Design and modeling of a parallel robot for ultrasound guided percutaneous needle interventions

Abstract

Percutaneous needle operations need precise positioning in order to collect samples for diagnosis. Due to their robustness, accuracy robotic systems started to take place in medical procedures. Research that have been done until today showed that the robotic systems increase the accuracy of the medical interventions. This thesis presents the design and modeling of a 5DOF parallel robot that is used to conduct biopsies on human bodies, mostly focusing on the abdominal region. Ozyegin Biopsy Robot (OBR) consists of 3 stages; front stage, back stage and syringe mechanism. Front stage has 2-DOF and was designed to orient the needle and it serves as a guidance during needle insertion. Back stage has 3-DOF and duty of the back stage is to control the orientation of the needle and to perform the needle insertion. Syringe mechanism was designed to collect samples from body after the needle insertion. Necessary workspace and torque analyses were conducted in order to design the robot. Kinematic calculations were performed to find accurate needle tip position. Dynamic equations of motion were derived and system identification was performed on the robot to find the dynamics of system. With the calibration procedures, needle tip accuracy was aimed to be increased. For creating robust and accurate controllers, gravity compensation and friction modeling were implemented on the robot. Three different controller were created; PID controller, pole placement controller and torque computed controller. Results showed that torque computed controller reaches submilimeter needle tip accuracy and was verified as a robust controller for the system.

Deri altına uygulanan iğneli müdahaleler teşhis için kesin pozisyonlamaya ihtiyaç duymaktadır. Gürbüzlükleri ve doğrulukları sayesinde robotik sistemler medical uygulamalarda yer edinmeye başlamıştır. Yapılan araştırmalar robotik sistemlerin medikal müdahalelerin doğruluğunu arttırdığını göstermektedir. Bu tez de insanlar üzerinde biyopsi yapabilecek 5 serbestlik dereceli bir robotun tasarımını ve modellenmesini içermektedir. Özyeğin Biyopsi Robotu (ÖBR) 3 ana bölümden oluşmaktadır; ön taraf, arka taraf ve iğne mekanizması. Ön taraf 2 serbestlik derecesine sahiptir. Ön taraf iğnenin yönünü kontrol etmek ve iğne sokumu sırasında iğneyi yönlendirmek için dizayn edilmiştir. Arka taraf 3 serbestlik derecesine sahip olup iğne yönünü kontrol etmek ve iğneyi vücuda sokabilmek için tasarlanmıştır. İğne mekanizması da iğne sokumu sonrasında numune alımı için oluşturulmuştur. Tasarım esnasında robotun insan üzerinde biyopsi yapabilmesi için yeterli çalışma alanı ve tork analizleri yapılmıştır. Doğru iğne ucu pozisyonunun bulunması için kinematik hesaplamalar uygulanmıştır. Sistem dinamiklerinin anlaşılması için dinamik hareket denklemleri hesaplanmış aynı zamanda robot üzerinde sistem tanımlaması gerçekleştirilmiştir. Kalibrasyon yöntemleri ile iğne ucu pozisyonunun doğruluğunun arttırılması hedeflenmiştir. Gürbüz denetleyici yaratabilmek için robot üzerinde yerçekimi dengelemesi ve sürtünme modellemesi uygulanmıştır. Robot üzerinde denenmek üzere üç farklı denetleyici tasarlanmıştır; Oransal-Türevsel-İntegral denetleyici, kutup yerleştirmeli denetleyici ve hesaplamalı tork denetleyici. Sonuçlar hesaplamalı tork denetleyicinin milimetrenin altında iğne ucu doğruluğuna ulaşabildiğini göstermiş ve denetleyicinin sistem için gürbüz bir denetleyici olduğunu ispatlamıştır.