Thiết kế, chế tạo robot delta kết hợp cơ cấu chuyển động quanh một tâm (remote center motion)

PHANăV NăTIÊN

ĐẠI HỌCăĐÀăN NG
TR ỜNGăĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHANăV NăTIÊN

LU NăV NăTHẠCăSĨăKỶ THU TăC ăKHÍ

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT DELTA KẾT HỢPăC ă
CẤU CHUYỂNăĐỘNG QUANH MỘT TÂM (REMOTE
CENTER MOTION)

LU NăV NăTHẠCăSĨăK THU T

N Mă2018

ĐƠăN ng - N mă2018


ĐẠI HỌCăĐÀăN NG
TR ỜNGăĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHANăV NăTIÊN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT DELTA KẾT HỢPăC ă
CẤU CHUYỂNăĐỘNG QUANH MỘT TÂM (REMOTE
CENTER MOTION)

Chuyên ngành: K thu tăC ăkhí
Mã số : 8.52.01.03

LU NăV NăTHẠCăSĨăK THU T

NG ỜIăH ỚNGăDẪNăKHOAăHỌC
TS. LÊ HOÀI NAM

ĐƠăN ng - N mă2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận án này là kết quả nghiên cứu của riêng
tác giả. Tất cả những tham khảo từ các nghiên cứu liên quan đều được nêu nguồn gốc
một cách rõ ràng. Những kết quả nghiên cứu và đóng góp trong luận văn chưa được
cơng bố trong bất kỳ cơng trình khoa học nào khác.
Tác giả luận văn
Học viên
Phan Văn Tiên


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam đã tận
tình hướng dẫn tơi thực hiện hồn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô, Cán bộ, Nhân viên của khoa Cơ KhíTrường Đại học Bách Khoa- ĐHĐN đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho
tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến gia đình của tơi, những người
thân đã chia sẻ mọi khó khăn, ln động viên tơi vượt qua khó khăn để hồn thành tốt
luận văn này.


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 2
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
Chương 1- TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................. 4
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong và ngồi nước về robot hỗ
trợ phẫu thuật nội soi. ......................................................................................... 4
1.1.1. Nền Y học thế giới ghi nhận: .................................................................... 4
1.1.2 Tại Việt Nam ............................................................................................. 4
1.2. Tổng quan về robot Delta – RCM ............................................................... 4
1.2.1 Giới thiệu về các loại robot song song 3 bậc kiểu tự Delta ........................ 4
1.2.2 Phân loại robot Delta. ................................................................................ 5
1.2.3 Ứng dụng của robot Delta........................................................................ 10
1.2.4. Giới thiệu các cơ cấu quay quanh tâm. ................................................... 13
Chương 2- NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT DELTA- RCM .... 21
Chương 3- MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA CƠ CẤU DELTA- RCM. .. 26
Chương 4: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT DELTA-RCM ..... 30
4.1.1 Động cơ ................................................................................................... 31
4.1.1. Động cơ dẫn động 3 trục ví me ............................................................... 31
4.1.2 Động cơ trục dẫn động cung thứ nhất ...................................................... 31
4.1.3. Động cơ dẫn động cung thứ 2. ................................................................ 32
4.2: Các thành phần cơ khí: .............................................................................. 33
4.2.1. Vit me..................................................................................................... 33
4.2.2. Vịng bi thanh đầu kéo ............................................................................ 33
4.2.5. Hai cung RCM: ...................................................................................... 35
Chương 5- THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT DELTA-RCM .... 36
5.1 Hệ thống điều khiển robot Delta- RCM: ..................................................... 36
5.1.2 Lưu đồ thực hiện: .................................................................................... 37
5.2 Thiết kế mạch điều khiển............................................................................ 37
5.2.2. Khối vi điều khiển .................................................................................. 38
5.2.3. Vi điều khiển Atmega328 ....................................................................... 39

5.2.4. Khối các cơng tắt hành trình giới hạn từng trục ...................................... 42
5.2.5 Giao diện giao tiếp vơi máy tính. ............................................................. 43
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................................... 44
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................... 45
DANH MỤC CÔNG TRÍNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ. ....................... 46


Abstract: Minimally Invasive Surgery (MIS) is the latest trend of surgery which the
surgical operation is done through small incisions. This type of surgery has many
advantages than conventional surgery such as shorter and less painful recover, less
invasive, safer so on. However, there are some disadvantages associated with MIS
such as limited field of view by using endoscopes and limiting motion of surgical
tools. To overcome these advantages of MIS, almost of all existing robotics that
assisted Minimal invasive surgery, have the Remote Center Motion mechanisms. This
paper presents an overview of some typical Remote Center of Motion (RCM)
mechanisms with graphical result conducted simulation on ADAMS VIEW and
kinematic analysis of a compact hybrid Delta – RCM robot that is developed for
assisting physicians to perform MIS.
Keyword: Delta robot; Parallel robot; Remote Center Motion;
Kinematic analysis; Minimally Invasive Surgery
Tóm tắt: Phẩu thuật nội soi là một phương pháp phẩu thuật thông qua những lỗ
nhỏ trên người bệnh nhân. Phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn so với phương
pháp mổ truyền thống như thời gian phục hồi nhanh hơn, vết sẹo mổ nhỏ hơn, ít đau
hơn và an tồn hơn. Tuy nhiên, trong phẩu thuật nội soi, mọi hoạt động phẩu thuật đều
thông qua các lỗ nhỏ nên bị giới hạn về không gian quan sát, và dụng cụ phẩu thuật
cũng bị giới hạn về vùng chuyển động. Để khắc phục các nhược điểm này, nhiều robot
trang bị cơ cấu chuyển động quanh một tâm (Remote Center Motion) đã được nghiên
cứu. Bài báo này sẽ trình bày mơ phỏng chuyển động của một số cơ cấu RCM thường

gặp trong các robot hỗ trợ phẩu thuật nội soi và trình bày phân tích động học của robot
Delta – RCM được đề xuất bởi nhóm tác giả.
Từ khóa: Robot delta; Robot song song; Remote Center Motion; Phân tích
động học; Phẩu thuật nội soi.


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1: Cấu trúc kiểu 3- PRPaR ............................................................................ 6
Hình 2: Cấu trúc kiểu RRPaR ................................................................................ 7
Hình 3: Cấu trúc kiểu 3-P2S2S .............................................................................. 8
Hình 4: Cấu trúc kiểu 3-R2S2S .............................................................................. 9
Hình 5: Úng dụng robot Delta trong gia cơng cơ khí .............................................. 10
Hình 6: Kết hợp với kỹ thuật sử lý ảnh, robot Delta được dung phổ biến cho cơng việc
phân loại hàng hóa.............................................................................................. 11
Hình 7: Cơ cấu song song Stewart mô phỏng thiết bị bay ....................................... 11
Hình 8: Sản phẩm Suriscope của cơng ty Thụy Điển đang vận hành ........................ 12
Hình 9: Robot CRIGOS dùng để phẩu thuật tái tạo xương...................................... 13
Hình 12: Ứng dụng cơ cấu RCM hình bình hành trong siêu âm .............................. 15
Hình 13: Mơ phỏng cơ cấu cung trịn ................................................................... 16
Hình 14: Ứng dụng cơ chế hình cầu ..................................................................... 17
Hình 15: Mơ phỏng cơ chế hình cầu ..................................................................... 18
Hình 16: Ví dụ robot truyền đai ........................................................................... 19
Hình17: Ứng dụng các cơ cấu chuyển động song song trong RCM ......................... 20
Hình 18: Mơ tả điểm Bo xoay một góc β1 đển điểm B1 quanh trục y ....................... 23
Hình 19: Tọa độ của điểm C ................................................................................ 24
Hình 20: Xoay hệ tọa độ x’y’z’ đến hệ tọa độ xyz ................................................. 25
Hình 21: Mơ phỏng kết quả của robot Delta .......................................................... 26
Hình 22: Mơ phỏng chuyển động của cơ cấu cung trịn RCM ................................. 27
Hình 23: Vị trí của khớp trục vit me. .................................................................... 28
Hình 24: Vị trí tọa độ O1, O2 trên 2 cung RCM .................................................... 28

Hình 25: Vận tốc tọa độ O1, O2 của 2 cung RCM. ................................................ 29
Hình 26: Mơ hình robot lai Delta- RCM ............................................................... 30
Hình 27: Động cơ bước trục vít me ...................................................................... 31
Hình 28: Động cơ bước cung trịn ....................................................................... 32
Hình 29: Động cơ bước dẫn động cung trịn .......................................................... 32
Hình 30: Trục vít me .......................................................................................... 33


Hình 31: Khớp cầu ............................................................................................. 34
Hình 32: Tấm đế di động .................................................................................... 35
Hình 33: Cung RCM .......................................................................................... 35
Hình 34: Lưu đồ của quá trình điều khiển ............................................................. 37
Hình 35: Nguồn chuyển đổi 220V- 12VDCV ........................................................ 38
Hình 36: Khối điều khiển board Arduino .............................................................. 38
Hình 37: Sơ dồ linh kiện Board Arduino............................................................... 39
Hình 38: Vi điều khiển ATmega328 ..................................................................... 40
Hình 39: Khối vi điều khiển thưc tế dùng trong mơ hình ........................................ 41
Hình 40: Khối cơng tắt hành trình giới hạn trục ..................................................... 42
Hình 41: Giao diện giao tiếp với máy tính. ........................................................... 43


1

MỞ ĐẦU
Tóm tắt: Ngày nay, phẫu thuật nội soi được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong công
nghiệp và y học điều trị các bệnh lý, đặc biệt là trong phẫu thuật ổ bụng. Trái với phương
pháp phẫu thuật truyền thống, ở đó bác sĩ phải tạo vết mổ lớn trên cơ thể bệnh nhân thì
phẫu thuật nội soi là một phương pháp phẫu thuật thông qua những lỗ nhỏ trên người
bệnh nhân. Chính vì vậy, phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp mổ
truyền thống như là: bệnh nhân ít mất máu, thời gian phục hồi nhanh hơn, vết sẹo mổ nhỏ

hơn, ít đau và an toàn hơn. Tuy nhiên, phương pháp mổ nội soi vẫn còn một số hạn chế:
-

Mọi hoạt động của phương pháp phẫu thuật này đều thông qua các lỗ nhỏ nên bị

giới hạn về không gian quan sát.
-

Dụng cụ phẫu thuật bị giới hạn về vùng chuyển động.
Đầu những năm 1980, công ty Intuitive Surgical Inc. (Sunnyvale, CA) đã giới

thiệu robot hỗ trợ phẫu thuật Da Vinci . Năm 2013, Khoa kỹ thuật Cơ khí và Kỹ thuật
Hàng khơng, trường Đại học Monash, Melbourne, Úc thiết kế và chế tạo thực nghiệm
Robot PRAMISS [2]. Robot này là sự kết hợp tối ưu giữa robot song song 6 bậc tự do –
Steward Platform và cơ cấu song song RPRR (R – khớp quay, P – Khớp tịnh tiến) hỗ trợ
phẫu thuật nội soi với độ chính xác cao [2]. Năm 2014, các giáo sư tại trường Đại học
Trung văn Hồng Kông nghiên cứu robot bốn bậc tự do hỗ trợ phẫu thuật cắt tử cung [3].
Hay các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Tianjin, Trung Quốc cũng đề xuất một cơ cấu
cơ khí 4 bậc tự do, trong đó có hai bậc tự do khớp cổ xoay để hỗ trợ phẫu thuật nội soi
[4]. Robot Davinci của hãng Intuitive Surgica với hơn 4 triệu ca phẩu thuật từ năm 2000
đến nay. Tuy nhiên nó cũng có nhiều biến chứng sau mổ cụ thể từ 1/2000 đến 8/2012 có
hang ngàn sự cố do robot này phẫu thuật được báo cáo đến FDA. Một nghiên cứu trung
tâm y khoa Johns Hopkins thực hiện cơng bố trên tạp chí the Journal for healthcare
Quality tháng 8/2013 cho thấy trong số 248 sự cố do phẩu thuật robot so FDA ghi nhận
có 174 ca tổn thương và 71 ca tử vong. Biến chứng sau phẩu thuật xảy ra đối với 20%
bệnh nhân theo dữ liệu viện Y khoa quốc gia Hoa Kỳ. và nguyên nhân chủ yếu do độ
chính xác cứng vững của robot và một phần do bác sĩ phẫu thuật. Robot được đánh giá
khá chậm cham và cồng kềnh. Để khắc phục các nhược điểm này, nhiều robot trang bị cơ
cấu chuyển động quanh một tâm RCM (viết tắt của Remote Center of Motion) đã được
nghiên cứu. Loại robot này có nhiều ưu điểm là độ cứng vũng cao, tuy có khơng gian làm

việc bị hạn chế và xuất hiên các điểm kỳ dị làm cho robot thừa hoặc thiếu các


2

bậc tự do nhưng loại này có điểm mạnh là độ cứng vững cao do sự ràng buộc giữa các
khâu của chuỗi động học kín, khớp truyền động là cố định và đặc biệt hơn là có thể thực
hiện các chuyển động với vận tốc cao mà không sợ bị hạn chế về mặt quán tính.Từ khi
xuất hiện lần đàu tiên vào năm 1947 với cơ cấu hexapod do tiến sĩ Eric phát minh ra đến
nay, robot song song đã có những chặng đường phát triển khá dài với nhiều thành tựu
nổi bật. Robot song song cũng có rất nhiều loại từ 2 bậc tự do đến 6 bậc tự do và hơn thế
nữa. Chính vì nhiều ưu điểm về độ cứng vững và tốc độ làm việc cao mà nhiều nhà khoa
học nghiên cứu đưa vào ứng dụng thay thế cho máy công cụ và y học. Lĩnh vực nghiên
cứu robot trong y sinh đang thu hút sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học trên thế
giới. Tuy nhiên hiện nay các đề tài nghiên cứu robot trong y sinh vẫn còn rất hạn chế tại
Việt Nam. Chính vì vậy, tác giả đề xuất đề tài “Thiết kế, chế tạo robot Delta kết hợp cơ
cấu chuyển động quanh một tâm (Remote Center Motion)”.
Luận văn này đặt ra các vấn đề nghiên cứu như sau:
1. Mục tiêu nghiên cứu:
Tiến hành nghiên cứu các mơ hình robot và các cơ cấu cơ khí chuyển động quanh
một tâm RCM đã được ứng dụng trong phẫu thuật nội soi trên thế giới. Trên cơ sở đó sẽ
đề xuất mơ hình robot lai giữa robot song song Delta và cơ cấu chuyển động quanh một
tâm RCM (Delta–RCM robot) nhằm hỗ trợ phẫu thuật nội soi vùng ổ bụng. Sau đó, phân
tích động học và mơ phỏng kết quả phân tích bằng phần mềm và chế tạo mơ hình thực
nghiệm.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài thực hiện với nội dung chủ yếu sau:
- Nghiên cứu tổng quan về robot Delta–RCM
- Nghiên cứu lý thuyết và giải bài toán động học của robot Delta–RCM
- Thiết kế và chế tạo mơ hình cơ khí của robot Delta–RCM

- Lựa chọn các mạch điện sử dụng điều khiển robot
- Xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển robot
3. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận: Tổng hợp các nghiên cứu trong và ngồi nước về cơng nghệ ứng
dụng robot trong hỗ trợ phẫu thuật nội soi. Phân tích các thiết bị có trên thị trường, từ đó
đánh giá các ưu nhược điểm của các thiết bị đã có để lựa chọn phương án thiết kế và chế
tạo phù hợp.
Phương pháp nghiên cứu:


3

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm nhằm thiết kế và chế tạo mơ hình robot
Delta–RCM.
Tính tốn thiết kế mơ hình cơ khí đảm bảo độ chính xác và cứng vững cần thiết đáp ứng
nhu cầu điều khiển.
Tìm hiểu các phương pháp điều khiển, mạch điều khiển.
4. Ý nghĩa thực tiễn của luận văn
Tạo tiền đề cho việc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng robot trong phẩu thuật
Mơ hình phục vụ thí nghiệm, giảng dạy trong các trường đai học, cao đẳng.
5. Cấu trúc luận văn bao gồm:
Mở đầu: Trình bày lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng, phạm vi, giới hạn, phương
pháp, nội dung nghiên cứu và ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
Chương 1: Trình bày tổng quan các vấn đề cần nghiên cứu úng dụng trong và ngoài
nước về robot hỗ trợ phẫu thuật nội soi, các cơ sở toán học làm nền tảng cho các nghiên
cứu trong luận văn, tổng quan về robot Delta-RCM.
Chương 2: Nghiên cứu động học của robot Delta-RCM
Chương 3: Mơ phỏng chuyển động mơ hình robot Deta-RCM
Chương 4: Thiết kế chế tạo mơ hình robot Delta-RCM
Chương 5: Thiết kế mạch điều khiển robot Delta-RCM

Kết luận: tổng hợp lại những kết quả luận văn và hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo.


4

Chương 1- TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong và ngồi nước về robot hỗ trợ
phẫu thuật nội soi.
1.1.1. Nền Y học thế giới ghi nhận:
-

Trường hợp đầu tiên có sử dụng robot hỗ trợ là vào năm 1985 cho một trường hợp

sinh thiết u não.
-

1988 ca phẫu thuật cắt tuyến tiền liệt qua hệ thống phẫu thuật robot THE PROBOT

được thực hiện thành công tại đại học Imperial College London.
-

Trải qua các giai đoạn sơ khai ban đầu như robot PUMA, AESOP, ZEUS ngày nay

hệ thống phẫu thuật robot DaVinci được xem là hiện đại nhất với 4 cánh tay mơ phỏng
gần như hồn hảo cánh tay con người.
-

Năm 2000. Đại học Ohio đã đưa phẩu thuật robot vào ứng dụng phẫu thuật thực

quản và tụy, là 2 loại phẫu thuật khó trong phẫu thuật tiêu hóa, gan mật

-

Năm 2008, nhóm nghiên cứu đại học Illinois đã thực hiện cắt gan từ người sống

đầu tiên qua hệ thống phẫu thuật robot với kết quả thu nhận rất khả quan.
-

Tháng 9 năm 2006 tại bệnh viện John Radcliffe đại học Oxford Giáo sư Maclaren

đã điều khiển hệ thống robot để xử lý một bộ phận có kích thươt nhỏ hơn 100 lần của 1
mm trên võng mạc của một bệnh nhân 70 tuổi
1.1.2 Tại Việt Nam
-

Tháng 3/2014 bệnh viện Nhi Trung Ương đã có trung tâm phẫu thuật nội soi nhi

khoa ứng dụng robot đầu tiên trên cả nước.
-

Các bệnh viện lớn của Việt Nam như Bệnh Viện Bình Dân, Chợ Rẫy… đã thực

hiện phẫu thuật nội soi hỗ trợ robot trong năm 2017.
1.2. Tổng quan về robot Delta – RCM
1.2.1 Giới thiệu về các loại robot song song 3 bậc kiểu tự Delta
Robot Delta là cơ cấu động học 3 bậc tự do. Loại cơ cấu này có ba nhánh với mỗi
nhánh, mỗi đầu được nối vào giá cố định bằng khớp tịnh tiến hoạc khớp quay còn đầu
kia được nối vào giá di động thơng qua cơ cấu hình bình hành. Vơi cấu trúc hình học
như vậy nên giá di động ln định hướng và chỉ có thể chuyển động tịnh tiến theo 3 trục
XYZ. Nó có những đăc tính nổi trội so với các loại robot khác là:
-

Khả năng chịu tải lớn

-

Các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên trổng trọng lượng của robot cũng nhỏ.

-

Độ cứng vững cao do kết cấu hình học hợp lý.


5

-

Tất cả các tác động đồng thời được phân bố đều cho các chân, đồng thời lực tác

động lên các chân của robot đều là lực kéo nén nhờ các cấu trúc của robot.
-

Có thể thực hiện các thao tác phức tạp với độ chính xác cao trong cơng việc nhờ

vào cấu trúc song song, các sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục và sai số không bị
tích lũy.
-

Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền.

-

Các robot song song không cần làm việc trên bệ đỡ và có thể di chuyển tới mọi nơi

trong mơi trường sản xuất do có khối lượng và kích thướt tương đối nhỏ.
-

Robot song song có phạm vi hoạt độn rộng, từ việc dung lắp ráp các chi tiết tinh vi

cho đến việc tạo các chuyển động phức tạp trong tạo hình, gia cơng biên dạng phức tạp.
-

Năng suất làm việc cao.

-

Giá thành của robot song song sử dụng trong gia công rẻ hơn nhiều so với các máy

CNC có tính năng tương đương.
1.2.2 Phân loại robot Delta.
Theo như định nghĩa thì robot Delta có thể là bốn dạng : 3-PRPaR, 3-RRPaR, 3P2S2S, 3-R2S2S
a) Kiểu 3- PRPaR
Kiểu này có 3 nhánh và mỗi nhánh gồm có 1 khớp dẫn động tịnh tiến (P), hai khớp
bản lề (R) và một khớp hình bình hành


6

Hình 1: Cấu trúc kiểu 3- PRPaR
Khơng gian hoạt động của cơ cấu

λ=6

Số khâu ( kể cả cố định) của cơ cấu

n = 17

Số khớp trong cơ cấu

j = 21

Số bậc tự do tương đối của các khớp
trong cơ cấu
Số bậc tự do thừa

Ft = 0

Số ràng buộc trùng trong cơ cấu

Rtt = 6

Số ràng buộc thừa trong cơ cấu

Rth = 6

Số bậc tự do của cơ cấu


7

b) Kiểu RRPaR

Kiểu này có 3 nhánh với mỗi nhánh gồm có một khớp dẫn động quay ( R) hai khớp
bản lề ( R) và một khớp hình bình hành

Hình 2: Cấu trúc kiểu RRPaR
Không gian hoạt động của cơ cấu

λ=6

Số khâu ( kể cả cố định) của cơ cấu

n = 17

Số khớp trong cơ cấu

j = 21

Số bậc tự do tương đối của các khớp
trong cơ cấu
Số bậc tự do thừa

Ft = 0

Số ràng buộc trùng trong cơ cấu

Rtt = 6

Số ràng buộc thừa trong cơ cấu

Rth = 6

Số bậc tự do của cơ cấu


8

c) Kiểu 3- P2S2S

Hình 3: Cấu trúc kiểu 3-P2S2S
Khơng gian hoạt động của cơ cấu

λ=6

Số khâu ( kể cả cố định) của cơ cấu

n = 11

Số khớp trong cơ cấu

j = 15

Số bậc tự do tương đối của các khớp
trong cơ cấu
Số bậc tự do thừa

Ft = 6

Số ràng buộc trùng trong cơ cấu

Rtt = 0

Số ràng buộc thừa trong cơ cấu

Rth = 0

Số bậc tự do của cơ cấu


9

d) Kiểu 3-R2S2S
Kiểu này có ba nhánh và mỗi nhánh gồm có một khớp dẫn động quay , bốn khớp
cầu (S) nối 2 thanh theo dạng hình bình hành.

Hình 4: Cấu trúc kiểu 3-R2S2S
Không gian hoạt động của cơ cấu

λ=6

Số khâu ( kể cả cố định) của cơ cấu

n = 11

Số khớp trong cơ cấu

j = 15

Số bậc tự do tương đối của các khớp
trong cơ cấu
Số bậc tự do thừa

Ft = 6

Số ràng buộc trùng trong cơ cấu

Rtt = 0

Số ràng buộc thừa trong cơ cấu

Rth = 0

Số bậc tự do của cơ cấu


10

1.2.3 Ứng dụng của robot Delta
a) Ứng dụng trong công nghiệp.
-

Nó được ứng dụng nhiều trong gia cơng cơ khí do có nhiều ưu điểm sau:

+

Bề mặt tấm đế di động của Robot có thể chuyển động tự do trong khơng gian một

cách linh hoạt. Vì vậy việc tạo hình bề mặt được thực hiện dễ dàng hơn và yêu cầu về độ
chính xác cao hơn.
+

Kết cấu động học của Robot song song có độ cứng vững cao và chịu được tải

trọng lớn mặc dù kích thước Robot nhỏ.
+

Có thể chế tạo theo kiểu modul hóa, có nhiều chi tiết giống hệt nhau về cấu tạo và

vai trị.

Hình 5: Úng dụng robot Delta trong gia cơng cơ khí
-

Kết hợp với kỹ thuật xữ lý ảnh, robot delta được sử dụng phổ biến cho cơng

việc phân loại hàng hóa trên dây chuyền sản xuất. Một phiên bản khác là robot NUWAR
, được chế tạo tại đại học Western Australia. NUWAR được thiết kế có thể đạt gia tốc
600m/s2 robot này khác biệt nhờ sự sắp xếp không đồng phẳng các trục của cơ cấu chấp
hành. Phiên bản với 3 động cơ tuyến tính cũng được tạo ra trong phịng thí nghiệm tại
Ferdinal – von- Steinbeis Schule, ETH Zurich, và đại học Stuttgart.


11

Hình 6: Kết hợp với kỹ thuật sử lý ảnh, robot Delta được dung phổ biến cho công
việc phân loại hàng hóa
b) Ứng dụng trong mơ phỏng
Năm 1965, Stewart đã đề xuất sử dụng cơ cấu song song để làm thiết bị mơ phỏng
bay.

Hình 7: Cơ cấu song song Stewart mô phỏng thiết bị bay
Hãng EScole Nationale d’’Elquitation (Pháp) đã phát triển một thiết bị được đặt

tên là Persival dùng để huấn luyện các nài ngựa. Sản phẩm này đã được thương mại hóa.
Viện KAIST (Hàn Quốc) đã phát triển hệ thống thiết bị mô phỏng xe đạp.


12

c) Ứng dụng trong Y học:
Công ty Elekta (Thụy Điển), một công ty chuyen về các thiêt bị y tế đã dùng robot
Delta để làm thiết bị nâng giữ kính hiển vi có khối lượng 20kg dùng trong việc giải
phẫu.

Hình 8: Sản phẩm Suriscope của công ty Thụy Điển đang vận hành
Một dự án của châu Âu chế tạo robot CRIGOS ( Compact Robot for Image Guided
Orthopedic) sử dụng cơ cấu Gough- Sterwart nhằm hỗ trợ cho các bác sĩ một công cụ
phẫu thuật xương hiệu suất cao.


13

Hình 9: Robot CRIGOS dùng để phẩu thuật tái tạo xương
Với mục tiêu là triển khai loại robot có vùng làm việc rơng, kết cấu đơn giản chính
xác dễ điều khiển, dễ thi công kết hợp với cơ cấu cung trịn ứng dụng trong phẫu thuật
nội soi nên tơi chọn robot delta 3- PRPaR.
1.2.4. Giới thiệu các cơ cấu quay quanh tâm.
Trong phẫu thuật MIS, robot MIS phải chèn các dụng cụ của nó vào trong cơ thể
bệnh nhân qua một vết rạch nhỏ và thao tác chúng xung quanh điểm cố định này trên cơ
thể bệnh nhân. Để cải thiện sự an tồn của robot phẫu thuật ít xâm lấn, nhiều trung tâm
chuyển động từ xa đã được đưa ra và nó có thể thực hiện những chuyển động cần thiết
này. Việc di chuyển linh hoạt dụng cụ mổ bên trong bệnh nhân của Robot MIS là quan
trọng nhất. Cần nghiêng cứu sao cho nó di chuyển được tự nhiên nhất thông qua các

khớp xoay và tịnh tiến để đưa các dụng cụ phẩu thuật xoay quanh một điểm nhỏ trong cơ
thể bệnh nhân và tránh gây tổn thương lên các bộ phận khác. Từ đó cơ cấu trung tâm
chuyển động từ xa (RCM) được nghĩ ra. Trung tâm chuyển động của cơ chế là điểm mà
tại đó có một hoặc nhiều chuyển động nhưng dụng cụ phẩu thuật vẩn quay quanh một lỗ
cố định trên cơ thể bệnh nhân và những chuyển đông này đều được điều khiển từ xa. Cơ
chế này làm cho khả năng cho robot MIS làm việc với khơng gian bên ngồi lớn hơn
thơng qua đó thì dụng cụ bên trong bệnh nhân sẽ được chuyển động linh hoạt hơn trog
vùng làm việc. Nó đơn giản hóa việc kiểm sốt các thao tác và tránh các nguy cơ tiềm


14

tang cho bác sĩ phẫu thuật và bệnh nhân do bất kỳ vấn đề mất kiểm soát nào gây ra. Sau
đây sẽ giải thích một số trung tâm từ xa điển hình của các cơ chế chuyển động.
a) Cơ cấu hình bình hành:
Cơ chế này được thiết kế dựa trên cấu trúc hình bình hành, có thể dễ dàng điều
chỉnh các cơ chế RCM 2-DOF (nghiêng và xoay DOF quay). Hình 4 cho thấy các khái
niệm cơ bản của việc tạo ra một RCM thơng qua các hình bình hành. So sánh với cấu
trúc nối tiếp, cơ chế này có độ cứng cao hơn và có phạm vi di chuyển lớn. Nhiều hệ
thống phẫu thuật được hỗ trợ bằng robot sử dụng thiết kế dựa trên hình bình hành làm cơ
chế RCM của chúng. Có rất nhiều hệ thống phẩu thuật được hỗ trợ bằng robot sử dụng
thiết kế dựa trên cơ cấu hình bình hành làm cơ chế RCM của chúng. Ví dụ, da Vinci,
LARS, UCB-Ú, Blue DRAGON, những robot RCM này có hai DOF quay với trục trực
giao tại điểm RCM. Tuy nhiên có một thiết kế khác của cơ chế hình bình hành được sử
dụng để tạo ra RCM với hai trục không trực giao bằng hai hình bình hành
.

Hình 10: Mơ phỏng cơ cấu hình bình hành

Hình 11: Davinci RCM mechanism

15

Hình 12: Ứng dụng cơ cấu RCM hình bình hành trong siêu âm
b) Cơ cấu cung tròn
Cấu trúc đơn giản nhất để tạo ra các cơ chế RCM là sử dụng vịng cung của hình
trịn. Nó cung cấp một đường tròn như là thanh ray để dụng cụ phẩu thuât trượt trên nó.
Đây cũng là một loại cơ chế RCM khác với hai mức độ tự do quay được tạo ra bằng
cách trượt một khớp nối trên rãnh tròn làm cơ sở và DOF quay khác được tạo ra bằng
cách quay theo đường tròn trong khi quay trục của khớp phải đi qua trung tâm của vòng
tròn của đường tròn. Một bộ xử lý song song RCM mới cho Phẫu thuật Celiac xâm lấn
tối thiểu do Đại học Khoa học Kỹ thuật Thượng Hải đề xuất, Thượng Hải 201620, Trung
Quốc sử dụng cấu trúc này. Hình 13.a cho thấy sử dụng cơ chế vòng cung theo vòng
tròn kép để tạo ra RCM 2 –DOF. Cơ chế này được kết nối bằng một thanh trượt hoạt
động như cánh tay posi-tioning cho hệ thống. Hình 13.b là robot UT-NEU được phát
triển bởi đại học Tokyo về phẩu thuật thần kinh. Một khunng định vị 3-DOF được sử
dụng như cánh tay định vị và một vòng cung tròn RCM 2-DOF được sử dụng làm cơ chế
RCM. Một chuyển động dịch bổ sung cho công cụ phẩu thuật được cung cấp bởi động
cơ được thiết kế trên bộ phận giữ dụng cụ phẩu thuật. Có thể thấy rằng các phép quay
được tạo tai điểm RCM cho loại cơ chế này được tách riêng và điều khiển độc lập.


16

Hình 13: Mơ phỏng cơ cấu cung trịn