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

Abstract

Minimally Invasive Robotic Surgery focuses on performing surgeries using advanced robotic tools through small incisions. Taking advantage of these advanced tools and control methods, challenging surgeries such as robotic-assisted coronary artery bypass graft surgeries are proposed. Operating on a beating heart requires high precision and high bandwidth motion due to the fast and complex dynamics of the heart. In this thesis, the design, modeling, and control of the parallel endoscopic 5-DOF robot, named Özyeğin Surgical Robot Platform (OSI), aimed for beating heart procedures is presented. The robotic system consists of 3 sub-mechanisms that are constructed to 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 mechanisms end effectors. The robot is kinematically calibrated and calculations are performed to obtain the end-effector position of the surgical tool precisely. To improve the con trol algorithm’s robustness, gravity compensation of the dynamic system is modeled. Friction compensation is experimentally modeled and identified using a disturbance observer (DOb) for all of the axes. A torque compensated PID controller and a reac tion force observer (RFOb) with PID are implemented and tested on the platform. A beating heart phantom is used to evaluate the performance of the robot and results are presented.Minimal İnvaziv Robotik Cerrahi, gelişmiş robotik aletlerle küçük kesiler yapılarak gerçekleştirilen ameliyatlara odaklanan bir daldır. Bu gelişmiş araçların ve kon trol metodlarının avantajlarını kullanarak robot destekli koroner aorta bypass greft ameliyatları gibi zor olan müdahaleler sunulmuştur. Atan bir kalp üzerinde ameliyat yapmak, kalbin dinamikleri karmaşık ve hızlı olduğu için, yüksek hassasiyet ve yüksek frekanslı 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, kalp atışının dinamiklerine uygun olması adına yüksek hareket bant genişliğinde çalış mak üzere tasarlanmıştır. Hareket takibini gerçekleştirmek için 3 alt mekanizma inşa edilmiştir. Bu kademeler 2 paralel mekanizma olan, 3 serbestlik dereceli ve 2 serbest lik dereceli, ve bu mekanizmaların uç elemanlarına yerleştirilen 3 serbestlik dereceli cerrahi alet yerleştirilmiştir. Robot kinematik olarak kalibre edilmiştir ve cerrahi aletin uç eleman pozisyonunu tam olarak elde etmek için kinematik hesaplamaları yapılmıştır. Kontrol algoritmalarının gürbüzlüğünü arttırmak için dinamik sistemin yerçekimi telafisi modellenmiştir. Sürtünme telafisi, deney içindeki bir bozunum gö zleyicisi (DOb) kullanılarak modellenmiştir. Bir tork telafili PID kontrolcü ve PID destekli bir tepki kuvveti gözleyici (RFOb) uygulanmış ve test edilmiştir. Atan bir kalp modeli kullanılarak robotun performansı değerlendirilmiş ve sonuçlar sunulmuştur.