Thiết kế, chế tạo robot delta kết hợp cơ cấu chuyển động quanh một tâm (remote center motion)

Bài báo này sẽ trình bày mô phỏng chuyển động của một số cơ cấu RCM thường gặp trong các robot hỗ trợ phẩu thuật nội soi và trình bày phân tích động học của robot Delta – RCM được đề xuấ

ĐẠI HỌCăĐÀăN NG

TR ỜNGăĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHANăV NăTIÊN

THI ẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT DELTA KẾT HỢPăC ă

C ẤU CHUYỂNăĐỘNG QUANH MỘT TÂM (REMOTE

PHANăV NăTIÊN

THI ẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT DELTA KẾT HỢPăC ă

C ẤU CHUYỂNăĐỘNG QUANH MỘT TÂM (REMOTE

Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận án này là kết quả nghiên cứu của riêng tác giả Tất cả những tham khảo từ các nghiên cứu liên quan đều được nêu nguồn gốc một cách rõ ràng Những kết quả nghiên cứu và đóng góp trong luận văn chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác

Tác giả luận văn Học viên

Phan Văn Tiên

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn: TS Lê Hoài Nam đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô, Cán bộ, Nhân viên của khoa Cơ Khí- Trường Đại học Bách Khoa- ĐHĐN đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến gia đình của tôi, những người thân đã chia sẻ mọi khó khăn, luôn động viên tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành tốt luận văn này

LỜI CẢM ƠN 2

MỞ ĐẦU 1

Chương 1- TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong và ngoài nước về robot hỗ trợ phẫu thuật nội soi 4

1.1.1 Nền Y học thế giới ghi nhận: 4

1.1.2 Tại Việt Nam 4

1.2 Tổng quan về robot Delta – RCM 4

1.2.1 Giới thiệu về các loại robot song song 3 bậc kiểu tự Delta 4

1.2.2 Phân loại robot Delta 5

1.2.3 Ứng dụng của robot Delta 10

1.2.4 Giới thiệu các cơ cấu quay quanh tâm 13

Chương 2- NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT DELTA- RCM 21

Chương 3- MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA CƠ CẤU DELTA- RCM 26

Chương 4: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT DELTA-RCM 30

4.1.1 Động cơ 31

4.1.1 Động cơ dẫn động 3 trục ví me 31

4.1.2 Động cơ trục dẫn động cung thứ nhất 31

4.1.3 Động cơ dẫn động cung thứ 2 32

4.2: Các thành phần cơ khí: 33

4.2.1 Vit me 33

4.2.2 Vòng bi thanh đầu kéo 33

4.2.5 Hai cung RCM: 35

Chương 5- THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT DELTA-RCM 36

5.1 Hệ thống điều khiển robot Delta- RCM: 36

5.1.2 Lưu đồ thực hiện: 37

5.2 Thiết kế mạch điều khiển 37

5.2.2 Khối vi điều khiển 38

5.2.3 Vi điều khiển Atmega328 39

5.2.5 Giao diện giao tiếp vơi máy tính 43

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 44

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

DANH MỤC CÔNG TRÍNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 46

surgical operation is done through small incisions This type of surgery has many advantages than conventional surgery such as shorter and less painful recover, less invasive, safer so on However, there are some disadvantages associated with MIS such as limited field of view by using endoscopes and limiting motion of surgical tools To overcome these advantages of MIS, almost of all existing robotics that

assisted Minimal invasive surgery, have the Remote Center Motion mechanisms This paper presents an overview of some typical Remote Center of Motion (RCM)

mechanisms with graphical result conducted simulation on ADAMS VIEW and

kinematic analysis of a compact hybrid Delta – RCM robot that is developed for

assisting physicians to perform MIS

Keyword: Delta robot; Parallel robot; Remote Center Motion; Kinematic analysis; Minimally Invasive Surgery

Tóm tắt: Phẩu thuật nội soi là một phương pháp phẩu thuật thông qua những lỗ nhỏ trên người bệnh nhân Phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp mổ truyền thống như thời gian phục hồi nhanh hơn, vết sẹo mổ nhỏ hơn, ít đau hơn và an toàn hơn Tuy nhiên, trong phẩu thuật nội soi, mọi hoạt động phẩu thuật đều thông qua các lỗ nhỏ nên bị giới hạn về không gian quan sát, và dụng cụ phẩu thuật cũng bị giới hạn về vùng chuyển động Để khắc phục các nhược điểm này, nhiều robot trang bị cơ cấu chuyển động quanh một tâm (Remote Center Motion) đã được nghiên cứu Bài báo này sẽ trình bày mô phỏng chuyển động của một số cơ cấu RCM thường gặp trong các robot hỗ trợ phẩu thuật nội soi và trình bày phân tích động học của robot Delta – RCM được đề xuất bởi nhóm tác giả

Từ khóa: Robot delta; Robot song song; Remote Center Motion; Phân tích động học; Phẩu thuật nội soi

Hình 1: Cấu trúc kiểu 3- PRPaR 6

Hình 2: Cấu trúc kiểu RRPaR 7

Hình 3: Cấu trúc kiểu 3-P2S2S 8

Hình 4: Cấu trúc kiểu 3-R2S2S 9

Hình 5: Úng dụng robot Delta trong gia công cơ khí 10

Hình 6: Kết hợp với kỹ thuật sử lý ảnh, robot Delta được dung phổ biến cho công việc phân loại hàng hóa 11

Hình 7: Cơ cấu song song Stewart mô phỏng thiết bị bay 11

Hình 8: Sản phẩm Suriscope của công ty Thụy Điển đang vận hành 12

Hình 9: Robot CRIGOS dùng để phẩu thuật tái tạo xương 13

Hình 12: Ứng dụng cơ cấu RCM hình bình hành trong siêu âm 15

Hình 13: Mô phỏng cơ cấu cung tròn 16

Hình 14: Ứng dụng cơ chế hình cầu 17

Hình 15: Mô phỏng cơ chế hình cầu 18

Hình 16: Ví dụ robot truyền đai 19

Hình17: Ứng dụng các cơ cấu chuyển động song song trong RCM 20

Hình 18: Mô tả điểm Bo xoay một góc β1 đển điểm B1 quanh trục y 23

Hình 19: Tọa độ của điểm C 24

Hình 20: Xoay hệ tọa độ x’y’z’ đến hệ tọa độ xyz 25

Hình 21: Mô phỏng kết quả của robot Delta 26

Hình 22: Mô phỏng chuyển động của cơ cấu cung tròn RCM 27

Hình 23: Vị trí của khớp trục vit me 28

Hình 24: Vị trí tọa độ O1, O2 trên 2 cung RCM 28

Hình 25: Vận tốc tọa độ O1, O2 của 2 cung RCM 29

Hình 26: Mô hình robot lai Delta- RCM 30

Hình 27: Động cơ bước trục vít me 31

Hình 28: Động cơ bước cung tròn 32

Hình 29: Động cơ bước dẫn động cung tròn 32

Hình 30: Trục vít me 33

Hình 32: Tấm đế di động 35

Hình 33: Cung RCM 35

Hình 34: Lưu đồ của quá trình điều khiển 37

Hình 35: Nguồn chuyển đổi 220V- 12VDCV 38

Hình 36: Khối điều khiển board Arduino 38

Hình 37: Sơ dồ linh kiện Board Arduino 39

Hình 38: Vi điều khiển ATmega328 40

Hình 39: Khối vi điều khiển thưc tế dùng trong mô hình 41

Hình 40: Khối công tắt hành trình giới hạn trục 42

Hình 41: Giao diện giao tiếp với máy tính 43

MỞ ĐẦU Tóm tắt: Ngày nay, phẫu thuật nội soi được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong công nghiệp và y học điều trị các bệnh lý, đặc biệt là trong phẫu thuật ổ bụng Trái với phương pháp phẫu thuật truyền thống, ở đó bác sĩ phải tạo vết mổ lớn trên cơ thể bệnh nhân thì phẫu thuật nội soi là một phương pháp phẫu thuật thông qua những lỗ nhỏ trên người bệnh nhân Chính vì vậy, phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp mổ truyền thống như là: bệnh nhân ít mất máu, thời gian phục hồi nhanh hơn, vết sẹo mổ nhỏ hơn, ít đau và an toàn hơn Tuy nhiên, phương pháp mổ nội soi vẫn còn một số hạn chế:

giới hạn về không gian quan sát

Đầu những năm 1980, công ty Intuitive Surgical Inc (Sunnyvale, CA) đã giới thiệu robot hỗ trợ phẫu thuật Da Vinci Năm 2013, Khoa kỹ thuật Cơ khí và Kỹ thuật Hàng không, trường Đại học Monash, Melbourne, Úc thiết kế và chế tạo thực nghiệm Robot PRAMISS [2] Robot này là sự kết hợp tối ưu giữa robot song song 6 bậc tự do – Steward Platform và cơ cấu song song RPRR (R – khớp quay, P – Khớp tịnh tiến) hỗ trợ phẫu thuật nội soi với độ chính xác cao [2] Năm 2014, các giáo sư tại trường Đại học Trung văn Hồng Kông nghiên cứu robot bốn bậc tự do hỗ trợ phẫu thuật cắt tử cung [3] Hay các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Tianjin, Trung Quốc cũng đề xuất một cơ cấu

cơ khí 4 bậc tự do, trong đó có hai bậc tự do khớp cổ xoay để hỗ trợ phẫu thuật nội soi [4] Robot Davinci của hãng Intuitive Surgica với hơn 4 triệu ca phẩu thuật từ năm 2000 đến nay Tuy nhiên nó cũng có nhiều biến chứng sau mổ cụ thể từ 1/2000 đến 8/2012 có hang ngàn sự cố do robot này phẫu thuật được báo cáo đến FDA Một nghiên cứu trung tâm y khoa Johns Hopkins thực hiện công bố trên tạp chí the Journal for healthcare Quality tháng 8/2013 cho thấy trong số 248 sự cố do phẩu thuật robot so FDA ghi nhận

có 174 ca tổn thương và 71 ca tử vong Biến chứng sau phẩu thuật xảy ra đối với 20% bệnh nhân theo dữ liệu viện Y khoa quốc gia Hoa Kỳ và nguyên nhân chủ yếu do độ chính xác cứng vững của robot và một phần do bác sĩ phẫu thuật Robot được đánh giá khá chậm cham và cồng kềnh Để khắc phục các nhược điểm này, nhiều robot trang bị cơ cấu chuyển động quanh một tâm RCM (viết tắt của Remote Center of Motion) đã được nghiên cứu Loại robot này có nhiều ưu điểm là độ cứng vũng cao, tuy có không gian làm việc bị hạn chế và xuất hiên các điểm kỳ dị làm cho robot thừa hoặc thiếu các

bậc tự do nhưng loại này có điểm mạnh là độ cứng vững cao do sự ràng buộc giữa các khâu của chuỗi động học kín, khớp truyền động là cố định và đặc biệt hơn là có thể thực hiện các chuyển động với vận tốc cao mà không sợ bị hạn chế về mặt quán tính.Từ khi xuất hiện lần đàu tiên vào năm 1947 với cơ cấu hexapod do tiến sĩ Eric phát minh ra đến nay, robot song song đã có những chặng đường phát triển khá dài với nhiều thành tựu nổi bật Robot song song cũng có rất nhiều loại từ 2 bậc tự do đến 6 bậc tự do và hơn thế nữa Chính vì nhiều ưu điểm về độ cứng vững và tốc độ làm việc cao mà nhiều nhà khoa học nghiên cứu đưa vào ứng dụng thay thế cho máy công cụ và y học Lĩnh vực nghiên cứu robot trong y sinh đang thu hút sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học trên thế giới Tuy nhiên hiện nay các đề tài nghiên cứu robot trong y sinh vẫn còn rất hạn chế tại Việt Nam Chính vì vậy, tác giả đề xuất đề tài “Thiết kế, chế tạo robot Delta kết hợp cơ cấu chuyển động quanh một tâm (Remote Center Motion)”

Luận văn này đặt ra các vấn đề nghiên cứu như sau:

1 Mục tiêu nghiên cứu:

Tiến hành nghiên cứu các mô hình robot và các cơ cấu cơ khí chuyển động quanh một tâm RCM đã được ứng dụng trong phẫu thuật nội soi trên thế giới Trên cơ sở đó sẽ

đề xuất mô hình robot lai giữa robot song song Delta và cơ cấu chuyển động quanh một tâm RCM (Delta–RCM robot) nhằm hỗ trợ phẫu thuật nội soi vùng ổ bụng Sau đó, phân tích động học và mô phỏng kết quả phân tích bằng phần mềm và chế tạo mô hình thực nghiệm

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài thực hiện với nội dung chủ yếu sau:

- Nghiên cứu tổng quan về robot Delta–RCM

- Nghiên cứu lý thuyết và giải bài toán động học của robot Delta–RCM

- Thiết kế và chế tạo mô hình cơ khí của robot Delta–RCM

- Lựa chọn các mạch điện sử dụng điều khiển robot

- Xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển robot

3 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận: Tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ ứng dụng robot trong hỗ trợ phẫu thuật nội soi Phân tích các thiết bị có trên thị trường, từ đó đánh giá các ưu nhược điểm của các thiết bị đã có để lựa chọn phương án thiết kế và chế tạo phù hợp

Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm nhằm thiết kế và chế tạo mô hình robot Delta–RCM

Tính toán thiết kế mô hình cơ khí đảm bảo độ chính xác và cứng vững cần thiết đáp ứng nhu cầu điều khiển

Tìm hiểu các phương pháp điều khiển, mạch điều khiển

4 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn

Tạo tiền đề cho việc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng robot trong phẩu thuật

Mô hình phục vụ thí nghiệm, giảng dạy trong các trường đai học, cao đẳng

5 Cấu trúc luận văn bao gồm:

Mở đầu: Trình bày lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng, phạm vi, giới hạn, phương pháp, nội dung nghiên cứu và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Chương 1: Trình bày tổng quan các vấn đề cần nghiên cứu úng dụng trong và ngoài nước về robot hỗ trợ phẫu thuật nội soi, các cơ sở toán học làm nền tảng cho các nghiên cứu trong luận văn, tổng quan về robot Delta-RCM

Chương 2: Nghiên cứu động học của robot Delta-RCM

Chương 3: Mô phỏng chuyển động mô hình robot Deta-RCM

Chương 4: Thiết kế chế tạo mô hình robot Delta-RCM

Chương 5: Thiết kế mạch điều khiển robot Delta-RCM

Kết luận: tổng hợp lại những kết quả luận văn và hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo

Chương 1- TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong và ngoài nước về robot hỗ trợ phẫu thuật nội soi

1.1.1 Nền Y học thế giới ghi nhận:

sinh thiết u não

được thực hiện thành công tại đại học Imperial College London

hệ thống phẫu thuật robot DaVinci được xem là hiện đại nhất với 4 cánh tay mô phỏng gần như hoàn hảo cánh tay con người

quản và tụy, là 2 loại phẫu thuật khó trong phẫu thuật tiêu hóa, gan mật

- Năm 2008, nhóm nghiên cứu đại học Illinois đã thực hiện cắt gan từ người sống đầu tiên qua hệ thống phẫu thuật robot với kết quả thu nhận rất khả quan

đã điều khiển hệ thống robot để xử lý một bộ phận có kích thươt nhỏ hơn 100 lần của 1

mm trên võng mạc của một bệnh nhân 70 tuổi

1.1.2 Tại Việt Nam

khoa ứng dụng robot đầu tiên trên cả nước

- Các bệnh viện lớn của Việt Nam như Bệnh Viện Bình Dân, Chợ Rẫy… đã thực hiện phẫu thuật nội soi hỗ trợ robot trong năm 2017

1.2 Tổng quan về robot Delta – RCM

1.2.1 Giới thiệu về các loại robot song song 3 bậc kiểu tự Delta

Robot Delta là cơ cấu động học 3 bậc tự do Loại cơ cấu này có ba nhánh với mỗi nhánh, mỗi đầu được nối vào giá cố định bằng khớp tịnh tiến hoạc khớp quay còn đầu kia được nối vào giá di động thông qua cơ cấu hình bình hành Vơi cấu trúc hình học như vậy nên giá di động luôn định hướng và chỉ có thể chuyển động tịnh tiến theo 3 trục XYZ Nó có những đăc tính nổi trội so với các loại robot khác là:

- Khả năng chịu tải lớn

- Các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên trổng trọng lượng của robot cũng nhỏ

- Độ cứng vững cao do kết cấu hình học hợp lý

- Tất cả các tác động đồng thời được phân bố đều cho các chân, đồng thời lực tác động lên các chân của robot đều là lực kéo nén nhờ các cấu trúc của robot

vào cấu trúc song song, các sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục và sai số không bị tích lũy

trong môi trường sản xuất do có khối lượng và kích thướt tương đối nhỏ

- Robot song song có phạm vi hoạt độn rộng, từ việc dung lắp ráp các chi tiết tinh vi cho đến việc tạo các chuyển động phức tạp trong tạo hình, gia công biên dạng phức tạp

CNC có tính năng tương đương

1.2.2 Phân loại robot Delta

Theo như định nghĩa thì robot Delta có thể là bốn dạng : PRPaR, RRPaR, P2S2S, 3-R2S2S

3-a) Kiểu 3- PRPaR

Kiểu này có 3 nhánh và mỗi nhánh gồm có 1 khớp dẫn động tịnh tiến (P), hai khớp bản lề (R) và một khớp hình bình hành

Hình 1: Cấu trúc kiểu 3- PRPaR

Số bậc tự do tương đối của các khớp

trong cơ cấu

Số bậc tự do của cơ cấu

b) Kiểu RRPaR

Kiểu này có 3 nhánh với mỗi nhánh gồm có một khớp dẫn động quay ( R) hai khớp bản lề ( R) và một khớp hình bình hành

Hình 2: Cấu trúc kiểu RRPaR

Số bậc tự do tương đối của các khớp

trong cơ cấu

Số bậc tự do của cơ cấu

c) Kiểu 3- P2S2S

Hình 3: Cấu trúc kiểu 3-P2S2S

Số bậc tự do tương đối của các khớp

trong cơ cấu

Số bậc tự do của cơ cấu

d) Kiểu 3-R2S2S

Kiểu này có ba nhánh và mỗi nhánh gồm có một khớp dẫn động quay , bốn khớp

cầu (S) nối 2 thanh theo dạng hình bình hành

Hình 4: Cấu trúc kiểu 3-R2S2S

Số bậc tự do tương đối của các khớp

trong cơ cấu

Số bậc tự do của cơ cấu

1.2.3 Ứng dụng của robot Delta

a) Ứng dụng trong công nghiệp

cách linh hoạt Vì vậy việc tạo hình bề mặt được thực hiện dễ dàng hơn và yêu cầu về độ chính xác cao hơn

trọng lớn mặc dù kích thước Robot nhỏ

vai trò

Hình 5: Úng dụng robot Delta trong gia công cơ khí

- Kết hợp với kỹ thuật xữ lý ảnh, robot delta được sử dụng phổ biến cho công việc phân loại hàng hóa trên dây chuyền sản xuất Một phiên bản khác là robot NUWAR , được chế tạo tại đại học Western Australia NUWAR được thiết kế có thể đạt gia tốc 600m/s2 robot này khác biệt nhờ sự sắp xếp không đồng phẳng các trục của cơ cấu chấp hành Phiên bản với 3 động cơ tuyến tính cũng được tạo ra trong phòng thí nghiệm tại Ferdinal – von- Steinbeis Schule, ETH Zurich, và đại học Stuttgart

Hình 6: Kết hợp với kỹ thuật sử lý ảnh, robot Delta được dung phổ biến cho công

việc phân loại hàng hóa b) Ứng dụng trong mô phỏng

bay

Hình 7: Cơ cấu song song Stewart mô phỏng thiết bị bay Hãng EScole Nationale d’’Elquitation (Pháp) đã phát triển một thiết bị được đặt tên là Persival dùng để huấn luyện các nài ngựa Sản phẩm này đã được thương mại hóa Viện KAIST (Hàn Quốc) đã phát triển hệ thống thiết bị mô phỏng xe đạp

c) Ứng dụng trong Y học:

Công ty Elekta (Thụy Điển), một công ty chuyen về các thiêt bị y tế đã dùng robot Delta để làm thiết bị nâng giữ kính hiển vi có khối lượng 20kg dùng trong việc giải phẫu

Hình 8: Sản phẩm Suriscope của công ty Thụy Điển đang vận hành

Orthopedic) sử dụng cơ cấu Gough- Sterwart nhằm hỗ trợ cho các bác sĩ một công cụ phẫu thuật xương hiệu suất cao

Hình 9: Robot CRIGOS dùng để phẩu thuật tái tạo xương

Với mục tiêu là triển khai loại robot có vùng làm việc rông, kết cấu đơn giản chính xác dễ điều khiển, dễ thi công kết hợp với cơ cấu cung tròn ứng dụng trong phẫu thuật nội soi nên tôi chọn robot delta 3- PRPaR

1.2.4 Giới thiệu các cơ cấu quay quanh tâm

Trong phẫu thuật MIS, robot MIS phải chèn các dụng cụ của nó vào trong cơ thể bệnh nhân qua một vết rạch nhỏ và thao tác chúng xung quanh điểm cố định này trên cơ thể bệnh nhân Để cải thiện sự an toàn của robot phẫu thuật ít xâm lấn, nhiều trung tâm chuyển động từ xa đã được đưa ra và nó có thể thực hiện những chuyển động cần thiết này Việc di chuyển linh hoạt dụng cụ mổ bên trong bệnh nhân của Robot MIS là quan trọng nhất Cần nghiêng cứu sao cho nó di chuyển được tự nhiên nhất thông qua các khớp xoay và tịnh tiến để đưa các dụng cụ phẩu thuật xoay quanh một điểm nhỏ trong cơ thể bệnh nhân và tránh gây tổn thương lên các bộ phận khác Từ đó cơ cấu trung tâm chuyển động từ xa (RCM) được nghĩ ra Trung tâm chuyển động của cơ chế là điểm mà tại đó có một hoặc nhiều chuyển động nhưng dụng cụ phẩu thuật vẩn quay quanh một lỗ

cố định trên cơ thể bệnh nhân và những chuyển đông này đều được điều khiển từ xa Cơ chế này làm cho khả năng cho robot MIS làm việc với không gian bên ngoài lớn hơn thông qua đó thì dụng cụ bên trong bệnh nhân sẽ được chuyển động linh hoạt hơn trog vùng làm việc Nó đơn giản hóa việc kiểm soát các thao tác và tránh các nguy cơ tiềm

tang cho bác sĩ phẫu thuật và bệnh nhân do bất kỳ vấn đề mất kiểm soát nào gây ra Sau đây sẽ giải thích một số trung tâm từ xa điển hình của các cơ chế chuyển động

a) Cơ cấu hình bình hành:

Cơ chế này được thiết kế dựa trên cấu trúc hình bình hành, có thể dễ dàng điều chỉnh các cơ chế RCM 2-DOF (nghiêng và xoay DOF quay) Hình 4 cho thấy các khái niệm cơ bản của việc tạo ra một RCM thông qua các hình bình hành So sánh với cấu trúc nối tiếp, cơ chế này có độ cứng cao hơn và có phạm vi di chuyển lớn Nhiều hệ thống phẫu thuật được hỗ trợ bằng robot sử dụng thiết kế dựa trên hình bình hành làm cơ chế RCM của chúng Có rất nhiều hệ thống phẩu thuật được hỗ trợ bằng robot sử dụng thiết kế dựa trên cơ cấu hình bình hành làm cơ chế RCM của chúng Ví dụ, da Vinci, LARS, UCB-Ú, Blue DRAGON, những robot RCM này có hai DOF quay với trục trực giao tại điểm RCM Tuy nhiên có một thiết kế khác của cơ chế hình bình hành được sử dụng để tạo ra RCM với hai trục không trực giao bằng hai hình bình hành

Hình 10: Mô phỏng cơ cấu hình bình hành

Hình 11: Davinci RCM mechanism

Hình 12: Ứng dụng cơ cấu RCM hình bình hành trong siêu âm

b) Cơ cấu cung tròn

Cấu trúc đơn giản nhất để tạo ra các cơ chế RCM là sử dụng vòng cung của hình tròn Nó cung cấp một đường tròn như là thanh ray để dụng cụ phẩu thuât trượt trên nó Đây cũng là một loại cơ chế RCM khác với hai mức độ tự do quay được tạo ra bằng cách trượt một khớp nối trên rãnh tròn làm cơ sở và DOF quay khác được tạo ra bằng cách quay theo đường tròn trong khi quay trục của khớp phải đi qua trung tâm của vòng tròn của đường tròn Một bộ xử lý song song RCM mới cho Phẫu thuật Celiac xâm lấn tối thiểu do Đại học Khoa học Kỹ thuật Thượng Hải đề xuất, Thượng Hải 201620, Trung Quốc sử dụng cấu trúc này Hình 13.a cho thấy sử dụng cơ chế vòng cung theo vòng tròn kép để tạo ra RCM 2 –DOF Cơ chế này được kết nối bằng một thanh trượt hoạt động như cánh tay posi-tioning cho hệ thống Hình 13.b là robot UT-NEU được phát triển bởi đại học Tokyo về phẩu thuật thần kinh Một khunng định vị 3-DOF được sử dụng như cánh tay định vị và một vòng cung tròn RCM 2-DOF được sử dụng làm cơ chế RCM Một chuyển động dịch bổ sung cho công cụ phẩu thuật được cung cấp bởi động

cơ được thiết kế trên bộ phận giữ dụng cụ phẩu thuật Có thể thấy rằng các phép quay được tạo tai điểm RCM cho loại cơ chế này được tách riêng và điều khiển độc lập

Hình 13: Mô phỏng cơ cấu cung tròn

c) Cơ cấu hình cầu:

Cơ cấu hình cầu là một cơ chế không gian thực thi tất cả các chuyển động của nó xoay quanh một điểm duy nhất được cố định vĩnh viễn trong không gian Một cơ chế RCM khác được dựa trên các mối liên kết hình cầu xoay quanh tâm của hình cầu và tất

cả các trục của các khớp nối khớp nối tại tâm của hình cầu (Hình 14) Một số nhà nghiên cứu tập trung vào việc phát triển loại cơ chế này để cải thiện chất lượng và giảm thiểu những điểm kì dị Một ví dụ là robot đã được cấp bằng sang chế với liên kết hình cầu 5 thanh cho nội soi 5 thanh được nối với nhau và có trục giao tại một điểm RCM Cơ cấu này tạo vòng quay 3 chiều cho RCM Tuy nhiên, vòng xoay 3-D này được giải quyết bằng liên kết 5 thanh thành 2 đầu vào đơn Hướng quay không thể điều khiển độc lập

Hình 14: Ứng dụng cơ chế hình cầu

Hình 15: Mô phỏng cơ chế hình cầu d) Truyền dẫn bằng đai

Một cách mô phỏng chức năng của hình bình hành là sử dụng truyền đai đồng bộ

Ví dụ 21.a cơ cấu kết hợp của một hình bình hành và một vành đai đồng bộ, thiết kế được hình thành bằng cách truyền tải vành đau sao cho nó có thể giữ được chuyển động song song Hơn nữa, tất cả các hình bình hành của cơ chế RCM dựa trên cơ sở hình chop

có thể được thay thế bằng cách truyền tải vành đai nhưng RCM đặt trước Ví dụ 21.b một robot phẩu thuật “PAKY-RCM” bao gồm một cơ chế RCM 2 DOF Nó sử dụng ổ đĩa vành đai kép, không có liên kết song song, kết hợp các ổ đĩa bánh răng để mô phỏng chức năng của một cơ chế song song kép Một tính năng đặc biệt từ thiết kế này là RCM

có các trục xoay không trực giao, có thể điều chỉnh sao cho modul này có thể tạo điều kiện cho các ứng dụng hiệu quả cuối khác nhau

Hình 16: Ví dụ robot truyền đai e) Cơ cấu chuyển động song song

Điểm RCM được xác định và bị khóa bởi cơ chế động học Đối với các cơ chế RCM được sử dụng các bộ điều khiển song song, điểm RCM đạt được bằng việc kiểm soát đầy đủ bộ truyền động trên các chi tiết của bộ điều khiển Các RCM được phân tích tạo ra thông qua điều khiển thích hợp của các động cơ tuyến tính được thiết kế trên 3 chi của bộ điều khiển Tóm lại cách này sẽ có lợi thế về tính linh hoạt của trục, tăng khả năng cơ động của trục và tính linh hoạt tổng thể

Hình17: Ứng dụng các cơ cấu chuyển động song song trong RCM

Robot Delta - RCM lai được kết hợp robot song song Delta với cơ chế nối tiếp hai liên kết hình cầu Mô hình này có thể được chia thành hai cấu trúc chính, một là Delta robot và một là cơ chế RCM Robot Delta là một cơ chế song song 3-DOF nổi tiếng bao gồm một tấm di chuyển kết nối với thanh cố định qua ba chân Mỗi chân chứa một khớp lăng trụ được kích hoạt bởi các bộ truyền động trong nền cố định Chuyển động được truyền tới tấm di động thông qua các hình bình hành được hình thành bởi các liên kết và các khớp hình cầu

Chương 2- NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT DELTA- RCM

Robot hỗ trợ phẫu thuật nội soi là hệ thống phẫu thuật vận hành từ xa dưới sự điều khiển của các bác sĩ một cách chính xác thông qua cơ cấu và mán hình điều khiển, linh hoạt an toàn mang lại hiệu quả điều trị tốt nhất Robot gồm cánh tay phẫu thuật có thể gắn camera và dụng cụ nội soi phẫu thuật có thể hoạt động tự do trong ổ bụng, thao tác ở những vị trí khó

Để thực hiện động học của cơ cấu tay máy này trên hệ trục tọa độ được cố định vào các khớp nối khác nhau của robot Ta tìm phương trình động học thuận của robot Delta- RCM:

hướng ra ngoài vuông góc với các khớp nối

Gọi:

Tọa độ điểm Fi (i=1,2,3) trong khung Oxyz:

Chúng ta giả sử rằng chiều dài của 6 thanh liên kết của robot Delta là giống nhau Li= NiCi (i=1,2,3) cũng như độ dài các khớp riêng biệt xác định cấu hình của mỗi chân

Phương trình ràng buộc của robot là:

L2= [-R2-(-2r+xO1)]2+ [ √23*R-(- √23*r+yO1)]

2+ [zC3-zO1]2 (7)

Dùng phương pháp hình học ta xác định được 2 điểm B, C

Tọa độ điểm B là:

Gọi r là bán kính điểm B quay quanh tâm A góc β

thuật Tọa độ điểm A là:

� = � = −�� = 0

� = 0