Hardware interface for a 3-DOF surgical robot arm and a 6-DOF end effector

Abstract

Robotik cerrrahi, otomatik ve hassas elektro-mekanik cihazlar kullanarak yu-muşak dokulara en az zararla çalışmayı ve en az operatör müdahalesini amaçlar. Buprojede ortopedik cerrahi müdahalelerde kullanılmak üzere bir cerrahi robotun do-nanım gereksinimleri bir robot sistemine entegre edilmiştir. Bu amaçla ortopedik cer-rahi için özel tasarlanan bir uç efektörü konumlandırmak ve kontrol etmek üzere varolan bir robot kolu üzerinde değişiklikler yapılmıştır.Bu çalışmada robot koluna ve uç efektöre ait elektronik kontrol sistemi tasar-landı. Bununla birlikte uç efektör motorlarını sürmek için yeni bir donanım kartıda hazırlandı. Her iki sistemin kontrolü hem donanımsal hem de yazılımsal olarakgerçekleştirildi.Seri robotları kontrol etmek çok kolay olsa da, cerrahide hareketli uygulamalardahassas konumlama gereksinimi artmaktadır. Bu gereksinimi karşılamak üzere seri yapı-daki robot koluna paralel yapıda bir uç efektör eklendi. Seri yapıdaki robot uç efektörücerrahi bölgede sabit bir posizyonda tutmakla sorumluyken, uç efektör operasyon böl-gesinde sürekli değişen kuvvetlerle cerrahi aleti istenen pozisyonda tutmakla sorumluolacaktır. Hassasiyeti artırmak için paralel yapıdaki `stewart platformu` seçilmi³tir.Böylelikle bahsedilen sistem paralel ve seri iki sistemi içermektedir; stewart plat-fromu 6 serbest dereceli uç efektör paralel sistemi, uç efektörü taşıyacak robot koluda 3 serbest dereceli seri sistemi oluşturur.

Robotic surgery aims minimum soft tissue damage and minimum operator in-tervention by employing automated, precise electro mechanical devices. In this projectthe hardware components of a surgical robot are integrated for orthopedic surgery.For this purpose an existing robot arm prototype is modied to operate a surgicalend-effector that is designed specically for orthopedic surgery.The electronic control system for both the arm and the end-effector are designedin this study. In addition motor drive circuits of the end-effector were designed. Controlinterface of both units, the arm and the end-effector were implemented in hardwareand also in software.While serially articulated robot arms are easy to handle, precision requirementsof dynamically active robots in surgery are very demanding. To overcome the problemwe integrated a serial robot arm with a parallel end-effector. The serial arm is responsi-ble for handling the end-effector on the surgical site at a relatively static position. Theend-effector on the other hand, applying a dynamically changing force while movingthe surgical tool on the operation area. Parallel stewart platform is preferred for theend-effector design to increase the accuracy.Therefore the design includes two system structures; a stewart platform 6-DOFas the end effector, and a 3-DOF serial robot arm to hold the end effector.