Design of a 2R1T mechanism with remote center of motion for minimally invasive transnasal surgery applications

Abstract

In minimally invasive surgery, use of robotic manipulators is becoming more and more common in order to have more precise operations and better post-operative processes. Such operations are often performed through an incision port (a pivot point) on the patient’s body. Since the manipulator should move about the pivot point, it should have a remote center of motion. In this regard, the main objective of this thesis is designing a 3-dof (degrees-offreedom) surgical robotic arm that is capable of 2R1T (R: rotation, T: translation) motion pattern and is structured as a remote center of motion mechanism for minimally invasive surgery applications. First, the structural synthesis of a 3-dof manipulator with 2R1T motion pattern is performed. The synthesized structures also can be used for any kind of 2R1T-type applications. Then, the manipulators with various kinematic structures are evaluated for a transnasal surgery according to several evaluation criteria such as feasibility of construction for a remote center of motion mechanism, ease of balancing, number of links, structural symmetry, decoupling of the joint inputs and the output motion of the platform and the number of actuators connected to the base. The best option is evaluated as a parallel manipulator with two 1 F0-system and one 1 F0-1 F∞-system leg structures. Afterwards, kinematic analysis of the spatial parallel manipulator is formulated with a simplified kinematic model consisting of three intersecting planes so that dimensional design is done for a desired dexterous workspace. Finally, constructional design is completed and a prototype is manufactured and tested.

Son yıllarda robot manipülatörlerin minimal invaziv cerrahi alanındaki kullanımı daha yüksek operasyon hassasiyetleri ve operasyon sonrasında daha hızlı iyileşme süreçleri sağladıklarından dolayı artış göstermiştir. Bu tip cerrahi operasyonlar hastanın vücuduna açılan ve pivot noktası olarak adlandırılan küçük bir delikten girilerek yapılmaktadır. Manipülatörün, bu nokta etrafında hareket etmesi gereksiniminden dolayı bir uzak hareket merkezine sahip olması gerekmektedir. Bu bağlamda bu tezin temel hedefi minimal invaziv cerrahi uygulamalarında kullanılmak üzere 3 serbestlik dereceli ve uzak hareket merkezi etrafında 2-dönme 1- öteleme (2R1T) hareketleri yapabilen bir cerrahi robot kol tasarlamaktır. İlk olarak, 2-dönme 1-öteleme hareketlerine haiz 3 serbestlik dereceli bir manipülatör için yapısal sentez yapıldı. Bu sentez sonucunda elde edilen mimariler aynı zamanda herhangi bir 2R1T uygulaması için de kullanılmaya uygundur. Sonra, bir transnasal cerrahi uygulaması için farklı kinematik yapılara sahip manipülatör alternatifleri belirli değerlendirme kıstaslarına göre karşılaştırıldı. Bu kıstaslara uzak hareket merkezli bir mekanizma olarak üretilebilmeye uygunluk, dengeleme kolaylığı, uzuv sayısı, yapısal simetri, mafsal girdileri ile platform hareket çıktısı arasındaki ilişkinin basitliği ve zemine sabitlenebilecek eyleyici sayısı örnek olarak verilebilir. Yapılan karşılaştırmanın sonucunda en iyi sonuç iki tane 1 F0 ve bir tane 1 F0-1 F∞ kısıt sistemli bacaklardan oluşan ve paralel yapıya sahip bir manipülatör olarak değerlendirildi. Daha sonrasında, seçilen uzaysal paralel manipülatörün kinematik yapısı üç tane kesişen düzleme indirgenerek kinematik analiz yapıldı ve istenen çalışma uzayı için boyutlar eniyilendi. Son olarak, yapılan konstrüksiyonel tasarımından sonra bir prototip üretilip testleri yapıldı.