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

PHANăV NăTIÊN ĐẠI HỌCăĐÀăN NG TR ỜNGăĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHANăV NăTIÊN LU NăV NăTHẠCăSĨăKỶ THU TăC ăKHÍ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT DELTA KẾT HỢPăC ă CẤU CHUYỂNăĐỘNG QUANH MỘT TÂM (REMOTE CENTER MOTION) LU NăV NăTHẠCăSĨăK THU T N Mă2018 ĐƠăN ng - N mă2018 ĐẠI HỌCăĐÀăN NG TR ỜNGăĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHANăV NăTIÊN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT DELTA KẾT HỢPăC ă CẤU CHUYỂNăĐỘNG QUANH MỘT TÂM (REMOTE CENTER MOTION) Chuyên ngành: K thu tăC ăkhí Mã số : 8.52.01.03 LU NăV NăTHẠCăSĨăK THU T NG ỜIăH ỚNGăDẪNăKHOAăHỌC TS LÊ HOÀI NAM ĐƠăN ng - N mă2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án kết nghiên cứu riêng tác giả Tất tham khảo từ nghiên cứu liên quan nêu nguồn gốc cách rõ ràng Những kết nghiên cứu đóng góp luận văn chưa cơng bố cơng trình khoa học khác Tác giả luận văn Học viên Phan Văn Tiên LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn: TS Lê Hồi Nam tận tình hướng dẫn tơi thực hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô, Cán bộ, Nhân viên khoa Cơ KhíTrường Đại học Bách Khoa- ĐHĐN nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian học tập nghiên cứu Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến gia đình tơi, người thân chia sẻ khó khăn, ln động viên tơi vượt qua khó khăn để hồn thành tốt luận văn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU Chương 1- TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu, ứng dụng nước robot hỗ trợ phẫu thuật nội soi 1.1.1 Nền Y học giới ghi nhận: 1.1.2 Tại Việt Nam 1.2 Tổng quan robot Delta – RCM 1.2.1 Giới thiệu loại robot song song bậc kiểu tự Delta 1.2.2 Phân loại robot Delta 1.2.3 Ứng dụng robot Delta 10 1.2.4 Giới thiệu 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 MƠ HÌNH ROBOT DELTA-RCM 30 4.1.1 Động 31 4.1.1 Động dẫn động trục ví me 31 4.1.2 Động trục dẫn động cung thứ 31 4.1.3 Động dẫn động cung thứ 32 4.2: Các thành phần khí: 33 4.2.1 Vit me 33 4.2.2 Vòng bi 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 5.2.4 Khối công tắt hành trình giới hạn trục 42 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 CƠNG TRÍNH KHOA HỌC Đà CƠNG BỐ 46 Abstract: Minimally Invasive Surgery (MIS) is the latest trend of surgery which the 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 phương pháp phẩu thuật thông qua lỗ nhỏ người bệnh nhân Phương pháp có nhiều ưu điểm so với phương pháp mổ truyền thống thời gian phục hồi nhanh hơn, vết sẹo mổ nhỏ hơn, đau an tồn Tuy nhiên, phẩu thuật nội soi, hoạt động phẩu thuật thông qua lỗ nhỏ nên bị giới hạn không gian quan sát, dụng cụ phẩu thuật bị giới hạn vùng chuyển động Để khắc phục nhược điểm này, nhiều robot trang bị cấu chuyển động quanh tâm (Remote Center Motion) nghiên cứu Bài báo trình bày mô chuyển động số cấu RCM thường gặp robot hỗ trợ phẩu thuật nội soi trình bày phân tích động học robot Delta – RCM đề xuất nhóm tác giả Từ khóa: Robot delta; Robot song song; Remote Center Motion; Phân tích động học; Phẩu thuật nội soi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1: Cấu trúc kiểu 3- PRPaR Hình 2: Cấu trúc kiểu RRPaR Hình 3: Cấu trúc kiểu 3-P2S2S Hình 4: Cấu trúc kiểu 3-R2S2S Hình 5: Úng dụng robot Delta gia cơng khí 10 Hình 6: Kết hợp với kỹ thuật sử lý ảnh, robot Delta dung phổ biến cho công việc phân loại hàng hóa 11 Hình 7: Cơ cấu song song Stewart mô thiết bị bay 11 Hình 8: Sản phẩm Suriscope cơng ty Thụy Điển vận hành 12 Hình 9: Robot CRIGOS dùng để phẩu thuật tái tạo xương 13 Hình 12: Ứng dụng cấu RCM hình bình hành siêu âm 15 Hình 13: Mơ cấu cung tròn 16 Hình 14: Ứng dụng chế hình cầu 17 Hình 15: Mơ chế hình cầu 18 Hình 16: Ví dụ robot truyền đai 19 Hình17: Ứng dụng cấu chuyển động song song RCM 20 Hình 18: Mơ tả điểm Bo xoay góc β1 đển điểm B1 quanh trục y 23 Hình 19: Tọa độ điểm C 24 Hình 20: Xoay hệ tọa độ x’y’z’ đến hệ tọa độ xyz 25 Hình 21: Mơ kết robot Delta 26 Hình 22: Mơ chuyển động cấu cung trịn RCM 27 Hình 23: Vị trí khớp trục vit me 28 Hình 24: Vị trí tọa độ O1, O2 cung RCM 28 Hình 25: Vận tốc tọa độ O1, O2 cung RCM 29 Hình 26: Mơ hình robot lai Delta- RCM 30 Hình 27: Động bước trục vít me 31 Hình 28: Động bước cung tròn 32 Hình 29: Động bước dẫn động cung tròn 32 Hình 30: Trục vít me 33 Hình 31: Khớp cầu 34 Hình 32: Tấm đế di động 35 Hình 33: Cung RCM 35 Hình 34: Lưu đồ 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 mơ hình 41 Hình 40: Khối cơng 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 sử dụng rộng rãi phổ biến công nghiệp y học điều trị bệnh lý, đặc biệt phẫu thuật ổ bụng Trái với phương pháp phẫu thuật truyền thống, bác sĩ phải tạo vết mổ lớn thể bệnh nhân phẫu thuật nội soi phương pháp phẫu thuật thông qua lỗ nhỏ người bệnh nhân Chính vậy, phương pháp có nhiều ưu điểm so với phương pháp mổ truyền thống là: bệnh nhân máu, thời gian phục hồi nhanh hơn, vết sẹo mổ nhỏ hơn, đau an tồn Tuy nhiên, phương pháp mổ nội soi số hạn chế: - Mọi hoạt động phương pháp phẫu thuật thông qua lỗ nhỏ nên bị giới hạn không gian quan sát - Dụng cụ phẫu thuật bị giới hạn vùng chuyển động Đầu năm 1980, công ty Intuitive Surgical Inc (Sunnyvale, CA) giới thiệu robot hỗ trợ phẫu thuật Da Vinci Năm 2013, Khoa kỹ thuật Cơ khí Kỹ thuật Hàng không, trường Đại học Monash, Melbourne, Úc thiết kế chế tạo thực nghiệm Robot PRAMISS [2] Robot kết hợp tối ưu robot song song bậc tự – Steward Platform cấu song song RPRR (R – khớp quay, P – Khớp tịnh tiến) hỗ trợ phẫu thuật nội soi với độ xác cao [2] Năm 2014, giáo sư trường Đại học Trung văn Hồng Kông nghiên cứu robot bốn bậc tự hỗ trợ phẫu thuật cắt tử cung [3] Hay nhà nghiên cứu trường Đại học Tianjin, Trung Quốc đề xuất cấu khí bậc tự do, có hai bậc tự khớp cổ xoay để hỗ trợ phẫu thuật nội soi [4] Robot Davinci hãng Intuitive Surgica với triệu ca phẩu thuật từ năm 2000 đến Tuy nhiên có nhiều biến chứng sau mổ cụ thể từ 1/2000 đến 8/2012 có hang ngàn cố robot phẫu thuật báo cáo đến FDA Một nghiên cứu trung tâm y khoa Johns Hopkins thực cơng bố tạp chí the Journal for healthcare Quality tháng 8/2013 cho thấy số 248 cố phẩu thuật robot so FDA ghi nhận có 174 ca tổn thương 71 ca tử vong Biến chứng sau phẩu thuật xảy 20% bệnh nhân theo liệu viện Y khoa quốc gia Hoa Kỳ nguyên nhân chủ yếu độ xác cứng vững robot phần bác sĩ phẫu thuật Robot đánh giá chậm cham cồng kềnh Để khắc phục nhược điểm này, nhiều robot trang bị cấu chuyển động quanh tâm RCM (viết tắt Remote Center of Motion) nghiên cứu Loại robot có nhiều ưu điểm độ cứng vũng cao, có khơng gian làm việc bị hạn chế xuất hiên điểm kỳ dị làm cho robot thừa thiếu 42 5.2.4 Khối cơng tắt hành trình giới hạn trục Hình 40: Khối cơng tắt hành trình giới hạn trục 43 5.2.5 Giao diện giao tiếp vơi máy tính Hình 41: Giao diện giao tiếp với máy tính 44 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Quá trình thực đề tài đạt kết định: - Đề xuất them phương án vào ứng dụng robot vào hỗ trợ phẫu thuật nội soi với độ cứng vững, làm việc xác - Xây dựng mơ mơ hình, kích thước cụ thể robot Delta- RCM - Xây dựng chương trình điều khiển với giao diện đơn giản Tuy nhiên cịn có nhiều nhược điểm: - Chưa giải tốn đơng lực học robot - Chế tạo khí chưa xác nên vấn đề điều khiển khó, khơng đạt mong muốn - Mơ hình chuyển động theo chuyển động đơn giản Hướng phát triển thêm đề tài.: - Phát triển thêm khớp cung trịn làm thành vịng kín nhằm hạn chế điểm kỳ dị mà loại robot phẩu thuật mắc phải 45 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 1] Jaydeep H Palep, Robotic assisted minimally invasive surgery, Journal of Minimal Access Surgery, 2009 [2] Mohsen Moradi Dalvand, Bijan Shirinzadeh, Motion control analysis of a parallel robot assisted minimally invasive surgery/microsurgery system (PRAMiSS), Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Volume 29, Issue 2, April 2013, Pages 318327 [3] Hiu Man Yip, Peng Li, David Navarro-Alarcon, Yun-hui Liu, Towards developing a robot assistant for uterus positioning during hysterectomy: system design and experiments, Robotics and Biomimetics, Dec 2014 [4] Jianmin Li, Yuan Xing, Ke Liang, Shuxin Wang, Kinematic Design of a Novel Spatial Remote Center-of-Motion Mechanism for Minimally Invasive Surgical Robot, Journal of Medical Devices, Volume 9, Issue [5] ĐHĐN Robot Công Nghiệp- TS Phạm Đăng Phước [6]Robot Công Nghiệp- GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc 46 DANH MỤC CÔNG TRÍNH KHOA HỌC Đà CƠNG BỐ P.V Tien, N.P Sinh, L.H Nam, “Phân tích động học robot Delta- RCM hỗ trợ phẫu thuật nội soi”, Hội thảo khoa học quốc gia lần thứ ứng dụng công nghệ cơng trình xanh, 16 -17 / 11/ 2017, Đà Nẵng, Việt Nam (Giải nhất) Sinh N.P., Tien P.V "Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ nhận dạng giọng nói điều khiển tay máy”, Tạp chí khoa học- Đại học Tây Bắc, ISSN 2354- 1091, 2016 Sinh N.P., Man P.M., Tien P.V., " Nghiên cứu ứng dụng robot song song Delta công nghệ in 3D", Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc Đà Nẵng, 03-05/08/2015 ... bậc kiểu tự Delta 1.2.2 Phân loại robot Delta 1.2.3 Ứng dụng robot Delta 10 1.2.4 Giới thiệu cấu quay quanh tâm 13 Chương 2- NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT DELTA- RCM... lớn: R170 Góc tâm cung: 45o Góc tâm hợp đầu tâm cung: 90o Chương 5- THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT DELTA- RCM 5.1 Hệ thống điều khiển robot Delta- RCM: Hệ thống điều khiển robot Delta- RCM bao... động song song RCM Robot Delta - RCM lai kết hợp robot song song Delta với chế nối tiếp hai liên kết hình cầu Mơ hình chia thành hai cấu trúc chính, Delta robot chế RCM Robot Delta chế song song