Niniejszy referat zawiera opis konstrukcji serwomechanizmu do przemieszczania tulei automatycznego narzędzia laparoskopowego lub kamery laparoskopowej w dwóch stopniach swobody. W części pierwszej znajduje się krótki rys historyczny związany z robotami kardiochirurgicznymi. W części drugiej artykułu przedstawiony jest opis zasady działania serwomechanizmu. W kolejnej części jest opisany układ sterowania wraz z układem sensorycznym. W części czwartej zamieszczony został opis konstrukcji serwomechanizmu.
EN
This paper presents the servo drive with friction coupling in two DOF. The first section describes some of the problems with cardiac-surgery robots. In the second section there is shown the operating principle of the friction drive, which is a solution to the mentioned problems. The next section presents the motion control system and the sensors used therein. In the fourth section the author deals with the mechanical solution of the servo drive.
W pracy zaprezentowano bryłowy model dynamiczny w strukturze MASTER - SLAVE telemanipulatora torakoskopowego Robin Heart 1 zbudowany w celu próby odwzorowania zjawisk siłowych, tribologicznych oraz stanów naprężenia powstałych podczas ruchu. Model umożliwia rozwiązanie zagadnienia dynamiki w sposób iteracyjny dla dwóch głównych elementów systemu telemanipulatora. Pierwszy to zadajnik przemieszczeń i sił wzorowany na przyrządzie endoskopowym. Drugi to ramię manipulatora o kinematyce sferycznej i sumarycznej ruchliwości równej 12. Elementy systemu są ze sobą sprzężone kinematycznie. W celu szybkiej zmiany kształtu brył składowych modelu zastosowano parametryczny sposób konstruowania geometrii oraz tworzenia par kinematycznych. Daje to możliwość modyfikowania parametrów inercyjnych dla ruchu postępowego i obrotowego modelu poprzez zmianę przekrojów profili. Zagadnienie dynamiki polegające na wyznaczeniu sił i momentów sił zostało rozwiązane przy zastosowaniu solvera programu Adams. Natomiast stan naprężeń, przemieszczeń i odkształceń jest modelowany przy użyciu aplikacji MES, CosmosWorks. W procesie iteracyjnym wyznaczane jest maksymalne naprężenie powstałe w analizowanym ciele na skutek modelowanych oddziaływań dynamicznych i dla tej chwili czasu generowane są mapy naprężeń redukowanych wg energetycznej hipotezy Hubera. Dyskretyzacji ciał dokonano elementem typu tetra czterowęzłowym o 12. stopniach swobody.
EN
The dynamical solid model in the MASTER-SLAVE structure of thoracoscope telemanipulator Robin Heart 1 is presented in the paper. It was made in order to show forced and frictional phenomena and states of stress that appear during its motion. The model makes possible to solve the problem of dynamics iteratively for two main components of telemanipulator system. The first is the endoscope master tool manipulator of displacements and forces that is patterned on a classical thoracoscope tool. The second is the arm of manipulator. The workspace of it is spherical and the number of mobility is 12. The elements of the system are coupling kinematically. Parametrical method constructing of the geometry and kinematic pairs was applied in order to fast modification of shapes of solid components of the model. It gives possibility of modifying of inertia parameters for linear and angular motion of model through change of the sections of profiles. The problem of dynamics consisting in to determine forces and moments of forces was solved by using solver of the programme Adams. However, state of stresses, displacements and strains are modeled by using of the MES application CosmosWorks. In the iteration process maximal stress is calculated in the analyzed body as a result of dynamical interaction and for this moment of time the diagrams of reduced stress are generated according to energetic hyphotesis of Huber. The digitizing of bodies was made by using tetrahedral elements that have got three translational degrees of freedom per every of 4 node.
Uzyskanie wysokiej precyzji pozycjonowania jest jednym z kluczowych zadań robota kardiochirurgicznego. Opracowany w Instytucie program symulacji dynamiki robota RobMed [1] ułatwia doskonalenie konstrukcji robota, poprzez możliwość badania wpływu szeregu cech konstrukcyjnych i eksploatacyjnych na dokładność sterowania. W artykule omówiono opracowaną metodę modelowania luzów łożyskowych, należących do ważniejszych przyczyn niedokładności. Określono zależności, służące do wyznaczania aktualnych luzów w węźle, w różnych warunkach kontaktu sąsiadujących członów. Podano równania przejścia, wiążące błędy pozycjonowania narzędzia ze skutkami luzów, podatności i niedokładności montażu. Zamieszczono przykładowe wyniki symulacji, ukazujące wpływ luzów na błędy pozycjonowania.
EN
Gaming excellent positioning precision is one of the key tasks of cardiosurgical robot. The program RobMed [1], simulating dynamics of robot, elaborated by author, facilitates robot improvement, by enabling analysis of influence of numerous design and operating parameters on precision. The paper describes elaborated method of modeling of bearing clearances, belonging to most important causes of inaccuracies. The relations, determining actual values of clearances in joint, in different conditions of contact of neighboring members, are derived. The matrix transient equations, connecting positioning errors of surgical tool with the effects of clearances, elasticity end assembling inaccuracy, are presented. Exemplary results of simulation, showing influence of clearances on errors are included.
Artykuł prezentuje model matematyczny i program komputerowy, symulujący dynamikę robota kardiochirurgicznego, stanowiacy narzędzie do badania precyzji pozycjonowania. Model uwzględnia wiele złożonych nieliniowych zjawisk, wpływających na precyzję, związanych m.in. z podatnością elementów robota, luzami w połączeniach, charakterystykami siłowników, tarciem i tłumieniem wewnętrznym. Przedstawiono założenia modelu, metodykę rozwiązywania równań modelowych oraz wstępne wyniki symulacji, potwierdzające możliwości programu i wpływ analizowanych parametrów na precyzję pozycjonowania.
EN
The paper presents a mathematical model and a computer program, enabling simulation of cardio-surgical robot dynamics, prepared as a tool for investigation of positioning precision. The model includes the set of complex, non-linear phenomena, influencing precision of control, connected with elasticity of robot elements, clearances in joints, characteristics of servo-motors, friction and internal damping, etc. The assumptions of the model, the method of solving model equations and preliminary results of simulation, confirming possibilities of the program and showing influence of analyzed parameters on positioning precision have been shown.
W artykule zaprezentowano model matematyczny procesów dynamicznych, zachodzących podczas pracy robota kardiochirurgicznego. Przedstawiono ogólne założenia modelu, metodykę symulacji oraz modele kilku wybranych elementów robota. Formułując model uwzględniono szereg własności i zjawisk, związanych z podatnością, luzami, drganiami i charakterystykami sterowników, istotnie wpływających na precyzję sterowania, zwłaszcza w przypadku stosunkowo szybkich ruchów automatycznego szycia i utrzymywania względnej pozycji narzędzia w stosunku do bijącego serca.
EN
The paper presents mathematical model of dynamie processes, oceurring during operation of cardiosurgical robot. Paper describes assumptions of the model, methods of simulation, and models of selected elements of robot. Model takes into account extensive set of properties and phenomena, joined with elasticity, clearances, vibrations and characteristics of controllers, influencing the precision of control, especially in the case of relatively fast motions of automatic sewing and positioning the tool towards the surface of beating heart.
6
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Przedstawiono projekt techniczny narzędzia laparoskopowego o napędzie elektrycznym dla robota kardiochirurgicznego, opracowany w postaci modelu trójwymiarowego i skojarzonej z nim dokumentacji technicznej wykonanej z wykorzystaniem systemu UNIGRAPHICS. Animacje i obliczenia inżynierskie wykonano z wykorzystaniem systemu ADAMS.
7
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W czasie realizacji polskiego projektu robota kardiochirurgicznego RobIn Heart zaprojektowano, wykonano i przetestowano szereg konstrukcji zadajnika. Podstawowe koncepcje omówiono w artykule. Opracowanie uniwersalnego zadajnika jest zadaniem bardzo trudnym, gdyż musi być to urządzenie o dużej funkcjonalności, wygodne w użyciu, wiernie nadążające za ruchami rąk i przede wszystkim akceptowane przez lekarza. Wymaga to opracowania często układów mechanicznych, wzorowanych na wzorach biologicznych. Zespół badawczy prowadzi nadal prace nad udoskonalaniem powstałych zadajników i powstaniem nowych innowacyjnych rozwiązań.
Roboty, zdalnie sterowane przez chirurga, zmniejszające ból, groźbę śmierci lub powikłań i czas rekonwalescencji pacjentów, poprzez małoinwazyjne wykonywanie wielu trudnych, także kardiochirurgicznych operacji, stanowią jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin techniki medycznej. W artykule przedstawiono perspektywy rozwoju i podstawowe problemy, których rozwiązanie umożliwi powszechniejsze wykorzystanie potencjalnych walorów robotów kardiochirurgicznych. Scharakteryzowano najważniejsze istniejące na świecie systemy i omówiono polski robot RobInHeart, przygotowywany w Fundacji dla Rozwoju Kardiochirurgii.
EN
Robots, remotely controlled by the surgeon, decreasing pain, risk of death or complications and convalescence time of patients, by performing many difficult, also cardiosurgical operations in minimally invasive manner, are one of mostly fast developing branches of medical engineering. The paper presents perspectives of progress and main problems, which solving will enable more common utilisation of potential advantages of cardiosurgery robots. Most important professional systems existing in the world are characterised and Polish robot RobIn Heart, prepared by Foundation for Cardiosurgery Development is described.
9
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Przedstawiono projekt polskiego robota kardiochirurgicznego. Projekt jest prowadzony przez Fundację Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu przy współpracy z ośrodkami naukowymi z Łodzi i Warszawy. Przedstawiono założenia konstrukcji telemanipulatora i wnioski dotyczące aktualnego stanu praktycznej realizacji projektu.
EN
This paper is devoted to the project of polish cardiac surgery robots, realized by the team of Foundation of Cardiac Surgery Development, Zabrze, in cooperation with research centers in Łódź and Warsaw. Assumptions of manipulator construction as well as conclusions from first practice realization stages are presented.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.