Loading...
Design and Implementation of a Tool Ttip Force Estimation Algorithm for Surgical Robotic Systems Using Proximal Sensor using Neural Network
Mansoury, Bahman | 2020
943
Viewed
- Type of Document: M.Sc. Thesis
- Language: Farsi
- Document No: 52753 (08)
- University: Sharif University of Technology
- Department: Mechanical Engineering
- Advisor(s): Farahmand, Farzam
- Abstract:
- One of the most important problems in the field of robotic surgery is the measurement of the laparoscopic instrument Tip force. Many efforts have been made with the use of distal sensors to issues such as high cost and need to be disinfected, but the use of proximal sensors for estimating the Tip force of the tool is very rare, which can improve distal sensor problems.In this project, first, using data obtained from simulating a set-up for the Sina robot, two static MLP, and dynamic NARX neural networks are trained to evaluate the use of machine learning algorithms to determine whether the Tip force neural network can be used. Did the robot estimate Sina's surgeon? Then, by comparing this model with the Shayeste poor model and considering the success of using the NARX neural network, then by choosing a suitable structure for the neural network model, set-up is designed and constructed to receive data from the Sina robot according to the new structure. This set includes two 6-degree-of-freedom sensors, one located at the robot arm (proximal) and the other at the distal Tip. Also in this set-up, we have to use a Spheroidal joint to attach the trocar-holder to the trocar. After mounting the set-up on the robot, the robot is given the process of data from the robot under different conditions including different forces in different directions and different longitudinal advances. At the end of the LSTM deep neural network data processing process, it is used to estimate the Tip force of the tool which can estimate the Tip force by receiving sensor data inside the arm of Sina Robot.After the feasibility stage, it was found that the NARX neural network is powered at about 0.5 N by 20 N with clean and well-controlled data. The LSTM neural network also yielded an average error of about 0.6 N in the force range of 0 to 30 N in the real situation Sina robot, which is very favorable to analytical models in this regard. It is anticipated that much better results can be achieved by modifying the data set and upgrading the neural network parameters. Also, we can use these algorithms to estimate the force applied to the grasp. Based on the results, it seems that neural networks can be used to estimate the force of surgeon robot tools proximally
- Keywords:
- Force Estimation ; Robotic Surgery ; Neural Network ; Long Short Term Memory (LSTM) ; Haptic System ; Proximal Force Sensor
-
محتواي کتاب
- view
- طراحی و پیادهسازی الگوریتم تخمین نیروی نوک ابزار در سامانههای جراحی رباتیک با استفاده از حسگر پروگزیمال به کمک شبکههای عصبی
- فهرست مطالب
- فهرست اشکال
- فهرست جدولها
- فصل 1: مقدمه
- فصل 2: مفاهیم پایه
- 2-1- مقدمه
- 2-2- روشهای اندازهگیری نیروی سر ابزار
- 2-3- یادگیری ماشین
- 2-4- شبکههای عصبی مصنوعی
- 2-5- انواع یادگیری شبکههای عصبی مصنوعی
- 2-6- معرفی شبکههای عصبی استفادهشده
- 2-7- شبکه عصبی LSTM نوعی از Gated Recurrent Neural Network
- 2-8- مدل ارائهشده توسط شایسته پور
- فصل 3: مروری بر ادبیات موضوع
- فصل 4: امکانسنجی و دستگاه دادهبرداری
- 4-1- مقدمه
- 4-2- تبیین موضوع و چارچوب پژوهش
- 4-3- امکانسنجی استفاده از شبکههای عصبی
- شکل (4-3) الف) نمایی از ربات سینا به همراه نامگذاری قسمتهای مختلف. ب) نمایی نزدیک از سر ابزار به همراه مختصات استفادهشده و صفحه x-z [5]
- 4-3-2- ورودیها و خروجیهای شبکههای عصبی
- 4-3-3- شرایط دادهبرداری، آزمایش و تجهیزات آزمایش شایسته پور
- 4-3-4- انتخاب ساختار مناسب برای شبکه عصبی
- 4-3-4-1- انتخاب ساختار مناسب برای شبکه عصبی MLP (استاتیک)
- 4-3-4-2- انتخاب ساختار مناسب برای شبکه عصبی NARX (دینامیک)
- شکل (4-10) نمودار خطا برحسب تعداد نرونهای لایه مخفی برای ساختار NARX با یکلایه مخفی و 5 تأخیر در ورودیها و خروجیها
- شکل (4-11) نمودار خطا برحسب تعداد نرونهای لایه مخفی برای ساختار NARX با دولایه مخفی و 5 تأخیر در ورودیها و خروجیها الف) خطا برحسب تعداد نرون در لایه مخفی اول ب) خطا برحسب تعداد نرون در لایه مخفی دوم
- 4-3-5- نتایج برای ساختار شبکه عصبی MLP
- 4-3-6- نتایج برای ساختار شبکه عصبی NARX
- 4-3-7- مقایسه نتایج شبکه عصبی NARX و MLP با مدل شایسته پور
- 4-4- نتایج امکانسنجی
- 4-5- طرح کلی سامانه
- شکل (4-16) تروکارگیر صلب که تروکار استیل را بدون لقی و بهصورت صلب نگه میدارد. در این صورت هیچ نیروی به حسگر پروگزیمال منتقل نمیشود. [5] نسخه 2015
- شکل (4-17) تروکارگیر صلب که تروکار استیل را بدون لقی و بهصورت صلب نگه میدارد. در این صورت هیچ نیروی به حسگر پروگزیمال منتقل نمیشود. نسخه 2019
- شکل (4-18) تروکارگیر با مفصل کروی و قرار گرفتن تروکار فلزی دران نسخه 2015 ربات [5]
- شکل (4-19) تروکارگیر با مفصل کروی و قرار گرفتن تروکار پلاستیکی و تروکارگیر پلاستیک دران نسخه 2019 ربات
- شکل (4-20) شماتیک ابزار در شرایطی که مفصل گوی و کاسه دران استفادهشده است [5].
- 4-6- طراحی دستگاه دادهبرداری
- 4-6-1- طراحی تروکارگیر باقابلیت جاگیری مفصل کروی و اتصال به ربات
- شکل (4-21) پین قرار دادهشده روی بازو برای اتصال تروکارگیر و تروکارگیر ساختهشده به کمک پرینت سهبعدی
- شکل (4-22) نقشه سهبعدی تروکارگیر، تروکار و مفصل گوی و کاسه به همراه نمای برش خورده برای مشخص بودن مکانیزم اتصال
- شکل (4-23) فواصل و جانمایی اتصال تروکار، مفصل گوی و کاسه و تروکارگیر
- شکل (4-24) مقایسه تروکارگیر با مفصل صلب با تروکارگیر با مفصل گوی و کاسه و جانمایی تروکار دران برای نسخه 2019 ربات جراح سینا
- 4-6-2- اتصال حسگر دیستال به ابزار
- 4-6-1- طراحی تروکارگیر باقابلیت جاگیری مفصل کروی و اتصال به ربات
- 4-7- تجهیزات آزمایش
- 4-8- فرضیات ساده کننده
- 4-9- شرایط آزمایش و دادههای گرفتهشده
- 4-10- آمادهسازی دادهها
- 4-11- شبکه عصبی پیشنهادی
- فصل 5: نتایج آموزش شبکه عصبی عمیق
- 5-1- مقدمه
- 5-2- آمادهسازی دادهها
- 5-2-1- دادهبرداری
- 5-2-2- آمادهسازی دادهها
- شکل (5-1) نمودار ورودیهای شبکه عصبی شامل 6 داده حسگر داخل بازو و پیشروی طولی با فرکانس 50 هرتز
- شکل (5-2) نمودار خروجیهای حسگر سر ابزار فرکانس 50 هرتز
- شکل (5-3) نمودار خروجیهای شبکه عصبی فرکانس 50 هرتز
- شکل (5-4) نمودار ورودیهای شبکه عصبی شامل 6 داده حسگر داخل بازو در پیشروی طولی 120 میلیمتر با فرکانس 50 هرتز
- شکل (5-5) نمودار خروجیهای شبکه عصبی شامل 6 داده حسگر سر ابزار در پیشروی طولی 120 میلیمتر با فرکانس 50 هرتز
- شکل (5-6) نمودار خروجیهای شبکه عصبی فرکانس 50 هرتز
- شکل (5-7) نمودار نیروی سر ابزار خروجی شبکه عصبی با فرکانس 10 هرتز برای 70 ثانیه در مقایسه با همان دادههای هموارشده
- شکل (5-8) نمودار گشتاور سر ابزار خروجی شبکه عصبی با فرکانس 10 هرتز برای 70 ثانیه در مقایسه با همان دادههای هموارشده
- 5-2-3- مشخصات سامانهپردازشی
- 5-2-4- مشخصات شبکه عصبی و پارامترهای آن
- 5-3- نتایج آموزش شبکه عصبی
- 5-3-1- آموزش شبکه عصبی با فرکانس 50 هرتز و نتایج آن
- جدول (5-3) مشخصههای خطای خروجی (نیروی سر ابزار) شبکه عصبی LSTM برای فرکانس 50 هرتز
- شکل (5-11) تغییرات تابع هزینه شبکه عصبی در طول تکرارها برای فرکانس 50 هرتز
- شکل (5-12) تخمین نیروی سر ابزار برای مدت 5 ثانیه در طول چند تکرار مختلف
- شکل (5-13) میزان نیروی واقعی و تخمین زده شده به همراه خطا به مدت 50 ثانیه
- 5-3-2- آموزش شبکه عصبی با فرکانس 10 هرتز و نتایج آن
- جدول (5-4) مشخصههای خطای خروجی (نیروی سر ابزار) شبکه عصبی LSTM برای فرکانس 10 هرتز
- شکل (5-14) تغییرات تابع هزینه شبکه عصبی در طول تکرارها برای فرکانس 10 هرتز
- شکل (5-15) تخمین نیروی سر ابزار برای مدت 25 ثانیه در طول چند تکرار مختلف
- شکل (5-16) میزان نیروی واقعی و تخمین زده شده به همراه خطا به مدت 50 ثانیه
- 5-3-3- آموزش با فرکانس 10 هرتز با خروجی گشتاور سر ابزار و نتایج آن
- جدول (5-5) مشخصههای خطای خروجی (گشتاور سر ابزار) شبکه عصبی LSTM برای فرکانس 10 هرتز
- شکل (5-17) تغییرات تابع هزینه شبکه عصبی با خروجی گشتاور در طول تکرارها برای فرکانس 10 هرتز
- شکل (5-18) تخمین گشتاور سر ابزار برای مدت 25 ثانیه در طول چند تکرار مختلف
- شکل (5-19) میزان گشتاور واقعی و تخمین زده شده به همراه خطا به مدت 50 ثانیه
- 5-3-1- آموزش شبکه عصبی با فرکانس 50 هرتز و نتایج آن
- فصل 6: نتیجهگیری و پیشنهادها
- مراجع