Kinematics, dynamics, and integration of a redundant manipulator for laparoscopic robotic surgery

Abstract

Son dönemde meydana gelen teknolojik gelişmeler, robot kollarının robot-destekli ameliyatlarda ve özellikle de minimal invazif cerrahide başarı ile kullanılmasını sağlamıştır. Robotlar yalnızca cerrahın kabiliyetlerini hassasiyet ve el-becerisi bakımından arttırmakla kalmayıp, aynı zamanda operasyon sırasında cerrahın üzerindeki fiziki ve bilişsel yükü de azaltmaktadır. Mevcut ticari robotik cerrahi sistemleri (örneğin, da Vinci robotik ameliyat sistemi) doku-alet arasındaki etkileşimden doğan kuvvetleri cerrahın eline yansıtma kabiliyetinden yoksundur. Bu eksikliği gidermek için gereken haptik yetenekler, robotik ameliyat sistemine çift-yönlü tele-operasyon yapısının uygulanması ile gerçekleştirilebilir. Bu amaç doğrultusunda ve TÜBİTAK projesi kapsamında bir robotik cerrahi platformu tasarlanmıştır. Tasarlanan bu robotik cerrahi sisteminin sahip olduğu haptik kuvvet geri besleme özelliği sayesinde mevcut ameliyat robotlarında yer alan bu boşluğun doldurulması hedeflenmiştir. Önerilen robotik cerrahi sistemi, artık 7 serbestlik derecesine sahip KUKA IIWA robot kolu ile proje ekibi tarafından tasarlanan, 3+1 serbestlik derecesine sahip özgün bir bilek mekanizmasından meydana gelmektedir. Robot kol, bilek mekanizmasının vücuda girdiği nokta çevresindeki dönel hareketini (uzak mesnet merkezi) sağla-maktadır. Buna karşılık, bilek mekanizması ise bu dönel hareket sonucu kaybedilen serbestlikderecelerini telafi eder. Bu yapı iki soruna yol açmaktadır. Öncelikle, robot kol ile bilek mekanizması birlikte, ters çözümü zor olan bir kinematik yapı oluşturmaktadır. Buna ek olarak, robot kol ve bilek mekanizmasının farklı kontrol yapılarına sahip olmaları sebebi ile, geliştirlen robotik cerrahi sistemininin gerçek zamanlı kontrolünü mümkün kılacak bir sistem ve yazılım mimarisi gereklidir. Bu tezde, yukarıda açıklanan bu iki soruna odaklanılmıştır. Ana görev olarak cerrahın tüm hareketlerinin tümleşik robot kol-bilek sistemi tarafından doğru bir şekikde tekrarlanması olarak belirlenmiştir. İlk sorunun çözümü için ana görevin gerçekleştirilmesini olanak sağlayacak geometrik bir kinematik ters çözüm geliştirilmiştir. KUKA IIWA robot kolunun artıklığından yararlanılarak, ana görevin gerçekleştirildiği sırada, bu görevi etkilemeyecek şekilde ikincil bir görevin de gerçekleştirilmesini sağlayan geometrik bir kinematik çözüm de geliştirilmiştir. Uzak mesnet merkezi hareketini sağlayan robot kol, bilek mekanizması ve haptik özelliklere sahip bir kumanda kolunun bütünleştirilmesine olanak sağlayan, ağ yapısına ve çok işlemli mimariye sahip bir yapı önerilmiştir. Buna ek olarak, robot kolun dinamik analizi gerçekle-ştirilmiş ve bir benzetim ortamı geliştirilmiştir. Son olarak, önerilen çözümler ve sistemin başarımı tek-yönlü ve çift-yönlü deneyler ile doğrulanmıştır.

The recent advancements in robotic manipulators have resulted in a successful utilizationof these technologies in robotic-assisted surgeries, particularly minimally invasivesurgeries (MIS). Robots not only augment the surgeon's capabilities in terms of precisionand dexterity but also mitigate the physical and cognitive efforts of the surgeon duringoperations. Currently available commercial surgical systems (the da Vinci Surgical System,for instance) lacks the ability to reflect forces of tool-tissue interaction back to thesurgeon's hand. Such inadequacy necessitates implementing bilateral teleoperation tointroduce haptics to the system. To this end, a robotic platform design was proposedwithin the scope of a TUBITAK1research project with the purpose of closing the gapin existing robotic surgical platforms by incorporating haptic force feedback to the system.The proposed design integrates the redundant 7-DoF manipulator Kuka IIWA withan in-house-designed 3+1-DoF wrist mechanism. The manipulator provides the pivotingmotion that moves the wrist around the incision point. Whereas the wrist compensatesthe lost degrees of freedom due to the pivoting motion(Remote Center of motion RCM)Consequently, this produces results in two problems: firstly, such integration results ina complex inverse kinematic solution. Secondly, because the two systems use differentcontrollers, it is necessary to develop a system architecture that integrates the manipulatorand the wrist considering the real-time performance constraint. With this in mind, in thisthesis, For the first problem, A geometric kinematic solution is obtained for the primarytask that is to provide RCM for the combined manipulator-wrist structure so that surgeonmotion is fully mapped to the forceps allowing intuitive manipulation. Utilizing thekinematic redundancy of IIWA a geometric kinematic solution is presented to perform asecondary task that optimizes the motion of IIWA while performing the primary task. Forthe Integration problem, A system architecture based on networking and multiprocessingis proposed to integrate the RCM manipulator, the wrist in addition to the haptic device.Moreover, dynamic analysis and a simulation environment of the manipulator is also provided.Finally, unilateral and bilateral experiments are performed to validate the actual system.