بهينه‌سازي ابعاد و طراحي بهينه مسير يك ربات جراح

Optimization of dimension and optimal path planning of a Surgical Robot

در اين مقاله، هدف ارايه روندي است كه بتوان با استفاده از آن معيار مهارت را در طراحي بهينه ابعاد و مسير يك ربات جراح لاپراسكوپي به كار بست. اين معيار وابسته به پيكربندي بازوي رباتيك است و براي محاسبه آن در هر نقطه از فضاي كاري، نياز به حل معادلات سينماتيك مستقيم و وارون و همچنين استخراج ماتريس ژاكوبين است. در مقاله حاضر، با استفاده از روش مونت كارلو، مهارت ربات در كل فضاي كاري محاسبه شده است. براي يافتن طول بهينه رابط هاي ربات به منظور بيشنه شدن مهارت در جراحي، يك مساله بهينهسازي غيرخطي و مقيد فرمول بندي شده و با استفاده از الگوريتم ژنتيك حل شده است. سپس، با داشتن ابعاد بهينه ربات كه منجر به بيشينه شدن مهارت آن در فضاي كاري مي شود، مساله طراحي بهينه مسير در فضاي دكارتي حل شده است. در اين حالت، مهارت ربات و خطاي رديابي مسير بعنوان توابع هزينه بهينه سازي در نظر گرفته شده است. رويكرد ذكر شده بر روي يك بازوي ربات جراح با چهار درجه آزادي پيادهسازي شده و نتايج شبيه سازي كه نشان دهنده كارآمدي روش است، نشان داده شده است.

The main purpose of this paper is to use the concept of manipulability index for finding the optimal link lengths of a surgical robot and then to plan an optimal path for it. This index depends on the configuration of the robot. In each configuration, the manipulability of the robot is calculated thorough the Forward and Inverse Kinematic and Jacobain. In the present paper, a nonlinear constrained optimization problem is formulated based on this index to find the optimum link lengths. The optimization problem is solved using Genetics Algorithm for entire work space of the robot. The manipulability index is calculated all over the workspace using the Monte-Carlo method. Afterward, using this set of optimal link lengths, the optimal path planning is presented in the Cartesian work space. This optimization is done by considering the manipulability criteria while the tracking error is minimized minimized during the performance of an operation. The suggested procedure is implemented on a four degree of freedom robot manipulator. Several simulation scenarios are presented to demonstrate the capability of the procedure. The simulation results show the efficiency of the method.