ДонНТУ   Портал магістрів

Анісков Антон Олександрович

Факультет комп'ютерних інформаційних технологій і автоматики

Кафедра електронної техніки

Спеціальність Електроніка та наноелектроніка

Розробка виконавчого пристрою для високоточних переміщень в хірургії

Науковий керівник: д.т.н., доц. Борисов Олександр Олексійович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета розробки
• 3.Аналіз сучасних розробок в сфері роботизації в хірургії
• 3.1 Аналіз основних видів виконавчих пріводовперемещенія і маніпуляції
• 3.2 Аналіз методів та засобів вимірювання високоточних лінійних переміщень
• 3.3 Постановка задачі проектування пристрою для високоточних переміщень в хірургії
• 4. Розробка конструкції проектованого пристрою
• Висновки
• Список джерел

Вступ

В даний час в умовах відносної стабілізації зростання попиту на промислові роботи середньої вантажопідйомності чітко позначення-чилась тенденція збільшення попиту на легкі і надлегкі роботи. Це пояснюється головним чином тим, що забезпечення точності і стабільності багатьох процесів і операцій, в тому числі складальних, в умовах розширити-ющейся номенклатури і дрібно-серійності неможливо без використання промислових роботів. Автоматизація на основі промислових роботів, безсумнівно, є вищим ступенем творчості багатьох поколінь людей в їх прагненні створити собі універсальних помічників. Роботи в медицині існують вже більше 25 років. Коли в США нача-лась розробка космічних програм, виникло питання, що робити, якщо астронавтам під час перебування на орбіті вимагають негайного хі-рургіческое допомога? Звичайно, для цього було недоцільно створювати окрему космічну станцію або модуль, в якому був би розміщений традицион-ний операційний зал і постійно перебувала бригада хірургів. Для ре-шення цього завдання фахівці NASA розробили хірургічного робота, який управлявся лікарями та інженерами з Землі виходячи з аналізу індивідуальн-ного стану астронавта. Напрацьовані раніше в космічній і військовій сферах технології при-вели до появи в медицині роботів, які дозволяють максимально точно виконувати найскладніші хірургічні маніпуляції. І хоча описуваного у фантастичній літературі андроїда-лікаря, повністю замінює чоло-століття, поки не придумали, існують роботи, що виконують окремі функції набагато краще, ніж найдосвідченіші живі хірурги.

1. Актуальність теми

З питань створення високоточних механізмів і систем роботів для мініатюрних виробів технічної літератури в даний час прак-тично немає. Багато методів забезпечення високої точності роботів досі залишаються в деякій мірі долею мистецтва в області технології і механіки. Все це підтверджує актуальність і складність завдання, поставленого в роботі.

2. Мета розробки

Мета розробки - підвищення точності лінійних переміщень маніпулятора робота-хірурга з відповідним формування сигналів управління його виконавчими механізмами.

3. Аналіз сучасних розробок в сфері роботизації в хірургії

Одна з кращих розробок в цій сфері - універсальний робот-хірург Da Vinci від компанії Intuitive Surgical Inc. Це універсальна робо-тізірованная система, яка використовується клініками усього світу. C допомогою Da Vinci проводять операції на самих різних органах. Фотографія роботи універсального робота-хірурга Da Vinci приведена на малюнку. 1.1

3.1 Аналіз основних видів виконавчих приводів переміщення і маніпуляції

Функціонально в структурі роботів для мініатюрних виробів можна виділити наступні складові частини: виконавче і управляє пристрою, робочий орган і інформаційну систему. Виконавчий пристрій забезпечує виконання всіх двигун-них функцій робота, являє собою сукупність рухливо з'єднаний-ланок і конструктивно складається з наступних основних вузлів: несу-щих конструкцій, приводів, передавальних і виконавчих механізмів. Інформаційна система забезпечує прийом інформації про стан промислового робота і зовнішнього середовища, перетворення і передачу інформації в пристрій управління, а також обмін інформацією між ро-ботом і іншим разом працюють з ним пристроєм і оператором. Пристрій управління (система управління) забезпечує можли-ність програмування робота, зберігання програми, а також її воспро-вання, коригування та налагодження. Воно призначене для формування і видачі керуючих впливів виконавчій системі відповідно до заданої програмою, що управляє; організовує роботу інформаційної системи і синхронізує всі процеси обміну інформацією між роботом і різними зовнішніми пристроями. Створення промислового робота для малих і мініатюрних виробів пов'язане з розвитком і вдосконаленням кожної з цих систем, а спеці-Фіка таких роботів визначається необхідністю забезпечення сравнітель-но високих вимог до точності позиціювання і надійності.

3.2 Аналіз методів і засобів вимірювання високоточних лінійних переміщень

Тензометричні методи вимірювання лінійних переміщень Тензорезистори серед усіх тензометрів знайшли найбільш широке застосування. Зміни форми будь-якої деталі, зумовлені дією зовнішніх або внутрішніх сил, які супроводжуються спотворенням (дефор-мацией) її поверхні. Закріплений на цій поверхні тензорезистор сприймає деформації об'єкта вимірювання і змінює при цьому свій електричне со-опір. Зміна опору є мірою виникла деформує-ції, вона може бути виміряна підключеними до тензорезисторами приладами, які показують чи зареєструють. Тензорезистор - пасивний перетворювач, тому необхідно по-давати на нього живлення від електричного джерела напруги, причому для цього можна використовувати як постійне, так і змінну напругу. Чув-ствительность елементом тензорезисторов є так званими решіт-ка, виконана з тонкого електричного провідника. У звичних фор-мах виконання закладена тонкоплівкова полімерна основа, електрично ізольована від об'єкта вимірювання. Їй передаються деформація і захищає від поврежде-ний. Для полегшення підключення проводів використовуються точки припайки, висновки у вигляді смуг або тонкого дроту.

Методи вимірювань переміщень з електричної системою перетворення При допомогою тензометрів вимірюється зміна довжини деякої ба-зи. Ця зміна визначається переміщенням рухомої опорної призми відносно нерухомої точки. Сигнал, що знімається з такого тензометра, пропорційний; таким чином, вони дуже близькі до перетворювачів переміщень і відрізняються від останніх не за принципом вимірювання, а толь-ко формою і деталями конструкції відповідно до завдань вимірювання. Системи цього типу зазвичай називають тензометрами, оскільки вони, як правило, дозволяють визначити відносну деформацію.

3.3 Постановка завдання проектування пристрою для високоточних переміщень в хірурги

Розроблювальний пристрій призначений для вимірювального контролю переміщень робота-хірурга. Пристрій повинен бути розробити конструкцію тано на основі мікропроцесорної системи, передавати отриману ін-формацію з датчиків лінійного переміщення для подальшої обробки з формуванням відповідних впливів для маніпуляції робота-хірурга. Для формування сигналів управління виконавчими механиз-мами робота-хірурга необхідно виконувати контроль лінійного переме-щення для двох діапазонів вимірювання, при цьому другий діапазон виміру становить від 0 до 10 мм і призначений для початкового визначення пере-ня. Перший діапазон, який здійснює вимірювання в діапазоні від 0 до 2 мм, призначене для остаточного визначення переміщень. Відносне значення лінійного переміщення вимірюється привчає-ними перетворювачами лінійного переміщення. Розраховується відноси-вування і абсолютне значення лінійного переміщення і передається в пристрій, яке виконує розрахунок значення переміщення. якщо відносне значення виходить за межі допусків, пристрій передає информацион-ні сигнали на виконавчі механізми робота-хірурга для коректив-ровки процесу переміщення. Розроблювальний пристрій має входити до складу більш складної автоматизованої системи контролю та управління переміщенням і мані-пуляціях робота-хірурга. Конструктивно пристрій повинен бути пред-ставлено у вигляді двох блоків: схеми узгодження з вимірювальними Датч-ками і цифрового блоку, що виконує всі необхідні розрахунки і зв'язок з центральним процесором робота-хірурга. Пристрій вимірювального контролю лінійного переміщення робота-хірурга повинно відповідати таким вимогам: - перший діапазон виміру переміщення, мм від 0 до 2; - значення абсолютної похибки вимірювання першого діапазону переміщення, мм не більше 0,01; - другий діапазон виміру переміщення, мм від 0 до 10; - значення абсолютної похибки вимірювання другого діапазону переміщення, мм не більше 0,05; - діапазон зміни вихідного струму кабельного підсилювача, мА від 0 до 5; - діапазон зміни вхідного напруги АЦП, UIN, B від 0 до +5. Для забезпечення цього необхідно вибрати тип первинного перетворень-зователя переміщення, розробити схему передачі інформації в мікро-процесорний блок, розробити структурну схему пристрою, а також розробити конструкцію зовнішнього вигляду корпусу.

4. Розробка конструкції проектованого пристрою

При розробці конструкцій роботів велика увага приділяється вибору системи координат, в якій повинно здійснюватися переміщення руки. У конструкціях маніпуляторів роботів можна використовувати прямоуголь-ву, циліндричну і сферичну системи координат. Маніпулятори, що працюють в прямокутній системі координат, ча-ще всього представляють собою пристрої, встановлені в каретці, яка підвішена на напрямних під або над устаткуванням, що обслуговується. Рука такого маніпулятора може опускатися вниз, переміщатися відноси-кові каретки в поперечному напрямку і разом з кареткою - уздовж направляю щих. На рис. 4.1 показана схема маніпулятора з чотирма ступенями свободи, у якого рука 3 з пензлем 2 має три ступені свободи, переміщаючись в рухомий системі прямокутних координат, пов'язаної з поворотним столом 4. Четверта ступінь свободи реалізується при повороті столу навколо вертикальної осі. П'ятим незалежним рухом є рух схвата. При здійсненні будь-яких переміщень при зупиненому поворот-ном столі 4 деталь, яка утримується схопив 1, не змінює своєї орієнтації в просторі. Орієнтація в горизонтальній площині змінюється при пово-роті столу 4. Конструкція забезпечує прямолінійний рух деталі при установці її в обладнання. Це якість стає особливо цінним при виконанні ряду операцій. В цьому випадку при переміщенні об'єкта з якої-небудь іншої траекто-рії (наприклад, по дузі кола) потрібна підвищена точність виконан-ня руху, або застосування спеціальних схопив, що забезпечують деяку свободу утримання деталі по одній або двох координатах. При здійсненні руху руки робота в циліндричній системі координат орієнтація деталі в горизонтальній площині також змінюється, внаслідок чого при необхідності відновлення первісного поло-ження деталі воно коригується поворотом кисті навколо вертикальної осі. Здатність руки маніпулятора рухатися в циліндричній системі координат можна використовувати при обслуговуванні великої кількості процесів. Наявність двох прямолінійних переміщень полегшує разработ-ку планувань робочих місць обладнання з роботом, оцінку того, і іншого конкретного застосування, розрахунок часу робочого циклу і т. д. У конструк-ціях цих маніпуляторів для орієнтації в просторі зазвичай перед-розглядати не більше двох ступенів свободи.

У ряді випадків створюються маніпулятори з великим числом ступенів свободи. Встановлено, що нерідко вигідніше мати в конструкції одну або кілька додаткових ступенів свободи, ніж створювати велику кіль-кість спеціальних подають і орієнтують пристроїв, а також пере-рухати і заново встановлювати обладнання. Додаткові ступеня свободи доцільно передбачати і в тих випадках, коли в процесі роботи руці маніпулятора доводиться обхо-дить перешкоди і коли для введення деталі в робочу зону потрібно прямо-лінійне рух. Тому для надання більшої універсальності, гинув-кістки, забезпечення можливості працювати в важкодоступних місцях ство-ються маніпулятори роботів з шістьма, сім'ю, вісьмома і більше ступенями свободи. Додаткова ступінь свободи з'являється при установці на колеса модифікації робота, базова модель якого встановлюється нерухомо на підлозі. У цьому випадку робот може переміщатися по напрямних, укріпленим на підлозі або на кран-балки.

Висновки

Розроблено виконавчий пристрій для високоточних переміщень в хірургії, який призначений для вимірювального контролю лінійних переміщень маніпулятора робота-хірурга. Цей пристрій входить в склад системи автоматичного контролю і управління маніпулятора руху робота-хірурга.

Мета розробки - підвищення точності лінійних переміщень маніпулятора робота-хірурга з відповідним формування сигналів управління його виконавчими механізмами.

Пристрій призначений для вимірювального контролю лінійних переміщень маніпулятора робота хірурга в двох діапазон вимірювань: від 0 до 10 мм і від 0 до 2 мм.

Конструктивно пристрій представлено у вигляді двох блоків: схеми узгодження з вимірювальними датчиками і цифрового блоку, який виконує всі необхідні розрахунки і зв'язок з центральним процесором робота-хірурга. Цей пристрій підтримує роздільну: - перший діапазон виміру переміщення, мм від 0 до 2; - значення абсолютної похибки вимірювання першого діапазону переміщення, мм не більше 0,01; - другий діапазон виміру переміщення, мм від 0 до 10; - значення абсолютної похибки вимірювання другого діапазону переміщення, мм не більше 0,05; - діапазон зміни вихідного струму кабельного підсилювача, мА від 0 до 5; - діапазон зміни вхідного напруги АЦП, UIN, B від 0 до 5; - форма вихідної напруги ГГС синусоїдальна; - діюче значення напруги ГГС, В 2,5; - стабільністю амплітуди,% не більше 0,1; - частота коливань ГГС, кГц від 3 до 5; - відносна нестабільність частоти вихідного сигналу ГГС не більш 10-3; - вихідний струм ГГС, мА не менше 100; - вихідна потужність, Вт не менше 0,25.

Список джерел

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.