Robotik minimal invazif cerrahi için 4 serbestlik dereceli bilek-tutucu mekanizmasının geliştirilmesi

Minimal invaziv cerrahi, hasta vücudunda açılan veya doğal olarak bulunan deliklerden yerleştirilen kamera ve el aletleriyle yapılan operasyonlara verilen genel isimdir. Günümüzde gelişen teknoloji ile yaygın bir şekilde kullanılmaya başlanan robotik minimal invaziv cerrahi ise 3 boyutlu görüntü sağlayan kameralar ve robotik yardımıyla operasyonların daha hassas ve kontrollü bir şekilde gerçekleştirilmesine olanak verir. Ancak, günümüzde kullanılan robotik cerrahi sistemlerine bakıldığında insan elinin hareketlerini vücut içerisinde gerçekleştirebilen ve aynı zamanda cerraha kuvvet iletimini gerçekleştirebilen forseps mekanizmaları bulunmamaktadır.Bahsedilen eksiklikleri gidermek için 1.5-2 cm’lik delikten geçebilen 4 serbestlik derecesine ve insan el bileğinden daha fazla hareket kapasitesine sahip bir paralel bilek mekanizması geliştirilmiştir. 360 derece roll, 90 derece pitch-yaw eksenlerinde dönme hareketi ve makas açma-kapama hareketi yapabilen bu mekanizma rijit çubuklar yardımıyla vücut dışından kontrol edilebilmektedir. Forsepsin altına yerleştirilen dönel motor sayesinde ise 360 derece roll hareketi yapılabilmektedir. Tasarımda pitch-yaw-makas hareketleri paralel mekanizma aracılığıyla özgün bir tasarım sayesinde 3 lineer motorun koordineli hareketi aracılığıyla kontrol edilmekte, roll hareketi ise mekanizma tabanına yerleştirilen bir dönel motor aracılığıyla kontrol edilmektedir.Bu tezde tasarlanan bilek mekanizmasının öncelikle kinematik modeli elde edilen kinematik denklemler kullanılarak forseps mekanizmasının çalışma uzayı belirlenmiştir ve tekillik analizi yapılmıştır.Daha sonra sistemin simülasyon ortamında dinamik modeli elde edilerek, pozisyon kontrolcüsü geliştirilmiş ve sistemin fizibilitesi gösterilmiştir. Simülasyon ortamındaki bu forseps mekanizması, ticari bir kumanda kolu olan Novint Falcon yardımıyla istenen eksenlerde dışarıdan hareket ettirilmiş ve pozisyon kontrolü sonuçları geliştirilen teorik modelin doğruluğunu göstermiştir.--------------------Minimal invasive surgery is the name given to operations performed with endoscopic cameras and instruments that can enter the patient body through small incisions or natural orifices. Robotic minimally invasive surgery, which is widely used today with developing technology, enables operations to be performed in a more precise and controlled manner with the help of cameras that provide 3-D images. However, the forceps wrist-gripper mechanisms used for robotic surgery cannot achieve the dexterous motion of the human hand and achieve force feedback to the surgeon at the same time.For that purpose, in this thesis study, a parallel wrist mechanism that has 4 degrees of freedom, is more dexterous than the human wrist and can pass through 1.5-2 cm incisions/ports has been designed to remedy the deficiencies. The proposed parallel wrist-gripper mechanism has the capability of performing 360-degree roll, 90-degree pitch, and yaw rotations as well as grasping motion. The pitch, yaw and grasping motions are controlled by the coordinated motion of three linear actuators which are extracorporeally placed, and the roll motion is achieved by a rotary motor placed beneath the parallel mechanism. In this thesis, firstly, a kinematic model of the proposed forceps mechanism is derived, and then the workspace and singularity analysis of the wrist mechanism is performed. Then a dynamic model of the system has been created in a computational simulation environment to show the feasibility of the proposed design. Finally, the dynamical forceps model developed in the simulation environment is controlled through a commercially available haptic interface, Novint Falcon. These results verify the feasibility of the proposed system and the analytical model.