Nghiên cứu chế tạo mô hình robot mềm điều khiển bằng khí nén dùng trong phẫu thuật nội soi

I H C QU C GIA TP HCM TR NG I H C BÁCH KHOA NG HOÀNG MINH KHOA NGHIÊN C U CH T O MƠ HÌNH ROBOT M M I U KHI N B NG KHÍ NÉN DÙNG TRONG PH U THU T N I SOI Chuyênăngành:ăK ăThu tăC ăKhí Mã ngành: 8520103 LU NăV NăTH CăS TP H CHÍ MINH, tháng n mă2022 Cơngătrìnhăđ Cán b h c hoàn thành t i: Tr ng d n khoa h c: TS H ng i h c Bách Khoa - HQG-HCM TRI T H NG Cán b ch m nh n xét 1: PGS TS L U THANH TỐNG Cán b ch m nh n xét 2: PGS TS LÊ THANH DANH Lu năv năth căs ăđ c b o v t iăTr ngă i h c Bách Khoa, HQG Tp HCM ngày 02 tháng 07 n mă2022 Thành ph n H iăđ ngăđánhăgiáălu năv năth c s g m: - Ch t ch h iăđ ng: PGS TS BÙI TR NG HI U - Th ăkỦ: TS BÀNH QU C NGUYÊN - Ph n bi n 1: PGS TS L U THANH TÙNG - Ph n bi n 2: PGS TS LÊ THANH DANH - y viên: PGS TS LÊ TH TRUY N Xác nh n c a Ch t ch H iăđ ngăđánhăgiáăLVăvàăTr ngành sau lu năv năđưăđ CH T CH H I NG ng Khoa qu n lý chuyên c s a ch a (n u có) TR NG KHOA C KHệ TR I H C QU C GIA TP.HCM C NG HÒA Xà H I CH NGH A VI T NAM NG I H C BÁCH KHOA c L p ậ T Do ậ H nh Phúc - NHI M V LU N V N TH C S H tên h căviên:ă I ng Hoàng Minh Khoa MSHV: 1970607 Ngày sinh: 30/09/1995 N iăsinh:ăTp.ăHCM Chuyên ngành: K Thu tăC ăKhíă Mã ngành: 8520103 TểN TÀI Ti ng vi t: Nghiên c u ch t o mơ hình robot m măđi u n b ng khí nén dùng ph u thu t n i soi Ti ng anh: Research and fabricate pneumatic controlled soft robot model for endoscopic surgery II NHI M V VÀ N I DUNG: Nghiên c u t ng quan th c tr ng c a robot m m Nghiên c uăc ăs lý thuy t c a robot m m,ămơăhìnhăđ ng h căvàăđi u n khíănén.ăTínhătốnăcácăc ăs đ ng h c Thi t k m u th c nghi m thi t k th c nghi m Th c hi n th c nghi m D đốnămơăhìnhău năvàăđánhăgiáăk t qu th c nghi m III NGÀY GIAO NHI M V : 14/02/2022 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 13/06/2022 V CÁN B H NG D N: TS H TRI TăH NG TP.HCM,ăngày….ătháng….ăăn mă2022 CÁN B H NG D N CH NHI M B TR NG KHOA C i KHệ MÔN L IC M Tr N c tiên xin g i l i c mă năchânăthànhăđ n TS H Tri t H ng PGS TS Lê Th Truy n,ăng iăđưăt nătâmăh ng d n t oăđ ng l c cho su t q trình hồn thành lu năv n.ă C mă năcácăth y b mơnăKhoaăC ăKhíăđưănhi tătìnhăh ng d n su t trình h c t p nghiên c u M cădùăđưăc g ng r t nhi uănh ngăkhơngăth tránhăđ đ c thi u sót r t mong c s góp ý t th yăcơăvàăđ ng nghi p TP.HCM,ăngày….ăTháng….ăn mă2022 H c viên th c hi n ng Hoàng Minh Khoa ii TịM T T LU N V N TH C S Có m tăxuăh ngăđangăn iălênăđ i v i robot m m kh n ngăthaoătácăm r ng c a so v i liên k t robot c ng truy n th ng, cho th y h a h n v m t kh n ngă ng d ngăvàoăcácăl nhăv c m i Ngày nay, soft robot lo iăc ăc u ch p hành m i ngày càngăđ c s d ng r ngărưiătrongăcácăl nhăv c y h cănh ătrongăph u thu t ho c n i soi Tuy nhiên, v năđ u n robot m m nhi u thách th c doăkhóăkh năv v năđ mơ hình hóa Lu năv nănàyăt p trung trình bày m t nghiên c u v u n áp su t t i bu ng làm vi c c aăc ăc u m m v n hành b ng khí nén Các h th ng rơ b t m măđ c kích ho t b ngăkhíănénăđangăthuăhútăs chúăỦăđángăk doăcácăđ c tính n i t iăđ y h a h n c aăchúng.ă i v i lo iăc ăc u này, áp su t khí nén s quy t đ nhăđ n v tríăđ u cu i c aăc ăc u ch p hành Do v y, áp su t khí nén ph iăđ căđi u năđ đ m b oăđ xác v v trí c aăđ u cu i c aăc ăc u Trong lu năv nănày, ph disturbancesăđ ngăphápăđi u n áp su t khí nén thơng qua active reject c s d ngăđ lo i b s giãn n c a bu ngăkhíănénătrongăc ăc u ch p hành m m S so sánh gi a k t qu mô ph ng th c nghi m cho th y ti m n ngăc aăph ngăpháp u n iii ABSTRACT There is an emerging trend for working soft robotics that extends its impact compared to interconnected robotic hard communication systems, showing promise for a possible application into new areas Today, soft robots are a new type of acceptor that is increasingly widely used in medical fields such as algorithms or endoscopy However, the problems of software robot control also have many formulas that make modeling problems difficult This text is a The exhibition focuses on presenting a study of the control pressure at the operating jobs of the pneumatically operated mechanism Pneumatically actuated system robots are attracting significant attention in our specials For these types of devices, pressurized air compression will be determined up to the end of the position of the action acceptor Therefore, pressurized air compression must be controlled to ensure the correct position of the head of the mechanism Arbitrating this text, the method of pressurizing the compressed air through the rejection oscillations is used to eliminate the expansion of the compressed air in the acceptor The comparison between the simulation results and the experimental for the function of this method control iv L I CAM OAN C A TÁC GI Tôiăxinăcamăđoanăđ tàiă“NGHIÊN C U CH T O MƠ HÌNH ROBOT M M I U KHI N B NG KHÍ NÉN DÙNG TRONG PH U THU T N I SOI”ălàăcơngătrìnhănghiênăc u c a tơi Các k t qu lu năv năch aăt ng công b b t k t păchíăc ngănh ătàiăli u Các s li uăđoăđ c nh ng thi t b đ ki măđ nh rõ ràng t phịng thí nghi m uy tín Các tài li u tham kh oăđ c c trích d n rõ ràng Tơi xin ch u hoàn toàn trách nhi m n u nh ngăđi u sai s th t TP.HCM,ăngày….ătháng….ăn mă2022 H c viên th c hi n ng Hoàng Minh Khoa v M CL C NHI M V LU N V N TH C S i L I C M N ii TÓM T T LU N V N TH C S iii ABSTRACT iv L I CAM OAN C A TÁC GI v M C L C vi DANH M C HÌNH NH viii DANH M C B NG BI U ix CH NG 1: T NG QUAN V ROBOT M M 1.1 T ng quan v robot m m 1.2 Phân lo iătrongăl nhăv c y t 1.3 ng d ng 1.4 Tính c p thi t c aăđ tài CH NG 2: XU T C C U M M VĨ C S LÝ THUY T 11 2.1 xu tăc ăc u m m 11 2.2 C ăs lý thuy t 12 2.2.1 Lý thuy tăđ ng h c c aăcungăcongăkhôngăđ i theo t ngăđo n 12 2.2.2 Mơăhìnhăđ ng h c thu n 14 2.2.3 Mơăhìnhăđ ng h căng c 22 2.3 H th ngăkhíănénăvàăđi u năc ăc u m m 22 2.3.1 Mơ hình bu ng khí 24 2.3.2 Mơ hình van khí nén 26 2.3.3 Mơăhìnhăvịngăđi u n áp su t b ng ADRC 26 2.3.4 B u n v trí 34 CH NG 3: THI T K VÀ CH T O MƠ HÌNH TH C NGHI M 36 3.1 Thi t k m u th c nghi m 36 3.2 Thi t k khuônăđúc 38 3.3 V t li u s d ng 41 3.4 Quáătrìnhăđúcăm u 42 3.4.1 In 3D l p khuôn 42 3.4.2 Tr năvàăđ khuôn silicone 44 3.4.3 Ki m tra m uăsauăkhiăđúc 45 3.4.4 K t lu n trình thi t k ch t o mơ hình th c nghi m 46 CH NG 4: MỌ HỊNH HịA VĨ I U KHI N C C U M M 50 4.1 Mơăhìnhăhóaăc ăc u m m 31 4.1.1 Nh n d ng h th ng 50 4.1.2 M u th c nghi m 50 4.1.3 Thi t b th c nghi m 52 4.1.4 Ph n m m h tr 53 4.1.5 Ph ngăánăđoăki m 54 4.1.6 Th c nghi m 55 4.1.7 K t qu th c nghi m 58 4.2 Nh n d ng h th ngăc ăc u m m 60 vi 4.3 K t qu mô ph ngăđi u n 67 4.3.1 Các thơng s c a mơ hình 67 4.3.2 K t qu mô ph ng 68 CH NG 5: K T LU N 70 TÀI LI U THAM KH O 71 vii DANH M C HÌNH NH Hình - Bi u di năđ h a c a nh ngăng iăđi u n robot cho th y m i quan h d a trênăkíchăth c Nh ngăng i thao tác trên thang mét góc d i bên ph i thang nano mét [31] Hình - S ti n b c a m t s nhóm nghiên c u vi c s d ng robot m m th thu t ph u thu t n i soi [31] Hình - đ xu tăc ăc u ch p hành 11 Hình - Ba khơng gian làm vi c ánh x gi aăchúngăxácăđ nhăđ ng h c robot liên t c 13 Hình ậ thơng s hình h c c a cung u n 14 Hình - Các tr c D-Hăđ c s d ngăđ xây d ng m tăđ ng tr c liên k t c ng cho m t robot liên t c 16 Hình - a) Hình minh h a ph năcungătrongăđóăcácăthơngăs cungăkhácănhauăđ căxácăđ nh; b)ăS ăđ ph năđáyănhìnăt cao 18 Hình - mơ ph ng q trình u n c a robot m m a) nhi u góc u n t i m t v trí góc xoay; b) góc u n t iăđaăk t h p v i nhi u góc xoay khác 20 Hình - mơ ph ng góc u nă ăkhácănhauătrongăkhơngăgiană2Dăc aăc ăc u truy năđ ng m m; a) Góc U nă ăb ng 450, Góc Xoay b ng 900; b) Góc U nă ăb ng 00, Góc Xoay b ng 900; c) Góc U nă ăb ng 900, Góc Xoay b ng 900 21 Hình 10 - mơ ph ng góc u nă ăkhácănhauătrongăkhôngăgiană3Dăc aăc ăc u truy năđ ng m m; a) Góc U nă ăb ng 00, Góc Xoay b ng 900; b) Góc U nă ăb ng 450, Góc Xoay b ng 900; c) Góc U nă ăb ng 900, Góc Xoay b ng 900 21 Hình 11 - S ăđ khíănénăđi u năc ăc u ch p hành m m 23 Hình 12 - S ăđ ăđi uăkhi năápăsu tăkhíănén 30 Hình 13 - B u n chuy n v c ăc u ch p hành m m 34 Hình 14 - Các b ph n m uăđúc.ăHìnhă14a:ăhìnhăt ng th m uăđúcăv i b ph n chính; Hình 14b: m t ngang v tăđúc 36 Hình 15 - Mơ hình m uăđúcăthi t k v i Solidworks 2019 Hình 15a: mơ hình d ng 3D; Hình 15b: mơ hình d ng wireframe 37 Hình 16 - ụăt ngăkhnăđ u tiên, khn ngang 38 Hình 17 - M t c t ngang c a khuôn ngang 38 Hình 18 ậ ụăt ng khn th hai,ăkhuônăđ ng 39 Hình 19 - Thi t k khnăđúcăhồnăch nhăvàăđ cădùngăđ đúcăv t m u th c nghi m 40 Hình 20 - Silicone DragonăSkină30ăđ cădùngăđ đúcăm uăđ u tiên 42 Hình 21 - Hình th c t khn sau in 3D l p ráp Hình 21a:M u khn thi t k 3D Hình 21b: b khn gia cơng th c t 43 Hình 22 ậ Lõi khn v i chi u dài l năvàăđ ng kính nh n cho vi c gia cơng b ng ph ngăphápăină3Dăkhơngăchínhăxác.ăHìnhă22a:ăcácăkíchăth căđ ng tâm kích th cătrịnăkhơngăđ m b o; Hình 22b: v tríăt ngăđ i c a b n lõi lịng khnăc ngăkhơngăchínhăxácădoăină3Dăcóăđ xác th p 43 Hình 23 - Silicone Dragon Skin 30 sau tr n hai ph n A B theo t l 1:1 Ti n hành tr năđ uătrongă10ăphútăđ đ c h n h păđ ng nh t 44 Hình 24 - Sau tr n, silicone c năđ c ngh kho ngă5ăphútăđ thoát khí b gi l i q trình tr n 44 Hình 25 - ti năhànhăđ silicone vào khuôn 45 Hình 26 - ki m tra ngo i quan v t m u th c nghi măsauăkhiăđúc 45 Hình 27 - ki m tra kh n ngăbi n d ng c a m u th c nghi măđ u tiên Kh n ngăbi n d ng th p 0.4MPa (m c áp su t t iăđaăc a ngu n khí nén hi n t i) 46 viii CBHD: TS H Tri tăH ng Áp su t khoang khí (MPa) 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 S dịng Giá tr trung tính trung bình góc u n bình (deg) 4 3.71875 7.765 11.18575 17.036 22.74975 28.9275 38.34375 45.8925 53.1495 66.10075 Giá trình trung bình chi u dài cung u n (mm) 62 62.83926488 63.43296158 64.95811162 65.85096762 66.96989802 68.40413978 70.03626414 72.05209141 73.6836044 76.5357086 B ng - Giá tr trung bình c a góc u n chi u dài cung u n ng t i t ng m c áp su t 4.2 Nh n d ng h th ng c c u m m V i giá tr áp su tăcóăđ c t th c nghi m B ng 5, ta v đ c bi uăđ v s thayăđ i c a góc u n chi u dài cung u n theo t ng m c áp su t,ăc ngănh ă đ chênh l ch c aăcácăh đ i c a Góc U n ng u n m c áp su t Hình 49 th hi n s thay (deg) v i t ng m c áp su t t 0ăMPaăđ n 0.24 MPa, góc u n t ngăd n t giá tr góc u năbanăđ uălàă0ăđ đ n t iăđaălàă74.12ăđ ,ăt h ng u n ph i Giá tr góc u n c căđ iătrungăbìnhălàă66.10ăđ MPa,ătuyănhiênăh m c áp su t 0.24 ng u n trái ch đ tă50.47ăđ , d năđ n vi căt ngăđ l ch chu n gi m giá tr trung bình HVTH: ngă ng v i m c áp su tă0.24ăMPaăđ i v i c b năh ng Hoàng Minh Khoa - 1970607 ng u n 60 CBHD: TS H Tri tăH ng D li u thơ góc u n theo h ng 80 70 gócău nă(deg) 60 50 40 30 20 10 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 Ápăsu tăkhoangăkhíă(MPa) u nălên u năph i u nătrái Hình 49 - Bi u đ th hi n s thay đ i c a Góc U n đ l ch chu n gi a h H ng u nătráiă(đ h năsoăv iăbaăh đ u năxu ng i m c áp su t (MPa) th hi n ng u n c ký hi uămàuăxámătrongăđ th ) t ng th có góc u n th p ng u n cịn l i t m c áp su t 0.08 MPa tr đi.ă i u có th c lý gi iădoăqătrìnhăgiaăcơngăkhnăđúcăm u th c nghi măch aăđ d năđ n v tríăt Th c t đ ngăđ i ho căkíchăth c th hi n c hồn h o, c c aăkhoangăkhíăkhơngăđúngăv i thi t k Hình 48g, Hình 48h Hình 48k, v i m c áp su t cao đưăxu t hi n tình tr ngăxìăkhíăvàăc ăc u b đ không gi đ c, tác gi ph i dùng tay đ c đ nh dâyăkhíănén.ăNh ngănhìnăchungăv tính tốn giá tr trung bình ho c đ c l p gi aăcácăh ng u n v n m c cho phép ch p nh năđ D aăvàoăđ th c Hình 49,ăc ngănh ăk t qu tính tốn Hình 50, ta có th th y v i m c áp su t t 0ăMPaăđ n 0.06 MPa, góc u n có giá tr r t nh , nh h nă5ă đ (v i m c áp su t 0.06 MPa, Góc U nătrungăbìnhălàă3.71ăđ ), ho c có th nói cách khác m u th c nghi măcóăbiênăđ bi n d ng r t th p v i m c áp su t banăđ u c n ph i l năh năbi n d ngăđànăh i bên m u th c nghi m Sau áp su tăkhíănénăđ l năđ th ngăđ đángăk v i m i m c áp su t HVTH: c bi n d ngăđànăh i, m u th c nghi m bi n d ng m iăh ng Hoàng Minh Khoa - 1970607 ng u n.ăSauăkhiăv tăquaăđ t gi i h n 61 CBHD: TS H Tri tăH ng bi n d ngăđànăh i, v i m c áp su t t 0.10ăMPaăđ n 0.24 MPa, Góc U n Áp Su tăthayăđ i g nănh ălàătuy n tính Hình 50 - Tóm t t tính tốn quy ho ch th c nghi m cho Góc U n T v i t ng m c áp su t ngăt v i Góc U n , chi u dài Cung U n đ c tính b ng cơng th c (55) c ngăcóăk t qu trùng kh p v i Góc U n V i giá tr áp su tăcóăđ t th c nghi m B ng 5, ta v đ c c bi uăđ v s thayăđ i c a chi u dài cung u n theo t ng m c áp su t,ăc ngănh ăđ chênh l ch c aăcácăh ng u n m c áp su t Hình 51 th hi n s thayăđ i c a chi u dài Cung U n v i t ng m c áp su t t 0ăMPaăđ n 0.24 MPa, chi u dài Cung U n t ngăd n t giá tr chi u dài banăđ uălàă62mmăđ n t iăđaălàă78.67mm,ăt U n c căđ i trung bình 76.56mm ngă ng v iăh ng u n lên Giá tr Cung m c áp su tă0.24ăMPa,ătuyănhiênăh ng u n trái ch đ t 73.04mm, d năđ n vi căt ngăđ l ch chu n gi m giá tr trung bình m c áp su tă0.24ăMPaăđ i v i c b năh ng u n.ăH chi u dài cung u n th p nh tăđ i v i b năh HVTH: ng Hoàng Minh Khoa - 1970607 ng u nătráiăc ngăchoăk t qu ng u n 62 CBHD: TS H Tri tăH ng D li u thô chi u dƠi cung u n theo h ng 80 Chi uădàiăcungău nă(mm) 78 76 74 72 70 68 66 64 62 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 Ápăsu tăkhoangăkhíă(MPa) u nălên u năxu ng u nătrái u năph i Hình 51 - Bi u đ th hi n s thay đ i c a Chi u dài cung u n l (mm) v i m c áp su t (MPa) th hi n đ l ch chu n gi a h ng u n D aăvàoăđ th Hình 51,ăc ngănh ăk t qu tính tốn Hình 52, ta có th th y v i m c áp su t t 0ăMPaăđ n 0.06 MPa, chi u dài cung u n giá tr thayăđ i r t nh so v i chi uădàiăbanăđ u, nh h nă1mmă(v i m c áp su t 0.1 MPa, chi u dài cung u n trung bình 62.84mm) V i m c áp su t t 0.1ăMPaăđ n 0.24 MPa, chi u dài Cung U n Áp Su tăthayăđ i g nănh ălàătuy n tính Hình 52 - Tóm t t tính tốn quy ho ch th c nghi m cho chi u dài cung u n l v i t ng m c áp su t Ph ng trình h i quy c a Góc U n v i Áp Su t: HVTH: ng Hoàng Minh Khoa - 1970607 63 CBHD: TS H Tri tăH ng D a vào B ng 6, ta v đ căđ th nh ăHình 53 th hi n m i quan h Áp Su t Góc U n Trung Bình chi u dài cung u n Trung Bình T Hình 53 c ngănh ă nh n xét ph n trên, tác gi nh n th y r ngăđ i v i m c áp su t t 0ăMPaăđ n 0.06 MPa, bi n d ng h uănh ălàăr t nh , d năđ n Góc U n chi u dài Cung U n G à Giáătr ătrungăbìnhăgócău nă(deg) 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 à (mm) à 78 76 à 74 72 70 68 66 64 giáătr ăgócău nătrungăbìnhă(deg) c ngăcóăgiáătr r t nh 62 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 Ápăsu tăkhoangăkhíă(MPa) Á à à MP Hình 53 – bi u đ th hi n m i quan h c a Áp Su t v i giá tr trung bình c a góc u n dài cung u n l T đóătaăcóăth tínhăđ căph chi u ngătrìnhăh i quy c a góc u n, chi u dài cung u n v i áp su t khí nén Ph ng trình h i quy c a Góc U n v i Áp Su t: HVTH: ng Hoàng Minh Khoa - 1970607 64 CBHD: TS H Tri tăH ng Ph ng trình h i quy c a Góc U n v i Áp Su t 70 Y1 = 1111.2X2 + 5.6322X R² = 0.9985 65 Giáătr ăgócău nătrungăbìnhă(deg) 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 Ápăsu tăkhoangăkhíă(MPa) Hình 54 - Ph V i Y1 X l năl ph ng trình h i quy b c c a Góc U n Áp Su t t giá tr mã hóa c a Góc U n Trung Bình Áp Su t, ta có ngătrìnhăh i quy b c hai d ngămưăhóaănh ăsau: Y1 = 1111.2*X2 + 5.6322*X+ (56) RSquare RSquare Adj Root Mean Square Error Mean of Response Observations (or Sum Wgts) B ng - b ng tính tốn R2 c a ph Ph (deg) 0.998544 0.998179 0.926007 26.8063 11 ng trình h i quy (56) ngătrìnhăh i quy (56) có d ng b c hai, v i h s t doăđiăquaăđi mă0ăđ 0ăMPa,ăt ngă ng v i th c t m c áp su t MPa, m u th c nghi m không bi n d ng HVTH: ng Hoàng Minh Khoa - 1970607 65 CBHD: TS H Tri tăH ng V i giá tr R2 c aăph ngătrìnhă(56) làă0.9985,ăđápă ngăđ căđi u ki n c aăđ ,ăc ngănh ăd a vào k t qu P-value c a B ng 8,ăph tính c y ngătrìnhăh i quy b căhaiălàăđángătinăc y phù h p v i giá tr th c nghi m Term Intercept X X^2 Estimate Std Error t Ratio Constrained 0 5.6322484 7.21558 0.78 1111.2121 37.1922 29.88 B ng - B ng tóm t t Ph c tính tham s c a ph ng trình h i quy (56) Prob>|t|