Gravity compensation of a 2R1T mechanism with remote center of motion for minimally invasive transnasal surgery applications [Master Thesis]

Abstract

In this work, gravity balancing of a 2URRR-URR parallel manipulator is issued. The manipulator is designed as an endoscope holder for minimally invasive transnasal pituitary gland surgery application. In the surgery, the endoscope is placed through the nostril of the patient where there is a natural path to the pituitary gland. In case of a motor failure, in order to protect the patient and to ease the control of the manipulator static balancing for this manipulator is worked out, the manipulator prototype is balanced and tested. The parallel manipulator has three legs. The payload mass has been distributed to side legs due to workspace limitations. By using counter-mass for two links in each leg, the center of mass of each leg has been reduced to the proximal link which simplified the balancing problem to balancing of a two degree-of-freedom inverted pendulum. By connecting a zero free length spring to the proximal link the total mass of the leg the manipulator has been kept in static balance in its desired workspace. Simulations show that with the applied design, torque effects on the motors have been reduced by 93.5%. Finally, the balancing solution is applied on the manipulator with active motors and the manipulator has been balanced, the torque values mostly has been decreased where the joint clearance, spring tension adjustments and mechanical constraints has affected the results. With the elimination of the joint clearance, mechanical constraints and rearranging the spring tension the required torque could be minimized.

Bu çalışmada 2URRR-URR paralel bir manipülatörün yerçekimi dengelenmesi çalışılmıştır. Manipülatör, minimal invaziv transnasal hipofiz bezi cerrahisi uygulaması için bir endoskop tutucu olarak tasarlanmıştır. Cerrahi operasyonda hastanın burun deliğinden hipofiz bezine giden doğal bir yoldan endoskop yerleştirilir ve operasyon gerçekleşir. Bu esnada motorlarda her hangi bir arıza olması halinde manipülatörün konumunu koruması ve manipülatörün kontrollünün kolaylaşması için bu çalışmada statik dengeleme çözümü geliştirilmiş, manipülatör prototipi dengelenmiş ve test edilmiştir. Paralel manipülatörün üç bacağı olup, manipülatörün çalışma alanı kısıtları nedeniyle uç-işlemci kütlesi iki bacağa dağıtılmıştır. Her bacakta üç uzuv olup ikisi karşıt kütle kullanılarak bacağın toplam kütlesi sabit platforma bağlı uzva indirgenerek dengeleme problemi iki serbestlik dereceli bir ters sarkacın dengelenme problemine dönüşmüştür. Sabit platforma bağlı uzvun üzerine yerleştirilen ek bir parçaya bir adet yayın bağlanmasıyla manipülatörün istenilen çalışma alanında statik dengelenmesi sağlanmış ve benzetim sonuçlarına göre motor torklarında dengelenmemiş haline göre 93.5% bir düşüş gözlemlenmiştir. Son olarak, dengeleme çözümü prototip üzerinde motorlar aktif durumda uygunlandı. Manipülatör dengelemeye ulaşılmış olsada sistemde bulunan boşluk, burulma ve yayların gerginlik ayarları nedeniyle motorların uygulaması gereken torklar çoğunlukla düşmüş olsa da bazı konumlarda bu durum değişmektedir. Sistemdeki boşluğun alınması, mekanik kısıtların giderilmesi ve yayların daha iyi bir şekilde gerilmesi ile daha iyi tork sonuçları alınabilir.