ROCH-3 to robot przeznaczony do wspomagania chirurgii małoinwazyjnej, projektowany w Katedrze Mechatro-niki i Automatyki na Uniwersytecie Rzeszowskim. Jest następcą opatentowanej w 2014 roku konstrukcji ROCH-1. W artykule przedstawiono proces optymalizacji jednego z jego przegubów, który posiada dwa stopnie swobody. Dzięki optymalizacji geometrii, odpowiedniemu dobraniu wymiarów parametrów decyzyjnych uzyskano znacznie mniejsze naprężenia w elemencie wykonanym ze stali chirurgicznej, co przełożyło się na zwiększenie wartości współczynnika bezpieczeństwa. Wykonano również symulacje dla materiałów innych niż stal chirurgiczna.
EN
The ROCH-3 is a robot intended to assist in minimally invasive surgery, designed in the Department of Mechatronics and Control Engineering at the University of Rzeszów. It is the successor of ROCH-1structure patented in year 2014. The article presents the optimization process of one of his wrists, which has two degrees of freedom. By optimizing the geometry and the appropriate choice of the dimensions of decision parameters, a much less stress in the element made of surgical steel was obtained, which resulted in increasing the value of the safety factor. The simulations for materials other than surgical steel were also conducted.
ROCH-1 to manipulator przeznaczony do wspomagania chirurgii małoinwazyjnej. Prototyp zbudowany jest z 6 modułów, o zróżnicowanych długościach i o średnicach ok. 10 mm, połączonych przegubami. Poszczególne człony wyposażone są w mechaniczny interfejs, zapewniający modułowość konstrukcji oraz posiadają własny napęd. Artykuł prezentuje istotne ograniczenia technologiczne, konstrukcyjne i w zakresie sterowania, jakie występują obecnie w obszarze chirurgii robotowej. Jest to zbiór wniosków, jakie zebrał zespół konstruktorów robota ROCH-1 w ciągu 3 lat pracy. Jak się wydaje, przynajmniej połowa z wymienionych ograniczeń będzie wymagała rozwiązania w ciągu najbliższych kilku lat. Dodatkowym problemem dla konstruktorów może być także stałe dążenie do minimalizacji średnicy manipulatora (docelowo ok. 6–7 mm), ponieważ rany pooperacyjne powinny być jak najmniejsze. Miniaturyzacja stwarza poważne ograniczenia, których rozwiązanie może być bardzo kosztowne i w konsekwencji spowolni rozwój chirurgii robotowej.
EN
ROCH-1 is a manipulator designed to assist in minimally invasive surgery. The prototype is composed of six modules of varying lengths and diameters approx. 10 mm, connected by joints. The individual units have a mechanical interface providing the modular design and have their own drive. The article presents significant technological limitations in terms of technology, control and construction, which currently exist in the field of surgical robotics. It is a collection of conclusions, which were assembled by a team of ROCH-1designers within three years of their work. It seems that at least half of these limitations will need to be resolved within the next few years. An additional problem for the constructors may also be continuous efforts to minimize the diameter of the manipulator (target: approx. 6−7 mm), because the surgical wounds should be as small as possible. Miniaturization creates serious limitations, the solution of which can be very expensive and consequently slow down the development of surgical robotics.
W artykule przedstawiono proces selekcji cech diagnostycznych dla klasyfikatora SVM. Badania przeprowadzone zostały z użyciem zbioru danych zawierającego próbki sygnału dźwiękowego emitowanego przez przetokę tętniczo-żylną. Celem prac było stworzenie rozwiązania klasyfikacji wieloklasowej w oparciu o klasyfikator z rodziny SVM pozwalającego na skuteczną i wiarygodną ocenę stanu przetoki tętniczo-żylnej.
EN
The paper presents the process of selection diagnostic features for SVM classifier. The study was conducted with using a data set containing samples of the sound signal emitted by the arteriovenous fistula. The objective was to create a solution multi-class classification based on SVM classifier family allowing for an effective and reliable evaluation of the arteriovenous fistula state.
In this paper, the MFC sensor and actuators are applied to suppress circular plate vibrations. It is assumed that the system to be regulated is unknown. The mathematical model of the plate was obtained on the base of registration of a system response on a fixed excitation. For the estimation of the system’s behaviour the ARX identification method was used to derive the linear model in the form of a transfer function of the order nine. The obtained model is then used to develop the linear feedback control algorithm for the cancellation of vibration by using the MFC star-shaped actuator (SIMO system). The MFC elements location is dealt with in this study with the use of a laser scanning vibrometer. The control schemes presented have the ability to compute the control effort and to apply it to the actuator within one sampling period. This control scheme is then illustrated through some numerical examples with simulations modelling the designed controller. The paper also describes the experimental results of the designed control system. Finally, the results obtained for the considered plate show that in the chosen frequency limit the designed structure of a closed-loop system with MFC elements provides a substantial vibration suppression.
W pracy przedstawiono analizę problem sterowania miniaturowymi silnikami typu BLDC, pracującymi w bardzo szerokim zakresie prędkości obrotowych: 0-65 000 [obr/min] i sprężonych z wielostopniowymi przekładami planetarnymi. Cztery takie silniki stanowią napęd wieloczłonowego robota chirurgicznego ROCH-1, przeznaczonego do wykonywania małoinwazyjnych operacji, którego prototyp powstaje w ramach projektu badawczego MNiSzW 237/B/T02/2010/38. Cechą miniaturowych silników BLDC jest niskie napięcie zasilania (od 3 do 5 V), które może komplikować precyzyjne sterowanie robotem w zakresie wolnych ruchów. Na pracę całego układu napędowego silny wpływ mają oddziaływania wielostopniowych przekładni planetarnych z powodu występowania tarcie i deformacji sprężystych ich części składowych. Aby poprawić jakość sterowania, zaproponowano zastosowanie w układzie regulatora prądu dodatkowej pętli, kompensującej spadki napięć na kluczach tranzystorowych oraz zastosowano układy PWM o wysokiej rozdzielczości, tzw. HRPWM. Testowano działanie zmodyfikowanego serwomechanizmu z regulatorem typu RST, który będzie implementowany na sterownik zbudowany w oparciu o specjalizowany układ Stellaris LM3S8971. Przeprowadzone badania potwierdziły poprawę precyzji sterowania w pełnym pasmie pracy, a zwłaszcza w zakresie niskich prędkości obrotowych.
EN
The paper presents an analysis of the problem of controlling the BLDC micro-motors, working in a very wide speed range: 0-65 000 [rpm], and coupled with multi-stage planetary gears. Four such motors constitute a drive of multilink robot ROCH-1, designed to perform minimally invasive surgery, whose prototype is being developed though a research project MNiSzW 2376/B/T02/2010/38. The feature of BLDC micro-motors is low voltage (from 3 to 5 V), which can complicate the precise control of the robot in the range of slow movements. The work of the entire propulsion system strongly affected the impact of multi-stage planetary gears because of the presence of friction and elastic deformation of its components. To improve the quality control system, the additional current controller loop to compensate voltage drops of transistor keys is proposed and also PWM circuits with high resolution, so called HRPWM are used. We tested the modified servo operation of a RST controller, which will be implemented on the controller built on a dedicated system Stellaris LM3S8971. The study confirmed the improvement in the precision control of a full working band, and especially at low speeds.
This paper presents a vibration analysis of a multi-link surgical micromanipulator joint, based on its detailed mathematical model. The manipulator’s prototype contains 6 links with the diameter of 8–10 [mm] and with the length of the modules of about 130 [mm]. It is driven by brushless servomotors with worm and planetary gears, for which the total transmission ratio is above 1/10000. Regarding the low efficiency of micro-robot drive systems and its vibrations, a reliable joint model and its performance is crucial for the development of a high-precision control system. To achieve the required accuracy, modelling framework has been enriched with an advanced model of friction. Simulation results are presented and discussed.
We present a synthesis of the mathematical model of a joint of a new generation multi-link surgical micromanipulator. A design of such a device involves finding solutions for several difficult problems which do not appear in classical 'large' robots.Aprototype in development has six links, and it is driven by brushless servomotors with planetary and worm gears, for which the total transmission ratio is above 10000:1. Most importantly, whole construction is covered by an antiseptic coating which substantially changes manipulator's dynamics. Because of the complicated form of the drive model with three-stage planetary gearings and coating interactions, control of such system is significantly different from control of a typical industrial robot. This paper presents a synthesis of the model of the joint, which can be used to design the control system. In this work the derived model is used to examine joint's properties and characteristics. Results are presented graphically and discussed.
In this paper, the adaptive control based on symbolic solution of Diophantine equation is used to suppress circular plate vibrations. It is assumed that the system to be regulated is unknown. The plate is excited by a uniform force over the bottom surface generated by a loudspeaker. The axially-symmetrical vibrations of the plate are measured by the application of the strain sensors located along the plate radius, and two centrally placed piezoceramic discs are used to cancel the plate vibrations. The adaptive control scheme presented in this work has the ability to calculate the error sensor signals, to compute the control effort and to apply it to the actuator within one sampling period. For precise identification of system model the regularized RLS algorithm has been applied. Self-tuning controller of RST type, derived for the assumed system model of the 4th order is used to suppress the plate vibration. Some numerical examples illustrating the improvement gained by incorporating adaptive control are demonstrated.
W artykule opisano prototyp manipulatora chirurgicznego o modułowej, wieloprzegubowej strukturze, projektowanego z myślą o mało inwazyjnych operacjach wewnątrz ciała pacjenta. Przedstawiono budowę całej konstrukcji o średnicy członów 10 [mm] i długości ok. 130 [mm] oraz budowę poszczególnych jego modułów. Oprócz aspektów konstrukcyjnych omówiono także elementy napędowo-pomiarowe oraz miniaturowe sterowniki wbudowane w manipulator. Zwrócono uwagę na problem prowadzenia wewnętrznego okablowania, a zwłaszcza na pokonanie barier, jakie stanowią kolejne przeguby oraz niezwykle mała średnica manipulatora. Opisana w artykule konstrukcja jest przedmiotem zgłoszenia patentowego.
EN
This paper describes the prototype of a multi-link surgical manipulator designed for use in minimally invasive surgery operations. A structure of all construction with diameter of the modules about 10 [mm] and the length of the modules about 130 [mm], together with a detailed description of each link is presented. Besides of some constructional aspects, the measuring and drive elements, as well as, microcontrollers applied are discussed. Additionally, a special attention has been paid to problem of wire up the described construction with internal cables, especially to overcome barriers generated by joints and extremely small diameter of the manipulator. The presented multi-link surgical manipulator construction is registered as application for a patent.
Praca prezentuje syntezę modelu matematycznego przegubu miniaturowego, wieloczłonowego robota chirurgicznego nowej generacji, którego projekt powstał w ramach realizacji grantu MNiSzW 2376/B/T02/2010/38. Jego ramię składa się z 6 członów, o średnicy ok. 10 mm, napędzanych miniaturowymi silnikami elektrycznymi poprzez zespół przekładni planetarnych i ślimakowych, o łącznym przełożeniu powyżej 1/10000. Istotną cechą robota jest powłoka antyseptyczną, która pokrywa całą konstrukcję. Z uwagi na skomplikowany model dynamiki napędu z trójstopniowymi przekładniami planetarnymi oraz oddziaływania zewnętrznej, elastycznej powłoki, sterowanie takim układem znacząco różni się od sterowania typowym robotem przemysłowym. Wiarygodny model przegubu umożliwia dobranie metody identyfikacji jego parametrów oraz projektowanie precyzyjnego i bezpiecznego układu sterowania.
EN
This paper presents a synthesis of the mathematical model of a multi-link surgical micromanipulator joint. The manipulators' prototype contains 6 links with diameter of 8-10 [mm] and with the length of the modules about 130 [mm]. It is driven by brushless servomotors with worm and planetary gears, for which the total transmission ratio is above 1/10000. Essential feature of manipulator is an antiseptic coating which covers all the construction. Because of the complicated form of the drive model and the external coating interactions, a control of such system is significantly different from typical industrial robot control. Reliable joint model enables to develop appropriate control system and to select a method of parameters identification.
11
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
The self-tuning control assumes that the vibrating system is unknown and the controller procedure has the ability to identify the process and to update the necessary control law. Such an algorithm provides the relevant regulator parameters according to the obtained parametric object model. The algorithm can be described as a combination of the following two procedures: the online identification and the computation of the controller parameters. Nearly all of the identification procedures are related to the Least Squares (LS) estimate of a model output. Classified as an ill-posed problem, it implies that the obtained solution is potentially very sensitive to the data perturbations. In order to avoid such problems, the regularized version of the RLS method has been considered in this paper. By solving the linear system of equations with a non-singular Sylvester matrix, the formulas for the unknown coefficients of the considered PID-type controller structure have been obtained. The results of the tests and simulations for the circular plate vibration cancellation have been also included.
12
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
In recent years, a great deal of work has been done on the development of control methodologies for structural and acoustic applications by using piezoelectric actuators. This paper presents the derivation of the models for planar structures with surface-mounted piezoelectric actuators. In the first approach, a parametric system identification procedure is employed to establish a mathematical model of the considered system, on the basis of the data collected from the measurements. The second approach consist in modelling of the fluid-acoustic-structural dynamics in the form of the partial differential equations, derived from physical principles such as forces and moments balance. Assuming axially symmetrical vibrations, on the basis of the models derived, the control algorithm has been developed for the circular plate to which centrally placed PZT actuators were bonded. The results of performed simulations are included and discussed.
This paper presents the application of active control system to reduce the vibration and the sound radiation of a circular plate which is fluid-loaded and clamped at a finite baffle. The plate is driven by a uniform harmonic primary force and controlled by a distributed secondary force generated by the piezodisks. The aim of the paper is to design a controller to modify the response of the plant in some desired fashion. The mathematical model of the system includes the influence the acoustic wave radiated by the plate, Kelvin-Voigt damping in the plate material and viscous fluid damping. For the considered system the transfer function of controller of 4th order, satisfying the polynomial Diofantine equation, is derived. The influence of the fluid-loading and damping effects on the system response are presented graphically and discussed. The results show that plate modes have been reduced very well by obtained controller for a few assumed values of damping coefficients.
PL
W pracy przedstawiono zastosowanie aktywnego sterowania do redukcji drgań i fal akustycznych promieniowanych przez płytę kołową utwierdzoną na obwodzie. Płyta pobudzana jest do drgań siłą harmoniczną o rozkładzie równomiernym, a sterowana za pomocą pary piezodysków PZT. Celem pracy jest zaprojektowanie układu sterowania, który modyfikuje odpowiedź obiektu w pożądany sposób. Model matematyczny rozważanego obiektu uwzględnia oddziaływanie zwrotne fali akustycznej, tłumienie wewnętrzne materiału oraz tłumienie wiskotyczne. Dla zastosowanego modelu wyznaczono transmitancję regulatora czwartego rzędu, rozwiązując równanie diofantyczne. Wpływ tłumienia wewnętrznego, wiskotycznego oraz sprzężenia pomiędzy drgającą strukturą i ośrodkiem na odpowiedź układu przedstawiono w sposób graficzny i przeanalizowano. Otrzymane wyniki pokazują, że zaprojektowany regulator bardzo dobrze tłumi drgania płyty dla kilku założonych wartości współczynników tłumienia.
14
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
The aim of this paper is to present the effect of acknowledging viscous damping, structural internal damping and fluid loading on active vibration control of a circular plate in case of axially symmetrical vibrations. It was assumed that a planar vibrating structure located in a finite baffle and interacting with fluid is driven by a periodic force with constant amplitude, so the structure radiates the acoustic waves into a surrounding fluid and the axially-symmetrically located circular piezoelectric actuators are used to reduce its vibrations. For the purpose of control strategy designing process the continuous model derived from physical principles for the system under consideration has been developed. Next, the linear state model was obtained by reduction and approximation of the continuous model using the orthogonal series method. After that, the acquired model was used to produce body plots and to solve corresponding Riccati equation. Obtained control forces led to significant reduction of the plate vibration and attenuation of accompanied acoustic waves. The simulations of the active cancellation of the plate vibrations were made with a Simulink/Matlab computer program.
15
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
In this work, the influence of velocity distribution phase correction on the acoustic impedance of a circular source located in an infinite baffle is analyzed. It has been observed that by turning back a velocity distribution phase by modifying the radiating surface shape in a special way, obtaining a more coherent acoustic radiation is possible. This problem has been analyzed during earlier investigations, with attention focused on the directivity of some acoustic sources [1]. The aim of this paper is to calculate the acoustic impedance which allows the examination of such a "phase correction" effect on the acoustic radiation of the considered sound sources. The result was achieved by numerical calculation with the use of Hankel representation of the acoustic impedance.
16
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
The problem of active vibration control of a plate has been vastly researched and described in recent years. Theoretical and experimental results demonstrate the effectiveness of the designed controllers and indicate the potential of control techniques for reducing transient and steady state dynamics in structural acoustic systems. The examples from the computational studies, confirmed that vibration levels could be effectively reduced, however, the implementation procedures are not yet ideal, still exists the gap between experimental and simulations findings. To overcome this problem, autors propose extension for the Fuzzy-PID controller, with an on-line identification technique coupled with a control scheme, for a plate vibrationsupression. It is assumed, that the system to be regulated is unknown, the control schemes presented in this work have the ability to identify and suppress a plate vibrations with only an initial estimate of the system order. A prediction method implemented was designed using a neutral network (NN) identification algorithm, based on the well-known Runge-Kutta methods. This algorithm is similar to described by Wang and Lin [14], but it uses a copmutation structure of Runge-Kutta-3/8. with radial cosine basis neural network.
18
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
An active control of the vibration cancellation of a circular fluid-loaded plate is analytically studied. The purpose of this paper is to examine the effect of the active vibration control strategy on the sound radiation generated by a plate. It was assumed that a planar vibrating structure located in a finite baffle and interacting with fluid is driven by a periodic force with constant amplitude. This structure radiates the acoustic waves into a surrounding fluid and a point control force is used to reduce its vibrations. The simulations of the active cancellation of the plate vibrations were made with a Simulink/Matlab computer program. The results demonstrate, that while a control law provided a significant reduction in the plate vibration, it is rather ineffective for noise attenuation.
The purpose of this paper is to examine the effect of active vibration control strategy on the sound radiation generated by the plate with the surface mounted circular piezoceramic elements. It was assumed that a planar vibrating structure located in a finite baffle and interacted with fluid is driven by a periodic force with constant amplitude. This structure radiates the acoustic waves into a surrounding fluid and the piezoelectric actuators are used to reduce its vibrations. The acoustic pressure was calculated on the basis of the known distribution of vibration amplitude in a series of eigenfunctions. For the designing process this continuous model was reduced and approximated by the linear state model while the orthogonal series method was applied. The simulations of the active cancellation of the plate vibrations were made with a Simulink/Matlab computer program. The results demonstrate, that while a control law provided a significant reduction in the plate vibration, it is rather ineffective for noise attenuation.
Active control of vibration suppression of a circular fluid-loaded plate is analytically studied. The purpose of this theoretical work is to present a general model of a planar vibrating structure located in a finite baffle and interacted with fluid as well as its time response on harmonic excitation when a control strategy is applied. The structure under study is a vibrating circular plate of radius a, having a constant thickness h, to which centrally placed circular shaped piezoeleetric ceramic patches of radius a1 < a are bonded. They are used to cancel the plate vibrations and related sound field when a controlling voltage is applied. It was assumed, that the plate clamped at the edge is excited on one side by a uniform periodic force with a constant amplitude F0 and it radiates the acoustic waves into a surrounded fluid of density Po. The control problem lies in using piezoceramic actuators working in a pair to reduce the plate vibrations. For the system under consideration the state-space model is constructed. The modern control theory is then applied to the system model using a linear quadratic regulator (LQR). The simulations of the active attenuation of the plate vibrations were made with a MATLAB/Simulink computer program, The results demonstrate that it is possible to achieve a significant reduction of the vibration amplitude with the use of a pair PZT actuators.
PL
Praca prezentuje analizę aktywnej metody redukcji drgań płyty kołowej oddziałującej z ośrodkiem. Celem pracy jest przedstawienie ogólnego modelu płaskiej struktury, umieszczonej w odgrodzie o skończonych wymiarach, z uwzględnieniem reakcji ośrodka oraz jej odpowiedzi czasowej na wymuszenie harmoniczne dla zastosowanej strategii sterowania. Przedmiotem analizy jest cienka płyta kołowa o promieniu a, stałej grubości h, do której przyklejono centralnie dwa kołowe elementy PZT o promieniach a1 < a. Przyłożenie do nich napięcia sterującego umożliwia redukcję drgań płyty i towarzyszącego im pola akustycznego. Założono, że płyta, utwierdzona na obwodzie, jest z jednej strony pobudzana do drgań za pomocą równomiernie rozłożonej siły harmonicznej o stałej amplitudzie i promieniuje fale akustyczne do otaczającego ośrodka o gęstości Po. Problem dotyczący sterowania polega na zastosowaniu pary elementów PZT do redukcji drgań płyty. W tym celu rozważany model systemu został sprowadzony do przestrzeni stanów, a następnie, stosując liniową teorię sterowania, zaprojektowano regulator LQR. Symulacje aktywnej redukcji drgań płyty zostały przeprowadzone za pomocą programu MATLAB/Simulink, a otrzymane wyniki wskazują, że możliwa jest znacząca redukcja amplitudy drgań z zastosowaniem jednej pary elementów PZT.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.