Medikal amaçlı haptik güdümlü empedans kuvvet kontrollü stewart platformunun geliştirilmesi ve kontrolü

Abstract

Bu tez kapsamında, robotik cerrahi alanında kullanılmak üzere 6 serbestlik dereceli haptik ve fare güdümlü, kuvvet-konum kontrollü Stewart Platformu (SP) geliştirilmiştir.Geliştirilen SP'nin ileri ve ters kinematiği, dinamik modeli ve Jakobiyen matrisi elde edilmiştir. Bu modellerin bilgisayar benzetimleri ve deneysel testleri yapılarak doğrulanmıştır. SP'nin konum ve yörünge kontrolü için gerekli denetim yapısı geliştirilerek çeşitli deneylerle desteklenmiştir. SP, basamak ve noktadan-noktaya yörünge girişlerine izin veren kullanıcı arayüzü, 6 serbestlik dereceli fare ve haptik aygıtı aracılığıyla yönlendirilebilmektedir. SP'nin konum ve yörünge kontrolü PID, akıllı PID ve kayma kipli denetim yöntemleri kullanılarak eklem uzayında gerçekleştirilmiştir. SP'nin denetim yapısı Simulink ortamında tasarlanarak gerçek zamanlı DSPACE DS1103 denetleyicisi ile kontrol edilmiştir. Deneysel sonuçlar incelendiğinde SP'nin 0.5 ?m hassasiyete kadar konum kontrolünün sağlandığı görülmüştür. Ayrıca, yörünge takibinde akıllı PID denetleyicisinin diğerlerine göre daha iyi cevap verdiği görülmüştür.SP'nin Kartezyen uzayında üç eksen kuvvet ve etkileşim kontrolü için yeni, basit ve efektif bir yöntem sunulmaktadır. Buna göre, robot kontrolü üç kısma ayrılabilir: serbest uzayda konum kontrolü, temas halinde empedans kontrolü ve kuvvet kontrolü. Robot konumu ile kuvvet arasındaki arzu edilen davranışın gösterilebilmesi için empedans filtresi tasarlanmıştır. Bu filtrenin kazancı bir bulanık PID denetleyici tarafından ayarlanmaktadır. Kuvvet kalıcı durum hatasının giderilebilmesi için akıllı bir integratör kullanılmıştır. Önerilen yöntem benzetim ortamında ve deneysel olarak yapılan birçok deneyle doğrulanmıştır. Benzetim ve deneysel sonuçlar incelendiğinde kuvvet denetiminin 1 N çözünürlüğünde 50 N'ye kadar başarılı şekilde gerçekleştirildiği görülmüştür.Geliştirilen SP sisteminin kullanılabileceği medikal uygulama alanları irdelenerek, ülkemizde beyin cerrahisinde uzun, yorucu ve karmaşık hipofiz bezi ameliyatlarında cerraha yardımcı olmak üzere robotun endoskop konumlayıcı ve tutucu olarak kullanımı ele alınmıştır. Geliştirilen SP sistemiyle kadavralar üzerinde gerçekleştirilen deneylerle SP'nin endoskopik transsfenoidal cerrahisinde kullanılabilirliği ispatlanmıştır. SP'nin bu cerrahide daha etkin kullanılabilmesi için çeşitli yerleşim planları önerilmiştir.

In this thesis, a force-position controlled Stewart Platform (SP) system guided by 6 degree of freedom (DOF) haptic and mouse was developed to be used in the field of robotic surgery.Forward and inverse kinematics, dynamics and Jacobian matrix of the SP were obtained. Verifications of these models were tested using computer simulations and experiments. Required control structure was developed for the position and trajectory control of the SP and supported by the experiments. The SP can be guided by a user interface which accepts step and point-to-point trajectory inputs, 6 DOF mouse and haptic device. Position and trajectory control of the SP was achieved using PID, intelligent PID and sliding mode control methods in the joint space. The controllers were designed in Simulink environment and embedded in DSPACE DS1103 real-time controller. It can be seen from the results that position control of the SP was achieved up to 0,5 ?m precision. Also, the intelligent PID controller showed better performance compared to others in the trajectory tracking.A new, simple and effective method was proposed for the three-axis impedance and force control of the SP in Cartesian space. The control approach can be divided into three parts namely: position control in free space, impedance control in contact and force control. An impedance filter was developed to achieve desired behavior between position and force. The gain of the filter was modified by a fuzzy logic PID controller. Steady state force error was also eliminated with an intelligent integrator. The proposed method was verified by many simulations and experiments. The experimental and simulation results show that force control of the SP was achieved up to 50 N with 1 N resolution, successfully.Application areas of the developed SP system in the robotic surgery were examined. This system can be used in the endoscopic transsphenoidal surgery as an endoscope positioner and holder. Usage of this system helps the surgeons in long, fatiguing and complex operations. The validity of the SP was proven in the endoscopic transsphenoidal surgery performed on cadavers. In order to use this SP system more effectively in this surgery, different layout plans were proposed.