متن کامل خبر


 
جلسه دفاع از رساله: آقای محمدرضا دهقانی تفتی، گروه آموزشی طراحی کاربردی

خلاصه خبر: تحلیل، طراحی و کنترل یک ربات هپتیکی 6 درجه آزادی و بهینه‌سازی فضای کاری آن جهت استفاده در جراحی کرینیوتومی

  • عنوان: تحلیل، طراحی و کنترل یک ربات هپتیکی 6 درجه آزادی و بهینه‌سازی فضای کاری آن جهت استفاده در جراحی کرینیوتومی
  • ارائه‌کننده: محمدرضا دهقانی تفتی
  • استاد راهنما: دکتر محمدی مقدم
  • استاد ناظر داخلی اول: دکتر ازگلی
  • استاد ناظر داخلی دوم: دکتر ساده دل
  • استاد ناظر خارجی اول: دکتر فرهمند
  • استاد ناظر خارجی دوم: دکتر نحوی
  • نماینده تحصیلات تکمیلی: دکتر ساده دل
  • مکان: اتاق 351
  • تاریخ: 97/03/09
  • ساعت: 14:00

چکیده: استفاده از سیستم‌های رباتیک در جراحی به دلیل خصوصیاتی همچون دقت بالا، خستگی‌ناپذیری و عدم اشتباه روز به روز رو به افزایش است. به طور ویژه، این سیستم‌ها در جراحی بر روی بافت استخوانی به دلیل ثابت بودن و عدم تغییر شکل و امکان برنامه‌ریزی پیش از عمل مناسب هستند. برش تکه¬ای از استخوان جمجمه مرحله¬ای اجتناب¬ناپذیر در جراحی¬های باز مغز و اعصاب است که بسیار وقت¬گیر و خسته¬کننده است. اعمال نیروهای بزرگ با دقت بالا انرژی زیادی از جراح مصرف می¬کند که باعث می¬شود در مرحله بعد که دست‌کاری بافت حساس مغزی است خطای احتمالی جراخ افزایش یابد. با این وجود سیستم‌های رباتیک با توانایی برش و سوارخکاری جمجمه برای جراحی‌های مغز و اعصاب در مرحله تحقیقاتی به سر می‌برند. در این تحقیق با بررسی نیازمندی‌های جراحی‌های روی جمجمه، انتظارات جراحان از یک سیستم رباتیک مد نظر قرار داده شد و بر اساس آن طراحی ربات جراحی بر روی جمجمه با هدف کاهش بار کاری جراح انجام گرفت. ربات طراحی شده دارای سه درجه آزادی فعال برای کنترل ابزار و چهار درجه آزادی غیر فعال برای تنظیم موقعیت و راستای قسمت فعال نسبت به جمجمه بیمار می¬باشد. در مراحل بهینه¬سازی مکانیزم فعال، مدل سه بعدی از جمجمه و تکه¬های استخوان بریده شده در جراحی¬های مختلف تهیه شد. فضای کاری هدف استخراج شده به همراه پارامترهای سینماتیکی مناسب برای امتیازدهی به طراحی¬های مختلف و انتخاب طراحی بهینه استفاده شد. مکانیزم موازی انتخاب شده از خواص مرکز آنی دوران خارجی بهره می¬برد. با قرار دادن مرکز آنی دوران مکانیزم بر روی کره محیطی به تکه استخوان، ابزار تقریبا همواره بر سطح استخوان عمود باقی می¬ماند. معادلات سینماتیک و ماتریس ژاکوبی ربات به صورت تحلیلی استخراج و توسط شبیه‌سازی نرم‌افزاری صحه‌گذاری شدند. با انجام طراحی جزئی و تحلیل نیرویی، عملگرهای مناسب از موتورهای متناوب سروو برای این سیستم انتخاب گردیدند. یک ربات نمونه از سیستم طراحی شده از جنس آلومینیوم ساخته شد. در فرآیند راه¬اندازی، عملکرد روش¬های مختلف ارتباط با سروو‌درایوها آزمایش شد و ترکیبی از آنها برای دستیابی به قابلیت اطمینان و سرعت بالا استفاده گردید. جهت ارزیابی صحت طراحی و کیفیت ساخت ربات، دو آزمایشِ فضای کاری قابل دسترس و توانایی اعمال نیرو انجام شد. در آزمایش اول بازوهای ربات در بازه حرکتی خود با فواصل 10 درجه حرکت داده شدند و در هر نقطه با استفاده از دوربین توتال استیشن موقعیت کارگیر با دقت 0.1 میلی¬متر ثبت گردید. نقاط اندازه¬گیری شده کل فضای کاری هدف ربات را که با توجه به نیاز جراحی کرینیوتومی مخروطی با زاویه راس 40 درجه است به خوبی پوشش دادند. علاوه بر آن مشاهده شد که فضای کاری قابل دسترس ربات تنها کمی بزرگتر از فضای کاری هدف بود و این نشان¬دهنده بهینه¬سازی مناسب پارامترها برای دستیابی به کوچک¬ترین ابعاد ممکن در کنار دسترسی به فضای هدف است. در آزمایش دوم با نصب یک حسگر نیروی شش درجه آزادی نیرو و گشتاور نوک کارگیر اندازه¬گیری شد. نتایج نشان می¬دهد که ربات توانایی اعمال نیروی مورد نیاز برای برش و سوراخ¬کاری را دارد. قبل از پیاده¬سازی هرگونه کنترل، برای افزایش دقت ربات، معادلات سینماتیک با روش مبتنی بر مدل و بهینه¬سازی لونبرگ-مارکواریت کالیبره شدند. یکی از اهداف سیستم رباتیک کاهش بار کاری جراح است که در این راستا الگوریتم کنترلی برای جبران وزن بازوها و ابزار پیاده¬سازی شد. با اندازه¬گیری نیروی دست جراح نشان دادیم که در حرکت آزاد ابزار در فضای کاری ربات به دست جراح نیروی ناچیزی وارد می¬شود و نیروی گرانش جبران¬سازی شده است. یکی دیگر از توانایی¬های در نظر گرفته شده برای این سیستم رباتیک ایجاد دیواره مجازی در فضای کاری است که جلوی نفوذ ابزار و صدمه به بافت نرم زیر استخوان جمجمه را بگیرد. نتایج نشان می¬دهد که در برخورد نوک ابزار با دیواره حداکثر نیروی موتور به دست جراح وارد شده و کنترلر به خوبی از نفوذ ابزار به ناحیه غیرمجاز ممانعت کرد.
کلمات کلیدی: تحلیل سینماتیک، بهینه¬سازی، جراحی رباتیک، کرینیوتومی، همکاری در کنترل

8 خرداد 1397 / تعداد نمایش : 115