Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В настоящее время в условиях относительной стабилизации роста спроса на промышленные роботы средней грузоподъемности четко обозна-чилась тенденция увеличения спроса на легкие и сверхлегкие роботы. Это объясняется главным образом тем, что обеспечение точности и стабильности многих процессов и операций, в том числе сборочных, в условиях расширя-ющейся номенклатуры и мелко- серийности невозможно без использования промышленных роботов. Автоматизация на основе промышленных роботов, несомненно, является высшей ступенью творчества многих поколений людей в их стремлении создать себе универсальных помощников. Роботы в медицине существуют уже более 25 лет. Когда в США нача-лась разработка космических программ, возник вопрос, что делать, если астронавтам во время пребывания на орбите потребуется неотложная хи-рургическая помощь? Конечно, для этого было нецелесообразно создавать отдельную космическую станцию или модуль, в котором был бы размещен традицион-ный операционный зал и постоянно находилась бригада хирургов. Для ре-шения этой задачи специалисты NASA разработали хирургического робота, который управлялся врачами и инженерами с Земли исходя из анализа индивидуаль-ного состояния астронавта. Наработанные ранее в космической и военной сферах технологии при-вели к появлению в медицине роботов, которые позволяют максимально точно выполнять сложнейшие хирургические манипуляции. И хотя описываемого в фантастической литературе андроида-врача, полностью заменяющего чело-века, пока не придумали, существуют роботы, выполняющих отдельные функции гораздо лучше, чем самые опытные живые хирурги.

1. Актуальность темы

По вопросам создания высокоточных механизмов и систем роботов для миниатюрных изделий технической литературы в настоящее время прак-тически нет. Многие методы обеспечения высокой точности роботов до сих пор остаются в некоторой степени уделом искусства в области технологии и механики. Все это подтверждает актуальность и сложность задачи, поставленной в работе.

2. Цель разработки

Цель разработки – повышение точности линейных перемещений манипулятора робота-хирурга с соответствующим формирования сигналов управления его исполнительными механизмами.

3. Анализ современных разработок в сфере роботизации в хирургии

Одна из лучших разработок в этой сфере – универсальный робот-хирург Da Vinci от компании Intuitive Surgical Inc. Это универсальная робо-тизированная система, используемая клиниками всего мира. C помощью Da Vinci проводят операции на самых разных органах. Фотография работы универсального робота-хирурга Da Vinci приведена на рис. 1.1

робота-хирурга

Рисунок 1 – Фотография работы универсального робота-хирурга Da Vinci от компании Intuitive Surgical Inc

Робот состоит из двух блоков. Один предназначен для оператора, а второй – четырехрукий автомат выполняет роль хирурга. Врач садится за удобный пульт, который позволяет видеть оперируемый участок в 3D с мно-гократным увеличением и использует специальные джойстики, чтобы управ-лять инструментами. Значительное увеличение изображения, возможность выве-дения на монитор трехмерного и обычного двухмерного изображения, поз-воляют хирургу получать максимально точную картину операбельного ме-ста. Da Vinci снабжен специальными механическими устройствами, повто-ряющими функции человеческих рук, при этом они имеют в диаметре всего один сантиметр. Таким образом значительно снижен риск попадания в рану инфекции, а также установлено ограничение контакта операционного оборудования с тканями надреза. Сейчас в Америке примерно 80 % простатэктомии при раке предста-тельной железы выполняются с помощью Da Vinci. Распространение техно-логии связано со значительными преимуществами роботизированной систе-мы: уменьшаются послеоперационные боли, снижается кровотечение и ми-нимизируются рубцы. В конечном счете, пациент быстро восстанавливается и возвращается к нормальной жизни. Технология со временем совершенствуется: на днях знаменитый робот-хирург провел первую в истории медицины самостоятельную – без участия человека-операцию: он удалил пациенту желчный пузырь с плохим оттоком. Робота подстраховывал опытный врач-хирург, готовый в любой момент продолжить работу, однако его вмешательства во время операции не пона-добилось. Существуют в мире и другие талантливые роботы-хирурги. Группа ис-следователей из канадского города Калагари, возглавляемая нейрохирургом Гарнеттом Сатэрландом, совместила хирургического робота с томографом. Робот-хирург NeuroArm управляется хирургом при помощи специальных манипуляторов, которые точно передают движения его рук автоматизиро-ванным инструментам. Фотография внешнего вида робота-хирурга NeuroArm приведена на рис. 1.2 [1]. Во время работы врач может в реальном времени наблюдать магнитно-резонансную томографию головного мозга в 3D-изображении, а также контролировать свою работу по видео, выводимому на хирургический микроскоп. По словам Гарнетта Сатэрланда, робот видит намного больше, и это обеспечивает большую точность движений хирурга. Так, человеку доступен уровень точности около 1 миллиметра, в то время как роботу – до 30 микрон. Такая точность позволяет проводить операции на клеточном уровне.

3.1 Анализ основных видов исполнительных приводов перемещения и манипуляции

Функционально в структуре роботов для миниатюрных изделий можно выделить следующие составные части: исполнительное и управляющее устройства, рабочий орган и информационную систему. Исполнительное устройство обеспечивает выполнение всех двигатель-ных функций робота, представляет собой совокупность подвижно соединен-ных звеньев и конструктивно состоит из следующих основных узлов: несу-щих конструкций, приводов, передаточных и исполнительных механизмов. Информационная система обеспечивает прием информации о состоянии промышленного робота и внешней среды, преобразование и передачу ин-формации в устройство управления, а также обмен информацией между ро-ботом и другим совместно работающим с ним устройством и оператором. Устройство управления (система управления) обеспечивает возмож-ность программирования робота, хранения программы, а также ее воспро-изведения, корректировки и отладки. Оно предназначено для формирования и выдачи управляющих воздействий исполнительной системе в соответствии с заданной управляющей программой; организует работу информационной системы и синхронизирует все процессы обмена информацией между роботом и различными внешними устройствами. Создание промышленного робота для малых и миниатюрных изделий связано с развитием и совершенствованием каждой из этих систем, а специ-фика таких роботов определяется необходимостью обеспечения сравнитель-но высоких требований к точности позиционирования и надежности.

3.2 Анализ методов и средств измерения высокоточныхлинейных перемещений

Тензометрические методы измерения линейных перемещений Тензорезисторы среди всех тензометров нашли наиболее широкое применение. Изменения формы любой детали, обусловленные действием внешних или внутренних сил, которые сопровождаются искажением (дефор-мацией) ее поверхности. Закрепленный на этой поверхности тензорезистор воспринимает деформации объекта измерения и изменяет при этом свой электрическое со-противление. Изменение сопротивления является мерой возникшей деформа-ции, она может быть измерена подключенными к тензорезистору приборами, которые показывают или зарегистрируют. Тензорезистор – пассивный преобразователь, поэтому необходимо по-давать на него питание от электрического источника напряжения, причем для этого можно использовать как постоянное, так и переменное напряжение. Конструктивное исполнение тензорезистора приведено на рис. 1.11. Чув-ствительным элементом тензорезисторов являются так называемыми решет-ка, выполненная из тонкого электрического проводника. В привычных фор-мах исполнения заложена тонкопленочная полимерная основа, электрически изолированная от объекта измерения. Ей передаются деформация и защищает от поврежде-ний. Для облегчения подключения проводов используются точки припайки, выводы в виде полос или тонкой проволоки.

Методы измерений перемещений с электрической системой преобразования При помощью тензометров измеряется изменение длины некоторой ба-зы. Это изменение определяется перемещением подвижной опорной призмы относительно неподвижной точки. Сигнал, снимаемый с такого тензометра, пропорциональный; таким образом, они очень близки к преобразователей перемещений и отличаются от последних не по принципу измерения, а толь-ко формой и деталями конструкции в соответствии с задачами измерения. Системы этого типа обычно называют тензометрами, поскольку они, как правило, позволяют определить относительную деформацию.

3.3 Постановка задачи проектирования устройства для высокоточных перемещений в хирурги

Разрабатываемое устройство предназначено для измерительного контроля перемещений робота-хирурга. Устройство должно быть разрабо-тано на основе микропроцессорной системы, передавать полученную ин-формацию с датчиков линейного перемещения для дальнейшей обработки с формированием соответствующих воздействий для манипуляции робота-хирурга. Для формирования сигналов управления исполнительными механиз-мами робота-хирурга необходимо выполнять контроль линейного переме-щения для двух диапазонов измерения, при этом второй диапазон измерения составляет от 0 до 10 мм и предназначен для начального определения пере-мещения. Первый диапазон, который осуществляет измерения в диапазоне от 0 до 2 мм, предназначено для окончательного определения перемещений. Относительное значение линейного перемещения измеряется первич-ными преобразователями линейного перемещения. Рассчитывается относи-тельное и абсолютное значение линейного перемещения и передается в устройство, которое выполняет расчет значения перемещения. Если относительное значение выходит за пределы допусков, устройство передает информацион-ные сигналы на исполнительные механизмы робота-хирурга для корректи-ровки процесса перемещения. Разрабатываемое устройство должна входить в состав более сложной автоматизированной системы контроля и управления перемещением и мани-пуляциею робота-хирурга. Конструктивно устройство должно быть пред-ставлено в виде двух блоков: схемы согласования с измерительными датчи-ками и цифрового блока, выполняющего все необходимые расчеты и связь с центральным процессором робота-хирурга. Устройство измерительного контроля линейного перемещения робота-хирурга должно удовлетворять следующим требованиям: – первый диапазон измерения перемещения, мм от 0 до 2; – значение абсолютной погрешности измерения первого диапазона перемещения, мм не более 0,01; – второй диапазон измерения перемещения, мм от 0 до 10; – значение абсолютной погрешности измерения второго диапазона перемещения, мм не более 0,05; – диапазон изменения выходного тока кабельного усилителя, мА от 0 до 5; – диапазон изменения входного напряжения АЦП, UIN, B от 0 до + 5. Для обеспечения этого необходимо выбрать тип первичного преобра-зователя перемещения, разработать схему передачи информации в микро-процессорный блок, разработать структурную схему устройства, а также разработать конструкцию внешнего вида корпуса.

4. Разработка конструкции проектируемого устройства

При разработке конструкций роботов большое внимание уделяется выбору системы координат, в которой должно осуществляться перемещение руки. В конструкциях манипуляторов роботов можно использовать прямоуголь-ную, цилиндрическую и сферическую системы координат. Манипуляторы, работающие в прямоугольной системе координат, ча-ще всего представляют собою устройства, установленные в каретке, которая подвешена на направляющих под или над обслуживаемым оборудованием. Рука такого манипулятора может опускаться вниз, перемещаться относи-тельно каретки в поперечном направлении и вместе с кареткой – вдоль направляю-щих. На рис. 4.1 показана схема манипулятора с четырьмя степенями свобо-ды, у которого рука 3 с кистью 2 имеет три степени свободы, перемещаясь в подвижной системе прямоугольных координат, связанной с поворотным столом 4. Четвертая степень свободы реализуется при повороте стола вокруг вертикальной оси. Пятым независимым движением является движение схвата. При осуществлении любых перемещений при остановленном поворот-ном столе 4 деталь, удерживаемая схватом 1, не меняет своей ориентации в пространстве. Ориентация в горизонтальной плоскости меняется при пово-роте стола 4. Конструкция обеспечивает прямолинейное движение детали при установке ее в оборудование. Это качество становится особенно ценным при выполнении ряда операций. В этом случае при перемещении объекта по какой-либо иной траекто-рии (например, по дуге окружности) требуется повышенная точность выпол-нения движения, либо применение специальных схватов, обеспечивающих некоторую свободу удержания детали по одной или двум координатам. При осуществлении движения руки робота в цилиндрической системе координат ориентация детали в горизонтальной плоскости также изменяется, вследствие чего при необходимости восстановления первоначального поло-жения детали оно корректируется поворотом кисти вокруг вертикальной оси. Способность руки манипулятора двигаться в цилиндрической системе координат можно использовать при обслуживании большого количества процессов. Наличие двух прямолинейных перемещений облегчает разработ-ку планировок рабочих мест оборудования с роботом, оценку того; и иного конкретного применения, расчет времени рабочего цикла и т. д. В конструк-циях этих манипуляторов для ориентации в пространстве обычно преду-сматривается не более двух степеней свободы.

Подход к унификации синтеза автоматов Мура

Рисунок 4.1 – Схема манипулятора с четырьмя степенями свободы

В ряде случаев создаются манипуляторы с большим числом степеней свободы. Установлено, что нередко выгодней иметь в конструкции одну или несколько дополнительных степеней свободы, чем создавать большое коли-чество специальных подающих и ориентирующих устройств, а также пере-двигать и заново устанавливать оборудование. Дополнительные степени свободы целесообразно предусматривать и в тех случаях, когда в процессе работы руке манипулятора приходится обхо-дить препятствия и когда для ввода детали в рабочую зону требуется прямо-линейное движение. Поэтому для придания большей универсальности, гиб-кости, обеспечения возможности работать в труднодоступных местах созда-ются манипуляторы роботов с шестью, семью, восьмью и более степенями свободы. Дополнительная степень свободы появляется при установке на колеса модификации робота, базовая модель которого устанавливается неподвижно на полу. В этом случае робот может перемещаться по направляющим, укрепленным на полу либо на кран-балке.

Выводы

Разработано исполнительное устройство для высокоточных перемещений в хирургии, которое предназначено для измерительного контроля линейных перемещений манипулятора робота-хирурга. Данное устройство входит в состав системы автоматичного контроля и управления манипулятора движения робота-хирурга.

Цель разработки – повышение точности линейных перемещений манипулятора робота-хирурга с соответствующим формирования сигналов управления его исполнительными механизмами.

Устройство предназначено для измерительного контроля линейных перемещений манипулятора робота хирурга в двух диапазон измерений: от 0 до 10 мм и от 0 до 2 мм.

Конструктивно устройство представлено в виде двух блоков: схемы согласования с измерительными датчиками и цифрового блока, который выполняет все необходимые расчеты и связь с центральным процессором робота-хирурга. Устройство обеспечивает: – первый диапазон измерения перемещения, мм от 0 до 2; – значение абсолютной погрешности измерения первого диапазона перемещения, мм не более 0,01; – второй диапазон измерения перемещения, мм от 0 до 10; – значение абсолютной погрешности измерения второго диапазона перемещения, мм не более 0,05; – диапазон изменения выходного тока кабельного усилителя, мА от 0 до 5; – диапазон изменения входного напряжения АЦП, UIN, B от 0 до 5; – форма выходного напряжения ГГС синусоидальная; – действующее значение напряжения ГГС, В 2,5; – стабильностью амплитуды, % не более 0,1; – частота колебаний ГГС, кГц от 3 до 5; – относительная нестабильность частоты выходного сигнала ГГС не больше 10–3; – выходной ток ГГС, мА не менее 100; – выходная мощность, Вт не менее 0,25.

Список источников

  1. Да Винчи со скальпелем: топ-5 роботов-хирургов и медсестра в придачу [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.dsnews.ua/future/da-vinchi-so-skalpelem-top-5-robotov-hirurgov-i-medsestra-16092014131500. – Дата доступа: июнь 2016. – Загл. с экрану.
  2. Бансявичюс Р.Ю. Промышленные роботы для миниатюрных изделий / Р.Ю. Бансявичюс, А.А. Иванов, Н.И. Камышный и др.; под ред. В.Ф. Шаньгина. – М.: Машиностроение, 1985. – 264 с.
  3. Андреенко С.Н. Проектирование приводов манипуляторов / С.Н. Андреенко, М.С. Ворошилов, Б.А. Петров. – М.: Машиностроение.Ленингр. отд-ние, 1975. – 312 с.
  4. Егоров Ю.Н. Системы привода роботов / Ю.Н. Егоров. – Л.: Изд. ЛГУ, 1982. – 336 с.
  5. Иванов А.А. Проектирование систем автоматического манипулирования миниатюрными изделиями / А.А. Иванов. – М.: Машиностроение, 1981. – 272 с.
  6. Кулешов В.С. Динамика систем управления манипуляторами / В.С. Кулешов, Н.А. Лакота. – М.: Энергия, 1971. – 304 с.
  7. Медведев В.С. Системы управления манипуляционных роботов / В.С. Медведев, А.Г. Лесков, А.С. Ющенко. – М.: Наука, 1978. – 416 с.
  8. Промышленная робототехника /под ред. Я.А. Шифрина. – М.: Машиностро-ение, 1982. – 415 с.
  9. Попов Е.П. Манипуляционные роботы. Динамика и алгоритмы / Е.П. Попов, А.Ф. Верещагин, С.Л. Зенкевич. – М.: Наука, 1978. – 398 с.
  10. Бансявичюс Р.Ю. Вибродвигатели / Р.Ю. Бансявичюс, К.М. Рагульскис. – Вильнюс: Мокс- лас, 1981. – 192 с.
  11. Клингман Э. Проектирование микропроцессорных систем / Э. Клингман; пер. с англ.; под ред. С.Д. Пашкеева. – М.: Мир, 1980. – 572 с
  12. Андрианов Ю.Д. Управляющие системы промышленных роботов / Ю.Д. Андрианов, Л.Я. Глейзер, М.Б. Игнатьев и др. – М.: Машиностроение. 1984. – 288 с.
  13. Вульфет Дж. Датчики в цифровых системах / Дж. Вульфет; пер. с англ. под ред. В.В. Малова. – М.: Энергоатомиздат, 1981. – 200 с.
  14. Аш. Ж Датчики измерительных систем / Ж. Аш. – М.: Мир, 1992.–480с.
  15. Схемотехніка електронних систем: підруч. для вищ. навч. закл.: у 3 т. Т. 1 Аналогова схемотехніка та імпульсні пристрої; Т. 2 Цифрова схемотехніка; Т. 3 Мікропроцесори та мікроконтролера / В.І. Бойко, А.М. Гуржій, В.Я. Жуйков, А.А. Зорі, В.М. Співак, Т.О. Терещенко. – 2-ге вид., допов. і переробл. – К.: Вища школа, 2004. – 1188 с.
  16. Основи технічної електроніки: підручник у 2 т. Т. 2. Схемотехніка / В.І. Бойко, В.Я. Жуйков, А.А. Зорі, В.М. Співак, Т.О. Терещенко. – К.: Вища шк., 2007. – 512 с.
  17. Скаржепа В.А. Электроника и микросхемотехника: сборник задач /В.А. Скаржепа, В.И. Сенько; под. общ. ред. А.А. Краснопрошиной. – К.: Вища школа, 1989. – 232 с.
  18. Терещук Р.М. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: спра-вочник радиолюбителя / Р.М. Терещук, К.М. Терещук, С.А. Седов. – 4-е изд. стер. – К.: Наукова думка, 1989. – 800 с.
  19. . Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: учеб. для вузов / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. – 4-е изд., доп. – М.: Высш. шк., 2006. – 799 с
  20. Хоровиц П. Искусство схемотехники: монография / П. Хоровиц, У. Хилл; пер. с англ. – 7–е изд., перераб. и доп. – М.: БИНОМ, 2009. – 704 с.
  21. Щербаков В.И. Электронные схемы на операционных усилителях: [справоч-ник] /В.И. Щербаков, Г.И. Гнездов. – К.: Техника, 1983. – 213 с.
  22. Титце У. Полупроводниковая схемотехника: в 2 т.: пер. с нем. – Т.1. –/У. Титце, К. Шенк. – М.: Додэка–ХХI, 2008. – 832 с.
  23. Опадчий Ю.Ф. / Аналоговая и цифровая схемотехника (Полный курс): учеб-ник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; под ред. О.П. Глудкина. – М.: Горячая Линия – Телеком, 2000. – 768 с.