Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Calculation strength optimum of surgical robot effector for mechanical eigenproblems using FEM and genetic algorithm

Ilewicz Grzegorz

Vibrations in Physical Systems

|

2023

|

Vol. 34, nr 1

art. no. 2023106

EN

It is essential to check whether the surgical robot end effector is safe to use due to phenomena such as linear buckling and mechanical resonance. The aim of this research is to build an multi criteria optimization model based on such criteria as the first natural frequency, buckling factor and mass, with the assumption of the basic constraint in the form of a safety factor. The calculations are performed for a serial structure of surgical robot end effector with six degrees of freedom ended with a scalpel. The calculation model is obtained using the finite element method. The issue of multi-criteria optimization is solved based on the response surface method, Pareto fronts and the genetic algorithm. The results section illustrates deformations of a surgical robot end effector occurring during the resonance phenomenon and the buckling deformations for subsequent values of the buckling coefficients. The dependencies of the geometrical dimensions on the criteria are illustrated with the continuous functions of the response surface, i.e. metamodels. Pareto fronts are illustrated, based on which the genetic algorithm finds the optimal quantities of the vector function. The conducted analyzes provide a basis for selecting surgical robot end effector drive systems from the point of view of their generated inputs.

2

Roboty chirurgiczne

Tadeusiewicz Ryszard

Napędy i Sterowanie

|

2020

|

R. 22, nr 3

80--87

PL

Wielka precyzja i powtarzalność pracy robotów wykorzystywanych w przemyśle prowokowały wręcz do tego, by to nowoczesne narzędzie spróbować wykorzystać w chirurgii. Pierwszym, który to zrobił, był dr Yik San Kwoh w Long Beach Hospital (Kalifornia). Zastosował on w 1985 roku robota PUMA 200 do wprowadzenia igły biopsyjnej do mózgu pacjenta.

3

Koncepcja ramienia robotycznego przeznaczonego do badań funkcji haptycznych robota chirurgicznego

Falkowski P., Pilat Z., Woch M., Kamiński G.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

|

2018

|

z. 196

551--560

PL

Roboty chirurgiczne na dobre wkroczyły na szpitalne sale operacyjne. W wielu sytuacjach ich stosowanie ułatwia pracę chirurgów a jednocześnie poprawia jakość zabiegu. Wciąż pozostaje jednak wiele problemów, które trzeba rozwiązać, aby można było szerzej stosować roboty. Wśród nich bardzo istotnym jest wyposażenie chirurga sterującego ramieniem robota w informację, jaki opór napotyka prowadzone przez robota narzędzie. Aby to zrealizować robot powinien być wyposażony w funkcje czucia, czyli haptyczne. W artykule zaproponowano wykorzystanie do badań nad tymi funkcjami robota, którego laparotomiczny manipulator, ma kinematykę ludzkiej ręki w skali oraz jego dynamikę w przybliżeniu. Informacja z sensorów takiego robota, umieszczonych w napędach poszczególnych stopni swobody, może być przekazywana do egzoszkieletu wykorzystywanego do sterowania, bez konieczności skomplikowanej obróbki. W odpowiedzi na te sygnały egzoszkielet będzie aktywnie oddziaływał na rękę chirurga.

EN

Surgical robots are more and more common in hospitals. In many situations, their use facilitates the work of surgeons and at the same time, improves the quality of the operation. However, there are still many problems that need to be solved, so that these robots can be used more universally. It is crucial to provide the surgeon who controls the robotic arm with information about the resistance encountered by the robot. To accomplish this, the robot should be equipped with the haptic functions. The article considers the use of a laparotomic manipulator based on the kinematics of the human hand in scale and its approximate dynamics, for research on these functions. Data from sensors placed in the robot's drives responsible for the particular degrees of freedom can be transferred to the exoskeleton used for control, without any need for a complicated processing. As a response to these signals, the exoskeleton will actively affect the surgeon's band.

4

Testowanie robotów medycznych

Nawrat Z.

Medical Robotics Reports

|

2018

|

vol. 7

33--42

PL

Artykuł przedstawia zagadnienie badań przedwdrożeniowych robotów medycznych na podstawie doświadczeń zespołu pracującego nad polskim robotem chirurgicznym Robin Heart. W cyklu badań laboratoryjnych (in vitro), na zwierzętach (in vivo), w dobrej komunikacji z przyszłymi użytkownikami przygotowywane jest rozwiązanie rynkowe – nowy robot medyczny.

EN

The article presents the issue of pre-implementation tests of medical robots based on the experience of the team working on the Polish Robin Heart surgical robot. In a cycle of laboratory tests (in vitro), on animals (in vivo), in a good communication with future users a market solution is being prepared – a new medical robot.

5

Sterowanie robotem chirurgicznym z siłowym sprzężeniem zwrotnym - wstępne testy funkcjonalne robota Robin Heart

Krawczyk D., Mucha Ł., Lis K., Nawrat Z.

Medical Robotics Reports

|

2018

|

vol. 7

43--50

PL

Testy robota chirurgicznego typu Robin Heart obejmują badania układów mechatronicznych, układów sterowania, badania symulacyjne i laboratoryjne wykonywania zadań chirurgicznych oraz badania na zwierzętach i planowane badania kliniczne. Cechy funkcjonalne robota, które pozwalają na osiągnięcie wysokiej precyzji zdalnego sterowania wymagają testów z udziałem człowieka. Celem publikacji jest przedstawienie wstępnych badań sprzężenia siłowego. Opisano system badawczy i metodykę badań na przykładzie pomiaru subiektywnej oceny sztywności materiałów.

EN

Robin Heart surgical tests include mechatronic systems, control systems, simulation and laboratory tests for performing surgical tasks, as well as animal studies and planned clinical trials. The functional features of the robot, which allow for high precision of remote control, require tests involving humans. The aim of the publication is to present preliminary force feedback tests. The research system and research methodology are described on the example of measuring the subjective stiffness assessment of materials.

6

Robin Heart INCITE surgical telemanipulator controlled by system equipped with 3D force sensor

Nawrat Z., Mucha Ł., Krawczyk D., Lis K., Lehrich K., Rohr K., Földesy P., Radó J., Dücső C., Sántha H., Szebényi G., Fürjes P.

Medical Robotics Reports

|

2017

|

vol. 6

37--46

EN

The aim of this work is to present the final report, financed by the EU INCITE grant, development of the robot control system Robin Heart with the use of special 3D MEMS micro-sensors, to verify their following functions: 1) an easy control of robotic movement during operation using a micro joystick integrated with the laparoscopic tool 2) measuring the value and direction of force between the jaw of the laparoscopic tool and operated organ 3) tissue diagnostics during work using a 3D touch sensor placed in the front of the tool. Piezo-resistive silicon sensors have been designed and manufactured by the Hungarian company EK MFA. A prototype of a miniature motion sensor placed on the gripping part of the endoscopic tool to control the vision path robot was made. Sensory endoscopic tools were integrated with the ROBIN HEART robot and the Robin Hand motion unit as well as innovative mechatronic surgical tools with a panel informing about the measurement values of the force of tools and tissue. Researched prototype sensors have demonstrated their usefulness in the robot's force feedback system. The practicality of the application to assess the condition of the tissue and the strength of the endoscopic grasper clamp was confirmed. The work was carried out as a part of the EU INCITE project financed partly by NCBiR and NKFIA.

PL

Celem pracy jest przedstawienie finalnego raportu finansowanego z projektu EU INCITE rozwoju projektu systemu sterowania robota Robin Heart z zastosowaniem specjalnych mikro-czujników 3D MEMS, dla weryfikacji ich następujących funkcji: 1) sterowanie robotem toru endoskopowego za pomocą mikro-dżojstika zintegrowanego z rękojeścią narzędzia laparoskopowego dla ergonomicznej manipulacji. 2) pomiar wartości i kierunku działania siły pomiędzy szczęką narzędzia laparoskopowego, a organem. 3) diagnostyki tkanek podczas pracy za pomocą czujnika dotykowego 3D umieszczonego w czołowej części narzędzia. Piezorezystancyjne sensory krzemowe zostały zaprojektowane i wykonane przez węgierską firmę EK MFA. Wykonany został prototyp miniaturowego zadajnika ruchu umieszczonego na części chwytowej narzędzia endoskopowego do sterowania robotem toru wizyjnego. Wykonano sensoryczne narzędzia endoskopowe zintegrowane z robotem ROBIN HEART i zadajnikiem ruchu Robin Hand oraz nowatorskie mechatroniczne narzędzia chirurgiczne z panelem informującym o wartości pomiarów siły oddziaływania narzędzi z tkanką. Zrealizowane badania prototypowych czujników wykazały ich użyteczność w układzie siłowego sprzężenia zwrotnego robota. Potwierdzono celowość aplikacji do oceny stanu tkanki i siły zacisku graspera endoskopowego. Praca została wykonana w ramach projektu EU INCITE finansowana częściowo przez NCBiR i NKFIA.

7

Robin Heart INCITE - wprowadzenie sprzężenia siłowego dla telemanipulatora chirurgicznego

Nawrat Z., Mucha Ł., Rohr K., Lis K., Lehrich K., Krawczyk D., Földesy P., Radó J., Dücső C., Sántha H., Szebényi G., Fürjes P.

Medical Robotics Reports

|

2016

|

vol. 5

34--42

PL

Celem pracy jest przedstawienie rozwoju projektu systemu sterowania robota Robin Heart z zastosowaniem specjalnych mikro--czujników 3D MEMS, dla weryfikacji ich następujących funkcji: 1) sterowanie robotem toru endoskopowego za pomocą mikro--dżojstika zintegrowanego z rękojeścią narzędzia laparoskopowego dla ergonomicznej manipulacji. 2) pomiar wartości i kierunku działania siły pomiędzy szczęką narzędzia laparoskopowego, a organem. 3) diagnostyki tkanek podczas pracy za pomocą czujnika dotykowego 3D umieszczonego w czołowej części narzędzia. Piezorezystancyjne sensory krzemowe zostały zaprojektowane i wykonane przez węgierską firmę EK MFA. Przeprowadzone zostały symulacje MES w celu określenia podstawowych parametrów mechanicznych czujnika. Czujniki zostały pokryte polimerem półprzewodnikowym PDMS (polidimetylosiloksan), następnie przeprowadzono badania wpływu powłoki elastycznej pod kątem czułości i czasu odpowiedzi. Zgodnie z wymaganiami medycznymi i funkcjonalnymi czujniki dodatkowo zostały pokryte biokompatybilnym elastycznym polimerem. Wykonany został prototyp miniaturowego zadajnika ruchu umieszczonego na części chwytowej narzędzia laparoskopowego. Przeprowadzone zostały testy polegające na orientacji robota w polu operacyjnym za pomocą trójosiowego czujnika siły. Przeprowadzono wstępne testy sensorycznego narzędzia laparoskopowego zintegrowanego z robotem ROBIN HEART i zadajnikiem ruchu Robin Hand. Zrealizowane badania prototypowych czujników wykazały ich użyteczność w układzie siłowego sprzężenia zwrotnego robota. Potwierdzono celowość aplikacji do oceny stanu tkanki i siły zacisku graspera laparoskopowego. Praca została wykonana w ramach projektu EU INCITE finansowana częściowo przez NCBiR.

EN

The aim of this work is to demonstrate the applicability and functionality of the Robin Heart robot's control systems integrated with special MEMS based 3D force micro-sensors. Three different robot functions and corresponding detector devices are proposed: 1) Micro-joystick type actuator to be integrated in the hilt of the laparoscope to control easily robotic movement during operation. 2) 1D force sensor located inside the laparoscopic jaw to provide feedback to the surgeon by measuring the grasping strength and 3) 3D (vectorial) force/tactile sensor placed at the tip of the laparoscope which facilitates palpation for tissue diagnostics during operation. The silicon based piezoresistive sensors have been designed and prepared by micromachining technologies in the MEMS Laboratory of EK MFA (Budapest, Hungary). According to the medical and functional requirements the sensors were electro-mechanically integrated and covered by biocompatible elastic polymer (polydimethylsiloxane – PDMS) by BME (Budapest, Hungary). The device geometry was modelled by coupled finite element simulation to determine its expected performance. The effect of the elastic coverage was studied in terms of sensitivity and response time also. Preliminary test of the laparoscopic head equipped with MEMS sensors and integrated in the ROBIN HEART surgery robot system was performed by FRK (Zabrze, Poland). A model of the robot controller using a prototype of 3D force sensor has been also successfully tested during the tests of the functional robot. Studies of the prototypes of “smart” sensory laparoscopes have demonstrated their remarkable usefulness in force feedback robotic systems to recognize the state of tissue and to determine the clamping force of the grasper of surgical system. The international cooperation to develop “smart” laparoscope for robotic surgery was done in the frame of the ENIAC “INCITE” project No.621278 and partially financed by the ENIAC JU and the National Centre for Research and Development (NCBR - Poland) and National Research, Development and Innovation Fund (NKFIA – Hungary).

8

Optymalizacja elementu aktywnego w przegubie robota ROCH-3

Mazan D., Leniowska L.

Acta Bio-Optica et Informatica Medica. Inżynieria Biomedyczna

|

2016

|

Vol. 22, nr 4

213--225

PL

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.

9

Review of surgical robot development in China

Zhao Y.

Medical Robotics Reports

|

2015

|

vol. 4

65--67

10

Robot do wspomagania zabiegów chirurgicznych w obrębie miednicy mniejszej

Petko M., Stangel-Wójcikiewicz K., Karpiel G.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

|

2014

|

z. 194, t. 2

413--422

PL

W referacie opisano koncepcję robota do wspomagania zabiegów chirurgicznych wykonywanych przez naturalne otwory ciała w obrębie miednicy mniejszej oraz wstępne badania zmierzające do opracowania konstrukcji i sterowania. Pierwszym zastosowaniem robota będzie wstrzykiwanie zawiesiny komórek macierzystych do zwieracza cewki moczowej w leczeniu wysiłkowego nietrzymania moczu u kobiet. Do lokalizowania właściwego miejsca podania zawiesiny wykorzystane zostanie obrazowanie multimodalne, integrujące dane z systemu wizyjnego, ultrasonografii oraz profilometrii cewkowej. Zastosowanie robota zwiększy dokładność podawania zawiesiny komórkowej, poprawiając skuteczność zabiegu i skracając czas jego trwania. Przy opracowywaniu robota wykorzystane zostanie w szerokim stopniu wirtualne prototypowanie, uwzględniające modele otoczenia (miednicy mniejszej) oraz systemów obrazowania (systemu wizyjnego i profilometrii cewkowej).

EN

The paper describes the concept of a robot for assisting in surgical procedures performed through pelvic natural orifices, and preliminary research to develop robot construction and control. The first application of the robot will be injection of stem cells suspension into urethral sphincter in the treatment of stress urinary incontinence in women. To locate the proper injection place, multimodal imaging, integrating data from vision system, ultrasound and urethral profilometry, will be used. Use of the robot will increase the accuracy of the administration of the cell : suspension, improving the effectiveness of treatment and shortening its duration. In the robot development, virtual prototyping will be widely used, taking into account models of the environment (pelvic) and imaging systems (vision system and urethral profilometry).

11

Projekt zadajnika i redundantnego manipulatora sferycznego przeznaczonego do chirurgii laparoskopowej

Barczak T., Szumowski M., Mianowski K.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

|

2014

|

z. 194, t. 2

611--620

PL

Przedmiotem niniejszej pracy jest projekt mechanizmu sferycznego do zastosowania w robocie-telemanipulatorze zadająco-wykonawczym ze sprzężeniem zwrotnym od siły przeznaczonym do prowadzenia operacji chirurgicznych. Struktura urządzenia wykonawczego jest redundantna co daje możliwość unikania kolizji między ramionami podczas współpracy wielu urządzeń. Jest to oryginalne rozwiązanie własne. Rozwiązanie zostało zoptymalizowane pod kątem wykonywania małoinwazyjnych zabiegów laparoskopowych. Celem projektu było stworzenie prostego i kompaktowego urządzenia ktore miałoby szanse na szerokie zastosowanie w operacjach małoinwazyjnych w aktualnych realiach finansowych polskich szpitali. Istotnym zagadnieniem wpływającym na ergonomię i dokładność zabiegów jest możliwość komunikacji dwukierunkowej zadajnik-manipulator, dające wrażenie rzeczywistego czucia struktury operowanych tkanek przez lekarza. Zaproponowana architektura układu sterowania umożliwia sterowanie siłowe z bardzo małymi opóźnieniami.

EN

The objective of the paper is to present in detail the possibilities of spherical parallel telemanipulator to perform minimally invasive surgery involving remote, lightweight, low-cost operations. Tire pivot point constraints makes the spherical redundant manipulator a natural candidate to laparoscopic surgery. Based on the database of in-vivo surgical measurements, the workspace requirements have been defined. Very important problem for ergonomic and surgery precision is a signal communication between two sides. And so it can give a feelings of real touching of operated tissue by the doctor. The 3D model have been developed using UGS NX8.5, several simulations have been carried out using the MSC Adams and Matlab programs, simplified prototype have been made using rapid prototyping methods.

12

Sterowanie trajektorią narzędzia robota przy pomocy zadajnika haptycznego w operacjach stereotaktycznych mózgu

Marszalik D., Sibielak M., Rączka W., Konieczny J.

Medical Robotics Reports

|

2014

|

vol. 3

19--24

PL

Nowoczesna medycyna daje pole do wykorzystania różnego rodzaju robotów. Jednym z istotnych zagadnień związanych z robotyką medyczną jest wykorzystanie robotów na salach operacyjnych do wspomagania operacji chirurgicznych. Przy ich projektowaniu konieczne jest uwzględnienie specyficznych potrzeb obszaru chirurgii, w jakim będzie stosowany dany robot. Roboty chirurgiczne wymagają również specyficznego sposobu programowania. Nie jest możliwe, aby wykonywały jedynie wcześniej zaplanowane programy. Dlatego należy stosować programowanie w czasie rzeczywistym. Robot wspomagający operację chirurgiczną może być sterowany przez chirurga przy pomocy zadajnika haptycznego. Jest to układ master-slave, gdzie jako master występuje zadajnik haptyczny z zamontowanym narzędziem, którym porusza chirurg, natomiast jako slave robot wspomagający operację, na ramieniu którego jest zamontowane narzędzie chirurgiczne. W celu zbadania zagadnień związanych ze sterowaniem robotem do zastosowania w neurochirurgii zbudowano demonstrator obejmujący urządzenie haptyczne, robota przemysłowego, kamery oraz komputery, których zadaniem jest komunikacja pomiędzy elementami układu i użytkownikiem oraz przetwarzanie danych. W artykule tym omówiono sterowanie pozycją narzędzia umieszczonego na robocie przy pomocy ruchów urządzenia haptycznego zadawanych przez osobę sterującą, czyli w przypadku zastosowań medycznych chirurga. Opisano matematyczne i programistyczne aspekty sterownia pozycją. Omówiono rolę poszczególnych elementów systemu w procesie zadawania trajektorii oraz sposób komunikacji między nimi. Uwzględniono niektóre z warunków bezpieczeństwa, jakie muszą być spełnione w przypadku zastosowań robota w chirurgii. Opisane zagadnienie jest częścią większego systemu służącego do badań nad zastosowaniem robotów w neurochirurgii.

13

Robin Heart PortVisionAble - projekt, konstrukcja i wstępne badania

Lis K., Lehrich K., Mucha Ł., Rohr K., Nawrat Z.

Medical Robotics Reports

|

2014

|

vol. 3

6--12

PL

Artykuł przedstawia postępy i perspektywy polskiego robota chirurgicznego Robin Heart. Rozpoczęty w 2000 r. projekt wszedł w fazę przygotowań pierwszych produktów, które wejdą na salę operacyjną. Po pierwszych eksperymentach na zwierzętach robotów Robin Heart modeli 1,2,Vision oraz mc2 wiadomo, że robot toru wizyjnego spełnił wszystkie oczekiwania odbiorców. Trwa przygotowanie pierwszego modelu klinicznego robota: nowego modelu Robin Heart PortVisionAble, lekkiego, walizkowego robota toru wizyjnego. Przedstawiono model, konstrukcję i badania wstępne prototypu. Opracowywana jest technologia produkcji seryjnej i przygotowywany model do badań certyfikacyjnych.

EN

The paper presents the achievements & perspectives, current state of works conducted by the FCSD team under the Robin Heart surgical robot project. The project, after series of animal and teleoperation experimentsentered the phase of preparation the first clinical robot model. Robin Heart Vision met the customers’ predictive expectations. The Robin Heart PortVisionAble will be prepared for robotic control of endoscope position/orientation with new functional robot’s properties (lightweight, mobile robot). Mass production technology is being developed. A robot for certification tests is being prepared.

14

Selected aspects of robin heart robot control

Niewola A., Podsedkowski L., Wróblewski P., Zawiasa P., Zawierucha M.

Archive of Mechanical Engineering

|

2013

|

Vol. LX, nr 4

575--593

EN

The issues of medical robots have been approached for 12 years in the Institute of Machine Tools and Production Engineering of the Technical University of Lodz. In the last two years, the scope of research related to the miniaturization of surgical tools, automated changing of these tools with the use of a tool depot designed for this purpose, equipping the robot in the sense of touch and developing the software which provides ergonomic and intuitive robot control with the use of all its functions. In the telemanipulator control, strong emphasis is placed on the intuitiveness of control, which is hard to be ensured due to the fact that the robot tool is observed by a laparoscopic camera, whose orientation and position may vary. That is the reason for developing a new algorithm. It copies the increments of the position and orientation measured in relation to the monitor coordinate system onto the robot tool movement and orientation, which are measured in relation to the camera coordinates system. In this algorithm it is necessary to solve inverse kinematics, which has a discontinuity. Avoiding the discontinuity is achieved by mapping the solution with the cosine function. It causes smooth pass through the area of discontinuity in this way avoiding the singularity.

PL

Problematyka robotów medycznych jest od 12 lat rozwijana w Instytucie Obrabiarek i TBM Politechniki Łódzkiej. W ciągu ostatnich dwóch lat prace badawcze koncentrowały się na miniaturyzacji narzędzi chirurgicznych, procedurach automatycznej wymiany tych narzędzi z wykorzystaniem zaprojektowanego do tego celu magazynu końcówek narzędziowych, wyposażeniu robota w zmysł dotyku oraz na opracowaniu oprogramowania, które w ergonomiczny i intuicyjny sposób pozwoli sterować robotem z wykorzystaniem wszystkich jego możliwości. W zakresie kontroli telemanipulatora silny nacisk został położony na intuicyjny sposób sterowania, który jest trudny do zrealizowania, gdyż układy współrzędnych obserwatora i narzędzia mogą być w różnych położeniach. To skłoniło zespół z PL do opracowania nowego algorytmu sterowania, który kopiuje zmiany położenia i orientację mierzone względem układu współrzędnych monitora na ruch robota i orientację narzędzia mierzone względem układu współrzędnych kamery. W metodzie tej wykorzystano rozwiązanie zadania odwrotnego z uwzględnieniem nieciągłości rozwiązania. W celu uniknięcia jej została wykorzystana funkcja kosinus, dzięki czemu uzyskano płynne przejście przez strefę nieciągłości.

15

Sterowanie mikrosilników o bardzo wysokich prędkościach obrotowych sprzężonych z wielostopniowymi przekładniami planetarnymi

Leniowski R., Leniowska L.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

|

2012

|

z. 182, t. 1

160--175

PL

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.

16

Modelowanie narządów wewnętrznych człowieka za pomocą wielościanów na potrzeby systemu treningowego dla robota chirurgicznego ROCH-1

Leniowski R., Zima M., Jurkowski S.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

|

2012

|

z. 182, t. 1

115--127

PL

Modele matematyczne miękkich tkanek spełniają istotną role w wirtualnych narzędziach treningowych stosowanych w chirurgii małoinwazyjnej. Umożliwiają one modelowanie i symulację zjawisk zachodzących podczas rzeczywistej operacji tkanką. W pracy zaproponowano oryginalną koncepcję modelowania narządów wewnętrznych człowieka w oparciu o elementarny model składowy o zredukowanej dynamice, który ma kształt wielościanu. Zastosowany model masa – sprężyna – tłumik (MSD) tworzy strukturę bryłową, ma własności lepko-sprężyste, zbliżone do tkanki biologicznej i reaguje prawidłowo na oddziaływania zewnętrzne, powodujące deformację elementu. Wielościan, nazywany dalej „kostką”, można dopasować do rozpatrywanego narządu człowieka poprzez modyfikację jego parametrów. „Kostkę” charakteryzuje ponadto łatwa implementacja programowa, dzięki czemu model fizyczny połączono z modelem graficznym, uzyskując wirtualne narządy (jelito grube, serce, nerkę), o bardzo realistycznych właściwościach. Istotne jest również to, że bieżąca implementacja modelu uwzględniania oddziaływania grawitacyjne oraz ciśnienia: wewnętrzne i zewnętrzne, występujące w warunkach rzeczywistych. Opracowany model wykorzystano do wytworzenia wirtualnej postaci jelita grubego, które poddano prostym i złożonym deformacjom. Jelito grube jest częścią składową systemu treningowego, opracowanego dla prowadzenia wirtualnych zabiegów (treningów) z użyciem robota chirurgicznego ROCH-1.

EN

Mathematical models of soft tissues play an important role in virtual simulation of surgical robots. The paper described an original adaptation of the reduced model of a polyhedron, which is very well suited for modeling of human organs (soft tissue). The proposed model MSD (mass-spring-damper) creates a solid structure which has viscoelastic properties similar to biological tissue. The elementary polyhedron, called the “cube”, can be tuned, depending on the type of human organs in question, by modifying the material parameters. Moreover, the “cube” is characterized be easy implementation of the program, so that the physical model is combined with a graphical model, to yield organs behaving very realistic. It should be noted that the current implementation of the model takes into account: gravitation, internal and external pressure and forces that occur in real terms. The example shows the complex deformations of the large intestine. This organ is part of the simulator software, developed for conducting virtual operations using a surgical robot ROCH-1.

17

The Robin Heart story

Nawrat Z.

Medical Robotics Reports

|

2012

|

vol. 1

19--21

PL

Artykuł przedstawia postępy polskiego robota chirurgicznego Robin Heart. Rozpoczęty w 2000 r. projekt wszedł w fazę przygotowań pierwszych produktów, które wejdą na sale operacyjne. Po pierwszych eksperymentach na zwierzętach robotów Robin Heart modeli 1,2,Vision oraz mc2 wiadomo, że robot toru wizyjnego spełnił wszystkie oczekiwania odbiorców. Trwa przygotowanie nowego modelu Robin Heart PortVisionAble, lekkiego, walizkowego robota toru wizy jnego o szerokim obszarze zastosowań w małoinwazyjnej chirurgii tkanek miękkich. Doskonalimy robota narzędziowego Robin Heart oraz mechatroniczne narzędzia serii Robin Heart Uni System. Prowadzimy działania dla uruchomienia w Polsce produkcji robotów medycznych.

18

Development of a robotic system for spinal surgery

Kostrzewski S., Duff J. M., Baur Ch., Olszewski M.

Medical Robotics Reports

|

2012

|

vol. 1

22--26

PL

Kręgosłup człowieka składa się z 24 ruchomych i 9 połączonych kręgów. Ważne elementy układu nerwowego znajdują się we wnętrzu otworu kręgowego osłoniętego przez otaczającą go kość. W wyniku wypadków lub chorób mogą się pojawić schorzenia, które muszą być leczone chirurgicznie. Ze względu na dużą gęstość ważnych tkanek w tym rejonie, takich jak układ nerwowy lub krwionośny, powodzenie operacji zależy w dużym stopniu od dokładności, z jaką może być ona przeprowadzona. W obecnie używanych metodach manualnych duże znaczenie ma doświadczenie i dyspozycja chirurga. Aby rozwiązać te problemy opracowano nowy system zrobotyzowany do operacji kręgosłupa. Składa się on z mechanizmu robota pozycjonowanego za pomocą struktury pasywnej, optycznego systemu pomiarowego, urządzenia wejściowego, identyfikacji położenia operowanych kręgów, algorytmów i oprogramowania do planowania operacji i nawigacji. System został przebadany na denatach z udziałem chirurga, osiągając bardzo dobre rezultaty. Omówiono wyniki badań, zaproponowano możliwości dalszych ulepszeń i inne zastosowania systemu.

19

Chosen problems of surgical robots design

Trochimczuk R.

International Journal of Applied Mechanics and Engineering

|

2012

|

Vol. 17, no. 3

1019-1025

EN

In daily practice of surgical medicine telemanipulators are increasingly used to carry out minimally invasive surgery (MIS). As a whole, they are very complex systems which implement the latest technical solutions concerning a range of materials, constructions, force and visual feedback control systems with stringent security requirements in their application. This work discusses selected issues that one may encounter in the course of designing such biomechatronical systems. The mechatronical model of surgical robot will be introduced allowing further analysis of relations and flows between components and specifying hierarchy amongst them.

20

Model matematyczny przegubu wieloczłonowego robota chirurgicznego z powłoką antyseptyczną

Leniowski R., Leniowska L.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

|

2010

|

z. 175, t. 1

79-90

PL

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.