Development of a sensorless haptic teleoperation system for robotic minimally invasive surgery - Yılmaz, Nural (My University, 2019)
Minimal invazif cerrahi, hasta vücuduna küçük insizyonlardan girilerek dışarıdan kontrol edilebilen özel enstrümanlarla operasyon yapılmasıdır. Robotik minimal invazif cerrahi ise cerrahlara operasyon sırasında daha fazla hassasiyet, esneklik ve kontrol kazandırmaktadır. Bu sayede, ameliyatlar daha düşük enfeksiyon riski ve hızlı taburcu imkanı ile daha kolay bir şekilde gerçekleştirilebilmektedir. Ancak, günümüzde kullanılan cerrahi robotlarda operasyonlarda transmisyon sisteminden kaynaklı problemler yaşanmakta ve vücut içerisinde dokunma hissi cerraha iletilememektedir.Bahsedilen problemi çözmek amacıyla Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu tarafından desteklenen bir proje kapsamında 1.5-2cm’lik bir delikten geçebilen, insan bileği hareketlerini yapabilen ve vücut dışarısından rijit çubuklarla kontrol edilen 3-serbestlik-dereceli paralel bilek mekanizması tasarlanmıştır. Mekanizmanın ucuna mikro motor bağlanmasıyla makas açma-kapama hareketi ile birlikte vücut içerisinde 4-serbestlik-derecesinde bir robotik forseps elde edilmiştir. Rijit transmisyon kullanıldığından forsepse etki eden kuvvetler, tez kapsamında geliştirilen kestirim metodu ile motorlarda oluşan kuvvetlerden hesaplanabilmektedir. Ayrıca, bu forsepsin 7-eksenli robot koluna monte edilmesiyle hasta içerisinde x-y-z yönlerinde yer değiştirme, pitch-yaw-roll eksenlerinde dönüş ve tutucu ekseninde açma-kapama olmak üzere 7-serbestlik-derecesine ulaşılmaktadır.Bu tezde dinamik denklemleri bilinmeyen ve kuvvet sensörü bulunmayan herhangi bir robota dıştan etki eden kuvvet-torkların kestirimini sağlayan bir metot geliştirilmiştir. Bu metot ile forseps mekanizmasında kuvvet kestirimi ve tümör tespiti deneyleri yapılmıştır. Daha sonra, bu metot temel alınarak 7-serbestlik-dereceli cerrahi robotun kuvvet-tork ilişkileri elde edilip kuvvet kestirimi çalışmaları yapılmış ve sonuçlar her eksende sırasıyla doğrulanmıştır.Son olarak geliştirilen kestirim metodu kullanılarak, ticari Phantom Omni robotları için teleoperasyon mimarileri tasarlanmıştır. Teleoperasyon sırasında robotlara etki eden kuvvetler, kuvvet sensörü kullanılarak doğrulanmıştır ve hassas sonuçlar ile metodun işlevselliği de kanıtlanmıştır.

Minimally invasive surgery is a medical procedure where the surgeon operates on a patient with special instruments that enter the body through small incisions. Compared with minimally invasive surgery, robotic minimally invasive surgery gives surgeons flexibility and more accurate control during operations. However, the surgical robots used today have problems due to their transmission and control systems and cannot transmit the sense of touch to the surgeon within the body.Within the scope of a project supported by The Scientific and Technological Research Council of Turkey, a 3-degrees-of-freedom parallel wrist mechanism that is capable of mirroring human wrist motions, and that can pass through incisions of 1.5cm has been designed to solve the stated problem. By mounting a linear motor actuated gripper on the wrist, the resulting forceps has 4-degrees-of-freedom inside the body. Due to the use of rigid transmissions, the forces acting on the forceps can be calculated from the joint motors by an estimation method developed within the scope of this thesis. By mounting the mentioned forceps on a 7-axis robotic arm, 7-degree-of-freedom motion in the body with translation in x-y-z directions, rotation in pitch-yaw-roll axes and gripping is achieved.The main contribution of this thesis is a method for force sensorless external force-torque estimation that can be implemented on any robot whose dynamic equations are not known. Force estimation and tumor detection experiments have been carried out on the developed robotic forceps using the proposed method. Then, Cartesian Space-Joint Space force transformations of the surgical robot were derived and force estimation studies were carried out on the 7-degrees-of-freedom system and the results were verified on each axis, separately.Finally, teleoperation architectures have been designed for the commercial robot Phantom Omni using the proposed method. The forces acting on the robots during teleoperation were validated with a force sensor, and the accuracy of the proposed method has been demonstrated.
Keywords: Makine mühendisliği; Mechanical engineering; Sensörsüz haptik teleoperasyon sistemi Sensorless haptic teleoperation system