РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА РОБОТО-МЕДИЦИНСКОГО КОМПЛЕКСА С ЛАЗЕРНЫМ ХИРУРГИЧЕСКИМ ИНСТРУМЕНТОМ НА ОСНОВЕ МЕХАНИЗМА С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КИНЕМАТИКОЙ

АННОТАЦИЯ

Цель этой работы разработать робота с применением параллельной кинематики, которой может обеспечить точное позиционирование лазера, для проведения различных операций, для обеспечения лучшего качества по сравнению с мануальным управлением лазера.

Ключевые слова: робототехника, мехатроника, лазер, медицина.

Все чаще в медицине начинают применятся роботы. Изначально это были только сервисные роботы. Прогресс не стоит на месте, роботы становятся точнее и быстрее [1], им начинают доверять все более ответственные задачи, включая хирургические операции. Сейчас для проведения операций в основном применяют роботов с кинематикой PUMA. Данный тип кинематики является последовательным. Её недостаток в том, что с каждым звеном накапливается ошибка, которую иногда сложно контролировать и, следовательно, компенсировать.

Параллельная кинематика устроена иначе, и ошибка позиционирования там не накапливается. Роботы, построенные с применением параллельной кинематики, обладают повышенной жесткостью.  Из недостатков: меньшая рабочая зона и сервисный угол. Первое незначительно так как операция проводится в определенном месте, особенно при малоинвазивном вмешательстве, а второе избыточно, так как хороший сервисный угол необходим не всему роботу целиком. Недостающий сервисный угол можно компенсировать собственными степенями подвижности у рабочего органа.

Робот состоит из неподвижного основания и малой подвижной платформы (эффектора), которая перемещается с помощью системы рычагов, состоящей из трех одинаковых пар звеньев. Первое звено (плечо) представляет собой балку, перемещающейся в одной плоскости. Предплечье представлено двумя стержнями, которые с помощью шаровых шарниров крепятся к эффектору и предыдущему звену.

Решение обратной задачи кинематики сводится к созданию функции нахождения угла θ для одного плеча, к примеру, в плоскости YZ. Решение для первого плеча представлено на рисунке 1. В эту функцию передаются координаты, которые необходимо достичь роботу, на выходе функции значение искомого угла. Для получения двух других углов плеч робота в функцию подставляются те же конечные координаты, транслированные в новую систему координат, повернутую на 120 градусов для второго привода и -120 градусов – для третьего.

Рисунок 1. Решение обратной задачи кинематики

Цель прямой задачи кинематики найти положение эффектора при известных углах плеч робота. Плечо перемещается в плоскости, так как соединено с валом привода. Предплечье присоединено к плечу посредством шарового шарнира, поэтому может вращаться в любом направлении относительно точки крепления, описывая сферу. Решение сводится к нахождению точки пересечения трёх сфер путем решения системы уравнений, описывающих эти сферы (рисунок 2). Координаты центров сфер известны, так как известно положение плеча в пространстве и его конечной точки.

Рисунок 2. Решение прямой задачи кинематики

Система управления представлена 32-битной платой MKS Sbase. Траектория движения робота задается на языке G-код, который интерпретируется на плате управления.

Список литературы:

1. Yu-Tung Wong, Charles C. Finley, Joseph F. Giallo, Robert A. Buckmire
   
   Novel CO2 laser robotic controller outperforms experienced laser operators in tasks of accuracy and performance repeatability // Laryngoscope. 2011 Aug;121(8):1738-42. doi: 10.1002/lary.21853.
2. Zsombor-Murray, Paul Descriptive Geometric Kinematic Analysis of Clavel’s “Delta” Robot / Paul Zsombor-Murray // . – 2004. – С.
3. Trossen Robotics Community [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://forums.trossenrobotics.com/tutorials/introduction-129/delta-robot-kinematics-3276/?page=1. – Дата доступа: 25.09.20.