Al-Owaidhani, Alhassan (2026) Design and Control of an Over-Bed Suspended Cable-Driven Camera Diagnostic Robot. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) MS_Thesis Final Alhassan.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 11 August 2027. Download (7MB)

Arabic Abstract

يمكن أن تؤدي الفحوصات السريرية المتكررة عند سرير المريض، والتي تتطلب تواصلاً قريبًا ومباشرًا، إلى زيادة تعرض الممارسين الصحيين لمخاطر العدوى وخاصة أثناء تفشي الأمراض المعدية، في حين تتطلب الفحوصات عن بُعد وضع أجهزة الاستشعار بصورة آمنة وقابلة للتكرار فوق المريض المستلقي. وتفتقر الأنظمة الحالية إلى منصة متكاملة تعمل فوق سرير المريض وتجمع بين انخفاض كتلة الأجزاء المتحركة، وتصميم مساحة عمل قابلة للتحرك بآمان وسلاسة، والتحكم في الحركة ضمن قيود محددة. تهدف هذه الرسالة إلى تطوير وتقييم روبوت سريري معلّق ومدفوع بالكابلات (CDCR) للعمل فوق سرير المريض، وذلك من خلال النمذجة والمحاكاة، ليكون منصة تموضع مستقبلية لأجهزة الاستشعار التشخيصية. يتكون الروبوت من ثلاثة أزواج من الكابلات المتوازية وقضيب تلسكوبي سلبي مدعوم بنابض، بما يوفر ثلاث درجات حرية انتقالية مع تقييد دوران المنصة والحفاظ على الشد المسبق للكابلات. وقد تم تطوير نماذج للحركة، والاستاتيكا، والصلابة، والديناميكا، كما جرى تقييم مساحة العمل الهندسية ومساحة العمل القابلة لتحقيق شد الكابلات ضمن قيود شد الكابلات، وطول القضيب، وزاوية تأرجح المفاصل. كذلك أُجري تحسين هندسي قائم على خرائط الأطلس باستخدام مؤشري الأداء العالميين للتشغيل والتقييد. بعد ذلك، تم تقييم متحكم تناسبي–تفاضلي بعزم محسوب في فضاء المهمة، مع أوامر لشد الكابلات تعتمد على الديناميكا العكسية، وذلك باستخدام برنامج MATLAB ومسارات حركة مخططة. بالنسبة لمساحة العمل المختارة، التي يبلغ قطرها 1000 مم وارتفاعها 250 مم، أسفرت عملية التحسين عن نصف قطر للقاعدة مقداره 841.0793 مم، وارتفاع للنظام قدره 971.4051 مم، ونصف قطر للمنصة المتحركة مقداره 74.4719 مم. وتراوحت قيم شد أزواج الكابلات المأمور بها بين 33.822 و47.157 نيوتن، وظلت جميعها موجبة، في حين بلغ أقصى خطأ في الموضع الديكارتي 0.027731 م، وبلغ جذر متوسط مربع الخطأ 0.002815 م. تؤكد هذه النتائج، على مستوى المحاكاة، إمكانية دمج التصميم القائم على مراعاة مساحة العمل، والمحافظة على شد الكابلات بمساعدة النابض، والتحكم المقيد في المسار، لتحقيق تموضع متكرر فوق سرير المريض. كما توفر هذه الدراسة أساسًا لتطوير نموذج أولي مستقبلي ونظام مزود بأجهزة استشعار، مع الإشارة إلى أن المكونات المادية، وأجهزة الاستشعار التشخيصية، والأداء السريري لم تخضع للتحقق التجريبي في هذه الدراسة.

English Abstract

Repeated close-contact bedside assessments can increase clinician exposure during infectious-disease outbreaks, while remote assessment requires sensors to be positioned safely and repeatably above a supine patient. Existing systems lack an integrated over-bed platform combining low moving mass, safe design, and constrained motion control. This thesis develops and evaluates, through modeling and simulation, an over-bed suspended cable-driven clinical robot (CDCR) intended as a positioning platform above the patient’s bed for future diagnostic sensors. The robot comprises three pairs of parallel cables and a passive spring-supported telescopic rod, providing three translational degrees of freedom while constraining platform rotation and maintaining cable preload. Kinematic, static, stiffness, and dynamic models were formulated; geometric and tension-feasible workspaces were evaluated under cable-tension, rod-length, and joint-swing constraints; and atlas-based geometric optimization was performed using global actuation and constraint indices. A task-space computed-torque proportional-derivative controller with inverse-dynamics tension commands was then assessed in MATLAB using planned trajectories. For the selected 1,000 mm diameter and 250 mm-high task workspace, optimization yielded a base radius of 841.0793 mm, a robot height of 971.4051 mm, and a moving-platform radius of 74.4719 mm. Reported commanded cable-pair tensions remained positive between 33.822 and 47.157 N, while the maximum and root-mean-square Cartesian position errors were 0.027731 and 0.002815 m, respectively. These results establish the simulation-level feasibility of integrating workspace-aware design, spring-assisted tension maintenance, and constrained trajectory control for repeatable over-bed positioning. They provide a foundation for a future prototype and sensor-equipped system; hardware, diagnostic sensing, and clinical performance were not validated.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Muhammad Hawwa,
Thesis Committee Members:	Mahmoud Khater, Ali Nasir Latif,
Depositing User:	ALHASSAN AL-OWAIDHANI
Date Deposited:	12 Aug 2026 05:59
Last Modified:	12 Aug 2026 05:59
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144692