Design, production and tests of an inherently balanced mechanism to be used as an endoscope holder for endonasal skull base surgery

Abstract

Robotic surgery is popular in minimally invasive operations. Given the requirement for the manipulator to operate around the body-entrance point, it must have a remote center of motion. The main aim of the thesis is to design and prototype a surgical robotic arm with 3 degrees of freedom (2 rotation + 1 translation motion pattern) and a remote center of motion to be used as an endoscope holder in minimally invasive surgery. First, a literature review is conducted on robotic surgery, robots used in minimally invasive surgery and mechanisms with remote center of motion. Then, possible kinematic structures are examined and the most suitable one was selected considering the requirements such as balancing compatibility and workspace. While circular tracking arc mechanism is known in the literature, manipulator based on the modified circular tracking arc is novel. Also, gravity compensation of the circular tracking arc is performed. After the gravity-compensation solution for the manipulator is developed and parametrized by considering the workspace, link lengths and geometries were determined and a solid model was developed for detailed construction. Finally, a prototype of the mechanism is manufactured.

Robotik cerrahi, minimal invaziv cerrahi operasyonlarda popüler hale gelmiştir. Manipülatörün vücuda giriş noktası etrafında çalışması gerektiğinden bir uzaktan hareket merkezi olması gerekir. Tezin ana hedefi, minimal invaziv cerrahide endoskop tutucu olarak kullanılacak olan bir 3 serbestlik dereceli (2 dönüş ve bir öteleme) ve uzaktan hareket merkezli bir cerrahi robotik kol tasarlamak ve prototiplemektir. Öncelikle, robotik cerrahi, minimal invaziv cerrahide kullanılan robotlar ve uzaktan hareket merkezli mekanizmalar üzerine bir literatür incelemesi yapıldı. Ardından, olası kinematik yapılar incelendi ve dengeleme ve çalışma alanı gibi gereklilikler göz önünde bulundurarak en uygun olanı seçildi. Literatürde çember yaylı mekanizma bilinmesine rağmen, bu mekanizmanın yeni bir hali sunulmuştur. Ayrıca, mekanizmanın yerçekimine karşı dengelemesi çalışılmıştır. Manipülatör için yerçekimi dengeleme çözümü geliştirildikten ve parametrize edildikten sonra, çalışma alanı dikkate alınarak uzuv uzunlukları ve geometrileri belirlendi ve detaylı bir konstrüksiyon için katı modeli geliştirildi. Son olarak mekanizmanın bir prototipi üretildi.