ربات هپتیکی برای استفاده در جراحی ها ساخته شد

پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس موفق به تحلیل، طراحی و کنترل یک ربات هپتیکی ( با ۶ درجه آزادی و بهینه‌سازی فضای کاری) برای استفاده در جراحی کرینیوتومی شدند.

به گزارش بازتاب به نقل از دانشگاه تربیت مدرس، محمدرضا دهقانی مجری این طرح در خصوص اهمیت استفاده از سیستم‌های رباتیک در جراحی گفت: استفاده از سیستم‌های رباتیک در جراحی به دلیل خصوصیاتی همچون دقت بالا، خستگی‌ناپذیری و عدم اشتباه روز به روز رو به افزایش است. به طور ویژه، این سیستم‌ها در جراحی بر روی بافت استخوانی به دلیل ثابت بودن و عدم تغییر شکل و امکان برنامه‌ریزی پیش از عمل مناسب هستند.

وی افزود: در این تحقیق با بررسی نیازمندی‌های جراحی‌های روی جمجمه، انتظارات جراحان از یک سیستم رباتیک مد نظر قرار داده شد و بر اساس آن طراحی ربات جراحی بر روی جمجمه با هدف کاهش بار کاری جراح انجام گرفت. ربات طراحی شده دارای سه درجه آزادی فعال برای کنترل ابزار و چهار درجه آزادی غیر فعال برای تنظیم موقعیت و راستای قسمت فعال نسبت به جمجمه بیمار است.

دانش آموخته دانشگاه تربیت مدرس اضافه کرد: در مراحل بهینه سازی مکانیزم فعال، مدل سه بعدی از جمجمه و تکه های استخوان بریده شده در جراحی های مختلف تهیه شد. فضای کاری هدف استخراج شده به همراه پارامترهای سینماتیکی مناسب برای امتیازدهی به طراحی های مختلف و انتخاب طراحی بهینه استفاده شد.

دهقانی تاکید کرد: مکانیزم موازی انتخاب شده از خواص مرکز آنی دوران خارجی بهره می برد. با قرار دادن مرکز آنی دوران مکانیزم بر روی کره محیطی به تکه استخوان، ابزار تقریبا همواره بر سطح استخوان عمود باقی می ماند. معادلات سینماتیک و ماتریس ژاکوبی ربات به صورت تحلیلی استخراج و توسط شبیه‌سازی نرم‌افزاری صحه‌گذاری شدند. با انجام طراحی جزئی و تحلیل نیرویی، عملگرهای مناسب از موتورهای متناوب سرو و برای این سیستم انتخاب شدند.

وی ادامه داد: یک ربات نمونه از سیستم طراحی شده از جنس آلومینیوم ساخته شد. در فرآیند راه اندازی، عملکرد روش های مختلف ارتباط با سروودرایوها آزمایش شد و ترکیبی از آنها برای دستیابی به قابلیت اطمینان و سرعت بالا استفاده گردید. جهت ارزیابی صحت طراحی و کیفیت ساخت ربات، دو آزمایشِ فضای کاری قابل دسترس و توانایی اعمال نیرو انجام شد.

این محقق عنوان کرد: در آزمایش اول بازوهای ربات در بازه حرکتی خود با فواصل ۱۰ درجه حرکت داده شدند و در هر نقطه با استفاده از دوربین توتال استیشن موقعیت کارگیر با دقت ۰.۱ میلی متر ثبت شد.

دهقانی اظهار داشت: نقاط اندازه گیری شده کل فضای کاری هدف ربات را که باتوجه به نیاز جراحی کرینیوتومی مخروطی با زاویه راس ۴۰ درجه است به خوبی پوشش دادند. علاوه بر آن مشاهده شد که فضای کاری قابل دسترس ربات تنها کمی بزرگتر از فضای کاری هدف بود و این نشان دهنده بهینه سازی مناسب پارامترها برای دستیابی به کوچک ترین ابعاد ممکن در کنار دسترسی به فضای هدف است.

وی افزود: در آزمایش دوم با نصب یک حسگر نیروی شش درجه آزادی نیرو و گشتاور نوک کارگیر اندازه گیری شد. نتایج نشان می دهد که ربات توانایی اعمال نیروی مورد نیاز برای برش و سوراخ کاری را دارد. قبل از پیاده سازی هرگونه کنترل، برای افزایش دقت ربات، معادلات سینماتیک با روش مبتنی بر مدل و بهینه سازی لونبرگ-مارکواریت کالیبره شدند.

این محقق گفت:یکی از اهداف سیستم رباتیک کاهش بار کاری جراح است که در این راستا الگوریتم کنترلی برای جبران وزن بازوها و ابزار پیاده سازی شد. با اندازه گیری نیروی دست جراح نشان دادیم که در حرکت آزاد ابزار در فضای کاری ربات به دست جراح نیروی ناچیزی وارد می شود و نیروی گرانش جبران سازی شده است.

دهقانی افزود: یکی دیگر از توانایی های در نظر گرفته شده برای این سیستم رباتیک ایجاد دیواره مجازی در فضای کاری است که جلوی نفوذ ابزار و صدمه به بافت نرم زیر استخوان جمجمه را گیرد.

وی خاطرنشان کرد: نتایج نشان می دهد که در برخورد نوک ابزار با دیواره حداکثر نیروی موتور به دست جراح وارد شده و کنترلر به خوبی از نفوذ ابزار به ناحیه غیرمجاز ممانعت کرد.

این پژوهش با راهنمایی دکتر مجید محمدی مقدم عضو هیات علمی دانشکده مهندسی مکانیک انجام شده است.