(مرکز حرکت از راه دور در رباتیک)

Remote Centre of Motion (RCM) in Robotics

مفهوم مرکز حرکت از راه دور (RCM)

RCM به عنوان یک نقطه ثابت تعریف می‌شود که ربات‌ها می‌توانند حول آن حرکت کنند بدون اینکه در خود نقطه حرکت فیزیکی انجام دهند. این ویژگی در بسیاری از ربات‌های جراحی و دستگاه‌های پزشکی اهمیت دارد چرا که به ربات‌ها اجازه می‌دهد تا در فضاهای محدود مانند شکاف‌های کوچک جراحی به دقت عمل کنند. این حرکت دقیق و کنترل‌شده، هم‌چنین به ربات‌ها امکان می‌دهد تا بدون ایجاد آسیب به بافت‌های حساس اطراف، اقدام به انجام وظایف پیچیده کنند. این مفهوم در شکل1 نمایش داده شده است.

شکل1: نمونه هایی از RCM

روش‌های پیاده‌سازی RCM

دو رویکرد اصلی برای پیاده‌سازی RCM معرفی شده است:

1.روش‌های طراحی‌محور (Design-based Methods) : در این روش‌ها، مکانیزم‌های فیزیکی به گونه‌ای طراحی می‌شوند که حرکت‌ها حول یک نقطه ثابت (RCM) انجام شود. این مکانیزم ها خود به دو شاخه مکانیزم سریال و موازی تقسیم بندی می شوند. زنجیره سریال بصورت لینک های پشت سرهم بوده و در مکانیزم های موازی، زنجیره سینماتیکی بصورت حلقه بسته است. در شکل 2 شماتیکی از هرکدام آورده شده است. یکی از معروف‌ترین مکانیزم‌های طراحی‌محور مکانیزم متوازی الاضلاع (Parallelogram RCM ) است که در سیستم‌های جراحی رباتیک مانند سیستم جراحی داوینچی استفاده می‌شود. این مکانیزم به ربات‌ها اجازه می‌دهد تا در فضاهای محدود جراحی حرکت کنند و با دقت بالا کارهای پیچیده‌ای انجام دهند.

شکل2: مکانیزم سریال و موازی RCM

این مکانیزم از نظر تعداد درجه آزادی نیز قابل طبقه بندی شدن هستند. از یک درجه تا چهار درجه آزادی می توان برای آن ها متصور شد. برای هرکدام از مکانیزم های سریال و موازی چند نمونه در شکل3 نشان داده شده است.

2.روش‌های کنترل‌محور(Control-based Methods) : در این روش، ربات‌ها از الگوریتم‌های پیچیده برای کنترل حرکت خود و حفظ نقطه RCM استفاده می‌کنند. این روش بیشتر در ربات‌های سریال و تجاری با درجات آزادی بالا به کار می‌رود. این الگوریتم‌ها به ربات‌ها اجازه می‌دهند که با استفاده از کنترل‌های پیچیده در محیط‌های دینامیکی و غیرخطی حرکت کنند و در شرایط مختلف عملکرد بهینه داشته باشند.

شکل4: نمونه RCM مبتی بر روش های کنترل محور

کاربردهای RCM در رباتیک

استفاده از RCM در رباتیک پزشکی به ویژه در جراحی‌های کم‌تهاجم (MIS) اهمیت ویژه‌ای دارد. در این نوع جراحی‌ها، نیاز به حرکت دقیق ابزار جراحی از طریق شکاف‌های کوچک در بدن بیمار است. ربات‌های مجهز بهRCM می‌توانند ابزارهای جراحی را با دقت بسیار بالا حرکت دهند بدون آنکه آسیب جدی به بافت‌های اطراف وارد شود. این ویژگی به طور ویژه در ربات جراحی داوینچی مشهود است، جایی که از مکانیزم RCM برای انجام جراحی‌های دقیق استفاده می‌شود.همچنین در دستگاه‌های اسکلت بیرونی (Exoskeletons) نیز RCM برای هم‌راستا کردن حرکت مفاصل با نقطه ثابت بدن انسان استفاده می‌شود. این امر به ربات‌ها این امکان را می‌دهد که حرکت‌های طبیعی انسان را شبیه‌سازی کرده و در فرآیندهای توانبخشی یا بهبود عملکرد اندام‌ها به کار گرفته شوند. در شکل5 کاربردهایی از RCM آورده شده است.

شکل5: کاربردهایی از RCM

چالش‌ها و مسائل موجود در پیاده‌سازی RCM

با وجود پیشرفت‌های چشمگیر در استفاده ازRCM، چالش‌هایی نیز در این زمینه وجود دارد. یکی از این چالش‌ها، دقت موقعیت است. در برخی از سیستم‌ها، حفظ موقعیت دقیق RCM در هنگام حرکت ربات و تغییرات مختلف در محیط ممکن است دشوار باشد. به همین دلیل، تحقیقات بسیاری بر روی بهبود دقت و کاهش خطای موقعیتی انجام شده است. برخی از این تحقیقات به بهبود طراحی‌های مکانیکی و بهینه‌سازی‌های کینماتیکی در مکانیزم‌های RCM اشاره دارند. علاوه بر این، فضای کاری (workspace) یکی دیگر از چالش‌های اصلی است. در برخی از ربات‌ها، محدودیت‌های فیزیکی در طراحی مکانیزم‌ها موجب می‌شود که فضای کاری محدود باشد و ربات نتواند به راحتی در تمام فضاهای مورد نظر حرکت کند. این محدودیت‌ها به ویژه در جراحی‌ها و دیگر محیط‌های حساس به شدت احساس می‌شود.

آینده و روندهای جدید

از روند های آینده که می تواند RCM را تحت تاثیر قرار دهد، می توان به استفاده از ربات ها با درجات آزادی بیشتر یا طراحی مکانیزم های جدید تر، استفاده از ساختارهای انعطاف پذیر و ربات های نرم(Soft Robotics) و همچنین کاربرد های جدید تر نظیر بایو پرینترها و ربات های چهار پا (شکل6) اشاره کرد.

شکل6: نمونه کاربردهای آینده از RCM

شکل7: خط زمانی توسعه رویکردهای مختلف RCM از شروع تا زمان فعلی

به عنوان جمع بندی در شکل7 خط زمانی توسعه رویکرد های مختلف RCM‌ آورده شده است.

مرجع

Zhang, Wuxiang, et al. "State of the art in movement around a remote point: a review of remote center of motion in robotics." Frontiers of Mechanical Engineering 19.2 (2024): 14.

سید مصطفی بنی هاشمی، دانشجوی کارشناسی ارشد طراحی کاربردی1401، دانشگاه صنعتی شریف