Планирование траектории движения коллаборативного робота для выполнения биопечати

Биопечать in situ — автоматизированный процесс прямого нанесения би оматериалов на дефектный участок живой ткани во время медицинской операции. Для выполнения такой биопечати целесообразно использовать коллаборативные манипуляционные роботы, обладающие пятью и более степенями подвижности и способные придавать рабочему органу нужную ориентацию. Актуальной является задача планирования траектории движения робота для биопечати in situ вдоль реальной криволинейной поверхности. Проведен краткий анализ решений, позволяющих планировать траекторию для биопечати. Приведено математическое описание поверхности, используемой в качестве модели дефекта, необходимое для построения траектории. Введены дополнительные ограничения в целях уменьшения сложности алгоритма планирования. Для локализации дефекта на криволинейной поверхности используется информация о задаваемом предварительно контуре, охватывающем этот дефект. Разработан алгоритм генерации плоской траектории движения рабочего органа робота для заполнения дефекта с последующим проецированием ее на реальную криволинейную поверхность. Отмечена важность предварительной обработки данных об отсканированной поверхности с помощью разработанного алгоритма фильтрации, основанного на методе скользящего среднего. Генерация траектории движения рабочего органа робота выполняется послойно сначала в плоскости, затем она проецируется на криволинейную поверхность. Для каждой точки траектории вычисляется такая однородная матрица преобразования, чтобы рабочий орган робота располагался по нормали к криволинейной поверхности. Представлен расчет углов ориентации рабочего органа робота KUKA на основании данных, получаемых из однородной матрицы преобразования. Работоспособность предлагаемого алгоритма планирования траектории для биопечати in situ подтверждена результатами компьютерного моделирования с использованием разработанного авторами программного обеспечения и результатами экспериментального исследования биопечати, выполняемой коллаборативным роботом KUKA LBR R820 на трех образцах с различной кривизной поверхности и разными контурами дефекта.

1. Буйнов М. А., Воротников А. А., Климов Д. Д., Малышев И. Ю., Миронов В. А., Парфенов В. А., Перейра Д. А. С., Подураев Ю. В., Хесуани Ю. Д. Роботические технологии в медицине и биопринтинге: состояние проблемы и современные тенденции // Вестник МГТУ "Станкин". 2017. № 1 (40).

2. Eyercioglu O., Aladag M. Non-Planar Toolpath For Large Scale Additive Manufacturing // Int. J. of 3D Printing Tech. Dig. Ind. 2021. Vol. 5, N. 3. P. 477—487.

3. Lu B. H., Lan H. B., Liu H. Z. Additive manufacturing frontier: 3D printing electronics // Opto-Electron Adv. 2018. N. 1. P. 170004.

4. Ezair B., Fuhrmann S., Elber G. Volumetric covering print-paths for additive manufacturing of 3D models // Comput. Aided Des. 2018. N. 100. P. 1—13.

5. Ahlers Daniel. 3D Printing of Nonplanar Layers for Smooth Surface Generation // Proc. of the 2019 IEEE 15th Internat. Conf. on Automation Science and Engineering (CASE). August 2019. Vancouver, BC, Canada. P. 22—26.

6. Alkadi F., Lee K. Ch., Choi J. W. Conformal Additive Manufacturing using a Direct-Print Process // Additive Manufacturing. 2020. Vol. 32. P. 100975.

7. Подураев Ю. В. Подход и опыт проектирования медицинской коллаборативной робототехники для лазерной хирургии и биопринтинга // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017. Т. 18, № 11. С. 749—752.

8. Fortunato G. M., Rossi G., Bonatti A. F., De Acutis A., Mendoza-Buenrostro Ch., Vozzi G., De Maria C. Robotic platform and path planning algorithm for in situ Bioprinting // Bioprinting. 2021. Vol. 22. P. e00139,

9. Lian Q., Li X., Li D., Gu H., Bian W., He X. Path planning method based on discontinuous grid partition algorithm of point cloud for in situ printing // Rapid Prototyping Journal. 2019. Vol. 25. P. 602—613.

10. Advanced solutions. URL: https://www.advancedsolutions.com/bioassemblybot-400.

11. Li X., Lian Q., Li D., Xin H., Jia S. Development of a Robotic Arm Based Hydrogel Additive Manufacturing System for In-Situ Printing // Appl. Sci. 2017. N. 7. P. 73.

12. Shembekar A. V., Yoon Y. J., Kanyuck A., Gupta S. K. Generating Robot Trajectories for Conformal 3D Printing Using Non-Planar Layers // Journal of Computing and Information Science in Engineering. 2019. Vol. 3. P. 1—13.

13. Chen H., Fuhlbrigge T., Li X. A review of CAD-based robot path planning for spray painting // Industrial Robot: An International Journal, 2009. Vol. 36, Iss. 1. P. 45—50

14. Atkar P. N., Greenfield A., Conner D. C., Choset H., Rizzi A. A. Uniform Coverage of Automotive Surface Patches // The International Journal of Robotics Research. 2005. Vol. 24, N. 11. P. 883—898.

15. Ye X., Luo L., Hou L., Duan Y., Wu Y. Laser Ablation Manipulator Coverage Path Planning Method Based on an Improved Ant Colony Algorithm // Appl. Sci. 2020. N. 10. P. 8641.