Библиографическое описание:

Поезжаева Е. В., Новикова А. А., Сайкинова В. А. Повышение точности позиционирования хирургического робота «Да Винчи» // Молодой ученый. — 2015. — №13. — С. 172-174.

При ведении операций при помощи хирургического робота «Да Винчи» совершались ошибки, связанные с недостаточной точностью позиционирования манипуляторов робота и приводящие к летальному исходу оперируемого, что необходимо свести к минимуму. Предложено решение, предусматривающее увеличение точности позиционирования манипуляторов робота посредством снижения вибраций исполнительного органа.

Ключевые слова: робот, хирургия, роботизированная операция, точность позиционирования.

 

Ранее самые богатые клиники по всему миру приобрели хирургического робота «Да Винчи». Система робота «Да Винчи» — это система, предназначенная для робот-ассистированной лапароскопии. Выполняет такие операции, как: восстановление митрального клапана, реваскуляризация миокарда, абляция тканей сердца, установка эпикардиального электронного стимулятора сердца для бивентрикулярной ресинхронизации, желудочное шунтирование, фундопликация по Nissen, гистерэктомия и миомэктомия, тимэктомия, лобэктомия легкого, эзофагоэктомия, резекция опухоли средостения, радикальная простатэктомия, пиелопластика, удаление мочевого пузыря, радикальная нефрэктомия и резекция почки, реимплантация мочеточника. Она состоит из трех основных частей: операционной панели, панели управления и оптической системы. Хирург сидит за панелью управления, видит операционное поле при помощи стереоскопического видеоканала и посредством джойстиков управляет инструментами в «руках» робота. Операционная панель имеет несколько манипуляторов — 2 или 3 манипулятора, к которым крепятся инструменты и 1 манипулятор, на котором закреплена камера, и повторяет движения человеческих рук в теле пациента. Оптическая система предназначена для обработки изображения со стереоскопической камеры, находящейся на операционной панели. Видеосистема снабжена двумя независимыми каналами передачи изображений, сопряженными с двумя цветными мониторами высокого разрешения. Система так же имеет оборудование для обработки изображений, состоящее из двух видеокамер, алгоритмов усиления контуров и шумоподавления. Результирующее трехмерное изображение высокого разрешения четкое, яркое и резкое, без утомляющего мерцания и затухания. Управление камерой, осуществляемое через рукоятки и педали, обеспечивает плавное перемещение в операционном пространстве. На оптическом устройстве так же размещен и дополнительный монитор, позволяющий остальному персоналу следить за операцией.

Рис. 1. Панель управления, операционная панель и оптическая система

 

Казалось, что наступает новая эра, и робот поможет выздороветь миллионам людей, однако, в операциях с использованием этих роботов уже зафиксированы несколько летальных случаев. С таким исходом однажды завершилась операция на селезенке. Одна пациентка погибла из-за того, что робот случайно порезал кровеносные сосуды. В одном из случаев зафиксирована перфорация толстой кишки во время лечения простаты. Ещё известен случай, когда «Да Винчи» ударил свою пациентку по лицу, после чего хирургу пришлось проводить операцию самостоятельно, во избежание ненужного риска.

Вероятно, данная проблема связана с неточностью позиционирования манипуляторов робота.

Синтез систем управления большинства роботов осуществляется в предположении, что звенья манипулятора и элементы механизма передачи являются абсолютно жесткими. Управление различными степеням подвижности производится, как правило, независимо с использованием обратной связи по положению и скорости, вводимой с помощью соответствующих датчиков, установленных на приводах степеней подвижности. При таком управлении одним из факторов, ограничивающих быстродействие робота, является вибрация, связанная с упругостью конструкции манипулятора.

Точность позиционирования исполнительного органа робота зависит от эффективности тормозного устройства с двойным действием управляющего золотника, способного обеспечить торможение без возникновения вибраций.

Рассматривается манипулятор с перемещением в цилиндрической системе координат (см. Рисунок 2). Поскольку перемещения в вертикальной степени подвижности мало влияют на динамику вращательной и радиальной степени подвижности, в дальнейшем рассматриваются движения только в двух последних степенях подвижности. Упругие элементы механизмов передачи каждой степени подвижности представлены в виде линейной и вращательной пружин с жесткостями соответственно К1 и К2. объект манипулирования представлен точечной массой ML. Степени подвижности приводятся в движение с помощью электродвигателей, передающих силу и вращательный момент звеньям манипулятора через упругий механизм передачи.

Рис. 2.

 

На всех степенях подвижности необходимо установить электроприводы от высокомоментных электрических двигателей DD-типа с непосредственной безредукторной передачей.

Таким образом, полная модель рассматриваемой плоской механической системы имеет четыре степени свободы и может быть представлена в виде

,                                                         (1)

                                  (2)

,                                                         (3)

                                 (4)

где

 — положения валов двигателей;  — положения степеней подвижности на выходе механизмов передачи;  — передаточные отношения механизмов передачи;  — развиваемые двигателем моменты;  — константы вязкого трения двигателей;  — моменты инерции роторов двигателей;  — масса звена; расстояние от центра тяжести звена до объекта манипулирования. Вводя в рассмотрение вектор  можно уравнения (1–4) представить в комплексной форме

                                                                                     (5)

где  включает в себя нелинейные взаимосвязанные члены, представляющие кориолисовы и центробежные силы, а также силы тяжести и вязкого трения; член  представляет упругие силы в сочленениях.

Предложено улучшение модели робота, которое может повысить точность позиционирования до 0.01 мм, что снизит вероятность ошибки, которая может привести к летальному исходу пациента.

 

Литература:

 

1.         Поезжаева Е.В// Промышленные роботы: учеб. пособие: в 3 ч. / Е. В. Поезжаева. — Пермь: Изд-во Перм. Гос. техн. ун-та, 2009.-Ч.2.-185.

2.         Поезжаева Е.В// Теория механизмов и механика систем машин. / Е. В. Поезжаева. — Пермь: Изд‑во Перм. Гос. техн. ун-та, 2015.-400.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle