Development and control of a parallel endoscopic surgical robot platform for beating heart procedures

Abstract

Minimal İnvaziv Robotik Cerrahi, gelişmiş robotik aletlerle küçük kesiler yapılarakgerçekleştirilen ameliyatlara odaklanan bir daldır. Bu gelişmiş araçların ve kon-trol metodlarının avantajlarını kullanarak robot destekli koroner aorta bypass greftameliyatları gibi zor olan müdahaleler sunulmuştur. Atan bir kalp üzerinde ameliyatyapmak, kalbin dinamikleri karmaşık ve hızlı olduğu için, yüksek hassasiyet ve yüksekfrekanslı hareket gerektirir. Bu tezde atan kalp üstünde ameliyat yapması amaçlanan,5 serbestlik dereceli paralel endoskopik bir robot olan, Özyeğin Cerrahi Robot Plat-form'unun (OSI) tasarımı, modellenmesi ve kontrolü sunulmaktadır. Robot, kalpatışının dinamiklerine uygun olması adına yüksek hareket bant genişliğinde çalış-mak üzere tasarlanmıştır. Hareket takibini gerçekleştirmek için 3 alt mekanizma inşaedilmiştir. Bu kademeler 2 paralel mekanizma olan, 3 serbestlik dereceli ve 2 serbest-lik dereceli, ve bu mekanizmaların uç elemanlarına yerleştirilen 3 serbestlik derecelicerrahi alet yerleştirilmiştir. Robot kinematik olarak kalibre edilmiştir ve cerrahialetin uç eleman pozisyonunu tam olarak elde etmek için kinematik hesaplamalarıyapılmıştır. Kontrol algoritmalarının gürbüzlüğünü arttırmak için dinamik sisteminyerçekimi telafisi modellenmiştir. Sürtünme telafisi, deney içindeki bir bozunum gö-zleyicisi (DOb) kullanılarak modellenmiştir. Bir tork telafili PID kontrolcü ve PIDdestekli bir tepki kuvveti gözleyici (RFOb) uygulanmış ve test edilmiştir. Atan birkalp modeli kullanılarak robotun performansı değerlendirilmiş ve sonuçlar sunulmuş-tur.

Minimally Invasive Robotic Surgery focuses on performing surgeries using advancedrobotic tools through small incisions. Taking advantage of these advanced tools andcontrol methods, challenging surgeries such as robotic assisted coronary artery bypassgraft surgeries are proposed. Operating on a beating heart requires high precisionand high bandwidth motion due to fast and complex dynamics of the heart. In thisthesis, the design, modelling and control of the parallel endoscopic 5-DOF robot,named Özyeğin Surgical Robot Platform (OSI), aimed for beating heart proceduresis presented. The robotic system consists of 3 sub-mechanisms which are constructedto realize motion tracking. These stages consist of 2 parallel mechanisms with 3-DOF and 2-DOFs, and a 3-DOF surgical instrument attached to parallel mechanismsend-effectors. The robot is kinematically calibrated and calculations are performedto obtain the end-effector position of the surgical tool precisely. To improve con-trol algorithms robustness, gravity compensation of the dynamic system is modelled.Friction compensation is experimentally modelled and identified using a disturbanceobserver (DOb) for all of the axes. A torque compensated PID controller and a reac-tion force observer (RFOb) with PID is implemented and tested on the platform. Abeating heart phantom is used to evaluate the performance of the robot and resultsare presented