural Frequency Computation of Parallel Robots, Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, vol.10, 2015.
• [16] J. Prades, F. Jourdan, O. Company, S. Krut, F. Pierrot: Dynamics Effects on Natural Frequencies in modal analysis of PKMs, MMAR: Methods and Models in Automation and Robotics, Miedzyzdroje, 2015.
• [17] C. Bisu, M. Cherif, A. Gerard, J. K’Nevez: Dynamic Behavior Analysis for a Six Axis Industrial Machining Robot, ICASAAM 2011, Romania, 2011.
• [18] A. Abdulhady Jaber, R. Bicker: A Systematic Strategy to Find the Natural Frequencies of an Industrial Robot, Proceedings of the International Conference on Advances in Mechanical and Robotics Engineering - AMRE, 2013.
• [19] G. Yadav, A. Pirjade, M. Jadhav, V. Patil: Design analysis and optimization of robot pedestal, International Journal of Engineering and Technical Research (IJETR), 2016
• [20] C.W. Lin: Optimization of Bearing Locations for Maximizing First Mode Natural Frequency of Motorized Spindle-Bearing Systems Using a Genetic Algorithm, Applied Mathematics, vol. 5, 2014, s. 2137−2152
• [21] G. Box, K. Wilson: On the Experimental Attainment of Optimum Conditions, Journal of the Royal Statistical Society B, vol. 13, 1951, s.1–45.
• [22] A. Wymysłowski: Numeryczne metody projektowania termomechanicznego w montażu elektronicznym, WPW, Wrocław 2007.
• [23] www.ansys.com (Goodness of Fit)

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).